informe de proyecto, molino de disco- grupo v

UNIVERSIDAD AUSTRAL DE CHILE

FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA

INSTITUTO DE DISEÑO Y MÉTODOS INDUSTRIALES

de madera

INTEGRANTES:

SEBASTIÁN ÁLVAREZ B.PATRICIO ANTILEF B.ERNEY SILVA R.SERGIO NAVARRO C.

PROFESORES:

SR. MILTON LEMARIE O.SR. HÉCTOR NORIEGA F.SR. ROLANDO RÍOS R.

FECHA:

VIERNES 14 DE DICIEMBRE DEL 2012

Resumen

La Universidad Austral de chile, es una universidad tradicional privada, la cual se encuentra entre las 5 universidades mejor evaluadas académicamente a nivel nacional. Esta universidad tiene su sede principal en la ciudad de Valdivia, dividida en Campus isla Teja y Miraflores; en este último, se presenta la necesidad de implementar su laboratorio (IMPT).

El problema que debe solucionar el equipo de trabajo es; la carencia de un molino de discos, para desfibrar viruta de madera en el IMPT, para apoyar el aprendizaje de sus estudiantes. Para solucionar el problema, el equipo de diseño tomó como desafío diseñar un molino desfibrador de discos en su totalidad.

A continuación se presenta en resumen, el desarrollo del diseño de la máquina PANSER.

Aparte de los requerimientos del cliente, para diseñar una máquina de este tipo, el equipo de trabajo tuvo que introducirse en el tema de los desfibradores, para tener una noción más clara de la función que éstas realizan y poder llevar los requerimientos a especificaciones de ingeniería.

Ya adquirido los conocimientos previos, se procede a realizar conceptualmente la máquina, realizando bocetos de las partes que componen un desfibrador, para satisfacer los requerimientos entregados por los clientes.

Una vez diseñadas conceptualmente las distintas partes de la máquina, se comenzó a realizar los cálculos para determinar las diferentes fuerzas a las cuales estarán sometidas y así poder dar forma a cada uno de los elementos.

Obtenido los cálculos y con la ayuda del Software Creo elements/Pro, se comenzó a ensamblar las distintas piezas de la máquina, formando ésta como un conjunto, además, se realizaron diferentes tipos de análisis, para así cerciorarse que la máquina no sufrirá problemas producto de las cargas que interactúan en ella.

Finalmente el equipo de trabajo, tuvo la capacidad de diseñar un producto que cumple con los requerimientos de los clientes, enfocados en la seguridad, montaje, espacio físico y variedad del tamaño de las fibras.

1

1. Índice

1.1 Índice general

Resumen.........................................................................................................................1

1. Índice...........................................................................................................................2

1.1 Índice general........................................................................................................2

1.2 Índice de tablas......................................................................................................5

1.3 Índice de figuras.....................................................................................................6

2. Introducción.................................................................................................................8

3. Descubrimiento del proyecto.......................................................................................9

3.1 Elección del proyecto.............................................................................................9

3.1.1 Lista de situaciones.........................................................................................9

3.1.2 Puntuaciones y Criterios...............................................................................10

3.1.3 Resultados....................................................................................................11

3.1.4 Prioridad........................................................................................................12

3.2 Procesos de fabricación de pasta........................................................................13

3.2.1 Procesos de fabricación de pasta mecánica.................................................13

3.2.2 Clasificación de procesos mecánicos para producir pasta...........................14

3.3 Refinación de la fase...........................................................................................15

4. Problema de diseño y objetivos.................................................................................16

4.1 Definición del problema.......................................................................................16

4.2 Objetivos..............................................................................................................17

4.2.1 Objetivo general............................................................................................17

4.2.2 Objetivos específicos....................................................................................17

4.3 Justificación del proyecto.....................................................................................18

4.4 Alcances del proyecto..........................................................................................18

4.5 Limitaciones.........................................................................................................18

5. Planificación de proyecto...........................................................................................19

5.1 Metodología de trabajo........................................................................................20

5.1.1 Descubrimiento del producto.........................................................................20

5.1.2 Planificación del proyecto..............................................................................20

5.1.3 Definición del producto..................................................................................21

5.1.4 Diseño conceptual.........................................................................................21

5.1.5 Desarrollo del producto.................................................................................22

5.1.6 Soporte del producto.....................................................................................22

2

5.2 Plan de proyecto..................................................................................................23


6. Definición del producto..............................................................................................25

6.1 Desarrollo método QFD.......................................................................................25

6.1.1 Identificación de los clientes..........................................................................25

6.1.2 Obtención de los requerimientos...................................................................25

6.1.3 Determinación de la importancia de los requerimientos para cada cliente...26

6.1.4 Identificación y evaluación de la competencia..............................................26

6.1.5 Desarrollo de las especificaciones de ingeniería..........................................27

6.1.6 Relación entre los requerimientos y especificaciones de ingeniería.............27

6.1.7 Establecer la importancia y objetivos de las especificaciones......................28

6.1.8 Identificar relaciones entre las especificaciones de ingeniería.....................28

6.1.9 Matriz QFD....................................................................................................29

6.1.10 Interpretación de QFD.................................................................................30


7. Diseño conceptual.....................................................................................................34

7.1 Ingeniería inversa................................................................................................34

7.2 Descomposición funcional...................................................................................37

7.3 Generación de conceptos....................................................................................40

7.3.1 Uso de patentes............................................................................................40

7.3.2 Uso de expertos............................................................................................40

7.3.3 Morfología.....................................................................................................41

7.3.4 Conceptos generados...................................................................................44

7.4 Evaluación de conceptos.....................................................................................49

7.4.1 Matriz de Pugh..............................................................................................49

7.4.2 Concepto final...............................................................................................52


8. Justificación de sus elementos..................................................................................55

8.1 Motor....................................................................................................................55

8.2 Eje principal.........................................................................................................55

8.3 Porta-disco rotor..................................................................................................55

8.3.1 Disco-soporte................................................................................................55

8.3.2 Buje...............................................................................................................55

8.4 Porta-disco estático.............................................................................................55

8.5 Pernos..................................................................................................................56

8.6 Rodamientos........................................................................................................56

8.6.1 Rodamientos del eje principal..................................................................56

8.6.2 Rodamiento con soporte del buje..................................................................56

8.7 Acoplamiento eje-motor.......................................................................................56

3

8.8 Discos desfibradores...........................................................................................56

8.9 Carcasa................................................................................................................56

8.10 Tubo regulador...................................................................................................56

8.11 Abrazadera........................................................................................................57

8.12 Volante...............................................................................................................57

8.13 Base de la maquina...........................................................................................57

8.14 Sistema de advertencia y protección................................................................57

8.15 Sistema de regulación de los discos..................................................................58

9. Desarrollo del producto.............................................................................................64

9.1 Parámetros de diseño..........................................................................................64

9.1.1 Determinación de la capacidad.....................................................................64

9.1.2 Torque necesario para desfibrar viruta de madera.......................................65

9.1.3 Determinación de la potencia del motor y elección del motor......................68

9.1.4 Factor de seguridad......................................................................................71

9.2 Diseño de los elementos mecánicos...................................................................72

9.2.1 Calculo del eje principal y dimensionamiento...............................................73

9.2.2 Cálculos y dimensionamiento del porta-disco rotor.......................................92

9.2.3 Cálculo y elección de Pernos.....................................................................102

9.2.4 Cálculo y selección de rodamientos...........................................................104

9.2.6 Elección del acoplamiento eje-motor..........................................................107

9.2.7 Elección de los discos desfibradores..........................................................108

9.2.8 Elementos diseñados por el equipo de trabajo, respaldados según análisis en el software Creo elements...............................................................................108

9.2.8 .1 Carcasa...................................................................................................108

9.2.8.2 Tubo regulador........................................................................................109

9.2.8.3 Abrazaderas.............................................................................................109

9.2.8.4 Volante.....................................................................................................109

9.2.8.5 Base de la maquina..................................................................................109

9.3 Sistema eléctrico y electrónico..............................................................................110

10 Análisis del prototipo..............................................................................................111

11. Elección de la Soldadura, de acuerdo al material base a utilizar..........................124

12. Lista de materiales................................................................................................129

13. Soporte..................................................................................................................130

13. Conclusión.............................................................................................................133

14. Carta Gantt............................................................................................................134

13. Bibliografía.............................................................................................................135

14. Anexos...................................................................................................................137

4

1.2 Índice de tablas

Tabla 1. Lista de situaciones...........................................................................................9Tabla 2. Matriz de decisiones........................................................................................11Tabla 3. Prioridad de las situaciones.............................................................................12Tabla 4. Clientes............................................................................................................25Tabla 5. Requerimientos de los clientes........................................................................25Tabla 6. Evaluación de la competencia.........................................................................26Tabla 7. Especificaciones de ingeniería........................................................................27Tabla 8. Interpretación de la QFD (Guillermo Cárdenas)..............................................30Tabla 9. Interpretación de la QDF (Héctor Pesenti)......................................................31Tabla 10. Interpretación de la QFD (Richard Celis)......................................................32Tabla 11. Ingeniería inversa (Parte 1, Descripción del producto utilizado)...................34Tabla 12. Ingeniería inversa (Parte 2, Interfaz con otro objeto)....................................35Tabla 13. Ingeniería inversa (Parte 3, Flujo de materiales)...........................................36Tabla 14. Subfunciones y sub-subfunciones.................................................................37Tabla 15. Subfunciones y sub-subfunciones ordenadas...............................................38Tabla 16. Morfología (Parte 1).......................................................................................41Tabla 17. Morfología (Parte 2).......................................................................................42Tabla 18. Morfología (Parte 3).......................................................................................43Tabla 19. Coeficiente de importancia para los criterios.................................................50Tabla 20. Evaluación de las alternativas.......................................................................50Tabla 21. Evaluación de los conceptos.........................................................................50Tabla 22. Matriz de Pugh..............................................................................................51Tabla 23. Características de astilla a desfibrar.............................................................64Tabla 24. Datos de potencia para procesos de pasta...................................................66Tabla 25. Potencia requerida para algunos procesos...................................................66Tabla 26. Torque necesario para los procesos anteriores............................................67Tabla 27. Toma de decisiones......................................................................................67Tabla 28. Factores de seguridad...................................................................................72Tabla 29. Distancias en el eje.......................................................................................77Tabla 30. Masa del eje y los elementos considerados..................................................77Tabla 31. Cargas de fuerza sobre el eje.......................................................................77Tabla 32. Carga de momento sobre el eje....................................................................77Tabla 33. Resultado análisis modal. Fuente:Creo Elments.........................................113Tabla 34. Resultado análisis estático. Fuente:Creo Elments......................................113Tabla 35.Resultado análisis modal. Fuente:Creo Elments..........................................117Tabla 36.Asignación de material. Fuente:Creo Elments.............................................118Tabla 37. Resultado análisis modal. Fuente:Creo Elments.........................................121Tabla 38. Resultado análisis estático. Fuente:Creo Elments......................................122

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1.3 Índice de figuras

Figura 1. Tipos de pastas mecánicas a presentar.........................................................14Figura 2. Proceso de diseño mecánico.........................................................................19Figura 3. Plan de proyecto State Gate..........................................................................23Figura 4. Relación entre requerimientos y especificaciones de ingeniería...................27Figura 5. Matriz QFD.....................................................................................................29Figura 6. Función global................................................................................................37Figura 7. Descomposición funcional..............................................................................39Figura 8. Concepto 1.....................................................................................................44Figura 9. Concepto 2.....................................................................................................45Figura 10. Concepto 3...................................................................................................46Figura 11. Concepto 3 (Discos).....................................................................................47Figura 12.Concepto 4....................................................................................................48Figura 13. Concepto final..............................................................................................52Figura 37. Astilla de madera. (Espinillo)........................................................................64Figura 40. Diámetro exterior e interior. Fuente: Creo Elements....................................74Figura 41. Tabla norma DIN 5463. Fuente: Elementos de máquinas...........................74Figura 42. Situación eje.................................................................................................76Figura 43. Diagrama de cuerpo libre del eje.................................................................76Figura 44. Diagrama de corte........................................................................................80Figura 45. Diagrama de momento flector......................................................................80Figura 46. Diagrama de momento torsor.......................................................................80Figura 47. Punto a analizar en el eje.............................................................................83Figura 48. Coeficientes del factor de superficie. Fuente: (Budynas & Keith Nisbett, 2008)..............................................................................................................................84Figura 49. Factor de tamaño. Fuente: (Budynas & Keith Nisbett, 2008).......................85Figura 50. Factor de confiabilidad. Fuente: (Budynas & Keith Nisbett, 2008)...............86Figura 51. Factor de sensibilidad de la muesca (flexión). Fuente: (Budynas & Keith Nisbett, 2008)................................................................................................................86Figura 52. Factor de sensibilidad a la muesca (torsión). Fuente: (Budynas & Keith Nisbett, 2008)................................................................................................................87Figura 53. Factor de concentración de esfuerzos (Torsión). Fuente: (Budynas & Keith Nisbett, 2008)................................................................................................................88Figura 54. Factor de concentración de esfuerzos (Flexión). Fuente: (Budynas & Keith Nisbett, 2008)................................................................................................................88Figura 55........................................................................................................................91Figura 56........................................................................................................................92Figura 57. Porta-disco. Fuente: Creo Elements............................................................93Figura 58. Esfuerzos radiales y tangenciales en un disco. Fuente: (Feodosiev, 1980) 93Figura 59. Coeficientes del factor de superficie. Fuente: (Budynas & Keith Nisbett, 2008)..............................................................................................................................95Figura 60. Factor de tamaño. Fuente: (Feodosiev, 1980).............................................96Figura 61. Factor de confiabilidad. Fuente: (Budynas & Keith Nisbett, 2008)-.............97Figura 62. Factor de sensibilidad a la muesca (Torsión). Fuente: (Budynas & Keith Nisbett, 2008)................................................................................................................97Figura 63. Factor de concentración de esfuerzos a la fatiga. Fuente: (Budynas & Keith Nisbett, 2008)................................................................................................................98Figura 64. Buje estriado. Fuente: Creo Elements.......................................................100Figura 65. Buje estriado 1. Fuente: Creo Elements....................................................100Figura 66. Estrías en buje. Fuente: Creo Elements....................................................101Figura 67. Porta-disco. Fuente: Creo Elements..........................................................101Figura 68......................................................................................................................102

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Figura 69......................................................................................................................103Figura 75. Asignación de material. Fuente:Creo Elments...........................................111Figura 76. Restriccione. Fuente:Creo Elments............................................................111Figura 77. Cargas sobre eje. Fuente:Creo Elments....................................................112Figura 78.Carga de momento torsor. Fuente:Creo Elments.......................................112Figura 79. Esfuerzo von Mises. Fuente:Creo Elments................................................114Figura 80. Desplazamiento (Magnitud). Fuente:Creo Elments...................................114Figura 81. Indice de falla. Fuente:Creo Elments.........................................................114Figura 82. Vida logarítmica. Fuente:Creo Elments......................................................115Figura 83. Datos análisis de fatiga. Fuente:Creo Elments..........................................115Figura 84. Confidencia de vida. Fuente:Creo Elments................................................116Figura 85. Factor de seguridad de fatiga. Fuente:Creo Elments.................................116Figura 86. Restricciones en disco. Fuente:Creo Elments...........................................117Figura 87. Molino desfibrador de viruta. Fuente: Creo Elements................................118Figura 88. Restricciones en molino desfibrador. Fuente:Creo Elments......................119Figura 89. Cargas sobre molino desfibrador. Fuente:Creo Elments...........................120Figura 90. Tipo de soldadura a tope............................................................................125Figura 91. Tipo de soldadura filete..............................................................................125Figura 92. Soldadura insertada...................................................................................126Figura 93. Clasificación soldadura..............................................................................126Figura 94.Electrodos...................................................................................................127Figura 95. Carta Gantt. Fuente: Microsoft Proyect......................................................134

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2. Introducción

La ingeniería ha sido uno de los pilares fundamentales en la sociedad, desde las primeras civilizaciones hasta el mundo contemporáneo. A través del paso de los siglos, ha cobrado un papel más trascendente, pero quizás algo invisible; sin embargo, los ingenieros tienen en sus manos una gran responsabilidad, como lo es, la vida de muchas personas que probablemente jamás conocerán.

La ingeniería en sus inicios se encargaba de realizar grandes obras, entre otras tareas similares, las cuales se basaban en soportar cargas estacionaras, denominado comúnmente como estática.

Posteriormente con la aparición de estructuras y/o objetos que soportaban cargas a través del tiempo, se presentaron diversas situaciones que escapaban a la estática, tales como fallas repentinas, ruidos anormales, movimientos excesivos, entre otras tantas cosas, las cuales obligaron a los ingenieros a abarcar aquellas cargas en función del tiempo. Esto último se conoce como dinámica.

En la formación de los Ingenieros Civiles Mecánicos, se debe plasmar una formación íntegra que abarque los diversos retos a los se pueden ver enfrentados, por lo que la estática y la dinámica cobran un papel fundamental; sin embargo, se debe alcanzar otras características tales como trabajo en equipo, compañerismo, sinergia, entre otras. Es por esto que la Universidad Austral de Chile (UACh) entrega a sus estudiantes de Ingeniería Civil Mecánica una formación basada en problemas (del inglés, Problem Based Learning).

En este segundo semestre del 2012, el equipo de trabajo conformado por: Sebastián Álvarez, Patricio Antilef, Sergio Navarro y Erney Silva; desarrollarán un proyecto relacionado con dinámica, el cual nace del deseo de los docentes de la UACh, específicamente de los pertenecientes al Instituto de Materiales y Procesos Termomecánicos (IMPT) , por contar con una experiencia de desfibrado mecánico de viruta de madera (Tratada por proceso Termomecánico o Semiquímico), para sus alumnos, sin embargo esta experiencia se puede extender hacia el campo de la investigación.

Para realizar esto, el equipo de diseño utilizará el libro “The Mechanical Desing Process” (Ullman, 2010), en donde se puede acceder a buenas prácticas que ayudan al diseño de un producto de calidad.

Entre los procesos utilizados para obtener pasta de madera se encuentran, el Termomecánico y el Semiquímico. El primero consiste en elevar la temperatura de la viruta, con el objetivo de ablandecer la lignina que une las fibras de celulosa y así facilitar el desfibrado mecánico. En el segundo, se realiza un tratado químico previo, eliminando un porcentaje reducido de lignina para realizar posteriormente el desfibrado mecánico.

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3. Descubrimiento del proyecto

3.1 Elección del proyecto

Tras la gestión de los profesores Roberto Cárdenas, Rolando Ríos, Milton Lemarie y Héctor Noriega, se presenta una lista de situaciones, que provienen de distintas fuentes, siendo las más principales: Demanda de mercado, impulso tecnológico, cambio de producto, entre otros.

3.1.1 Lista de situaciones

N° Situación Lugar Encargado

1 Comportamiento dinámico del Gasificador Ed. 8000Profesor G. Serandour

2 Mesa vibratoria: Shaker Ed. 8000

3 Máquina tribológicaLab.

Materiales, IMPT

Prof. H. Pesenti

4 Tronzadora para metalografíaLab.

Materiales, IMPT

Prof. H. Pesenti

5Sistema descortezador: análisis de fallas (polines, ejes)

Celulosa Arauco

Ing. A. Boetcher

6Comportamiento de elementos de sistema de sujeción de harnero

Celulosa Arauco

Ing. A. Boetcher

7Análisis funcional de eje de máquina tupi para madera

Fac. Cs. Forestales,

UACh

Prof. Alfredo Aguilera

8Diseño de un sistema para ensayos mecánicos con cargas cíclicas para marcos de puertas, ventanas, camas, etc.

ROMIRO

9Diseño de un molino de discos para desfibrar celulosa.

Lab. Materiales,

IMPT

Prof. H. Pesenti

10Rediseño del sistema de transporte de astillas de pino y eucaliptus

Celulosa Arauco

Ing. A. Boetcher

11Análisis funcional de barras inyectores de máquina finger

Remanufactura Arauco

Ing. Luis Álvarez

12Comportamiento de la estructura del triturador de astillas.

Remanufactura Arauco

Ing. Luis Álvarez.

13 Análisis de tornillo sin fin de alimentación siloRemanufactur

a AraucoIng. Luis Álvarez.

14 Transportador vibratorio de despuntesAserraderos

AraucoIng. Carlos

Ojeda.

15 Cables de sujeción de cubo.Aserraderos

AraucoIng. Carlos

Ojeda.

16 Mesa alimentación de trozos, sección InterlogAserraderos

AraucoIng. Carlos

Ojeda.Tabla 1. Lista de situaciones

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La elección del proyecto se efectuó por una matriz de decisión, en la cual se establecieron una serie de criterios, los que arrojaron puntajes para cada situación, indicando así, las mejores opciones a elegir.

3.1.2 Puntuaciones y Criterios

3.2.2.1 Puntuaciones

Favorece: Si el equipo de trabajo se siente capaz de lidiar o desarrollar la situación presentada y se beneficia con las condiciones de trabajo.

Neutral: Si el equipo de trabajo, pese a no tener buenas condiciones de trabajo, es capaz de desarrollar el proyecto satisfactoriamente.

Desfavorece: Si en el equipo de trabajo, se presenta dificultad para una buena realización del proyecto.

3.2.2.2 Criterios

Distancia: Distancia del lugar físico donde se contempla la situación, teniendo como punto de referencia la FCI. Entonces,

Favorable (1): Cercano (Dentro de la facultad).Neutral (0): Regular (En la ciudad de Valdivia).Desfavorable (-1): Lejano (Fuera de Valdivia). Tipo de Proyecto: Tiene que ver con el tipo de proyecto a realizar. Favorable (1): Diseño (Crear un producto nuevo).Neutral (0): Rediseño (Modificar un producto para que cumpla su función).Desfavorable (-1): Optimización (Mejorar un producto ya existente). Lugar de trabajo: Si el lugar en donde se ubica la situación permite realizar el

trabajo y las visitas con comodidad. Favorece (1): Cerrado (Espacio cerrado completamente).Neutral (0): Bajo techo (Solamente con techumbre).Desfavorece (-1): Intemperie (Al aire libre). Información: Cantidad de información, de fácil acceso y disponible. Favorable (1): Mucha.Neutral (0): Regular.Desfavorable (-1): Poca.

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Levantamiento de datos: Facilidad para recopilar datos e información de la situación actual del sistema. Generalmente para diseñar u optimizar un producto se basa en su tamaño, ubicación, etc. Y en el diseño de un producto se basa en encuestas o formularios.

Favorable (1): Tamaño chico, ras de suelo, piezas visibles, disponibilidad del cliente.Neutro (0): Tamaño medio y poca disponibilidad del cliente.Desfavorable (-1): Tamaño grande, gran altura, piezas escondidas, precaria disponibilidad del cliente.

Teoría: Son las materias que se deben considerar para el desarrollo de

proyecto.

Favorable (1): La situación contempla solamente las asignaturas vistas actualmente.Neutro (0): Se requiere materia adicional a la vista en el semestre.Desfavorable (-1): Es necesario materias de cursos superiores.

3.1.3 Resultados

Mediante el uso de los criterios y los puntajes expuestos anteriormente el equipo de trabajo confeccionó la siguiente matriz de decisiones.

Criterios

P DistanciaTipo de proyecto

Lugar de trabajo

InformaciónLevantamiento de datos

Teoría Total Ranking

1 1 -1 0 0 1 0 1 42 1 -1 1 -1 1 0 1 43 1 1 1 1 0 1 5 14 1 1 1 1 0 1 5 15 -1 0 0 1 0 1 1 46 -1 0 1 -1 -1 1 -1 67 0 -1 0 1 1 1 2 38 0 1 0 0 0 0 1 49 1 1 1 -1 1 0 3 2

10 -1 0 0 -1 -1 -1 -4 811 -1 0 1 1 -1 0 0 512 -1 0 -1 0 -1 1 -2 713 -1 0 -1 1 -1 1 -1 614 -1 0 1 -1 -1 1 -1 615 -1 -1 1 0 -1 1 -1 616 -1 0 -1 1 -1 1 -1 6

Tabla 2. Matriz de decisiones

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3.1.4 Prioridad

En base a los resultados anteriores y con el aporte de cada miembro del equipo de trabajo se realizó el ranking de las situaciones.

Ranking Situación

1 Máquina tribológica2 Tronzadora para metalografía3 Diseño de un molino de discos para desfibrar viruta de madera4 Análisis funcional de eje de máquina tupi para madera5 Comportamiento dinámico del Gasificador6 Sistema descortezador: Análisis de fallas (polines, ejes)7 Mesa vibratoria: Shaker

8Diseño de un sistema para ensayos mecánicos con cargas cíclicas para marcos de puertas, ventanas, camas, etc.

9 Análisis funcional de barras inyectores de máquina finger10 Comportamiento de elementos de sistema de sujeción de harnero11 Análisis de tornillo sin fin de alimentación silo12 Transportador vibratorio de despuntes13 Cables de sujeción de cubo.14 Mesa alimentación de trozos, sección Interlog15 Comportamiento de la estructura del triturador de astillas.16 Rediseño del sistema de transporte de astillas de pino y eucaliptus

Tabla 3. Prioridad de las situaciones

El proyecto elegido fue la tercera prioridad del ranking.

Para el presente proyecto se elige una situación que claramente nace de la demanda del mercado, ya que el cliente requiere de un nuevo producto que satisfaga su necesidad. “La demanda del mercado se produce cuando hay demanda de los clientes de nuevos productos o características del producto” (Ullman, 2010).

Mediante un análisis FODA1 y uno Pro-Con2 se comprobó que el equipo de diseño, tiene las herramientas y habilidades que permiten desarrollar el proyecto de un molino de disco desfibrador de viruta de madera. Además se realizó una propuesta del producto3.

1 En Anexos2 En Anexos3 En Anexos

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3.2 Procesos de fabricación de pasta4

Los procesos de fabricación de pasta de madera, se basan en la separación de las fibras que componen la madera, utilizando diversos procesos, que eviten romper o dañar las fibras. Generalmente existen dos tipos de procesos, los cuales se diferencian por el tipo de energía que emplea cada uno, Química o Mecánica.

Procesos de fabricación de pasta Química: Se emplean reactivos químicos para separar las fibras. Se dividen en dos categorías:

- Pastas químicas: El proceso se basa netamente en el empleo de reactivos químicos, sin necesidad de otro proceso.

- Pastas semiquímico: Se emplea un tratamiento químico suave, por lo cual es necesario aplicar energía mecánica para completar la separación de las fibras.

Procesos de fabricación de pasta mecánica: Se emplea solo energía mecánica para separar las fibras.

Las propiedades y usos de las pastas son diferentes, en general las pastas químicas se caracterizan por ser más resistentes, pero, las pastas mecánicas tienen un alto rendimiento (superior al 85 %) y presentan buenas características para la impresión en calidad de papel.

Para el presente proyecto solo importa describir el proceso de fabricación de pasta semiquímico y pasta mecánica, que son los procesos donde se utilizara el molino desfibrador de viruta de madera.

3.2.1 Procesos de fabricación de pasta mecánica

El objetivo es desfibrar la madera con el mayor rendimiento. No se extrae la lignina (componente que da rigidez a la madera), solo se ablandece.

Existen diversos procesos mecánicos para desfibrar la madera (Figura 2) y muchas clasificaciones de pastas; que tienen en cuenta otros aspectos en el proceso, como el tipo de desfibrador, presión en el desfibrado o la impregnación química del desfibrado (pastas semiquímico).

Cuando los troncos de madera previamente descortezados, se ponen en contacto con una muela de rotación, que presenta una superficie abrasiva y rugosa se les denomina pastas de muela. Si el proceso consiste en emplear discos desfibradores, alimentados directamente con madera en forma de astillas, viruta o chips, entonces se le denomina pastas de refinador.

4 Extraído de http://www.ucm.es/BUCM/tesis/qui/ucm-t27373.pdf

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SGW

PSGW CTMPCRMP

TMPRMP

Pasta Mecánica

Pasta de muela

Pasta de refinador

3.2.2 Clasificación de procesos mecánicos para producir pasta.

Los procesos mecánicos pueden ser, con o sin pre tratamiento químico (Semiquímico).

Procesos mecánicos sin pre-tratamiento químico:

SGW (Stone Ground Wood):

En este tipo de pastas, los troncos de madera descortezados; se someten a la acción de una muela en rotación con una superficie abrasiva y rugosa, que desprende las fibras de la superficie del tronco.

Las fibras están sometidas a fuerzas de compresión cuando el grano de la muela pasa sobre ellas. Además, el roce con la muela genera calor y se alcanza temperaturas elevadas, que reblandecen la lignina y favorecen la separación de las fibras. Para evitar un gran aumento de temperatura, la muela se rocía con agua.

PSGW

Es el mismo proceso anterior, pero este proceso puede llevarse a cabo a presión atmosférica o bajo presión.

RMP

Para mejorar la separación de las fibras y obtener pastas más resistentes, se emplea desfibradores de discos, alimentados con madera en forma de astillas; que se introducen en el desfibrador, donde unos discos en rotación las someten, repetidamente, a fuerzas de compresión y de cizalle. Como consecuencia de lo anterior, se desfibra la madera y posteriormente se refina.

14

Figura 1. Tipos de pastas mecánicas a presentar.

TMP

Si el desfibrado se lleva a cabo bajo presión, y por tanto a temperaturas superiores a los 100 º C, las pastas obtenidas reciben el nombre de pastas termomecánicas.

Procesos mecánicos con pre tratamiento químico (Semiquímico)

CTMP O QTMP

Previo al tratamiento mecánico, se les da un tratamiento químico suave a las astillas y las pastas reciben el nombre de Pastas Químico Termo Mecánicas.

CRMP O QRM

Son pastas variantes de los procesos TMP o RMP, respectivamente, a las cuales previamente se les aplica un pre-tratamiento químico.

3.3 Refinación de la fase

En la elección del proyecto, se decidió escoger la tercera prioridad del ranking, por lo que en un primer momento, el proyecto no estaba contemplado como primera opción.

Gracias a la visita realizada al cliente, investigación del tema y por el desarrollo de los análisis FODA y Pro – Con se comprobó que el proyecto es idóneo para el equipo de trabajo.

15

4. Problema de diseño y objetivos

4.1 Definición del problema

El problema que debe solucionar el equipo de trabajo es; la UACh carece de un molino de discos, para desfibrar viruta de madera en el IMPT, para apoyar el aprendizaje de sus estudiantes.

La carencia de un molino de disco desfibrador de viruta de madera en el IMPT, surge de que actualmente se debe enviar la viruta a Concepción, porque en la región solo existen equipos de carácter industrial, lo que implica que las cantidades y características de las muestras no sean adecuadas para sus respectivos procesos o análisis.

Como los estudiantes son el corazón del quehacer de la UACh, es de suma importancia contar con experiencias teórico-prácticas que permitan una enseñanza de calidad. Además, al contar con un molino desfibrador, la universidad puede potenciar aspectos, tales como las tesis e investigaciones aplicadas.

16

4.2 Objetivos

4.2.1 Objetivo general

Diseñar un molino de disco desfibrador de viruta de madera.

4.2.2 Objetivos específicos

Identificar los clientes y el problema que les concierne.

Extraer los requerimientos de los clientes y llevarlos a especificaciones de ingeniería.

Generar conceptos en base a funciones, evaluarlos y seleccionar los que conducen a un producto de calidad.

Comprobar el diseño mediante un prototipo virtual, analizando su comportamiento frente a cargas estáticas y dinámicas.

Elaborar documentación técnica para la manufactura y uso del producto.

17

4.3 Justificación del proyecto

La UACh, forma a sus estudiantes mediante clases teórico-prácticas, apoyando la formación y fomentando la investigación de sus estudiantes y docentes.

Dentro de las principales actividades económicas de la región se encuentra el sector forestal, en donde se procesa la madera con diversos fines.

Es así, como la UACh siempre se ha destacado por la docencia e investigación que lleva a cabo en esta área, entre los temas, se encuentra el estudio de la viruta de madera.

Para poder desfibrar viruta de madera, se tiene que enviar a un laboratorio ubicado en Concepción, ya que en la región existen desfibradores de carácter industrial y de gran tamaño, que no son propicios para fines académicos, esto implica gastos tantos de envío, proceso u otros. Además, conlleva a que los análisis se realicen con lentitud.

Basado en lo anterior, se establece la necesidad de: realizar el proceso en el laboratorio de Materiales, ubicado en el Instituto de Materiales y Procesos Termomecánicos (IMPT) de la Facultad de Ciencias de la Ingeniería del Campus Miraflores, exclusivo para los estudiantes de la UACh.

4.4 Alcances del proyecto

El proyecto se enfoca en la formación académica de los alumnos de la UACh; sin embargo, docentes y funcionarios, también serán beneficiados con éste proyecto.

4.5 Limitaciones

El desarrollo del proyecto se rige por diversos factores entre los cuales se cuentan: tiempo, adaptación al tamaño del laboratorio y además de tener un costo que no supere el 65% del precio comercial de un equipo.

18

5. Planificación de proyecto

La planificación de proyecto se basa en las seis fases del proceso de diseño mecánico que se presenta en (Ullman, 2010).En la figura 1 se encuentran las fases.

En esta etapa se establece una metodología de trabajo, para una óptima distribución de los recursos humanos en el desarrollo de las tareas.

El desarrollo del proyecto, está constituido por las seis etapas principales del proceso de diseño, donde existen diversas actividades a desarrollar.

Figura 2. Proceso de diseño mecánico

19

Descubrimiento del producto

Planificación del proyecto

Definición del producto

Diseño Conceptual

Desarrollo del producto

Soporte del producto

5.1 Metodología de trabajo

5.1.1 Descubrimiento del producto

En esta etapa se selecciona el proyecto a desarrollar, se define el problema que lo encierra y se establecen sus objetivos.

Tras tener una lista de situaciones, se establece una serie de criterios que permiten la evaluación y posterior elección del proyecto. Se justifica la decisión tomada por medio de los análisis FODA y PRO-CON. Luego de estar seguro de la viabilidad del proyecto elegido, se procede a identificar la fuente que impulsa la creación del producto, lo que ayuda a establecer la necesidad que se debe satisfacer.

Las actividades a realizar en esta etapa son las siguientes:

Elección de un proyecto

Establecer criterios Evaluar las situaciones frente a los criterios Clasificar proyectos

Definición del problema y objetivos de diseño

Definición del problema Definición de los objetivos Justificación del proyecto Alcance del proyecto Limitaciones del proyecto

5.1.2 Planificación del proyecto

El objetivo es programar los recursos de tiempo, económicos y de personal.

Se determina el tipo de plan de proyecto y se establece una metodología de trabajo. Las actividades son organizadas en una carta Gantt (Tabla 22).

Las actividades de esta etapa son las siguientes:

Metodología de trabajo Elección de un plan de trabajo Desarrollo Carta Gantt

20

5.1.3 Definición del producto

La tercera etapa tiene como objetivo principal entender el problema y en base a esto, se toman buenas decisiones que encaminen a una solución de calidad.

Para llevar a cabo lo mencionado anteriormente es necesario cumplir cuatro pasos:

Identificación de los clientes Obtención de los requerimientos Determinación de la importancia de los requerimientos para cada cliente Identificación y evaluación de la competencia Desarrollo de las especificaciones de ingeniería Relación entre los requerimientos y especificaciones de ingeniería Establecer la importancia y objetivos de las especificaciones Identificar relaciones entre las especificaciones de ingeniería

Finalmente se plasma todo lo anterior en la matriz QFD, para cumplir el objetivo mencionado al principio.

5.1.4 Diseño conceptual

En esta fase, el objetivo es generar diversos conceptos que permitan resolver de mejor manera el problema.

Estos están basados en el entendimiento del problema alcanzado en la fase anterior, por lo que, se requiere encontrar y definir la función global del producto y sus subfunciones, además de su diagrama funcional.

Posteriormente, se trabaja con varias técnicas que permiten generar conceptos, en base a un conjunto de subfunciones, los cuales finalmente, se combinan en uno, para su posterior desarrollo.

Las actividades que contempla esta etapa son las siguientes:

Generación de conceptos

Definición de la función global del producto. Uso de la ingeniería inversa. Descomposición funcional del sistema. Selección de los métodos para generar conceptos. Realización de los conceptos.

Evaluación de conceptos (Matriz de Pugh)

Selección de alternativas a comparar. Selección de los criterios para la comparación. Desarrollo de la importancia relativa para los criterios. Evaluación de las alternativas. Cálculo de la satisfacción y decisión.

21

5.1.5 Desarrollo del producto

El objetivo de esta etapa, es desarrollar el concepto final, estudiando los efectos que producen en él las diversas cargas (estáticas y dinámicas). Después, se determina su comportamiento frente a estas cargas, mediante el software Creo Elements 2.0, para asegurar su buen funcionamiento. También se definirán los materiales que se ocuparan en él.

Las actividades que se desarrollaran en esta etapa son las siguientes:

Forma del producto

Cálculos estáticos. Cálculos dinámicos.

Materiales

Lista de materiales a ocupar.

Análisis Análisis estático. Análisis dinámico. (Modal, Fatiga, etc.)

5.1.6 Soporte del producto

El objetivo en esta etapa es proveer información útil a los clientes involucrados con el producto.

Esto considera la confección de planos individuales y de conjunto, para una correcta fabricación, además, de manuales de mantención y uso, con el fin de asegurar la correcta operación por parte de los usuarios.

Las actividades a realizar son las siguientes:

Generar documentación detallada para la manufactura

Planos individuales. Planos de conjunto.

Manuales para la operación y mantención del producto

Guía de uso.

22

5.2 Plan de proyecto

La planificación, es el proceso usado para desarrollar un esquema, programar y distribuir los recursos de tiempo, dinero y personas.

Con lo anterior, se reconoce la importancia que tiene la planificación, y por ende la forma que esta seguirá. Así, el equipo de trabajo ha de decidir entre los planes presentados en el libro guía: “Plan State Gate” o “Plan espiral”.

El plan State Gate beneficia al proyecto, pues se ajusta mejor al proceso de diseño mecánico, ya que es secuencial y tiene un punto de decisión entre etapas, el cual permite revisar y evaluar el trabajo realizado, y si es necesario, agregar más tiempo para mejorar la etapa.

El plan espiral, es más adecuado para el desarrollo de software, donde el desarrollo de prototipos es mucho más rápido que el diseño mecánico.

En base a lo ya declarado, el equipo de trabajo decide desarrollar un plan de proyecto State Gate.

Figura 3. Plan de proyecto State Gate

23


En esta etapa del proceso de diseño mecánico, se dio especial énfasis a la elección del plan de trabajo, ya que, es fundamental definir correctamente la manera en la cual se llevarán a cabo las tareas y el proyecto en general.

Por otro lado, se agregaron diversas actividades a las fases establecidas en el proceso de diseño; con el fin de que sea más completo, íntegro y específico.

En vista a lo anterior, el equipo de trabajo decide avanzar a la siguiente fase del proceso de diseño.

24

6. Definición del producto

En esta etapa, se utiliza la herramienta denominada matriz QFD (Quality Function Deployment), la cual es un método que permite organizar la información recopilada, para su posterior análisis.

El objetivo de la definición del producto, es entender el problema y sentar las bases para el resto del proyecto de diseño.

6.1 Desarrollo método QFD

6.1.1 Identificación de los clientes

El primer paso en la definición del producto, es identificar los clientes, los cuales son personas que están directa o indirectamente relacionadas con el producto en todo su ciclo de vida. El procedimiento desarrollado por el equipo de trabajo, fue observar las personas posiblemente involucradas y establecer las que realmente se relacionan con el producto.

Los clientes que se obtuvieron fueron los siguientes:

Clientes

1. Guillermo Cárdenas (Director IMPT)

2. Héctor Pesenti (Docente UACh)

3 .Richard Celis (Estudiante)Tabla 4. Clientes

6.1.2 Obtención de los requerimientos

Una vez identificados los clientes, el siguiente paso es escuchar la voz del cliente (Ullman, 2010), con el fin de dar respuesta a: ¿Qué es lo que quieren los clientes?, para obtener sus requerimientos.

El equipo de trabajo extrajo los requerimientos en base a encuestas (Voz del cliente) y entrevistas.

Los requerimientos son:

Requerimientos de los clientes

1. Costo menor al precio comercial de los equipos.

2. Que el tamaño del producto sea apto para el laboratorio de materiales.

3. Producto seguro para los usuarios y cualquier persona cercana a él.

4. Fácil operación del producto.

5. Fácil montaje y desmontaje de los discos.

6. Variedad de tamaño de la fibra obtenida.

25

7. Aumentar el rendimiento de la producción con respecto a otros métodos.Tabla 5. Requerimientos de los clientes

6.1.3 Determinación de la importancia de los requerimientos para cada cliente

La importancia de cada requerimiento, aporta en el entendimiento el problema.

En la matriz QFD, se generó un factor de ponderación que va de 1 a 100, en donde los clientes distribuyen puntos para cada requerimiento, de acuerdo a sus criterios, obteniendo su importancia relativa. Al haber, más de un cliente, se crean discrepancias en las necesidades de cada uno, por ello estas divergencias deben ser resueltas al comienzo del proceso de diseño, con el propósito de minimizar los posibles cambios más adelante.5

6.1.4 Identificación y evaluación de la competencia

Se identificó como competencia, a la máquina desfibradora tipo laboratorio de la Universidad de Concepción (UdeC). En el mercado actual, estas máquinas son construidas principalmente para la industria (en contraste con lo exigido por los clientes). El desfibrador de la UdeC, desarrollado por ellos mismos, es el más cercano a Valdivia, por lo que el equipo de trabajo debe superar las características de aquella máquina, aunque con el solo hecho de tener la maquina en la universidad ya sería un gran punto a favor, puesto que no necesitaría más del servicio de la competencia.

El objetivo de evaluar la competencia, es determinar cómo satisface los requerimientos de los clientes.

Esta información se obtuvo gracias al profesor Marcos Torres U. (Facultad de Ciencias Forestales de la UACh); quien trabajó con el desfibrador de la UdeC.

Para ello se pondera una escala de 1 a 5, la cual se rige por los siguientes valores:

1 = Muy malo.2 = Malo.3 = Ni bueno/ni malo.4 = Bueno.5 = Muy bueno.

En base a información entregada por los clientes y adquirida por medio de investigación, se procedió a evaluar la competencia, dando los siguientes puntajes:

Requerimientos Competencia

Costo menor al precio comercial de los equipos 2Que el tamaño del equipo sea apto para el laboratorio de materiales 4Producto seguro para los usuarios y cualquier persona cercana a él 2Fácil operación del producto 4Fácil desmontaje y montaje de los discos 5Variedad de tamaño de la fibra obtenida 4Aumentar el rendimiento de la producción con respecto a otros métodos 3

5 Ver Anexos.

26

Tabla 6. Evaluación de la competencia.

6.1.5 Desarrollo de las especificaciones de ingeniería

Cuando se habla de especificaciones de ingeniería, se debe hacer la siguiente pregunta, ¿Cómo se deben cumplir cada uno de los requerimientos de los clientes?

Para dar respuesta a la pregunta, el equipo de trabajo, generó diversas especificaciones de ingeniería (Tabla 7), en base a los requerimientos obtenidos en pasos anteriores. La finalidad de generar especificaciones de ingeniería, es cuantificar los requerimientos del cliente. “Estas especificaciones son la traducción de la voz de los consumidores a la voz de los ingenieros” (Ullman, 2010)

A continuación se presenta una tabla donde se pueden observar las especificaciones de ingeniería, unidad de medida y mejoría de cada especificación, es decir, si después de haber asignado un parámetro a la especificación, es mejor que esté bajo el parámetro ( ) o sobre el parámetro ( ).

Especificación Medida Característica

Costos del producto. Millones de pesos (M$)Largo del producto. Metros (m)Ancho del producto. Metros (m)Alto del producto. Metros (m)Pasos para operar el producto. Número (N°)Rendimiento de la producción. Porcentaje (%)Distancia mínima entre los discos. Milímetros (mm)Duración de los discos. Meses (mes)Cantidad elementos de seguridad de producto. Número (N°)Pasos para cambiar los discos. Número (N°)

Tabla 7. Especificaciones de ingeniería.

6.1.6 Relación entre los requerimientos y especificaciones de ingeniería

En este paso, se evalúa la relación que existe entre los requerimientos y las especificaciones de ingeniería mediante símbolos.

27

Figura 4. Relación entre requerimientos y especificaciones de ingeniería

6.1.7 Establecer la importancia y objetivos de las especificaciones

En este paso se establece la importancia que le confieren los clientes a cada especificación de ingeniería, además de cuantificar como la competencia cumple las especificaciones de ingeniería, lo cual da una base para determinar los objetivos numéricos y umbrales para cada especificación.

6.1.8 Identificar relaciones entre las especificaciones de ingeniería

Las relaciones que pueden existir entre las especificaciones de ingeniería, son convenientes determinarlas temprano en el proceso de diseño, ya que se pueden afectar de manera positiva o negativa entre sí, repercutiendo en el diseño del producto.

Se ocupan signos positivos y negativos, para cuantificar estas relaciones que se ubican en el techo de la matriz QFD.

28

6.1.9 Matriz QFD

A continuación, se presenta la matriz QFD, desarrollada por el equipo de trabajo.

29

Figura 5. Matriz QFD.

6.1.10 Interpretación de QFD

Con el objetivo de extraer información importante de la matriz QFD, el equipo de trabajo interpretó los porcentajes máximos y mínimos que se obtuvieron de cada cliente, para las respectivas especificaciones de ingeniera, además de su relación con los requerimientos propuestos.

Guillermo Cárdenas:

PonderaciónEspecificación de ingeniería

Relación Requerimiento

Má

xim

o

19,1 %Distancia mínima entre los discos

FuerteVariedad de tamaño de la

fibra obtenida

Mín

imo

6,4 % Costo del producto FuerteCosto menor al precio

comercial de los equipos

6,4 %Rendimiento de la

producciónFuerte

Aumentar el rendimiento de producción con respecto a

otros métodos

Tabla 8. Interpretación de la QFD (Guillermo Cárdenas)

Debido a que el cliente es el director del IMPT, se puede inferir que su interés es proporcionar un equipamiento que satisfaga diversas necesidades de sus estudiantes y profesores; cumpliendo un requerimiento importante para él, como lo es, Variedad de tamaño de la fibra obtenida.

Además se puede observar, que el cliente no da mayor importancia al costo del producto, esta especificación tiene fuerte relación con el requerimiento, Costo menor al precio comercial de los equipos.

30

Héctor Pesenti:

PorcentajeEspecificación de ingeniería

Relación Requerimiento

Má

xim

o

17,4 %

Cantidad de Elementos de seguridad del

producto

FuerteCosto menor al precio comercial

de los equipos

FuerteProducto seguro para los

usuarios y cualquier persona cercana a él

Media Fácil operación del producto

Mín

imo

3,3 %Rendimiento de la

producciónFuerte

Aumentar el rendimiento de la producción con respecto a otros

métodos

Tabla 9. Interpretación de la QDF (Héctor Pesenti)

Héctor Pesenti, como profesor del IMPT, requiere de un equipo económicamente accesible, de fácil operación y que otorgue seguridad a sus estudiantes, con el objetivo de cumplir cada uno de estos requerimientos se debe dar énfasis al número de elementos de seguridad, la cual es una especificación de ingeniería, que tiene un grado de relación con los requerimientos presentados en la tabla.-

Más que el rendimiento, a este cliente le interesa que el alumno tenga la experiencia de trabajar con un desfibrador, tal vez, ese sea uno de los motivos de la poca importancia por el rendimiento de la producción en comparación a otros métodos.

31

Richard Celis:

PorcentajeEspecificación de ingeniería

Relación RequerimientoM

áxi

mo

26,3 %

Cantidad de elementos de seguridad del

producto

FuerteCosto menor al precio

comercial de los equipos

FuerteProducto seguro para los

usuarios y cualquier persona cercana a él

Media Fácil operación del producto

Mín

imo

2,1 %Distancia mínima entre los discos

FuerteVariedad de tamaño de la

fibra obtenida

Tabla 10. Interpretación de la QFD (Richard Celis)

Richard Celis es un alumno tesista, que necesita con urgencia de la máquina, para llevar a cabo sus análisis. Esto implica que el costo del producto sea menor al precio comercial, para que así la Universidad designe recursos en la obtención de la máquina.

Además el cliente desea una máquina fácil de operar y que otorgue seguridad para él, contribuyendo a realizar sus análisis de forma eficaz y confiable.

Con el objetivo de cumplir cada uno de estos requerimientos se debe dar énfasis al número de elementos de seguridad, la cual es una especificación, que tiene un grado de relación con los requerimientos presentados en la tabla.-

Se observa que el cliente asigna menor importancia a la Distancia mínima entre los discos, ya que a él, solo le interesa obtener la fibra, sin importar el tamaño de ésta, ya que él no requiere de variedad de tamaños, sino un largo máximo de fibra.

32


Durante el desarrollo de la presente etapa, se debieron modificar varias veces las especificaciones de ingeniería generadas por el equipo de trabajo, ya que con el paso de los días, se encontró información que permitió mejorar o simplemente eliminar las especificaciones que no se podían medir correctamente.

A medida que se fueron realizando las visitas a los clientes, especialmente a Richard Celis, se logró una mayor compresión del problema, lo que benefició al desarrollo de la QFD.

Con lo mencionado anteriormente, se procedió a continuar con la siguiente etapa del proceso de diseño mecánico.

33

7. Diseño conceptual

El objetivo de la etapa del proceso de diseño, es usar la información adquirida en etapas previas, como base para la generación de conceptos, donde es necesario determinar lo que el producto debe hacer.

Primeramente se descompondrá funcionalmente el producto, para el posterior estudio de cada una de sus componentes. A través de diversos métodos se generan conceptos y mediante la matriz de Pugh se eligen los mejores.

7.1 Ingeniería inversa

Es un método para entender el funcionamiento de un producto ya existente, examinando la interfaz entre las diversas piezas e identificando flujos de energía, información y material, para así determinar si en cada pieza existe algún tipo de estos flujos.

Fue necesario encontrar un producto que se asemeje a lo pedido por el cliente, por lo que se realizó una ingeniería inversa a un desfibrador de doble disco (Aikawa,1996).

Ingeniería inversa para entender la función

Organización Diseño: Grupo 5 Fecha: 28.09.2012

Producto descompuesto: Refinador de doble disco (United States Patent 5762275, June 9, 1998) (Aikawa, 1996).Descripción: Elemento mecánico utilizado para desfibrar viruta de madera, con el objetivo de producir pasta de madera.Cómo funciona: La viruta de madera es ingresada por la entrada (9) y (10), la cual cae hasta la cámara (4) y (5) y es desfibrada por los discos estacionarios (1) y (2) y el disco giratorio (3). El disco giratorio (3), está conectado a un eje de accionamiento (6), que está unido mediante un acoplamiento (12) a un segundo eje de accionamiento (13) de un motor (7), que proporciona movimiento al disco (3), y a su vez éste está apoyado en una base (14). La viruta ya desfibrada cae a una cámara de combinación (11), donde finalmente sale por un orificio de descarga (8).

34

Tabla 11. Ingeniería inversa (Parte 1, Descripción del producto utilizado)

Interfaz con otro objeto

Parte#

Nombre de la parte

Otro objeto Flujo de energíaFlujo de

informaciónFlujo de material

9 Entrada 1 Viruta -Revisión de llenado de

las cámaras

Trasladar viruta

10 Entrada 2 Viruta -Revisión de llenado de

las cámaras

Trasladar viruta

4 Cámara 1 VirutaPresión de viruta, energía cinética, energía térmica

- Sostener viruta

5 Cámara 2 VirutaPresión de viruta, energía cinética, energía térmica

- Sostener viruta

11Cámara

combinaciónViruta

Energía cinética, potencial.

-Mezclar viruta

de ambas cámaras

8Orificio de descarga

Viruta Energía cinética,Visualización del usuario

Trasladar viruta

desfibrada

14 Base MesaEnergía

mecánica de deformación

- -

7 MotorMesa,

usuarioEnergía cinética, energía mecánica

Señal eléctrica

-

Tabla 12. Ingeniería inversa (Parte 2, Interfaz con otro objeto)

35

Flujo de materiales

Parte#

Nombre de la parteParte de

la interface.

Flujo de energía, información, material.

1 Disco estacionario 1 4 Encargada de sostener el disco

2 Disco estacionario 2 5 Encargada de sostener el disco

3 Disco giratorio 6 Transmite la energía rotatoria

4 Cámara de entrada 1 9,1Contener la viruta para que interactúe con el

disco estacionario

5 Cámara de entrada 2 10,2 Contener la viruta para que interactúe con el disco estacionario

6 Eje de accionamiento 1 12,3Transmitir rotación del motor y movimiento axial

al disco giratorio

7 Motor 13Transmite movimiento rotacional al eje de

accionamiento 2

8 Orificio de descarga 11 Traslación de material proveniente de las cámaras 1 y 2.

9 Entrada 1 4 Conducir viruta a la cámara 1

10 Entrada 2 5 Conducir viruta a la cámara 2

11Cámara de

combinación1,2,8 Mezcla y contiene la viruta. Sostener las discos

12 Acoplamiento 6,13Transmitir movimiento rotatorio, permite

movimiento axial y sostiene los ejes.

13 Eje accionamiento 2 12,7 Transmite movimiento rotatorio al acoplamiento.

14 Base 11,6 Sostiene el producto

Tabla 13. Ingeniería inversa (Parte 3, Flujo de materiales)

36

7.2 Descomposición funcional

Paso 1: Identificar la función global del sistema

El objetivo de este primer paso, es generar una descripción macroscópica de la función global, sobre lo anteriormente realizado. La función global identificada fue:

Función global: Desfibrar mecánicamente viruta de madera.

Paso 2: Crear subfunciones

El objetivo, es descomponer la función general del sistema, identificando las subfunciones que debe realizar el producto, para cumplir con la función global. Una vez generadas las subfunciones, el equipo de diseño realizo sub-subfunciones a partir de las subfunciones producidas.

El equipo de trabajo identificó las siguientes subfunciones y sub-subfunciones del producto a desarrollar:

Subfunciones y sub-subfunciones

Proveer seguridad al usuario y producto.Evitar retorno de material.Evitar flujo excesivo u obstrucción de la salida.

Interfaz usuario – máquina.Regular la distancia de separación entre discos.Encender y apagar el producto.

Conducir la viruta.Recepción viruta.Transportar la viruta a los discos.Expulsar viruta desfibrada.

Suministrar movimiento rotatorio.Transformar energía eléctrica en energía mecánica.Transmitir movimiento del motor al eje.Transmitir movimiento rotatorio del eje al disco rotor.

Comunicar la secuencia de trabajo al usuario.Anunciar el inicio de las operaciones.Anunciar el fin de las operaciones.

Tabla 14. Subfunciones y sub-subfunciones

37

Figura 6. Función global.

Paso 3: Ordenar las subfunciones

El objetivo en este paso, es el de ordenar las subfunciones encontradas en el paso anterior, las cuales cumplen con la función general del producto.

El ordenamiento que se les da a las subfunciones debe ser en un orden temporal o en su secuencia de uso, además se deben conservar los flujos de materiales, energía e información del sistema.

Subfunciones y sub-subfunciones

Encender y apagar el producto.Regular la distancia de separación entre discos.Anunciar el inicio de las operaciones.Transformar energía eléctrica en energía mecánica.Transmitir movimiento al eje.Transmitir movimiento rotatorio del eje al disco rotor.Evitar retorno de material.Recepción viruta.Transportar la viruta a los discos.Evitar flujo excesivo u obstrucción de la salida.Expulsar viruta desfibrada.Anunciar el fin de las operaciones.

Tabla 15. Subfunciones y sub-subfunciones ordenadas

38

Diagrama funcional

A continuación se muestra el diagrama funcional desarrollado por el equipo de trabajo.

39

Figura 7. Descomposición funcional

7.3 Generación de conceptos

7.3.1 Uso de patentes

El uso de patentes, es una excelente fuente de ideas para generar conceptos, recordando que se utilizó una patente para la ingeniería inversa, con el propósito de entender el funcionamiento del producto.

Una idea extraída de la patente Double-disc refiner, 5762275 US Pantent (Aikawa, 1996), fue un mecanismo que consiste en un acople entre dos ejes, el cual permite transferir un movimiento axial, aparte de la rotación misma. Este mecanismo se utilizara en la etapa de morfología, observada más adelante.

7.3.2 Uso de expertos

Una de las principales dificultades que se le presentó al equipo de diseño, fue la falta de conocimientos previos sobre los equipos desfibradores, su funcionamiento y características. Por ello se recurrió a alguna persona que posea estos conocimiento, y se contactó al profesor de la Facultad de Ciencias Forestales y, encargado del Laboratorio de Pulpas y Fibras de Universidad Austral de Chile, Marcos Torres U.; quien desde hace 30 años ha estado trabajando investigando temas forestales y quien trabajó en la Universidad de Concepción, donde se encuentra la competencia elegida por el equipo.

La información y literatura entregada por el experto, fue de gran ayuda para el equipo de trabajo, la cual permitió una mayor comprensión del producto, en lo que se refiere a características, parámetros, entre otros; lo que ayudó a conformar ideas y arreglar ciertas subfunciones que se encontraban erróneas, permitiendo un refinamiento de los conceptos.

40

7.3.3 Morfología

Consiste en generar conceptos para cumplir cada subfunción, en base a diversas ideas aportadas por el equipo de trabajo; las cuales se combinan, para crear conceptos que den solución a la función global.

Se desarrollaron cuatro conceptos para diseñar un desfibrador mecánico, todos estos conceptos muestran diversas funciones y características, que serán explicadas más adelante.

Morfología

Producto: Molino desfibrador de viruta de madera Nombre organización: Grupo V.Función general: Desfibrar mecánicamente viruta de madera.

Subfunción Concepto N°1 Concepto N°2 Concepto N°3 Concepto N°4

Regular la distancia de separación entre

discos.

Mecanismo de manivela, engranajes y cremallera.

Mecanismo en base a tornillo mariposa

Encender y apagar el producto.

Botón de encendido-apagado

Interruptor de palancaInterruptor de pedal

Evitar retorno de material.

Embudo Conducto alto Conducto con terminación curva

Compuerta anti-retorno

Anunciar el inicio de las operaciones.

Luz verde más sonido Luz verde Voz digital

Recepción viruta.

Cámara con entrada verticalCámara con entrada

circularCámara con entrada

doble vertical

41

Tabla 16. Morfología (Parte 1)

Transformar energía eléctrica en energía

mecánica.

Motor de inducción A.C

Motor CC

Transmitir movimiento al eje.

Sistema montado

Acople línea T Acople con correa Sistema engranajes

Transportar la viruta a los discos.

Conducto curvo vertical Tornillo sinfín horizontal Pistón hidráulico horizontal

Cinta transportadora

Transmitir movimiento rotatorio del eje al disco

rotor.

Montaje 1 Montaje 2 Montaje 3

Evitar flujo excesivo u obstrucción de la salida.

Bandeja hermética Caída estrecha y larga Compuerta autoajustableCompuerta ajuste

manual y automático

Expulsar viruta desfibrada.

Sistema de compuertas Orificio de descarga (gravedad)


42

Anunciar el fin de las operaciones.

Luz roja más sonido Luz roja Voz digital


Concepto 1Concepto 2Concepto 3Concepto 4

43

7.3.4 Conceptos generados

Concepto 1

El respectivo concepto es alimentado con energía eléctrica, la cual se transforma en energía mecánica utilizando un motor eléctrico de inducción. Entre la interfaz motor-eje se encuentra un acople que cumple la función de transmitir el movimiento rotatorio, y a la vez permite el movimiento axial del eje, con el fin de regular la distancia que existe entre el disco rotor y el estator, según lo requiera el usuario.

La viruta de madera se introduce a través de unas compuertas anti retorno y se desliza por un conducto que tiene la característica de disminuir su sección transversal a medida que se acerca al disco estator (parecido a un embudo), además posee una pendiente, que facilita el deslizamiento del material (por gravedad).

Una vez procesado el material en los discos, sale por un conducto vertical de sección transversal constante, que posee en su extremo inferior una compuerta, la cual cumple la función de regular el flujo excesivo del material expulsado.

El encendido y apagado de la máquina, se realiza a través de un interruptor de palanca. Se incluye un circuito de luces (verde y roja) junto con un sonido que anuncian el inicio y el fin de la operación.

44

Figura 8. Concepto 1

Concepto 2

Este concepto, posee un motor eléctrico, encargado de suministrar movimiento rotatorio al sistema, además, consta de una manivela-engranaje-cremallera, la cual permite regular la distancia entre los discos, para variar el largo de las fibras.

Se ingresa el material por una cámara, donde la entrada tiene compuertas anti-retorno, que ayudan en la seguridad de las personas (expulsión peligrosa de material).

Para el transporte del material, existe un tornillo sin fin, que es accionado por un segundo motor de baja potencia. Este tornillo sin fin, lleva el material hacia los discos, los cuales están girando a gran velocidad por medio de un segundo motor de corriente continua, de mayor potencia.

Una vez desfibrada la viruta, es expulsada lentamente, pues existe una compuerta auto-ajustable que evita el flujo excesivo del material procesado y finalmente cae por gravedad a un recipiente de almacenamiento. Este concepto proporciona información de inicio y finalización del proceso, mediante sonidos y luces.

45


Concepto 3

La descripción del concepto 3, se realizará de acuerdo a su funcionamiento:

Primeramente, debe ser conectado a la red eléctrica del laboratorio, pues parte de sus componentes son elementos eléctricos, (dos motores de corriente continua y ampolleta).

Se enciende una luz roja indicando que la máquina esta conectada a la red eléctrica; al apretar el botón de encendido, automáticamente la luz cambia a color verde, indicando que la máquina está en funcionamiento.

Se inicia el movimiento de los motores, el de menor potencia transmitirá movimiento rotatorio al tornillo sinfín, para trasladar material hacia los discos. El motor de mayor potencia, transmitirá el movimiento rotatorio al eje del disco rotor.

El tornillo sinfín y el eje del disco rotor, se encuentran acoplados a sus motores correspondientes.

Se introduce material por una compuerta anti-retorno y luego se traslada por un tornillo sinfín hacia los discos; posterior a su procesamiento en los discos, cae al orificio de descarga, llegando a una compuerta que se abre por el peso del material o bien de forma manual.

46


z

Si se desea refinar, se puede variar la separación de los discos por medio de un sistema de cremallera y engranajes.

Una vez que el usuario determine que la pasta está en las condiciones

deseadas, vuelve a pulsar el botón con el propósito de apagar el equipo (luz roja).

47

Figura 11. Concepto 3 (Discos)

Concepto 4

El concepto desarrollado, consta de un disco giratorio que obtiene su movimiento a partir de un árbol conectado al eje del motor CC (shunt), por una correa. Tiene una entrada vertical que conduce hacia un tornillo sinfín, inserto en un conducto inclinado (para evitar retorno de material).

Se ocupa un mecanismo de manivela, engranes y cremallera, para controlar la distancia entre los discos. Las salidas utilizadas para el material procesado son compuertas reguladoras de flujo de material.

La interfaz usuario- producto consta de aviso sonoro y lumínico (Luz verde más sonido), para el ciclo de producto (inicio/fin) e interruptores para activar su funcionamiento.

48

Figura 12.Concepto 4

7.4 Evaluación de conceptos

7.4.1 Matriz de Pugh

7.4.1.1 Establecer el tema

El tema se basa en el problema que debe ser solucionado por el concepto.

Según lo anterior, el equipo determinó que el tema es “Selección de molino de disco desfibrador de viruta de madera.”

7.4.1.2 Seleccionar las alternativas a comparar

A partir de la morfología, uso de patentes y aporte de expertos se generaron los siguientes conceptos a evaluar:

Concepto 1 Concepto 2 Concepto 3 Concepto 4

7.4.1.3 Desarrollo de la importancia relativa para los criterios

Los criterios son características que debe cumplir el producto para dar satisfacción a los clientes. Los criterios se obtienen a partir de los requerimientos y las especificaciones de ingeniería, ambos aspectos desarrollados en la matriz QFD.

Criterios.

Seguridad del producto: criterio basado en cantidad de elementos de seguridad que posee el concepto, además de como las características otorgan seguridad al usuario o cualquier persona cercana al producto.

Montaje y desmontaje de los discos: criterio basado en la cantidad de pasos para cambiar los discos y el libre acceso a ellos.

Precisión del regulador de distancia entre los discos: es importante regular la distancia entre los discos, para:

1) Variar el largo de la fibra (Demandado por el cliente): cada concepto se diferencia según el tipo de regulador.

2) Proteger el equipo: regulando la distancia la distancia de los discos de mayor a menor, con el objetivo de disminuir el tamaño del material procesado de forma proporcional, para no afectar el producto.

Espacio físico utilizado por la máquina: el tamaño del equipo debe ser adecuado al laboratorio, donde se utilizará el producto.

49

Coeficiente de importancia: Se distribuye un puntaje entre los diferentes criterios, los cuales suman un total de 100. El procedimiento fue, que cada integrante le asignó puntajes a los criterios, los cuales finalmente fueron promediados.

La importancia de cada criterio, se presenta a continuación:

Tabla 19. Coeficiente de importancia para los criterios

7.4.1.4 Evaluación de las alternativas

El equipo de diseño, evaluó cada concepto 1, 3 y 4 versus el DATUM (Concepto 2), elegido por el parecido con la competencia.

La evaluación se rige por lo siguiente:

Valor Entonces

-1 El concepto evaluado, no supera al DATUM.0 El concepto evaluado, es igual al DATUM.

+1 El concepto evaluado, supera al DATUM.Tabla 20. Evaluación de las alternativas

7.4.1.5 Matriz de Pugh

La evaluación de los conceptos se realizó mediante una discusión, lo que integra la opinión de cada miembro del equipo de trabajo.

Co

nc

epto

2

Co

nc

epto

1

Co

nc

epto

3

Co

nc

epto

4

Problema: Selección de molino de disco desfibrador de viruta de madera

Seguridad del producto 25

DA

TU

M 0 -1 -1Montaje y desmontaje de los discos 28 +1 -1 0

Precisión del regulador de distancia entre los discos. 34 +1 +1 0Espacio físico utilizado por la máquina. 13 +1 0 +1

50

Tabla 21. Evaluación de los conceptos

Coeficiente de importancia para los criterios

Seguridad del producto 25Montaje y desmontaje de los discos 28

Precisión del regulador de distancia entre los discos. 34Espacio físico utilizado por la máquina. 13

7.4.1.6 Calcular la satisfacción y decidir qué hacer a continuación

Se suma cada puntuación multiplicada por el coeficiente de importancia de cada criterio.

La evaluación más alta, refleja el concepto que mejor cumple los criterios. El concepto 1, será la base para desarrollar el producto en la siguiente etapa del proceso de diseño.

Co

nc

epto

2

Co

nc

epto

1

Co

nc

epto

3

Co

nc

epto

4

Problema: Selección de molino de disco desfibrador de viruta de madera

Seguridad del producto 25

DA

TU

M 0 -1 -1Montaje y desmontaje de los discos 28 +1 -1 0

Precisión del regulador de distancia entre los discos. 34 +1 +1 0Espacio físico utilizado por la máquina. 13 +1 0 +1

Totales +3 -1 0

Total ponderado

75 -19 -12

7.4.2 Concepto final

Figura 13. Concepto final

51

Tabla 22. Matriz de Pugh

7.4.2.1 Descripción del concepto

Este concepto es una versión mejorada del concepto mejor evaluado en la matriz de Pugh, dónde se combinan aspectos positivos de los otros tres conceptos; además del apoyo bibliográfico (Early Libby, 1967) y el uso de expertos.

El encendido y apagado de la máquina, se realiza a través de un botón verde y rojo, donde se incluye un circuito de luces verde, naranja y roja.

El equipo es alimentado con energía eléctrica, la cual se transforma en energía mecánica, por medio de un motor eléctrico de inducción. En la interfaz motor-eje se encuentra un acople que cumple la función de transmitir el movimiento rotatorio del motor, al eje principal que se conecta en su extremo al porta-disco rotor.

La viruta de madera se introduce y se desliza por un conducto curvo, con el objetivo de obtener una mejor recepción del material. El material que se desliza, llega directamente por el disco desfibrador estator hacia la cámara de desfibrado.

Una vez procesado el material en los discos, este sale por un conducto vertical de sección transversal constante (cuadrada), el cual posee en su extremo inferior una compuerta, que cumple la función de regular el flujo excesivo del material expulsado.

El producto dispone de un mecanismo compuesto por un volante que se desliza por un tubo con hilo, el cual está unido a la base del disco rotor. Este último se traslada por la parte estriada del eje acoplado al motor, lo que permite la regulación de la distancia entre los discos; esto se puede realizar solamente si el dispositivo está detenido.

Otro aspecto importante es que se establecerá una base sólida y apernada con el fin de soportar las diversas cargas a las que se ve enfrentado.

52


En esta etapa de diseño conceptual, se realizó una serie de cambios respecto a las funciones que debe realizar el producto: se agregó funciones externas al dispositivo como por ejemplo, las que son desarrolladas por parte del usuario, que se encuentra fuera del sistema (máquina); también se reordenó las subfunciones en el diagrama de flujo de una manera lógica gracias a la información entregada por Marcos Torres U., quien también contribuyó en la generación conceptual.

En la evaluación conceptual se eliminó un criterio (Pasos para operación del producto), ya que no había diferencia entre cada concepto evaluado y se decidió ocupar solamente el criterio Montaje y desmontaje de los discos porque sí presentaba diferencias al ser evaluado.

En base a esto último, el equipo de diseño decidió continuar con la siguiente fase de diseño mecánico.

53

8. Justificación de sus elementos

8.1 Motor

El concepto llevara un motor eléctrico, que cumplirá la función de transformar la energía eléctrica, en energía mecánica, necesaria para que opere la máquina.

8.2 Eje principal

El eje, es el encargado de transmitir el movimiento rotatorio, desde el motor hacia la porta -disco rotor.

Como se necesita variar la distancia entre discos, el eje debe permitir el desplazamiento axial de la porta-disco rotor en su extremo, en consecuencia el eje deberá ser estriado en uno de sus extremos. Además se deberán realizar cuatro cambios de secciones con el propósito de introducir los dos rodamientos, acople y el buje del porta-disco rotor (donde van las estrías).

8.3 Porta-disco rotor

Para evitar la soldadura en la porta-disco rotor, el equipo de trabajo decide descomponerlo en dos elementos, disco-soporte y buje. Se fijan estos elementos por estrías y un perno, lo que asegura que el conjunto gire como un todo y que impida el movimiento axial entre ambas piezas.

8.3.1 Disco-soporte Cumple la función de soportar el disco desfibrador rotor, por medio de tres

pernos. Además será estriado interiormente con el propósito de ser acoplado al buje.

8.3.2 Buje

Encargado de conectar el eje principal y el disco-soporte, acoplándose al extremo estriado del eje, para transmitir el movimiento rotatorio suministrado del motor al disco-soporte.

8.4 Porta-disco estático

Al igual que el disco-soporte, el porta-disco estático cumple la función de soportar el disco desfibrador estático por medio de tres pernos. Como no se debe transmitir movimiento al disco desfibrador, el porta-disco estará empotrado a la carcasa de la máquina.

También es importante destacar que este elemento de la maquina estará conectado con la entrada del material (viruta de madera) a la máquina, Por tanto deberá poseer un orificio en su centro, el cual permitirá el paso del material hacia la cámara de desfibrado para ser procesada.

54

8.5 Pernos

Los pernos cumplirán la función de sujetar de forma no permanente las diferentes piezas de la máquina, con el propósito de facilitar el desensamble ya sea para diversos propósitos.

8.6 Rodamientos

“Un Rodamiento (en España, Chile y Colombia)…, es un tipo de cojinete, que es un elemento mecánico que reduce la fricción entre un eje y las piezas conectadas a éste por medio de rodadura, que le sirve de apoyo y facilita su desplazamiento.”(Fuente; Wikipedia).

8.6.1 Rodamientos del eje principal

8.6.1.1 Rodamiento Libre

Su función es permitir el desplazamiento axial del eje, cuando este sufre dilatación por causa del aumento de temperatura.

8.6.1.2 Rodamiento Fijo Su función es restringir el desplazamiento axial del eje.

8.6.2 Rodamiento con soporte del buje

El rodamiento se embutirá en el buje, lo cual permitirá su movimiento rotacional. Además, el soporte del rodamiento se fijara al tubo regulador que transmite el movimiento axial del volante.

8.7 Acoplamiento eje-motor

Los acoplamientos, son una parte fundamental en el diseño de máquinas, ya que, cumplen la función de asegurar la transmisión del movimiento y en algunos casos absorber las vibraciones en la unión de los dos elementos.

Para la máquina, se necesitará de un acoplamiento rígido, debido a que no debe existir algún desbalanceo en el eje, puesto que los discos se encuentran a una distancia muy pequeña.

8.8 Discos desfibradores

La máquina deberá llevar dos discos (estático y rotor), los cuales cumplen la función de desfibrar la madera.

8.9 Carcasa

La carcasa cumple la función de apoyar y mantener fijas las piezas para un buen funcionamiento, además de separar las piezas del exterior entregando seguridad al usuario y a la máquina.

55

8.10 Tubo reguladorCumple la función de transmitir el movimiento rotatorio del volante en un

movimiento lineal axial.

8.11 Abrazadera

Para poder regular la distancia de los discos, se requiere que el tubo regulador se mueva únicamente de manera axial, restringiendo cualquier otro tipo de movimiento, y que el volante que se ajusta al hilo del tubo regulador, tenga solamente un movimiento rotatorio. Es por ello, que el equipo de trabajo, diseñó un tipo de abrazadera rígida, especial para este sistema, la cual restringe todo desplazamiento axial que pueda ocurrir en el volante y la carcasa. La abrazadera se compone de dos partes, que unidas por pernos, forman un círculo con tres estrías radiales, las cuales se ajustan a otras dos ubicadas en la carcasa del desfibrador y una en el volante. La función principal de ella, es rigidizar al volante permitiéndole solo el movimiento rotatorio a través de los hilos, y así permitir que el proceso de regulación de la distancia entre los discos sea posible llevarlo a cabo.

8.12 Volante

Pieza compuesta por dos partes, un tubo con hilo en su diámetro interior, y por un volante que ira apernado en la superficie exterior del tubo. Esta acoplará su hilo, al que posee el TUBO REGULADOR, y al girar, hará avanzar al TUBO REGULADOR a un paso de 2mm por vuelta.

8.13 Base de la maquina

La base de la máquina, será la que soporte gran parte de su peso, otorgándole la mejor estabilidad posible principalmente en el momento de su funcionamiento.

8.14 Sistema de advertencia y protección

Para la protección de la máquina y especialmente al personal que utilizará ésta, se empleó una serie de sistemas de advertencia, para el trabajo óptimo con la máquina. Este desfibrador tiene un sistema de encendido/apagado mediante pulsadores luminosos (ON/OFF), que a su vez, le permite al usuario visualizar si el sistema está detenido, con corriente eléctrica (luz Roja), o si está en funcionamiento (luz verde); Además tiene una baliza que avisa el comienzo y fin de las operaciones de molienda del desfibrador y una parada de emergencia para el rápido bloqueo de la maquina

Para evitar el retorno del material a procesar, en la entrada se colocará una válvula anti-retorno, que permitirá una mayor seguridad a la persona que manipule la máquina y una válvula de descarga mínima, para la salida lenta del material.

56

8.15 Sistema de regulación de los discos

Anteriormente, se presentó cada elemento de la maquina por separado, pero es necesario explicar minuciosamente el sistema de regulación de los discos.

El sistema de regulación desarrollado por el equipo de diseño, se compone de diversas piezas, que en un conjunto logran satisfacer la necesidad de regular los discos, a continuación se presentan las piezas constituyentes del sistema, de acuerdo a la función que desempeñan:

VOLANTE: Pieza compuesta por dos partes, un tubo con hilo en su diámetro interior (ver figura 14), y un volante (ver figura 15) que ira apernado en la superficie exterior del tubo con hilo (ver figura 16). El volante se apernara con su hilo interior, al TUBO REGULADOR (ver figura 18) que posee hilo exterior. Al girar el volante sobre el tubo hará que este avance axialmente, a un paso de 2mm por vuelta.

TUBO REGULADOR: Esta pieza posee cuatro características a destacar, las cuales se especifican a continuación:

1. Hilo: El hilo del tubo regulador, como se dijo anteriormente, irá acoplado al del volante, y permitirá transformar el movimiento circular del volante en un movimiento lineal axial en el tubo, causando el movimiento los discos en forma axial, a un paso de 2mm por vuelta del volante (ver figura 17).

Figura 17

57

Figura 15

Figura16

Figura 15.Figura 14

Figura 16

Figura 15

Figura 18

2. Sacado del material: Este sacado, cumple dos funciones fundamentales, una es que sin él no se podría instalar el tubo regulador en la posición deseada, pudiendo introducirse por medio de dos placas, las cuales aparte de servirles como guía, también permitirán que el tubo no regulador gire (ver figura 19).

Figura 19

3. Orificios de unión: Estos son tres orificios (ver figura 20) permitirán que el rodamiento con soporte (ver figura 31) embutido en el buje, sea apernado al tubo regulador.

Figura 204. Canal de regulación: Este es una pequeño sacado, en forma de canal (ver

figura 21), el cual se hará en una parte de la superficie exterior del tubo

58

regulador, con el propósito de restringir su movimiento axial, en un máximo y mínimo tolerable, evitando así que al regular la distancia de los discos, estos hagan contacto dañándose o dañando a la máquina. Dentro del canal se moverá un prisionero introducido por medio de un orificio en la carcasa de la máquina (ver figura 22), el cual restringirá el movimiento axial en los extremos del canal.

TUBO RODAMIENTOS: Este tubo tiene dos placas paralelas maquinadas en su superficie (ver imagen 23), la cual servirá como guía en el movimiento axial y traba frente al movimiento rotatorio, para el tubo regulador.

Figura 23

59

Figura 21

Figura 22

CARCASA: la carcasa también se involucra en el sistema de regulación de los discos, debido al sacado en forma de canal o estría circular (ver figura 24 y 25) que debe llevar en el cilindro de menor diámetro, para acoplar el volante, por medio de una abrazadera y así restringir su movimiento axial.

ABRAZADERA: pieza dividida en dos piezas simétricas (ver figura 26), con tres estrías circulares. Al unir dichas piezas con pernos, forman una abrazadera rígida (ver figura 28), con la cual se acopla el volante a la carcasa (ver figura 27).

60

Figura 24Figura 25

Figura 26 Figura 27

Figura 28

BUJE: Anteriormente, ya se ha hablado de esta pieza, pero cabe destacar, que esta pieza cumple un rol fundamental para el sistema regulación, pues por medio de las estrías interiores de ella (ver figura 29), se logra un movimiento lineal axial en la dirección de la estrías del extremo estriado del eje (ver figura 30)

Figura 29

Figura 30 .

RODAMIENTO: Este rodamiento tiene la función de acoplarse al buje, para transmitir el movimiento axial al buje y por ende a los discos, y como el rodamiento posee un soporte chapa embutida, se aperna al tubo regulador.

61

Figura 32 Figura 31

Finalmente todas las piezas ensambladas, permitirán realizar la regulación como se observara en las siguientes imágenes.

62

Figura 33Figura 34

Figura 35

Figura 36

9. Desarrollo del producto

En el capítulo 7 ya se había realizado una descripción cada elemento que compone la máquina, ahora el objetivo es desarrollar el concepto final, diseñando cada uno de sus elementos mecánicos.

9.1 Parámetros de diseño

9.1.1 Determinación de la capacidad

La producción de pasta de madera, no es muy relevante para efectos de análisis en laboratorio, debido a que el propósito no es obtener ganancias del material procesado. Por tal motivo, para el desarrollo del presente proyecto se estima una producción baja de 1 kg/hr (estimada por el cliente), con una carga horaria de 7 hr/día.

Características de la astilla a desfibrar:

.

Características astilla a desfibrar

Diámetro 9 milímetrosLargo 50 milímetrosMasa 0.00243 Kilogramos

Tabla 23. Características de astilla a desfibrar.

El número de astillas por minuto es:

N A=mP

mA ∙60 (1)

Donde:

NA= Número de astillas por minuto.mP= Masa de producción por hora.

63

Figura 37. Astilla de madera. (Espinillo)

mA= Masa de una astilla (0.00243Kg)

Remplazando en (1), se tiene:

N A=1Kg /hr

0.00243Kg ∙60≈7

Por lo tanto, 7 astillas por minuto deben ser desfibradas, durante el proceso de desfibrado.

9.1.2 Torque necesario para desfibrar viruta de madera.

Para obtener las fuerzas y el momento torsor necesario, para desfibrar viruta de madera en los discos, es necesario idealizar la situación.

Idealizar el proceso de desfibrado en el molino (discos), es una tarea muy compleja, que requiere de mucho tiempo, ensayos y expertos en el tema, en consecuencia, se optó por investigar en distintas fuentes dedicadas a estudiar el proceso de molienda de la madera.

A continuación se presentan dos fuentes:

FUENTE 1: TECH MELT 6(Empresa metalúrgica).

Para una pasta de alta consistencia (TMP), se requiere una energía entre

0.2−0.4 KW∗hkg

, a una rotación promedio entre ω=1800 rpm .

Como el cliente necesita una producción de: 1kgh

La potencia necesaria para desfibrar la viruta de madera, se calculó a partir de

la potencia más alta que se podría requerir (0.4 ( KW∗hkg )).

P=energia( KW∗hkg )∗produccion ( kgh ) (2)


P=0,4(KW )

Se sabe que: P=T∗ω (3)

De los cuales previamente se conoce la potencia P=0,4(KW ) y la velocidad de desfibrado es de ω=1800 rpm, pero, generalmente se encuentra entre 1600 rpm y 1400 rpm, por lo que se ocupara para los cálculos 1500 rpm.

Se desea conocer el torque, por lo tanto se despeja T de la ecuación (3):

6 http://www.techmelt.com/es/la_consistencia.html

64

http://www.techmelt.com/es/la_consistencia.html

T= Pω

(4)

Remplazando en (4):

T=400(W )

1500(rpm)∗2π

60

T=2,54 (Nm)

FUENTE 2: Torque determinada a partir de datos extraídos de una “Memoria para optar al grado de doctor en ciencias químicas”, presentado por Cristina de la Macorra García, perteneciente a la “Universidad Complutense de Madrid”.7

Como se mencionó en capítulos previos del informe, existen la pasta mecánica de muela y la pasta mecánica de refinador con sus respectivas clasificaciones. A continuación se presentan los distintos procesos para producir pasta mecánica, junto con el consumo de energía que necesita cada una de ellos. Cabe mencionar que los procesos de interés para el equipo de diseño son la pasta CRMP, CTMP y TMP.

ProcesoRango de potencia (KW∗hkg

¿

SGW 1,2 - 1,5PSGW 1,2 - 1,5RMP 1,8TMP 2CTMP 0,6 - 0,9CRMP 0,6 - 0,9

Tabla 24. Datos de potencia para procesos de pasta.

Se calculara el torque necesario para producir 1kgh

de pasta mecánica, a

una velocidad angular ω=1500 rpm, según lo requieran los procesos: TMP, CTMP y CRMP.

La potencia que requiere cada proceso para producir 1kgh

se presenta en la

siguiente tabla:

P=( KW∗hkg )∗(1 kg

h)

Proceso

Potencia requerida (kW )

TMP 2CTMP 0,9CRMP 0,9

7 http://eprints.ucm.es/est/index.php?action=show_detail_eprint;id=5191

65

http://eprints.ucm.es/est/index.php?action=show_detail_eprint;id=5191

Tabla 25. Potencia requerida para algunos procesos.

A continuación se procede a calcular el torque, remplazando en la ecuación de torque presentada en la subsección anterior, la potencia perteneciente a cada proceso (tabla 24) y la velocidad angular ω que será igual para todos.

Dichos resultados se presentan en la siguiente tabla:

Proceso Torque necesario ¿)

TMP 12,73

CTMP 0,0057

CRMP 0,0057Tabla 26. Torque necesario para los procesos anteriores.

Toma de decisión

Para realizar la toma de decisiones se realizará una tabla, que presente cada una de las dos fuentes de información, con sus procesos y respectivos torques.

Fuente Proceso TorquePotencia (kW)

por 1kgh

Temperatura º C Consistencia

1

TMP 2,54 0,4 Sin información ALTA

CTMPSin

informaciónSin información Sin información Sin información

CRMPSin

informaciónSin información Sin información Sin información

2

TMP 12,73 2 100-130 ALTA

CTMP 0,0057 0,9 130-140 Sin información

CRMP 0,0057 0,9 130-140 Sin información

Tabla 27. Toma de decisiones

Se optara por el torque entregado por la Fuente 2, debido a dos razones.

1. Proporciona mayor información2. Se toma el mayor torque, por : -Garantizar el desfibrado de la viruta de madera-Tener la seguridad de que la máquina soportara la solicitación de esfuerzos.

66

9.1.3 Determinación de la potencia del motor y elección del motor

Se tiene que el torque total para el sistema es 12,73 Nm, con una potencia de 2

(kW ) y velocidad angular de 157,1 (rads

) o (1500 rpm), por las razones mencionadas

anteriormente.

No basta con decir que 2 (kW ) es la potencia suficiente que necesita el motor, puesto que para el sistema comience a girar se necesita que el par motor supere al par resistente, de manera que se genere una aceleración angular de arranque.

T m=T r+ I sistema ∙ α (5) T m: Torque motor T r: Torque resistente total del sistema (12,73 N∙m)I sistema: Inercia del sistemaα : Aceleración angular

Se ha estimado que la velocidad requerida se alcanza en 25 segundos8

La inercia total del sistema se calculó por medio de una herramienta computacional, para este caso Creo Elements, determinando un valor de:

I sistema=0,03 (Kg∙m2)

Estimando que el trabajo realizado por el molino se comporta de manera lineal, se obtendrá la aceleración angular calculando la pendiente de la recta que se muestra en la figura 38 velocidad angular v/s tiempo ( ω v/s t)

0 5 10 15 20 25 30 350

20

40

60

80

100

120

140

160

180

α (rad/s2)

ω (rad/s)

Tiempo (s)

Vel

oci

ad a

ng

ula

r (r

ad/s

)

Figura 38

8 Extraída de http://ecatalog.weg.net/tec_cat/tech_motor_sel_web.asp#

67

La aceleración angular es la pendiente de la gráfica presentada en la figura 38:

Pendiente = α=ΔωΔt

(6)

Remplazando en (6):

157,1( rads )25 (s )

=6,324 (rads2 )

Remplazando T r=12,73 (Nm) , I sistema=0,03 (Kg∗m2) y

α=6,324 ( rads2 ) ,en la ecuación (5), se tiene que:

TM=12,73 (Nm )+0,03 (Kg∗m2 )∗6,324( rads2 )≈13(Nm)

En base a lo anterior se puede calcular la potencia nominal del rotor ( PNR).

Utilizando la ecuación (3) se tiene que:

PNR=13 (Nm )∗157( rads )=2(KW )=2.7 (HP)

Considerando la sobrecarga a la cual está sometido el sistema con una carga horaria de 7 Hrs/Día, se estima un factor de servicio normal de 1,59

PMotor=PNR∗Fs (6)Remplazando en (6)

PMotor=2 (KW )∗1,5=3(KW )

Elección del motor

Mediante los cálculos realizados anteriormente, se seleccionó un motor adecuado que cumpliera con los datos obtenidos de los cálculos y satisfaga las condiciones de uso.

El equipo de trabajo escogió un motor eléctrico tipo jaula de ardilla (trifásico), ya que es relativamente más barato, eficiente, compacto y de fácil mantenimiento.

Los motores trifásicos de potencias mayores de 1 HP, son clasificados por las normas NEMA, según el diseño de la jaula del rotor.

9 (http://www.martinsprocket.com/2001/SecD.pdf)

68

El Motor de diseño seleccionado para el producto, se encuentra en la siguiente clasificación:

69

NEMA B (Extracto):

Torque normal, corriente de arranque normal y deslizamiento nominal normal. Son motores con rotor tipo jaula de ardilla diseñados con características de torque y corriente de arranque normales, así como un bajo deslizamiento de carga de aproximadamente 4% como máximo. En general es el motor típico dentro del rango de 1 a 125 HP. El deslizamiento a plena carga es de aproximadamente 3%. Este tipo de motor proporcionará un arranque y una aceleración suave para la mayoría de las cargas y también puede resistir temporalmente picos elevados de carga sin detenerse.

El equipo de trabajo escogió un motor SIEMENS que presenta las siguientes características10.

Frecuencia: 50 Hz Potencia: 3 kW Velocidad: 1420 rpm Par nominal: 20.2 NmPar de arranque: 54.54 NmFS: 1.5

10 En Anexos se encuentran detalles del motor seleccionado.

70

9.1.4 Factor de seguridad

Cálculo del factor de seguridad, para el diseño de los elementos que constituyen la máquina. Factor de seguridad teórico planteado en (Ullman, 2010), el cual se calcula con la ecuación (7):

FS=FSmaterialesFSesfuerzos FSgeometría FSanálisis fallaFSfiabilidad (7)

Cada factor se detalla a continuación:

Estimación de la contribución del material.

FSmaterial=1.0 Si las propiedades del material son bien conocidas, si han sido obtenidos experimentalmente a partir de pruebas en una muestra conocida idéntica al componente que está siendo diseñado y de las pruebas que representan la carga que debe aplicarse.

FSmaterial=1.1 Si las propiedades del material son conocidas de una tabla o son valores de manufacturas.

FSmaterial=1.2−1.4 Si las propiedades del material no son bien conocidas.

Estimación de la contribución de la tensión de carga.

FSesfuerzos=1.0−1.1 Si la carga está bien definida como estática o fluctuante, si no hay sobrecarga anticipada y cargas de choque, y si se ha utilizado un método exacto de análisis de la tensión.

FSesfuerzos=1.2−1.3 Si la naturaleza de la carga se define de una manera normal, con sobrecargas de 20-50%, y el método de análisis de estrés puede producir errores de menos del 50%.

FSesfuerzos=1.4−1.7 Si la carga no es muy conocida o el método de análisis de tensión es de dudosa precisión.

Estimación de la contribución de la geometría (de unidad a unidad).

FSgeometría=1.0 Si las tolerancias de fabricación son muy ajustadas y se mantienen bien.

F Sgeometría=1.0 Si las tolerancias de fabricación están en la media.

FSgeometría=1.1−1.2 Si las dimensiones no están cerradas.Estimación de la contribución para el análisis de fallas.

FSanálisis falla=1.0−1.1 Si el análisis de las fallas que se utiliza se obtiene para el estado de esfuerzos, como esfuerzos estáticos uniaxiales o multiaxiales , o totalmente para tensiones invertidas de fatiga uniaxial.

FSanálisis falla=1.2 Si el análisis de las fallas que se utilizará es una simple extensión de las teorías anteriores.

71

FSanálisis falla=1.3−1.5 Si el análisis de falla no está bien desarrollado.

Estimación de la contribución de la fiabilidad.

FS fiabilidad=1.1 Si la fiabilidad de la parte no tiene que ser alta, por ejemplo, menos del 90%.

FS fiabilidad=1.2−1.3 Si la fiabilidad es un promedio de 92-98 %.

FS fiabilidad=1.4−1.6 Si la fiabilidad debe ser alta, por ejemplo, más del 90 %.

Eje BujeSoporte

de Disco

Carcasa Abrazadera Bolante Base pernos

FSmaterial 1.1 1.1 1.1 1.1 1.1 1.1 1.1 1.1

FSesfuerzos 1.1 1.1 1.7 1.7 1.5 1.5 1.1 1.2

FSgeometría 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.1

FSanálisis falla 1.1 1.1 1.2 1.2 1.1 1.5 1.1 1.0

FS fiabilidad 1.6 1.6 1.6 1.3 1.6 1.3 1.6 1.2

2.1296 2.1296 3.5904 2.9172 2.904 3.2175 2.1296 1.7424Tabla 28. Factores de seguridad.

Los factores de seguridad calculados anteriormente, están sujetos a posibles cambios, debido a que los cálculos se realizarán de forma iterativa, generalmente se establecerá una determinada dimensión parcial y material, para las diferentes piezas del producto. A partir de ello se comprobará si el elemento o pieza resiste los esfuerzos solicitados, cumpliendo la condición de que el coeficiente de seguridad sea mayor o igual al calculado desde el libro (Ullman D. G., 2010)

9.2 Diseño de los elementos mecánicos

El procedimiento utilizado para diseñar los elementos mecánicos que constituyen la máquina, consiste en:

1º) _ Se especifica el material que se desea utilizar en su fabricación y sus dimensiones asignadas parcialmente.

2º) _ En segundo lugar se procede a realizar el respectivo cálculo analítico, con el propósito de ratificar la viabilidad del material y el dimensionamiento asignado parcialmente, realizando una comparación entre el coeficientes de seguridad que entregue el elemento y el de referencia calculado (Ullman D. G., 2010). La condición es que el coeficiente que entregue el cálculo del elemento sea igual o mayor al de referencia.

Habrán elementos que no se realizaran cálculo analítico, solo se ejecutara un análisis con el software CREO Elements en el conjunto.

Es importante destacar que la maquina se verá enfrentada a solicitaciones de esfuerzos de baja magnitud, debido a que el torque que se requiere para desfibrar la madera es bastante bajo (13 Nm), en consecuencia los coeficientes de seguridad serán muy altos, lo cual implica, que se tiene la libertad de dimensionar teniendo en

72

cuenta el costo y la estética de la máquina.(si bien esto último no es un requerimiento del cliente, se dará importancia para producir un mayor interés en el cliente o un efecto wow)

9.2.1 Calculo del eje principal y dimensionamiento

Por efecto de diseño, específicamente estética, se opta por diseñar un eje con un diámetro de 28 mm a partir del eje rotor del motor.

Considerando luego, que el eje deberá llevar cojinetes de apoyo, se toma en cuenta que en los catálogos (SKF, FAG, etc.), la medida de diámetro interior más cercano a 28 mm es 30mm.

Para la instalación de los rodamientos, se debe considerar un cambio de sección, para evitar su desplazamiento axial. En consecuencia el equipo de trabajo consideró un diámetro máximo de 31mm.

El eje del producto se construirá a partir de una barra redonda de diámetro 31,75 mm, cuyo material es un acero SAE 1045, al carbono templado, con un contenido medio de carbono. Las características más relevantes de este acero son las siguientes:

-Usado para diferentes aplicaciones donde se requiera soportar esfuerzos de 500 MPa ,o en el caso de diámetros mayores, donde se necesite una superficie con dureza de 30 a 40 Rc. y un centro tenaz.

-Aunque su maquinabilidad no es muy buena, se puede mejorar con el estirado en frio, quedando apta para la fabricación de elementos de alta resistencia (flechas, tornillos, etc.).

Gracias a sus características de temple, este material tiene un amplio campo de aplicaciones automotrices y de maquinaria en general, como son la elaboración de piezas como ejes, semiejes, cigüeñales, etc.

9.2.1.1 Estrías del eje

Figura 39

Es necesario que el eje cuente con estrías en el extremo, donde se acopla con el disco, ya que por estas ranuras se deslizará la estructura soportante del disco, para ajustar la distancia entre éstos.

Basado en el libro “Elementos de máquinas” (Niemann, 1973); el momento torsor aplicado a un eje de ranuras múltiples, considerando una superficie activa de un 75 % es:

73

M T=0,75∗σadm∗h∗L∗i∗rm (8)En donde:

h=d2−d12

(9)

rm=d2+d14

(10)

M T: Momento torsor.σ adm: Esfuerzo admisible.h: Altura de la estría.rm: Radio medio.L: Largo de la estría.i: Cantidad de estrías.d1: Diámetro interior.d2: Diámetro exterior.

Según la norma DIN5463 (Figura 41), para un eje de diámetro exterior de 28 mm, se debe realizar 6 estrías, con un diámetro interior de 23 mm y un ancho de estrías de 6 mm.

Figura 40. Diámetro exterior e interior. Fuente: Creo Elements

74

Figura 41. Tabla norma DIN 5463. Fuente: Elementos de máquinas11

Con el torque de arranque calculado en la selección del motor (13 N*m o 1325 kgf*mm), el cual es la condición más desfavorable para el eje; se calcula el largo mínimo que debe tener cada estría para soportar el momento torsor.

El esfuerzo admisible es:

σ adm=σ fn

(10)

Para un acero SAE 1045 (adecuado para componentes de máquinas), σ f=310MPa y ocupando un factor de seguridad n=2.1296 (ver tabla 28).

σ adm=145.567MPa

Despejando L, de (8):

L=M T

0.75∗σadm∗h∗i∗rm

Con: M T=13Nm

σ adm=145.567MPa

h=d2−d12

=28−232

=2.5mm

11 Extraída de (Niemann, 1973)

75

rm=d2+d14

=28+234

=12.75mm

i=6

L= 13000Nmm0.75∗145MPa∗2.5mm∗6∗12.75mm

L=0.623mm

Dimensionamiento estrías del eje

El resultado obtenido de L=0.623mm, es la longitud mínima que deben tener las estrías para soportar el momento torsor de 13Nm. Por efecto de diseño se establece una longitud de 90mm, dando un factor de seguridad aproximado de 310.

76

9.2.1.2 Análisis estático del eje

Figura 42. Situación eje.

Diagrama de cuerpo libre:

Figura 43. Diagrama de cuerpo libre del eje.

77

Distancia (mm)

x1=112mmx2=92.36mmx3=27.64mmx4=152mmx5=16mm

x6=38mm (Distancia de la fuerza E trasladada al punto A)Datos:

Tabla 29. Distancias en el eje.

Tabla 30. Masa del eje y los elementos considerados.

Las cargas que actúan sobre el eje son:

Carga Puntual Valor Elemento

Gy 19.61N Peso del ejeEy 59.82 N Peso del porta discoDy 9.81N Peso del acople

Tabla 31. Cargas de fuerza sobre el eje

Momento Valor Elemento

MEy= Ey * x6 2.27 NmMomento de la fuerza E (Peso del porta disco) trasladada al punto A

Tabla 32. Carga de momento sobre el eje.

Cálculos de reacciones:

Sumatoria de momentos en el punto B.

∑M B = 0

MEy+E y x1−G y x2−C y (x2+x3 )−D y (x2+x3+x4 )=0 (11)

Despejando C y de (11), y remplazando se tiene:

78

Masa (Kg)

Eje = 2Base = 6.1Acople = 1

C y=MEy+Ey x1−G y x2−D y (x2+ x3+x4 )

(x2+ x3 )=37,45N

C y=37.47N Reacción en cojinete C.

Sumatoria de fuerzas en el eje Y.

∑ FY=0

−E y+By−G y−C y−D y=0 (12)


B y=G y+C y+D y+E y=126.69N

B y=126.69N Reacción cojinete B.

Sumatoria de fuerzas en el eje X.

∑ F X=0

CX ≈0

Se desconocen las fuerzas axiales, causadas en el proceso de desfibrado y realizar un estudio de ellas, llevaría mucho tiempo y dedicación en el tema (análisis experimental estadístico), debido a que las cargas que se presentan tienen un comportamiento dinámico complejo.

Si ha de existir fuerza axial en el eje, se puede suponer que no será significativa, ya que el flujo de alimentación de la máquina, es de 7 astillas por minuto, con una masa total de 27gr aproximadamente, ejerciendo una presión no relevante para el diseño del eje y/o cualquier elemento sometido a dicha fuerza axial.

Determinación de los momentos flectores y fuerzas de corte en el plano XY:

Tramo AB

0≤ x<112

V ( x )=−E y=−59,82N

M (x)=−MEy−Ey ∙ x

M 0=−2,27Nm

M 112=−8,97Nm

79

Tramo BG

112≤ x<204.36

V ( x )=−E y+By=66,87N

M (x )=−MEy−E y x+By (x−112)

M 112=−8,97Nm

M 204.36=−2,8Nm

Tramo GC

204.36≤ x<232

V ( x )=−E y+By−G y=47,26N

M (x )=−MEy−E y x+By ( x−112)−G y ( x−204.36 )

M 204.36=−2,8Nm

M 232=−1,49Nm

Tramo CD

232≤x<384

V ( x )=−E y+By−G y−C y=9,81N

M (x )=−MEy−E y x+By ( x−112)−G y ( x−204.36 )−C y ( x−384 )

M 232=−1,49Nm

M 384=0Nm

Tramo DF

384≤ x<400

V ( x )=−E y+By−G y−C y−D y=0N

M (x )=−MEy−E y x+By ( x−112)−G y ( x−204.36 )−C y ( x−384 )−D y ( x−400 )

M 384=0Nm

M 400=0Nm

80

Cálculos de momento torsor:

El momento torsor es constante a lo largo de todo el eje.

Momento torsor: 13Nm

A continuación se presentan los diagramas de corte, momento flector y momento torsor.

Figura 44. Diagrama de corte.

Figura 45. Diagrama de momento flector.

Figura 46. Diagrama de momento torsor.

82

En las figuras 44,45 y 46 se pueden visualizar la fuerza de corte máxima, el momento flector máximo y el momento torsor máximo (que es constante), en sus respectivos tramos.

Esfuerzos solicitados por la fuerza de corte máxima:

La máxima carga cortante, se presenta en el tramo BG, con una sección circular de diámetro 28mm es:

V c .máx .=−Ey+By=66,87N

El esfuerzo cortante solicitado, se obtiene según la siguiente premisa:

τ c. máx .=(4 ∙V c .máx .)3 ∙ A

(13)

Donde:

A=π 142=615.75mm2

De (13) se tiene:

τ c. máx.=0.14MPa

Esfuerzo solicitado por momento flector en el plano XY:

El momento flector máximo, se presenta en el punto B, con una sección circular de diámetro 30mm es:

M f .máx.=−8,97NmEl esfuerzo normal solicitado, se obtiene según la siguiente premisa:

σ f . máx.=(32∙ M f . máx.)3 ∙D3

(14)

Donde: D=30mm

Se tiene de (14):σ f . máx.=3.39MPa

Esfuerzo solicitado por momento torsor máximo

El momento torsor es constante a lo largo de todo el eje, el cual es:

M T .máx.=13Nm

La condición más desfavorable, se presenta en la sección circular de diámetro 28mm, el cual es:

τT .máx .=16∗M T MAX

π∗D3 (15)

83

De (15) se tiene:τT .máx .=3.02MPa

Esfuerzos combinados (superposición) en el punto B

σ T=σ f . máx.=3.39MPa

τT=τ c .máx+τ t . máx=3.16MPa

Cálculo del factor de seguridad, a partir del diámetro y características designadas

Material del eje: SAE1045

σ fluencia=310MPaσ Rotura=565MPa

Von Mises

σ 2+3 τ2≤( σ fluencianV )2

(16)

Despejando y remplazando en (16):

nV=2√ (σ fluencia2)σT

2+3 τT2=48.16

Como el factor de seguridad nV está por sobre el factor de seguridad determinado mediante el libro guía (Ullman D. G., 2010), el cual se había designado como factor de seguridad mínimo para el eje, se puede concluir que el eje soportará los esfuerzos solicitados estáticamente, con un diámetro mínimo de 28mm y un material SAE 1045.

84

9.2.1.3 Cálculo de fatiga en el eje12

En el eje, se presenta una combinación de dos tipos de cargas: momentos flextor y torsor.

Para el eje, se estima una vida de una alta cantidad de ciclos (10¿¿6)¿. La manera de como se tratan las combinaciones de esfuerzos, proviene del uso de la teoría de la energía de distorsión.

El primer paso consiste en generar elementos de esfuerzos alternantes (σ a¿ y medios (σ m¿, los cuales se aplican las concentraciones de esfuerzos correspondientes. Posteriormente, se calculan los esfuerzos von Mises y se utiliza un criterio de falla adecuado, en conjunto con el límite de resistencia a la fatiga. Además se puede analizar la fluencia localizada en el primer ciclo mediante los esfuerzos de von Mises.

Shigley, recomienda evaluar el eje solamente en un par de puntos potenciales, donde existe un alto valor de momento flector, momento torsional y donde existen concentraciones de esfuerzos.

Los puntos a analizar del eje son el extremo de la sección AB con la parte del eje estriado, el cambio de sección (31 mm a 30 mm) y el de (30 a 28 mm).

En estos cálculos se comprobarán las dimensiones del eje respecto a la fatiga.

Figura 47. Punto a analizar en el eje.

Como se sabe, para el eje se ocupará un acero SAE 1045.

Sut=565MPa (Resistencia última)

Sy=310MPa (Límite de fluencia)

12 Basado en (Budynas & Keith Nisbett, 2008)

85

Límite de resistencia a la fatiga de la probeta de viga rotatoria para materiales dúctiles con confiabilidad de 50 % aproximada, es:

Para: Sut≤1400MPa

Se '=0.5 ∙ Sut

Se '=282.5MPa

Cálculo de los factores que modifican el límite de resistencia a la fatiga

Factor de superficie (k a)

Como la superficie de una muestra de ensayo está muy pulida, se debe modificar el factor de superficie, para llevarlo a las características que tendrá el acero SAE 1045, que en este caso corresponde a un maquinado.

k a=a∗Sutb (17)

Figura 48. Coeficientes del factor de superficie. Fuente: (Budynas & Keith Nisbett, 2008)

De la figura anterior, se obtiene que:

a=4.51b=−0.265

Por lo que se obtiene, remplazando en (17):

k a=4.51∗565−0,265

k a=0.841

Factor de tamaño (k b)

Se debe modificar el factor de tamaño, porque los diámetros de las probetas de ensayo no son los mismos que los del eje a analizar.

86

Figura 49. Factor de tamaño. Fuente: (Budynas & Keith Nisbett, 2008)

De la figura anterior, se debe ocupar para las tres partes a analizar, la siguiente ecuación

k b=( d7,62 )

−0,107

(18)

De los tres cambios de secciones, el del eje estriado y la reducción de radio a 28 mm el diámetro del eje es el mismo, por tanto se calculan solo dos factores.

d1=28mm

d2=30mm

Por lo que se obtiene, remplazando en (18):

k b1=( 287,62 )−0,107

=0.868

k b2=( 307,62 )−0,107

=0.862

Factor de carga (k c)

Esto se debe a que los ensayos se hacen a varios tipos de cargas (flexión, torsión y axial), pero de manera separada, por lo que, cuando existe más de uno (en este caso, flexión y torsión), se hace el factor igual a 1 y se calcula el esfuerzo de von Mises efectivo.

k c=1

Factor de temperatura (k d)

El eje, se encuentran a una temperatura ambiente cercana a los 20 °C, lo que no modifica el límite de resistencia a la fatiga.

k d=1

Factor de confiabilidad (k e¿

La confiabilidad del eje está sujeta a su manufactura, las probetas están consideradas para una confiabilidad de 50 % y el producto debe tener una confiabilidad alta (99,9999%), debido a que la distancia entre discos puede llegar a ser muy pequeña y un desbalanceo podría deteriorar los discos.

87

Figura 50. Factor de confiabilidad. Fuente: (Budynas & Keith Nisbett, 2008)

Por la figura anterior se tiene que:

k e=0.620

Factor de esfuerzos varios (k f )

Se analizará la concentración de esfuerzos para los tres puntos a analizar.

Por Flexión; k f=1+q(k t−1) (19)

Por Torsión; k fs=1+qcortante(k ts−1) (20)

Se obtiene q y qcortante de las figuras 51 y 52.

Figura 51. Factor de sensibilidad de la muesca (flexión). Fuente: (Budynas & Keith Nisbett, 2008)

88

Figura 52. Factor de sensibilidad a la muesca (torsión). Fuente: (Budynas & Keith Nisbett, 2008).

q=0.7 (Flexión)qcortante=0.9 (Torsión)

El extremo estriado del eje, se considerará como un chavetero. Según Shigley, la concentración de esfuerzos a la fatiga es (el radio del eje estriado está determinado por las características de la fresa a utilizar):

k t1=2.2

k ts1=3

Remplazando en (19) y (20):k f=1+0,7 (2,2−1 )=1.84

k fs=1+0,7 (3−1 )=2.8

La reducción a la fatiga para este tramo será:

Se 1=k a∗k b1∗k c∗kd∗k e∗Se'=127.89MPa

Se 1=Ses1

La reducción de 31 mm a 30 mm, presenta los siguientes factores de concentración de esfuerzos a la fatiga (Figura 53 y 54):

r=1.5

Dd

=3130

=1.033

rd=1.530

=0.05

89

Figura 53. Factor de concentración de esfuerzos (Torsión). Fuente: (Budynas & Keith Nisbett, 2008)

Figura 54. Factor de concentración de esfuerzos (Flexión). Fuente: (Budynas & Keith Nisbett, 2008)

k t2=1,7

k ts2=1,3

Remplazando en (19) y (20):

k f 2=1+0,7 (1,7−1 )=1.49

k fs2=1+0,7 (1,3−1 )=1.27



Se 2=Ses2

90

La reducción de 30 mm a 28 mm, los factores de concentración de esfuerzos a la fatiga presentes son (Figura 53 y 54):

r=1.5

Dd

=3028

=1.071

rd=1.528

=0.054

k t3=1,7

k ts3=1,3

Remplazando en (19) y (20):

k f=1+0,7 (1,7−1 )=1,49

k fs=1+0,7 (1,3−1 )=1,27



Se 3=Ses 3

Coeficiente de seguridad del eje con dimensiones parciales

Para calcular el factor de seguridad, se utilizara una combinación de modos de falla, entre esfuerzos de von mises de los estados de esfuerzos alternantes y medios; y aplicarlos al criterio de falla de Goodman-modificado.

σaSe

+σmSut

=1n

(21)

σ ´m: Esfuerzo de von mises estado medioσ ´ a: Esfuerzo de von mises estado alternante

Para combinaciones de modos de falla, se remplazará el esfuerzo alternante y medio, por los esfuerzos de von mises.

σ a=σ ´m

σ m=σ ´m

91

Cálculo de esfuerzos de von Mises

Se tiene para el eje los siguientes momentos, calculados a partir de los cálculos estáticos:

M 90=5386N∗mmM 104=6224N∗mmM 121.5=8340N∗mmT m=13000N∗mm

Esfuerzo de von Mises en extremo estriado:

σ ' a1=32¿k f 1∗M 90

π∗d13 =4.598MPa

σ 'M 1=2√(3( 16¿k fs 1∗T mπ∗d1

3 ))=14.627MPaEsfuerzo de von Mises, cambio de sección de 30 a 31mm:

σ ' a2=32¿k f 2∗M 104

π∗d23 =3.499MPa

σ 'M 2=2√(3( 16¿k fs 2∗T mπ∗d2

3 ))=5.394MPaEsfuerzo de von Mises, cambio de sección de 28 a 30mm:

σ ' a3=32¿k f 3∗M 121.5

π∗d33 =4.57MPa

σ 'M 3=2√(3( 16¿k fs 3∗T mπ∗d3

3 ))=4.889MPaCálculo de coeficiente de seguridad a la fatiga

Se utilizará el criterio de Goodman-modificado, recomendado por el libro “Diseño en ingeniería mecánica” (Budynas & Keith Nisbett, 2008) ya que es el segundo criterio de falla más conservador, respaldando al ingeniero en sus cálculos de diseño.

Despejando n de la ecuación (21):

92

n1=( σ ' a1Se 1+σ ' M1Sut )

−1

=16.17 (Cambio de sección en las estrías)

n2=( σ ' a2Se2+σ 'M2Sut )

−1

=26.95 (Cambio de sección de 30 a 31mm)

n3=( σ ' a3Se3+σ 'M 3Sut )

−1

=22.53 (Cambio de sección de 28 a 30mm)

Se puede observar

Los diámetros que se asumieron inicialmente en el dimensionamiento del eje fueron correcto, ya que Cada uno de los coeficientes de seguridad es bastante mayor que los calculados según (Ullman D. G., 2010) asegurando una alta resistencia del elemento frente a las cargas dinámicas que se vera sometido.

9.2.1.4 Dimensionamiento del eje Principal

Se opta por establecer definitivamente las dimensiones parciales asignadas por efecto de diseño al eje, debido a su alta resistencia a las cargas estáticas y dinámicas.

Figura 55.

93

9.2.2 Cálculos y dimensionamiento del porta-disco rotor

Figura 56

Como se explicó en el capítulo 7 el porta-disco rotor se compone de dos piezas el disco-soporte y buje.

El disco-soporte posee tres orificios de 7mm de diámetro donde irán insertos los pernos, que fijan el disco desfibrador rotor. Los orificios están ubicados a 120° cada uno y a una distancia de separación de 120mm desde sus centros. Se desea diseñar con planchas de acero A36, de 20 mm de espesor.

El buje se desea fabricar de una barra SAE 1045 (limite fluencia de310 MPa).

Las dimensiones y materiales asignados son parciales y se comprobaran mediante la comparación del factor de seguridad que se calcule de acuerdo al análisis respectivo, con el factor de seguridad calculado con el (Ullman D. G., 2010)

Las estrías internas del disco-soporte se calcularan en conjunto con las estrías externas del buje, debido a que son los mismos análisis.

94

9.2.2.1 Cálculos del disco-soporte

Basado en (Feodosiev, 1980).

Para simplificar el cálculo se puede considerar el disco-soporte, como un disco circular que gira a gran velocidad, de espesor constante, radio b y con un orificio central de radio a, el cual está débilmente unido al eje.

Figura 57. Porta-disco. Fuente: Creo Elements.

En este caso se aplica el principio de D´Alembert, el cual considera como fuerzas exteriores las fuerzas de inercia distribuida sobre el volumen del disco.

Figura 58. Esfuerzos radiales y tangenciales en un disco. Fuente: (Feodosiev, 1980)

Como se puede observar en la figura 58 , los esfuerzos tangenciales son los más críticos para el elemento. Con el objetivo de diseñar un elemento que soporte la condición más desfavorable se procede a calcular los esfuerzos tangenciales.

σ t=γ ω2

8g(3+μ)(b2+a2+ a2∗b2r2

−1+3 μ3+μ

r2) (22)

95

Donde r: Radio desde el centro del disco hasta el punto donde se quiere evaluar el esfuerzoμ=0,29 (Razón de Poisson para el acero)a=18mm (Radio del agujero central del disco)b=111.5mm (Radio del disco)ω=1500 rpm (Velocidad angular cte.)

ρacero=7850kg

m3 (Densidad del acero)

γ= ρacero∗g=7,698∗104 N

m3 (Peso específico del acero)

Los esfuerzos tangenciales máximos se generan en el orificio de radio a.

Remplazando: r=a

En (22), se tiene:

σ TMAX=γ ω2

8g¿

σ TMAX=1.992MPa

Los esfuerzos tangenciales mínimos se generan para el radio máximo (b)

Remplazando: r=b

En (22), se tiene:

σ TMIN=γ ω2

8g¿

σ TMIN=0,479MPa

La amplitud de esfuerzo se obtiene de la siguiente premisa:

σ a=σT MAX−σT MIN

2 (23)

Remplazando los datos calculados anteriormente en (23), se tiene:

σ a=0,756MPa

El esfuerzo medio se obtiene de la siguiente premisa:

σ m=σT MAX+σT MIN

2 (24)

Remplazando los datos calculados anteriormente en (24), se tiene:

96

:σ m=1,235MPa

97

El factor de seguridad del disco-soporte se calculara, según el enfoque de Soderberg, ya que es una pieza que requiere de mucha precisión para regular la distancia mínima entre discos y para proteger el disco desfibrador que ira montado en ella:

σaSe

+σmS y

=1n

(25)

El disco se quiere fabricar de un acero estructural A-36 son las siguientes características:

Limite de fluencia; sy=250MPa

Limite de rotura; sut=410MPa

Limite de resistencia a la fatiga de la probeta de viga rotatoria para materiales dúctiles con confiabilidad de 50 % aprox.

Para: Sut≤1400MPa

Se '=0.5 ∙ Sut

Se '=205MPa

Calculo de los factores que modifican el límite de resistencia a la fatiga.

Factor de superficie (k a)

Como la superficie de una muestra de ensayo está muy pulida, se debe modificar el factor de superficie, para llevarlo a las características que tendrá el acero estructural A-36, que en este caso corresponde a un maquinado.

Figura 59. Coeficientes del factor de superficie. Fuente: (Budynas & Keith Nisbett, 2008).

De la anterior, se obtiene que:

a=4.51b=−0.265

98

Remplasado en ecuación (17):k a=0.922

Factor de tamaño (k b)

Se debe modificar el factor de tamaño, porque los diámetros de las probetas de ensayo no son los mismos que los del disco-soporte.

Figura 60. Factor de tamaño. Fuente: (Feodosiev, 1980)

De la figura anterior se debe ocupar, la siguiente ecuación

k b=1.51∗d−0,157 (26)

Si 51<d ≤254mm

Donde; d=223mm

De (26) se obtiene;k b=0.646

Factor de carga (k c)

Se determina según el tipo de carga que se aplica al elemento. Como el disco-soporte está sometido a torsión se asigna el valor de:

k c=0.59

Factor de temperatura (k d)

El rango al cual estará sometido el elemento fluctúa entre los 20-150°C, como la resistencia a la tensión a la temperatura de operación (sT ) aumenta a medida que la temperatura asciende de 20 a 150°C.la condición mas desfavorable se encuentra a 20°C se tomara el respectivo valor correspondiente a dicha temperatura en la tabla de datos.

k d=sTs RT

(27)

Para: T=20 °C

99

k d=1Factor de confiabilidad (k e¿

El disco-soporte es un elemento de la máquina, en el cual se debe tener mucha precaución al diseñar, debido a su relación con la precisión al regular la distancia entre discos, y la seguridad de ellos mismos, por tanto se utilizara una confiabilidad de 99.9999%.

Figura 61. Factor de confiabilidad. Fuente: (Budynas & Keith Nisbett, 2008)-

Por la figura anterior se tiene que:

k e=0.620

Factor de esfuerzos varios (k f )

El factor de esfuerzos varios para esto caso, es por concentración de esfuerzos y sensibilidad a la muesca.

Se obtendrán el factor de esfuerzos varios (k f ) utilizando la ecuación (20).

Se obtiene la sensibilidad a la muesca qcortante de la figura 62.

Figura 62. Factor de sensibilidad a la muesca (Torsión). Fuente: (Budynas & Keith Nisbett, 2008).

100

Con un radio de muesca de: r=1

Se tiene:qcortante=0.9 (Torsión)

La reducción en el disco de 223 mm a 88 mm, presenta un factor de concentración de esfuerzos a la fatiga, el cual se obtendrá de la Figura 63:

Figura 63. Factor de concentración de esfuerzos a la fatiga. Fuente: (Budynas & Keith Nisbett,2008).

Para:r=1

Dd

=22388

=2.534

rd= 188

=0.011

Se puede observar de la figura, que la relación Dd

=2.534 no se encuentra

entre las curvas que ofrece la gráfica. Pero también es fácil darse cuenta que las curvas presentan tendencia a aproximarse unas de otras a medida que aumenta el valor de la relación, por tanto se usara la curva que arroja una relación máxima igual a D'd ´

=2.

Para:r=1

D'd ´

=2

101

rd= 188

=0.011

Se tiene:k ts=¿2.6

Remplazando qcortante y k ts en ecuación (20), se tiene:

k fs=1+0,9 (2.6−1 )=2.44

Finalmente la resistencia a la fatiga será:

Se=ka∗kb∗kc∗k d∗ke∗k fs∗Se'=108.971MPa

Factor de seguridad del disco-soporte (con dimensiones parciales)

Usando el criterio de falla de Soderberg ecuación (25):

Despejando n y remplazando los datos calculados, se tiene:

n= 1σ aSe

+σ mSut

=84.159

Dimensionamiento del disco-soporte

Loa diámetros que se asumieron inicialmente en el dimensionamiento del disco-soporte son correctos, puesto que se obtiene un factor de seguridad bastante alto indicando que los esfuerzos producidos por la rotación inciden de manera insignificante en el diseño del elemento. Además el factor de seguridad calculado es mayor que los calculados según (Ullman D. G., 2010)

Por tanto se opta por establecer definitivamente las dimensiones parciales asignadas al disco-soporte.

102

9.2.2.2 Cálculos buje

El cálculo de las estrías se basa en la teoría ocupada para el eje anteriormente. Como las estrías interiores del buje (ver figura 64), son idénticas a las del eje estriado (con el propósito de ser acopladas) no será necesario volver a calcularlas.

Figura 64. Buje estriado. Fuente: Creo Elements. Aquí solo se determinará el largo mínimo de las estrías exteriores del buje (ver figura 64) para que transmita el torque del eje, íntegramente hacia el disco-soporte que sostiene al disco desfibrador.

Figura 65. Buje estriado 1. Fuente: Creo Elements.

De la figura 41, se escogió bajo la norma DIN 5462, unas estrías con:

d2=40mmd1=36mmi=8.

103

Figura 66. Estrías en buje. Fuente: Creo Elements.

Ocupando el mismo torque de arranque (13Nm), con un coeficiente de seguridad igual a 2.1296 calculado anteriormente con las recomendaciones de (UllmanD. G., 2010), y un tubo con una fluencia de 310 MPa (SAE 1045), obtenemos la longitud mínima.

M T=13Nm

σ adm=145.567MPa

Remplazando en ecuación (9) y (10), se tiene:

h=2mm

rm=19mm

Reemplazando en ecuación (8), se tiene:L=0,392mm

Dimensionamiento del las estrías del buje

Como las estrías deben poseer un largo mínimo de 0.392 mm, para soportar el torque aplicado, aceptara con facilidad el largo de 10 mm que se le debe asignar por efectos de diseño.

Para las estrías del disco-soporte se aplicara el mismo enunciado anterior.

Figura 67. Porta-disco. Fuente: Creo Elements.

104

9.2.3 Cálculo y elección de Pernos

Para la elección correcta de los pernos a utilizar en diferentes partes de la máquina, se procede primeramente a calcular la fuerza, a la cual está sometida cada pieza apernada.

La fuerza calculada se distribuye en la cantidad de pernos que posee el elemento en estudio y una vez teniendo la fuerza en cada uno de éstos, la tarea siguiente es calcular el esfuerzo cortante, para la elección correcta del perno.

9.2.3.1 Disco Rotor:Una de las piezas en estudio fue el disco rotor de la máquina, ya que es el

elemento donde se genera un mayor esfuerzo de corte, por lo cual se toma como la condición más desfavorable. El disco tendrá 3 pernos, a una distancia de 69 mm con respecto a su eje central.

Figura 68

Haciendo los cálculos de fuerzas y esfuerzo de cortante se tiene que:

M T=F ∙d

13Nm=F ∙0.069m

F= 13Nm0.069m

=187N3

La fuerza ejercida en cada perno es:

FP=62.55N

Teniendo la fuerza y señalando el diámetro del perno a usar, se calcula el esfuerzo de corte.

τ P=FPA

105

A=Pi ∙ D2

4

D=7mm

τ P=62.55N

38.49mm2

Finalmente el esfuerzo de corte es:

τ P=1.63N

mm2=1.63 Pa

9.2.3.2 Pernos del motor:

Otro elemento que está sometido a grandes esfuerzos de corte, es el motor de la máquina. Los pernos a colocar en esta parte son 4 y tienen una distancia de 128mm, mayor uno de otro en comparación al disco rotor, lo cual dará una fuerza y esfuerzo de corte menor.

Figura 69

Realizando los cálculos de fuerza y esfuerzo cortante se tiene que:M T=F ∙d

13Nm=F ∙0.128m

F= 13Nm0.0128m

=101.562N4

La fuerza ejercida en cada perno es:FP=25.291N

Teniendo la fuerza y señalando el diámetro del perno a usar, se calcula el esfuerzo de corte.

τ P=FPA

A=Pi ∙ D2

4

106

D=15mm

τ P=25.291N

176.71mm2

107

Finalmente el esfuerzo de corte es:

τ P=0.143N

mm2=0.143 Pa

Los elementos apernados como el volante, abrazadera, buje y rodamiento del buje, no serán calculados, ya que estas piezas están sometidas a fuerzas axiales, las cuales se desconocen cómo se explicó en etapas anteriores.

Finalmente el perno a utilizar es tornillo cabeza hexagonal DIN 933 calidad 8.8, con límite de fluencia de 640 Mpa .Como la resistencia del perno elegido es mayor al calculado, éste no sufrirá falla producto de la fuerzas de corte.

9.2.4 Cálculo y selección de rodamientos

Existen diferentes tipos de rodamientos, que poseen propiedades características que dependen de su diseño, pero la diferencia fundamental, es su movimiento rotativo el cual está enfocado directamente con su función, y según el sentido del esfuerzo que soporta, puede ser axial, radial, o axial-radial, entendiéndose lo dicho como:

Esfuerzo axial: Si soporta esfuerzos en la dirección del eje, ejemplo en quicio Esfuerzo radial: Si soporta esfuerzos de dirección normal a la de su eje, como por ejemplo una ruedaEsfuerzo axial-radial: Si puede soportar los dos esfuerzos ya nombrados, de forma alternativa o combinada.

De acuerdo a lo anterior, dependiendo de los esfuerzos que deba soporta el rodamiento, los proyectistas deben seleccionar uno de ellos, los otros aspectos que diferencian a los cojinetes de rodadura, son secundarios a este, y dependen del tamaño de rodamiento, precios, y alguna función especial que posea el rodamiento.

El equipo de trabajo se basará en un catálogo general de SKF para la elección, de los rodamientos a utilizar.

A continuación se detalla, en qué situación se dispondrán los rodamientos:

El eje estriado de la máquina necesita poseer dos apoyos en su largo. Además de un tercer rodamiento sobre el buje.

Los rodamientos a utilizar son los siguientes:

-Rodamiento rígido de bolas.-Rodamiento Y, con prisionero de fijación.-Soporte de brida con rodamiento Y, chapa embutida.

108

9.2.4.1 rodamientos del eje principal

A continuación, se presenta el cálculo de las capacidades de carga dinámica de los rodamientos utilizados en el producto y se compararan con las cargas dinámicas tabuladas en las tablas del catálogo SKF.

L10=(VidaNominal )

L10=(CP )p

L10=Vida Nominal , enmillones derevoluciones .C=Capacidad decargadin ámica .

P=Carga diná micaequivalente .

p=Factor deservivio de cadarodamiento .

Máquina para 8 horas de trabajo:

L10= 10000 a 25000 horas.

Ecuación para el cálculo de la carga dinámica equivalente

P=X F r+Y Fa

P=Carga diná micaequivalente .

F r=Carga radial .

Fa=Cargaaxial .

X=Factor decarga radial .

Y=Factor decarga axial .

9.2.4.1.1 Rodamientos rígidos de bolas

Estos rodamientos son usados en una gran variedad de aplicaciones, ya que son fáciles de diseñar, no separables, capaces de operar a muy altas velocidades, con diversas obturaciones y variantes de grasa/aceite y requieren de poca atención o mantenimiento en servicio. Estas características, más sus ventajas en su precio, hacen de estos rodamientos los más populares de todos los rodamientos.

Este tipo de rodamiento se utilizara en la máquina como un elemento móvil, para así no tener problemas de que se rompa el eje o el mismo rodamiento producto de la dilatación del eje provocada por la temperatura.

109

F r=126.69N Fuerza radial aplicada en el rodamiento de bola.

Fa=0N

No se considera la fuerza axial, ya que las presiones sobre el disco son muy variadas, lo que llevaría mucho tiempo en determinar dichas fuerzas. (Análisis estadístico)

X=Factor radial=0.56

P=0.56 ∙126.69N

P=70.946N

p=3 , paralos rodamientosde bola

C=p√L10 ∙P

C=3√25000 ∙70.946

C=2074.47N Carga dinámica calculada, para el rodamiento de bola.

Rodamiento elegido, tiene una capacidad de carga dinámica (C) de 19500N

9.2.4.1.2 Rodamiento Y, con prisionero de fijación

Los rodamientos Y, también llamados rodamientos de inserción, son básicamente rodamientos rígidos de bolas obturados, con un diámetro exterior esférico convexo. Se fabrican en diferentes tamaños, y se suministran con un aro interior estándar, o con un aro interior prolongado a uno o a ambos lados. Estas prolongaciones tienen un agujero que permite fijar el rodamiento al eje, el cual recibe el nombre de prisionero de fijación.

F r=37.45N Fuerza radial aplicada sobre el rodamiento Y.

Fa=0N

Al igual que en el rodamiento de bola, no se considera la fuerza axial, ya que las presiones sobre el disco son muy variadas, lo que llevaría mucho tiempo en determinar dichas fuerzas. (Análisis estadístico)

X=Factor radial=1

P=1 ∙37.45N

P=37.45N

p=2, pararodamientosY

110

C=p√L10 ∙P

C=2√25000 ∙37.45

C=158.11 ∙37.45

C=5921.22N Carga dinámica calculada, para el rodamiento Y.

Rodamiento elegido, tiene una capacidad de carga dinámica (C) de 15000N

9.2.5.2 Soporte de brida con rodamiento Y, chapa embutida

Los soportes con rodamientos Y son unidades listas para montar, engrasadas y obturadas que permiten la compensación de la desalineación inicial.

Se fabrican en diversos materiales como material compuesto Y- TECH, fundición gris y chapa de acero. Estos rodamientos son rígidos de una hilera de bolas obturadas en ambos lados y cuentan con un aro interior prolongado a uno o ambos lados.

Elección de rodamientos

Como las capacidades dinámicas de los rodamientos elegidos son mayores a las calculadas, se determina que estos rodamientos no sufrirán problemas producto de las cargas dinámicas a las cuales están sometidos.

9.2.6 Elección del acoplamiento eje-motor

En el mercado existe una amplia gama de estos elementos, los cuales se clasifican en:

Acoplamientos Rígidos: Se diseñan para unir rígidamente dos ejes, de manera que no se genere movimiento relativo entre ellos.Los acoplamientos rígidos deben emplearse solo cuando la alineación de los dos ejes puede mantenerse con mucha precisión.

Acoplamientos Flexibles: Los acoplamientos flexibles son diseñados de tal manera que sean capaces de transmitir torque con suavidad, en tanto permiten cierta desalineación axial, radial o angular.

Para la elección de un acoplamiento flexible, se utiliza una serie de factores como son el factor de servicio, factor de carga y factor de arranque; por otro lado, los acoplamientos rígidos solo se seleccionan, a partir del Diámetro del eje que uno requiere acoplar, sin ningún cálculo previo.

El equipo de trabajo, optó por escoger un acople rígido marca Renold, con diámetro interior de 28 mm, de acuerdo al diámetro del motor a utilizar y al eje del desfibrador, con un par de apriete de 20 N-m, el cual es mayor al momento torsor sometido. (Ver Anexos)

111

9.2.7 Elección de los discos desfibradores.

Los discos tendrán como función principal desfibrar, que es lo que desea el cliente. En el mercado existen discos que pueden romper, desfibrar y refinar, en un solo disco compacto o bien en discos por separado.

El equipo de trabajo, luego de investigar determinó considerar un disco que cumple la función de romper y desfibrar. Esto es porque el material a procesar solo estará chipiado (tamaño de astilla que se estableció en parámetros de diseño) y su tamaño es variado, por tanto se debe reducir gradualmente el material proteger al equipo en general.

Luego de considerar, lo dicho anteriormente, el equipo de diseño, determino de acuerdo a medidas estandarizadas de desfibradores, que el diámetro exterior de los discos será de 8’’ y como se requería que posea estrías rompedoras y desfibradoras, se cotizó un disco de tales características.

9.2.8 Elementos diseñados por el equipo de trabajo, respaldados según análisis en el software Creo elements

Los elementos nombrados a continuación, fueron diseñados por el equipo de trabajo para satisfacer diferentes necesidades presentadas en la máquina, principalmente en cuanto a las funciones que deberán desempeñar.

Sus diseños y la resistencia a los esfuerzos a los cuales cada uno estará sometido, serán analizados como un conjunto y determinados, por medio del software creo elements

A continuación, se presentan cada uno de los elementos diseñados.

9.2.8 .1 Carcasa

La carcasa, se fabricara a partir de barras perforadas de diferentes diámetros exteriores, el mayor de 238mm y el menor 106mm, cada uno de diferentes espesores. Además, se utilizarán planchas de 6mm de espesor, las cuales irán soldadas axialmente sobre los tubos.

También, poseerá una pieza tipo bisagra, soldada como se muestra en las figuras siguientes, para permitir abrir la carcasa y tener fácil acceso a los discos desfibradores.

Los agujeros y rebajes se especifican con más detalle en los planos.

113

Figura 70Figura 71

Figura 72

9.2.8.2 Tubo regulador

Se fabricara de una barra perforada de ACERO AISI 1518. A la cual, por medio de un torno, se le dará la forma determinada, según su diseño, realizándole su posterior análisis en el software.

9.2.8.3 Abrazaderas

Está diseña para que tenga una rigidez elevada, manufacturas de una barra perforada de acero AISI 1518, de diámetro interior 90mm y exterior 160mm. Y una pequeña placa, de acero A36, soldada para unirlas, pues se compone de dos piezas.

9.2.8.4 Volante

El volante, compuesto de dos partes, la que posee el hilo será realizada de acero AISI 1518 y la que posee el anillo del volante, será hecha de piezas de acero AISI 1518 y acero A36.

9.2.8.5 Base de la maquina

Esta ha sido diseñada, por medio de placas de acero A36, de 20mm de espesor, posicionadas según las imágenes, y soldadas entre sí, por el proceso manual al arco.

9.3 Sistema eléctrico y electrónico

114

Figura 74Figura 73

Uno de los criterios fundamentales que el equipo de trabajo debía considerar en el diseño de la máquina, es el de otorgar seguridad tanto al usuario como a la máquina misma, es por ello, que deciden emplear sistemas electrónicos dentro de sus circuitos eléctricos, que ayuden a otorgar esa seguridad.

Por lo anteriormente dicho, el equipo de trabajo buscó entre varias empresas Valdivianas, que prestan este servicio.

Se recurrió a la empresa REXEL, Ubicada en Pérez Rosales 759, donde el jefe de sucursal don Bernardo Gómez Escobar, sostuvo una reunión con el equipo de trabajo, en la cual entregó el diseño eléctrico y electrónico completo del producto.

En aquel diseño se contemplan todo el sistema eléctrico de la máquina, como cables, interruptores, etc. Pero lo más importante son los sistemas electrónicos de seguridad como lo son:

-Interruptores de puerta: No permite que los discos estén en movimiento cuando la carcasa este abierta.

-Guarda- motor: Permite proteger el motor de fallas eléctricas.

-Luces de advertencia: Luces de diferentes colores, que indican visualmente al usuario, que por ejemplo, la máquina esta conectada a la fuente eléctrica, la máquina esta en funcionamiento, hay un imperfecto eléctrico, etc.

Esta cotización se puede ver en el anexo.

115

10 Análisis del prototipo

Se realizará un análisis previo del eje con el fin de determinar si resiste el torque aplicado.

Conociendo el material, las cargas y la geometría se procedió a diseñar el eje en el software CREO Elements.

El material asignado corresponde a un acero SAE 1045, con un mecanizado medio y un factor de reducción a la fatiga de 2,8.

Figura 75. Asignación de material. Fuente:Creo Elments

Posteriormente se restringió el eje, donde se ubican los 2 rodamientos (fijo y móvil).

Figura 76. Restriccione. Fuente:Creo Elments

116

Se introdujeron las cargas actuantes sobre el eje:

Momento torsor (13000 N*mm). Peso del eje. Peso de la porta-disco. Peso del acople.

Figura 77. Cargas sobre eje. Fuente:Creo Elments

Figura 78.Carga de momento torsor. Fuente:Creo Elments

Análisis modal

El análisis modal entrega las frecuencias naturales a las cuales vibrará el eje. Estos valores son de interés para prevenir el fenómeno de resonancia. El software entregará el valor de los cuatros primeros modos de vibrar, ya que los siguientes tienen valores mucho más altos.

El eje gira a una velocidad de 1500 rpm, induciéndose una frecuencia de excitación igual a 25 Hz, la relación entre la frecuencia de excitación y la frecuencia natural entregada por el software, debe estar fuera de un rango de 0.8 y 1.2 la frecuencia natural.

117

Este análisis fue realizado por el método de convergencia Multi Pass (9 pasos).

Modos de vibrar

Modo de vibrar Frecuencia natural (Hz) Convergencia1 7.858665e+02 0.0%2 7.861720e+02 0.0%3 1.676229e+03 0.0%4 1.676318e+03 0.0%

Tabla 33. Resultado análisis modal. Fuente:Creo Elments

La frecuencia natural perteneciente al primer modo de vibrar es 7.858665e+02 Hz, la que es aproximadamente 0,03 veces la frecuencia de excitación, o sea que está en fase, pero con un valor bastante lejano a 0,8 (valor crítico mínimo). Como las frecuencias naturales que continúan, serán cada vez mayores, se entiende que no ocurrirá el fenómeno de resonancia en el eje.

Análisis estático

Este análisis entregará los valores de esfuerzos, desplazamientos e índice de falla del eje cuando se ve sometido estáticamente a las cargas sobre este que fueron mostradas con anterioridad.

Aunque no representa lo que ocurre realmente en el eje, es necesario contar con esta referencia acerca si el eje soportar las cargas al menos una ocasión.

Este análisis fue realizado con el método de convergencia Multi Pass con nueve pasos y entregó los siguientes resultados

Resultados

max_disp_mag 4.257922e-03 0.0%max_disp_x 6.336848e-04 0.0%max_disp_y -4.247797e-03 0.0%max_disp_z -1.053678e-03 0.0%

max_prin_mag 6.010528e+00 0.0%max_stress_prin 6.010528e+00 0.0%max_stress_vm 5.123211e+00 0.0%max_stress_xx 4.861136e+00 0.0%max_stress_xy -2.572726e+00 0.0%max_stress_xz -1.985733e+00 0.0%max_stress_yy -2.608725e+00 0.0%max_stress_yz -1.201528e+00 0.0%max_stress_zz -2.133391e+00 0.0%min_stress_prin -5.841445e+00 0.0%strain_energy 2.634111e-01 0.0%

Tabla 34. Resultado análisis estático. Fuente:Creo Elments

118

Figura 79. Esfuerzo von Mises. Fuente:Creo Elments

Figura 80. Desplazamiento (Magnitud). Fuente:Creo Elments

Figura 81. Indice de falla. Fuente:Creo Elments

De lo anterior se puede extraer que el máximo esfuerzo von Mises es de 5,12321 MPa y está ubicado en el comienzo de las estrías. También el desplazamiento máximo de 1,653 mm y el eje tiene un coeficiente de seguridad de 60,496.

Con lo anterior se concluye que el eje resiste con mucho margen las cargas presentes en el estáticamente.

119

Análisis de fatiga.

Por último se realizó un análisis de fatiga sobre el eje, para determinar si es capaz de soportar los ciclos que se espera que dure el producto (6,04+08)

Figura 83. Datos análisis de fatiga. Fuente:Creo Elments

También se específico anteriormente el factor de reducción de esfuerzos a la fatiga (2.8). Una vez realizado el análisis de fatiga se obtuvieron los siguientes resultados.

120

Figura 82. Vida logarítmica. Fuente:Creo Elments

Figura 84. Factor de seguridad de fatiga. Fuente:Creo ElmentsFigura 85. Confidencia de vida. Fuente:Creo Elments

En primer lugar se encuentra la vida logarítmica, que arroja un valor de 1,289e+01, lo que corresponde a 7,762e(+12) ciclos, asegurando que el eje tendrá una alta vida respecto a las cargas de fatiga a las cuales se ve sometido, lo cual supera la vida útil establecida por el cliente como requerimiento.

En segundo lugar se analiza el factor de seguridad a la fatiga, que es de 4,431 lo que se acerca a lo realizados a los cálculos previos del eje. Por último se presenta la confiabilidad del modelo, el cual arroja como mínimo un valor de 3, que significa que tienen una alta confiabilidad.

121

Análisis disco rotor desfibrador

Se realizó un análisis modal al disco rotor para determinar si podría llegar a presentar resonancia por el giro que se le aplicaba. La restricción se realizó en la cara posterior donde se une al disco-soporte.

Figura 86. Restricciones en disco. Fuente:Creo Elments

Las frecuencias naturales que se obtuvieron en los análisis fueron las siguientes:

Modos de vibrar

Modo de vibrar Frecuencia natural (Hz) Convergencia1 5.955378e+04 0.0%2 5.955823e+04 0.0%3 5.971196e+04 0.0%4 5.971482e+04 0.0%

Tabla 35.Resultado análisis modal. Fuente:Creo ElmentsComo se puede observar, las frecuencias naturales obtenidas son ampliamente

mayores a la frecuencia de excitación (25 Hz), lo cual asegura que no se presentarán problemas de resonancia.

122

Análisis modelo final

Figura 87. Molino desfibrador de viruta. Fuente: Creo Elements

El modelo final de producto se construyó en base a las piezas que fueron calculas en la sección anterior y el resto de piezas se diseñaron en el software CREO Elements. Posteriormente se ensamblaron en un conjunto.

Los materiales correspondientes a cada pieza son los siguientes:

Materiales

TUBO_RODAMIENTO AISI 1518TUBO_CARCASA AISI 1518PIEZA_DEL_VOLANTE AISI 1518TUBO_REGULADOR AISI 1518ABRAZADERA AISI 1518EJE SAE 1045RODAMIENTO_FIJO A36RODAMIENTO_LIBRE A36BUJE SAE 1045BASE_LISTO A36RODAMIENTO A36DISCO ACERO INOXIDABLE MARTENSITOACOPLE A36MOTOR_SARGENT A36BASE_MAQUINA A36VOLANTE AISI 1518CARCASA_DISCO_FIJO A36BASE_DISCO_FIJO A36PERNO_CARCASA A36TUBO_ENTRADA_MATERIAL A36

Tabla 36.Asignación de material. Fuente:Creo Elments

123

Propiedades de los materiales asignados

MaterialEsfuerzo de fluencia (MPa)

Esfuerzo de rotura (MPa)

AISI1518 490 657SAE1045 310 565A36 250 410ACERO INOXIDABLE MARTENSITO

Similar a SAE1045

El modelo a analizar estaba restringido en diversas partes, las cuales se muestran a continuación.

Restricciones

Orificios para los pernos en la base de la máquina y la superficie de la base de la máquina.

En el extremo inferior de la siguiente figura existe otra restricción que corresponde al orificio de perno que une la base de la máquina al tubo carcasa.

Restricción de orificios de los pernos que sujetan el motor a la base de la máquina.

Las siguientes restricciones corresponde a:

Orificios de pernos que sujetan los dos discos (rotor y estator) Orificios de pernos que unen al tubo de rodamientos a la carcasa evitando su

giro

Orificios de pernos que sujetan al volante que permite el movimiento axial:

124

Figura 88. Restricciones en molino desfibrador. Fuente:Creo Elments

Cargas sobre la máquina final

Se aplicó sobre la estructura la carga de gravedad dirigida en la dirección Y (según las coordenadas del plano del conjunto) y la carga de momento torsor (13000 N*mm), sobre la superficie libre del eje.

Figura 89. Cargas sobre molino desfibrador. Fuente:Creo Elments

125

Análisis modal de la máquina

Con el fin estudiar la relación entre la frecuencia de excitación y las frecuencias naturales de las estructuras, se realizará una análisis modal.

Se determinarán los primeros 4 modos de vibrar (y su frecuencia), estos son los que determina el software por defecto, los demás modos entregaran valores mayores de frecuencia natural.

Los valores obtenidos del software mediante un análisis modal con un método de convergencia Single Pass y Multi Pass

Modo de vibrar Frecuencia (Hz). (SP)Frecuencia (Hz).

(MP)

1 2.503668e+02 2.492228e+02

2 2.916838e+02 2.904592e+02

3 6.392056e+02 7.521998e+02

4 7.626198e+02 7.567898e+02

Tabla 37. Resultado análisis modal. Fuente:Creo ElmentsLa relación entre la frecuencia de excitación (25 Hz) y la primera frecuencia de

excitación tiene un valor cercano a 0,1; lo cual indica que estas frecuencias están en fase, pero con una relación lejana al valor crítico mínimo (0,8), por lo que la máquina no sufrirá resonancia a la frecuencia de trabajo del motor.

Para los siguientes modos de vibrar se entenderá que la relación entre la frecuencia de excitación y la frecuencia natural correspondiente es cada vez menor.

También para los dos tipos de convergencia SP (16%) y MP (10%), los resultados de las frecuencias naturales no presentan mayor variación lo cual permite asegurar con certeza que el molino desfibrador y sus componentes no presentaran resonancia.

126

Análisis estático

Se realizará un análisis estático a la máquina para determinar si soporta estáticamente al torque aplicado por el motor. El análisis entregará valores de esfuerzos, desplazamientos, índices de fallas, entre otros.

Se utilizará un criterio de convergencia Multi Pass.

Medida Resultado (MP)

max_disp_mag 2.034825e-03max_disp_x -1.845121e-03max_disp_y -2.033436e-03max_disp_z 1.058346e-03max_prin_mag* 4.601156e+00max_stress_prin* 4.601156e+00max_stress_vm* 7.499363e+00max_stress_xx* 3.029363e+00max_stress_xy* -3.852244e+00max_stress_xz* -3.571343e+00max_stress_yy* 3.248164e+00max_stress_yz* -3.812052e+00max_stress_zz* -1.306918e+00min_stress_prin* -4.081569e+00strain_energy: 2.909463e-01

Tabla 38. Resultado análisis estático. Fuente:Creo ElmentsLos desplazamientos están medidos en mm, los esfuerzos en MPa y la

energía de deformación en N*mm.

** Warning: The measures marked by an asterisk (*) were evaluated at (or close to) results singularities. The values of these measures may be inaccurate, and you must use engineering judgment when interpreting them.

** Atención: Las medidas marcadas con un asterisco (+) fueron evaluadas en (o cerda de) irregularidades. Estos valores pueden ser incorrectos, y usted debe aplicar criterio de ingeniería para interpretar estos resultados.

127

De los resultados expuestos anteriormente se puede extraer de que el esfuerzo máximo, se produce entre el acople y el eje del motor y tiene un valor de 7,499363e+00 (von Mises). El mayor índice de falla (por ende coeficiente de seguridad menor) se encuentra en el mismo punto y tiene un valor de 3,00e-02 (coeficiente de seguridad igual a 33,33). Todo esto, confirma en primer lugar, la cercanía a los cálculos desarrollados en las secciones anteriores y por último que el molino desfibrador de disco resiste con holgura las cargas estáticas sobre él.

Análisis dinámico de la máquina

No se contempla la realización de un análisis dinámico, ya que no se puede determinar la cargar dinámica en la estructura (Por el roce entre los discos y la viruta de madera).Para determinar está carga se debería realizar un estudio estadístico.

Seria poco serio hacer un análisis sin conocer la carga verdadera. Por lo que equipo de trabajo omitirá su realización.

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Figura 90. Esfuerzo von Mises. Fuente:Creo Elments

Figura 91.Indice de falla. Fuente:Creo Elments

11. Elección de la Soldadura, de acuerdo al material base a utilizar.

La soldadura es un proceso de unión de materiales, en el cual se funden las superficies de contacto de dos o más materiales, mediante la aplicación de calor o presión. La integración de las partes que se unen mediante soldadura se llama ensamble soldado. Muchos procesos de soldadura se obtienen solamente por el calor sin aplicar presión. Otros, únicamente por presión sin aportar calor externo, y otros se obtienen mediante una combinación de calor y presión. En algunos casos se agrega un material de aporte o relleno para facilitar la fusión. La soldadura se asocia con partes metálicas, pero el proceso también se usa para unir plásticos. *La soldadura es un proceso importante en la industria por diferentes motivos:

1.- Proporciona una unión permanente y las partes soldadas se vuelven una sola unidad.

2.- La unión soldada puede ser más fuerte que los materiales originales si se usa un material de relleno que tenga propiedades de resistencia superiores a la de los metales originales y se aplican las técnicas correctas de soldar.

3.-La soldadura es la forma más económica de unir componentes. Los métodos alternativos requieren las alteraciones más complejas de las formas.

*Además de las ventajas indicadas, tiene también desventajas:

1.- La mayoría de las operaciones de soldadura se hacen manualmente, lo cual implica alto costo de mano de obra. Hay soldaduras especiales y la realizan personas muy calificadas.

2.- La soldadura implica el uso de energía y es peligroso.

3.- La unión soldada puede tener defectos de calidad que son difíciles de detectar. Estos defectos reducen la resistencia de la unión

Hoy en día existen diferentes sistemas para unir piezas metálicas y cada una de éstas se especializa en un área determinada y en unir materiales específicos. A continuación se describen algunos métodos de soldadura más comunes:

-Soldadura por gas: Se trata de una técnica simple, barata y popular, aunque su utilización en la industria ha disminuido últimamente. La más conocida es aquella que utiliza la combustión de acetileno en oxígeno, también llamada autógena. Las ventajas son su bajo costo y la capacidad de movilidad de sus equipos.

129

-Soldadura al arco: Es una de las técnicas más desarrolladas, y existen muchos procesos que se basan en este principio. Para lograr la soldadura se utiliza una fuente de energía eléctrica (puede ser corriente alterna o continua) que permite derretir los metales. El proceso varía de acuerdo a la fuente de energía utilizada, el tipo de electrodo, y la utilización o no de un gas u otro material que altere la interacción de los componentes con la atmosfera.

-SMAW (Shielded Metal Arc Welding): Se conoce por las siglas MMA (soldadura manual de arco metálico), o soldadura de electrodo. En este proceso se utilizan electrodos de acero revestidos con un material fundente que, con el calor de la soldadura produce CO2. El gas actúa como un escudo contra el oxígeno de la atmósfera, previniendo la oxidación y otros tipos de contaminación del metal. Es una técnica sencilla de aprender y los equipos que se requieres son baratos y fáciles de conseguir.

-GNAW (Gas Metal Arc Welding): soldadura de gas de arco metálico o de gas de metal inerte (MIG), es una técnica parecida a la SMAW, pero que usa un electrodo que no se consume y un gas inerte, que se suministra a parte, y que sirve como blindado. Es una técnica también sencilla, pero que requiere de un equipo más sofisticado. Al requerir la aplicación de un gas, no es conveniente para trabajos al aire libre.

Como existen diferentes métodos para unir 2 o más piezas, también existen diferentes tipos de uniones en una soldadura como son: a tope, filete, insertos o ranuradas, etc.A tope: Es la más utilizada y consiste en unir las placas situadas en el mismo plano para placas de 6mm o para soldar por ambos lados, hay que preparar los bordes. El objetivo de esta soldadura es conseguir una penetración completa y que constituya una transición lo más perfecta posible entre los elementos soldados.

Figura 90. Tipo de soldadura a tope.

Filete: este tipo de soldadura se usa para rellenar los bordes de las placas creadas mediante uniones de esquinas, sobrepuestas y en T. Se usa un metal relleno para proporcionar una sección transversal de aproximadamente la forma de un triangulo. Es la soldadura más común en la soldadura por arco eléctrico y en la de oxigeno, ya que requiere una mínima preparación de los bordes, puesto que se usan los bordes cuadrados básicos de las partes.

Figura 91. Tipo de soldadura filete.

130

Insertos o ranuradas: estas soldaduras se usan para unir placas planas, en este tipo de soldadura se usan uno o más huecos o ranuras en la parte superior, los cuales se rellenas posteriormente con metal para fundir las dos partes.

Figura 92. Soldadura insertada

*Clasificación e identificación de los electrodos:

Para unir dos materiales se utilizan varillas de relleno que ocupan los espacios entre las piezas, las cuales son llamadas electrodos.

Debido a la gran cantidad de electrodos que se fabrican para efectuar trabajos específicos, es necesario saber qué métodos de identificación existe, como se clasifican y para qué trabajo específico fue diseñado. Hay muchas maneras de clasificar los electrodos, entre ellas tenemos:

Celulósicos: son llamados así por el alto contenido de celulosa que llevan en el revestimiento.

Rutílicos: se denominan así por el alto contenido de rutilo (oxido de titanio) en el revestimiento.

Minerales: el revestimiento de estos electrodos son óxido de hierro y manganeso.Básicos o bajo hidrógeno: su nombre se debe a la ausencia absoluta de humedad (hidrogeno) en su revestimiento.

Hierro en polvo: a esta clasificación pertenecen todos los electrodos cuyo revestimiento contiene una cantidad balanceada de hierro en polvo.

Clasificación AWS-ASTM: Debido a que hay muchos tipos diferentes de electrodos, puede resultar muy confuso escoger los correctos para el trabajo que se va a ejecutar. Como resultado la AWS (american Welding Society) estableció un sistema numérico aceptado y utilizado por la industria de la soldadura.Nomenclatura de los electrodosSe especifican cuatro o cinco dígitos con la letra E al comienzo, señalados a continuación:

Figura 93. Clasificación soldadura.a: Prefijo E de electrodo para acero.b: Resistencia a la tracción mínima del depósito.c: Posición de soldar.(1)Toda posición- (2)Plana Horizontal

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d: Tipo de revestimiento, corriente eléctrica y polaridad.

Figura 94.Electrodos.

Introducido en el tema de la soldadura, ya sea en los diferentes métodos, en tipos de uniones y electrodos que se deben usar para unir diferentes piezas, el equipo de diseño procedió a definir de qué forma irá soldada la carcasa del desfibrador de disco.

Primeramente se definió el material, del cual estaban compuestas las diferentes piezas de la carcasa. El material designado es un acero AISI 1518, el cual posee las siguientes características:

Dureza: 190-220 HBEsfuerzo de fluencia: 490 MPaEsfuerzo máximo: 657MPaElongación máxima: 18%Reducción de Área: 60%

Al realizar los análisis a las piezas a soldar, por medio de Creo Elements se determinó que el material base si poseen las características que le permitirán resistir los esfuerzos a los cuales estarán sometidos, por ello la soldadura deberá poseer mejores características mecánicas de él. Posterior a la designación del material, se definió el método de soldadura y el tipo de unión de las piezas a soldar. El método que usaremos para soldar es al arco eléctrico, ya que es una de las técnicas más desarrolladas para soldar estructuras metálicas y existen muchos procesos que se basan en este principio, por otro lado el tipo de unión que se eligió fue a tope en la parte de los tubos, ya que es la más usada y consiste en unir las placas del mismo plano ; y de filete en el resto de la carcasa, puesto que este tipo de soldadura se usa para rellenar los bordes de las placas creadas mediante uniones de esquinas, sobrepuestas y en T.

Finalmente se eligió el tipo de electrodo con el cual se iban a unir las piezas de la carcasa, este electrodo debe tener un esfuerzo a la tracción mayor al que tienen los materiales que se requieren soldar, ya que así el equipo de trabajo se asegura que el producto no sufrirá fallas en la parte de las soldaduras. El electrodo es del tipo continuo de la siguiente nomenclatura E11018, lo que significa que:

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-Es un electrodo para acero, el cual tiene una resistencia a la tensión de 780 MPa, resistencia a la fluencia de 717 MPa y una elongación porcentual 23%. Es un electrodo de bajo contenido de Hidrógeno con hierro en polvo en su revestimiento. Posee una gran velocidad de deposición y permite obtener uniones de alta resistencia mecánica. Los depósitos obtenidos son de excelente calidad radiográfica y se puede ocupar para soldar en toda posición, poseyendo la cualidad de utilizar corriente continua (CC) o corriente Alterna (CA).

Cantidad de soldadura a utilizar

El equipo de diseño determinó las medidas lineales entre las superficies de contacto entre las piezas que deberán ser soldadas, ya sea, de la base, la abrazadera, volante, entre otros.

Determino la suma de ellas, en metros lineales, y concluyo que aproximadamente serán 25 metros lineales los que se deberán soldar.

Como el kilogramo de soldadura E11018, posee 30 electrodos aproximadamente, y cada electro (de acuerdo al espesor del material base), nos permite obtener un cordón de soldadura de 20cm lineales, multiplicamos por 20 centímetros de cordón a los 30 electrodos, dándonos 600 cm lineales de soldadura, y si ese valor lo multiplicamos con los 5kg, que es una medida estándar que entrega Indura, nos indica que con podemos soldar 30 metros lineales.

Por asuntos de que no falte soldadura, el equipo de trabajo decide comprar 5kg. Del electrodo E11018.

133

12. Lista de materiales

Una vez, realizada la elección o el diseño de los elementos a utilizar en la máquina, y sus posteriores análisis, los cuales ayudaron al equipo de trabajo a determinar, qué es lo que realmente debían cotizar; Se presenta a continuación, la lista de materiales necesarios para el desarrollo de la PANSER.

Lista de componentes de Desfibrador PANSER

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Componentes Características o materia prima para su manufactura Cantidad

Motor Eléctrico Trifásico Siemens de 4 polos 1 93753 93753Acoplamiento Renold taper bushing TB1615 1 109470.75 109470.75

RodamientosRígido de bola 6012 KML 1 2941 2941Con prisionero PF 72 ASAHI 1 4202 4202soporte de brida, chapa embutida UC 207 KML 1 5043 5043

Discos Estator 1 229068.75 229068.75Rotor 1

Eje Barra SAE1045 de 31.75mm de d. 1 4218.5 4218.5Buje Barra SAE1045 de 44mm de d. 1 8400 8400

LC1D09M7 CONTACTOR 9A. 1NA+1NC TRIP 1 15750 15750GUARDAMOTOR 4,0-6,3AMP GV2ME10 1 26100 26100BLOCK CONTACTO 1NA+1NC INST 1 5275 5275BLOCK CONTACTO 1NA+1NC INST.LADN11 1 5045 5045INT.DIF.4X25A 30MA "VER MGA71425 1 39200 39200RM 17TA00 RELE SEC.FAS.ASIM.2008 A 480V 1 77403 77403PILORO ROJO LED 230/240 1 11250 11250XB4BVM3 PILOTO VERDE LED 230/240VAC 22MM 1 11250 11250PILOTO AMARILLO LED 230/240 1 11250 11250XB4BVM3 PULSADOR RASANTE VERDE 1N 1 6400 6400XB4BA42 PULSADOR RASANTE ROJO 1N 1 6400 6400DETECTOR FOTOELEC M18 PNP 1 47630 47630INTERRUPTOR DE PUERTA 10AMP SF 1 7080 7080CAJA METALICA 400X300X200MM IP54 CON PLACA DE 1 19000 19000CABLE TAC 18 AWG NEGRO (x MT) 50 90 4500CABLE RV-K FOC 3x1,5 MM2 (x MT) 2 396 792

Soporta-disco Planchas gruesas de Acero A36 20x1000x2000mm 1 208000 208000Base máquina

PernosPer Hex 8.8 PN MET 14X2X40 10 308.9 3089PER HEX 8.8 PN MET 7x1x20 13 215.15 2797PER HEX 8.8 PN MET 10x1.5x16 10 87.1 871

GolillaGOLILLA PRESION ACE 9/16" 10 29.7 297GOLILLA PRESION ACE 5/16" 13 7.92 103GOLILLA PRESION ACE M-10 10 12.5 125

Carcasa1 204368 204368

1 123,493 123493Tubo reguladorTubo rodamientoVolante pieza-hiloVolante pieza-anillo tubo de Acero A36 1 ---

Abrazadera 1 47916 47916

Control de flujo tapa 1 ---valvula de salida 1 ---

Soldadura Electrodo 110-18M 1/8 (3.2mm) 5Kg 5632 (x kg) 28160anilos de retención ---------- ---tubo entrada-material tubo de Acero A36 1 ---Otros cotizaciones no encontradas 100000 (estimado) 100000

1470640.91

Los valores aquí presentados, pueden presentar cambios. Precio + IVA 1750062.6829

precio neto en pesos x unidad

total neto en pesos

Sistema electrico y electronico, de funcionamiento y seguridad

barra perforada acero AISI 1518 de 200 mm de díam. 250mm de exterior y 500mm de largo

barra perforada de 56 mm de diám. interior y 106mm de exterior y 1000mm de largo

Barra perforada acero AISI 1518 de 90x118mm de diametros, y 500mm de largo

Precio total-total neto

13. Soporte

Máquina desfibradora PANSER

A continuación, se presenta para el usuario, el manual de uso del producto, en el cual solo se contemplan aspectos generales de funcionamiento. Este

135

manual utiliza palabras de carácter básico, para que el usuario logre una mejor comprensión y realice un correcto uso de la máquina.

El manual de uso, servirá para guiar al usuario a realizar en la máquina el desfibrado de viruta de madera, sin embargo, si no tiene un amplio conocimiento sobre el proceso de molienda, se recomienda, sea asesorado por una persona especializada en el tema.

Descripción de la máquinaUn desfibrador de discos de laboratorio, es una máquina capaz de procesar

viruta de madera, para la obtención de pasta termo-mecánica o semi-química. Esta pasta, es utilizada para elaborar diferentes productos o para desarrollar nuevos materiales a partir de investigaciones y análisis.

La PANSER está compuesta de varias piezas, que unidas en conjunto, logran realizar el proceso de

desfibrado. Este proceso es cíclico dependiendo de las veces que el usuario estime conveniente realizar la molienda. A continuación, se detalla el proceso cíclico; sus componentes y las funciones que estas desempeñan unidas como subconjuntos:

Diagrama de flujo

En el siguiente diagrama se muestra cómo funciona el ciclo de molienda, de la máquina PANSER.

136

Pasos más detallados, para un buen funcionamiento del proceso.

1) Primero que todo, conecte la máquina a la fuente eléctrica (trifásica).

2) Verifique que la luz roja, que indica flujo de corriente en el sistema, está encendida.

3) Una vez encendida, cerciórese de que la luz amarilla no está encendida, pues esta indica que hay problemas en la conexión eléctrica entre las piezas. Si no está encendida, continúe con el paso siguiente (4), de lo contrario, verifique las conexiones y si no mejora la situación llame a un servicio técnico del proveedor.

4) Regule con el volante, la distancia de separación de los discos de molienda, ayudándose con el sistema laser, el cual le indicará de forma precisa la distancia de separación a la cual se encuentran.

5) Regulada la distancia, puede proceder a encender la máquina, presionando el botón verde de encendido, el cual acciona al motor, dando giro al disco rotor.

6) Girando el disco rotor a su velocidad constante después de 25 segundos, puede comenzar a ingresar el material por la cámara de entrada, para su procesamiento. Se recomienda un flujo de material no excesivo y que no se ingrese nuevamente material, hasta que el anterior haya terminado su procesamiento.

7) La salida del material, está ubicada en la parte inferior de la carcasa de la máquina, donde la válvula de control de flujo, hará que sea más tranquila la descarga de este.

8) Una vez obtenido el material procesado, se puede ingresar nuevamente material a tratar. Ya sea, del tamaña del material anterior, lo cual implica mantener la distancia de los disco ó ingresar el material procesado, para una desfibración fina.

9) Ya obtenida la calidad deseada de la pasta, y no procesará más material, puede apagar la máquina, oprimiendo el botón rojo. Se recomienda, desconectar la máquina de la fuente eléctrica si ya, no la utilizará.

10) Desconectada de la fuente eléctrica, proceda a limpiar y secar, los discos desfibradores de la máquina y partes de ella, con el propósito de sacar las partículas residuales de la cámara y dientes de los discos, después de haber realizado el proceso, además de evitar corrosión en partes de la máquina, contribuyendo a no disminuir la vida útil del producto.

137

11) Los discos podrán ser sacados, abriendo la compuerta de la carcasa, y retirando los tres pernos que unen a cada disco a su respectivo soporta-disco.

13. Conclusión

El desarrollo en la implementación de los laboratorios de la UACh, ayuda enormemente al prestigio e imagen de ésta, facilitando la disponibilidad de diversas herramientas, para apoyar el aprendizaje de sus alumnos, mediante clases prácticas.

En consecuencia se diseñó una máquina que cumpliera con los distintos requerimientos solicitados por los clientes.

Es fundamental escuchar la voz de los clientes, para tener la certeza de cumplir con los diferentes requerimientos que se desean del producto, lo que conlleva a desarrollar un producto de calidad.

Es importante buscar la información correcta en el lugar correcto, es por ello que el equipo de trabajo recurrió a la literatura, para extraer información, ya sea métodos para la identificación de cliente, obtención de requerimientos, etc. (David Ullman), lo que fue de gran ayuda, para el desarrollo de un producto de calidad.

Para poder desarrollar el prototipo con calidad, se realizaron diferentes análisis estáticos y dinámicos en la aplicación mecánica del software Creo Elements/Pro. Los diferentes análisis, se hicieron tanto a las piezas que componen el desfibrador de molino de disco, como también a su estructura en conjunto. Estos análisis fueron de gran importancia en el desarrollo de la máquina, ya que entregaba respaldo al equipo de trabajo, que los diferentes elementos y el conjunto en sí no sufriría daños producto de las fuerzas estáticas y dinámicas que interactúan en ellas.

Finalmente creado el modelo, se elaboró la documentación técnica de la máquina, la cual viene dado por los planos de las piezas que constituyen el producto, además de la incorporación de planos de soldadura que son vitales, para la unión de las piezas de la máquina. Esta documentación es de gran ayuda, ya que detalla la forma del producto, como también si se requiere hacer alguna modificación de éste.

138

Una vez cumplidos los objetivos establecidos, se debe tener en cuenta que el diseño de la máquina ha sido obtenida paso a paso gracias a las buenas prácticas realizadas y las buenas decisiones que se abordaron en el transcurso del desarrollo del proyecto, esto indica que el plan de proyecto beneficio al desarrollo completo de éste, y por ende se espera la satisfacción de los clientes con el producto, ya que el prototipo de la máquina respondió de manera correcta a todas las condiciones a las cuales fue sometida, el proyecto debe ser convincente desde el punto de vista de cómo se desarrolló en su totalidad, y así se puede afirmar que trabajar de manera ordenada, grupal y siguiendo una pauta de trabajo, se obtendrán buenos resultados al final del proyecto.

14. Carta Gantt

A continuación se presentará la QFD desarrollada por el equipo de trabajo con la programación de las tareas en función de los recursos humanos y de tiempo disponibles.

Figura 95. Carta Gantt. Fuente: Microsoft Proyect

Carta Gantt 1. Fuente: Microsoft Proyect.

139

13. Bibliografía

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140

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sobre pulpas químicas, (pág. 126). Concepción, Chile.

141

14. Anexos

Análisis FODA

Análisis FODA

Organización Diseño : Grupo V Fecha:03-09-2012

Fortalezas:

•Apoyo entre los integrantes del equipo.

•Excelente disposición en el equipo.

•Responsabilidad y buena comunicación del equipo de trabajo.

•Experiencia adquirida de cada integrante con su respectivo equipo de trabajo.

Debilidades:

•Lejanía de procedencia de los integrantes del equipo.

•Equipo recientemente formado.

Oportunidades:

•Se cuenta con el apoyo de profesores en esta área.

•El cliente pertenece al cuerpo docente de la universidad.

•Texto e información digital para el desarrollo del proyecto.

•Fácil acceso a información del cliente.

•Eventual proyección al mercado.

Amenazas :

•Tiempo y dinero acotado para desarrollar el proyecto.

•Desarrollo del proyecto podría incluir materias adicionales a las del curso.

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Análisis Pro-Con

Organización diseño: Grupo V Fecha: 03-09-2012

Tema de análisis de Pro-Con: ¿Debe desarrollarse el proyecto “Diseño de molino de disco para desfibrar viruta de madera”?Pro

A1 (2) Apoyo entre los integrantes del equipo.

A2 (2) Excelente disposición en el equipo.

A3 (3) Responsabilidad y buena comunicación del equipo de trabajo.

A4 (2) Experiencia adquirida de cada integrante con su respectivo equipo de trabajo.

A5 (2) Se cuenta con el apoyo de profesores en esta área.

A6 (1) El cliente pertenece al cuerpo de docencia de la universidad.

A7 (2) Texto e información digital para el desarrollo del proyecto.

A8 (2) Fácil acceso a información del cliente.

A9 (1) Eventual proyección al mercado.

Con

B1 (2) Lejanía de procedencia de los integrantes del equipo.

B2 (1) Equipo recientemente formado.

B3 (3) Tiempo y dinero acotado para desarrollar el proyecto.

B4 (2) Desarrollo del proyecto podría incluir materias adicionales a las del curso.

Criterios de importancia

Poco importante 1

Importante 2

Muy importante 3

Se elimina:A3 con B1 y B2A4 y A6 con B3

143

Análisis Pro-Con

Análisis Pro-Con

Organización diseño: Grupo V Fecha: 03-09-2012

Tema de análisis de Pro-Con: ¿Debe desarrollarse el proyecto “Diseño de molino de disco para desfibrar viruta de madera”?Pro

A1 (2) Apoyo entre los integrantes del equipo.

A2 (2) Excelente disposición en el equipo.

A5 (2) Se cuenta con el apoyo de profesores en esta área.

A7 (2) Texto e información digital para el desarrollo del proyecto.

A8 (2) Fácil acceso a información del cliente.

A9 (1) Eventual proyección al mercado.

Con

B4 (2) Desarrollo del proyecto podría incluir materias adicionales a las del curso.

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Propuesta del producto

Propuesta de producto

Organización de diseño: Grupo 5 Fecha: 02/09/2012

Nombre del producto propuesto: Molino de disco para desfibrar viruta de madera

Resumen: El Instituto de Materiales y Procesos Termomecánicos (IMPT), requiere con urgencia desfibrar viruta de madera, con el objetivo de investigar y apoyar al Instituto de Forestal. Para esto es necesario contar con un equipo desfibrador de laboratorio que permita llevar a cabo ésta labor en el IMPT con rapidez, eficiencia y calidad.

Antecedentes del producto: Como en la XIV región sólo se encuentran equipos desfibradores de tamaño industrial (Aserraderos, Papeleras, etc.), las muestras se deben enviar a Concepción, donde se encuentra el equipo de laboratorio más cercano.

Mercado para el producto: El mercado es el IMPT (producto a pedido exclusivo), perteneciente a la Facultad de Ciencias de Ingeniería de la UACh.

Competencia: En este momento cuando se necesita celulosa desfibrada, ésta se envía a Concepción.

Capacidad de fabricación: En el mercado actual se realiza la manufacturación de equipos de laboratorios de las mismas proporciones, por lo que se entiende viable la fabricación del producto.

Miembro del equipo: Sebastián Álvarez Preparado por: Patricio AntilefMiembro del equipo: Patricio Antilef Revisado por: Equipo de diseñoMiembro del equipo: Sergio Navarro Aprobado por: Equipo de diseñoMiembro del equipo: Erney Silva

145

Características motor SIEMENS(Extracto ficha técnica)

146

Cotización rodamientos

148

Cotización discos desfibradores

[email protected] 04/10/12 14:04

>> Estimado Sr. Sergio NAVARRO:

Adjunto Hoja Técnica de los discos diámetro 8", que oportunamentefabricáramos para el Centro de Investigación y Desarrollo Tecnológico,(CIDET),Programa Celulosa y Papel, de la Universidad Nacional de nuestraProvincia de MISIONES.

Los discos se fabrican en acero inoxidable martensítico, templado yrevenido a dureza 50/52 Rc.

El precio de un juego (disco ROTOR y disco ESTATOR), es de u$s 475.-,(dólares EEUU cuatrocientos setenta y cinco)FOB BUENOS AIRES.-

El pago es anticipado por giro bancario, y el plazo de entrega es de 45días a contar de V/confirmación

Sin más, saludo a Usted

atentamente

>> Ing. Roberto M. RODRIGUEZ>> JULIO A. NARDI S.A. Prod. Metalúrgicos>>

149

Barra acero SAE 1045

150

Cotización de sistema eléctrico y electrónico

154

Disco desfibrador (empresa Julio Anardi - Argentina)

155

[email protected] 04/10/12 14:04

156

informe de proyecto, molino de disco- grupo v

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