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ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL

FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA

DISEÑO DE UNA MÁQUINA EXTRACTORA DE NARANJA DE 12

UNIDADES POR MINUTO DE CAPACIDAD

PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DE TÍTULO DE INGENIE RO

MECÁNICO

EDISON LENIN LOACHAMÍN JARRÍN

[email protected]

DIRECTOR: ING. IVÁN ZAMBRANO

[email protected]

Quito, Marzo 2010

I

DECLARACIÓN

Yo, Edison Lenin Loachamín Jarrín declaro bajo juramento que el trabajo aquí

descrito es de mi autoría; que no ha sido presentado para ningún grado o

calificación profesional; y que he consultado en las referencias bibliográficas que

se incluye en este documento.

A través de la presente declaración cedo mis derechos de propiedad intelectual

correspondientes a este trabajo, a la Escuela Politécnica Nacional, según lo

establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la

normatividad institucional vigente.

Lenin Loachamín Jarrín

II

CERTIFICACIÓN

Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por Edison Lenin Loachamín

Jarrín bajo mi supervisión.

_______________________

Ing. Iván Zambrano

DIRECTOR DE PROYECTO

III

AGRADECIMIENTOS

Primero quiero agradecerle a Dios por la salud, vida, paciencia y dedicación para

realizar este proyecto.

Al Ingeniero Iván Zambrano por su acertada dirección, asesoría y ayuda en el

desarrollo de este proyecto.

A mis padres por el constante apoyo y soporte en mi vida y mis estudios, a mi

querida esposa e hijos que han sido la fortaleza que me ha permitido llegar a la

obtención de este título.

A mis suegros por su constante ayuda, a todos mis familiares y amigos.

IV

DEDICATORIA

Este trabajo quiero dedicarle a mi madre que desde niño me incentivo cada día,

que me dijo las palabras que me ayudaron a superar todas las adversidades y me

hizo creer en mis capacidades para lograr ser un profesional.

A mi esposa por toda la paciencia y apoyo en los momentos de dificultad. A mis

dos hijos por darme esas sonrisas que llenan mi alma y son la razón de

conseguir cosas importantes para que ellos puedan disfrutar en un futuro.

V

ÍNDICE GENERAL DE CONTENIDO

CAPÍTULO I ............................................................................................................ 1

GENERALIDADES .................................................................................................. 1

1.1 INTRODUCCIÓN ........................................................................................ 1

1.2 OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN ....................................................... 2

1.2.1 OBJETIVO GENERAL ......................................................................... 2

1.2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ............................................................... 2

1.3 ALCANCES ................................................................................................ 3

1.4 JUSTIFICACIÓN......................................................................................... 3

CAPÍTULO II ........................................................................................................... 4

ANTECEDENTES ................................................................................................... 4

2.1 BASE TEÓRICA ......................................................................................... 4

2.2 EL ZUMO DE NARANJA ............................................................................ 5

2.2.1 CARACTERÍSTICAS DE LA NARANJA .............................................. 6

2.2.2 ANTECEDENTES ................................................................................ 7

2.3 TIPO DE MAQUINAS DE EXTRACTORAS DE JUGO DE NARANJA ....... 8

2.3.1 MÁQUINA DE EXTRACCIÓN MANUAL .............................................. 8

2.3.2 MÁQUINA DE EXTRACCIÓN MANUAL - MECÁNICA ........................ 9

2.3.3 MÁQUINA DE EXTRACCIÓN MANUAL - ELÉCTRICA ...................... 9

2.3.4 MÁQUINA DE EXTRACCIÓN MECÁNICA - ELÉCTRICA ................ 10

CAPÍTULO III ........................................................................................................ 11

PRESENTACIÓN Y SELECCIÓN DE ALTERNATIVAS ....................................... 11

3.1 DEFINICIÓN DEL PROBLEMA ............................................................... 11

3.2 PRINCIPIO BÁSICO DE FUNCIONAMIENTO ......................................... 11

3.2.1 DIAGRAMA DE FLUJO ..................................................................... 12

VI

3.3 DEFINICIÓN DE LOS PARÁMETROS DE DISEÑO Y PARÁMETROS

FUNCIONALES.................................................................................................. 13

3.3.1 ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DEL PROTOTIPO ....................... 14

3.4 ESTUDIO DE ALTERNATIVAS ................................................................ 16

3.4.1 PRIMERA ALTERNATIVA (EXPRIMIDOR NEUMÁTICO CON

CUCHILLA CIRCULAR Y TORNILLO DE HÉLICE PARA EXPULSAR

RESIDUOS) ................................................................................................... 16

3.4.1.1 Elementos principales .................................................................17

3.4.1.2 Funcionamiento ...........................................................................17

3.4.1.3 Ventajas y desventajas ...............................................................18

3.4.2 SEGUNDA ALTERNATIVA (EXPRIMIDOR CON CILINDROS

EXCÉNTRICOS). ........................................................................................... 20

3.4.2.1 Elementos principales .................................................................20

3.4.2.2 Principio de funcionamiento ........................................................21

3.4.2.3 Ventajas y desventajas. ..............................................................21

3.4.3 TERCERA ALTERNATIVA (APLASTAMIENTO ROTATORIO)......... 23

3.4.3.1 Elementos principales. ................................................................23

3.4.3.2 Principio de funcionamiento ........................................................23

3.4.3.3 Ventajas y desventajas. ..............................................................24

3.5 EVALUACIÓN DE ALTERNATIVAS ......................................................... 25

3.5.1 CRITERIOS DE VALORACIÓN. ........................................................ 25

3.5.2 EVALUACIÓN DE LOS PESOS ESPECÍFICOS DE LAS

DISTINTAS SOLUCIONES PARA CADA CRITERIO. ................................... 27

3.6 TABLAS DE CONCLUSIONES: ............................................................... 30

CAPÍTULO IV ........................................................................................................ 32

DISEÑO DETALLADO .......................................................................................... 32

4.1 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL ....................................................... 32

4.1.1 PROCEDIMIENTO: ........................................................................... 33

4.1.1.1 Prueba de corte ...........................................................................34

4.1.1.2 Prueba de aplastamiento ............................................................34

VII

4.2.2 RESULTADOS .................................................................................... 35

4.2.3 ANÁLISIS DE RESULTADOS ............................................................. 37

4.2 GEOMETRÍA BÁSICA DEL SISTEMA DE CORTE Y EXPRIMIDO. ....... 38

4.3 DIMENSIONAMIENTO DEL MOTOR ....................................................... 39

4.3.1 PESO DEL MOLDE HEMBRA ........................................................... 42

4.3.2 FUERZAS Y MOMENTOS RESULTANTES EN EL MOLDE A Y B .. 44

4.3.3 PESO DEL MOLDE MACHO ............................................................. 48

4.3.4 FUERZAS Y MOMENTOS RESULTANTES MOLDES C Y D ......... 50

4.3.5 ANÁLISIS DE RESULTADOS ........................................................... 53

4.3.6 SELECCIÓN DEL MOTOR REDUCTOR .......................................... 53

4.3.6.1 Descripción .................................................................................54

4.4 DISEÑO DEL SISTEMA DE TRANSMISIÓN ........................................... 55

4.4.1 DISEÑO DEL REDUCTOR DE VELOCIDAD .................................... 55

4.4.2 SISTEMA DE TRANSMISIÓN DE MOVIMIENTO ............................. 66

4.5 DISEÑO DE LOS EJES ............................................................................ 77

4.5.1 DISEÑO DEL EJE 1 (CONECTA AL MOTOR CON EL PIÑÓN) ....... 77

4.5.2 CÁLCULO DE LOS DIÁMETROS MÍNIMOS ..................................... 84

4.5.2.1 Punto A .......................................................................................85

4.5.2.2 Punto B .......................................................................................85

4.5.2.3 Punto C .......................................................................................85

4.5.2.4 Punto D .......................................................................................86

4.5.3 SELECCIÓN DE LOS RODAMIENTOS ............................................ 86

4.5.4 CÁLCULO DE LOS CUÑEROS ......................................................... 90

4.5.4.1 Cuña para el acoplamiento .........................................................90

4.5.4.2 Cuña para el piñón reductor ........................................................91

4.5.5 DISEÑO DEL EJE 2 (DONDE ASIENTAN LOS MOLDES

MACHOS) ...................................................................................................... 91

4.5.6 CÁLCULO DE LOS DIÁMETROS MÍNIMOS ..................................... 98

4.5.6.1 Punto A .......................................................................................98

4.5.6.2 Punto B .......................................................................................98

4.5.6.3 Punto C .......................................................................................99

4.5.6.4 Punto D .....................................................................................100

VIII

4.5.6.5 Punto E .....................................................................................100

4.5.7 SELECCIÓN DE LOS RODAMIENTOS .......................................... 101

4.5.8 CÁLCULO DE LOS CUÑEROS ....................................................... 105

4.5.8.1 Cuña para el engranaje E .........................................................105

4.5.8.2 Cuña para el piñón C ................................................................105

4.5.9 DIMENSIONAMIENTO DE LA ESTRUCTURA ............................... 106

4.5.10 DISEÑO DE LOS MOLDES HEMBRAS Y MOLDES MACHOS ..... 107

CAPÍTULO V ....................................................................................................... 109

CONSTRUCCIÓN, MONTAJE Y ANÁLISIS DE COSTOS ................................. 109

5.1 CONSTRUCCIÓN Y MONTAJE ............................................................. 109

5.1.1 CONSTRUCCIÓN DE LOS MECANISMOS .................................... 109

5.1.1.1 Requerimientos para la construcción ........................................110

5.1.1.1.1 Máquinas y equipos ................................................................110

5.1.1.1.2 Herramientas de corte y marcado ...........................................110

5.1.1.1.3 Instrumentos de medición y verificación ..................................111

5.1.1.1.4 Materiales ................................................................................111

5.1.1.1.5 Elementos normalizados .........................................................111

5.1.2 PRUEBAS ....................................................................................... 111

5.1.3 DIMENSIONES DE LA MÁQUINA ................................................... 112

5.1.4 PRUEBA EN VACIO ........................................................................ 113

5.1.5 PRUEBA CON CARGA ................................................................... 113

5.2 ANÁLISIS DE COSTOS ......................................................................... 114

5.2.1 COSTO DE MATERIALES Y ELEMENTOS NORMALIZADOS ...... 114

5.2.2 COSTO DE MAQUINADO ............................................................... 116

5.2.3 COSTO DE DISEÑO ....................................................................... 118

5.2.4 COSTO TOTAL ............................................................................... 118

CAPITULO VI ...................................................................................................... 119

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ...................................................... 119

IX

6.1 CONCLUSIONES .................................................................................. 119

6.2 RECOMENDACIONES ........................................................................... 120

CAPITULO VII ..................................................................................................... 121

BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................... 121

CONSULTAS WEB ............................................................................................. 121

ANEXOS ............................................................................................................. 123

X

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 3. 1.- Diagrama de Flujo de Proceso ........................................................... 13

Tabla 3. 2.- Especificaciones Técnicas ................................................................. 15

Tabla 3. 3.- Ventajas y Desventajas del Exprimidor Neumático ............................ 19

Tabla 3. 4.- Ventajas y Desventajas del Exprimidor con Cilindros Excéntricos ..... 22

Tabla 3. 5.- Ventajas y Desventajas del Exprimidor de Aplastamiento Rotatorio .. 24

Tabla 3. 6.- Criterios de valoración de alternativas ............................................... 25

Tabla 3. 7.- Resultados de la ponderación de las alternativas según los criterios 30

Tabla 3. 8.- Multiplicado por el peso específico de cada criterio ........................... 30

Tabla 4. 1.- Diámetros de las naranjas utilizadas .................................................. 33

Tabla 4. 2.- Resultados de la prueba de corte....................................................... 36

Tabla 4. 3.- Resultados de la prueba de aplastamiento ........................................ 36

Tabla 4. 4.- Valores de la fuerza a ser utilizados................................................... 38

Tabla 4. 5.- Fuerzas sobre el molde A .................................................................. 45

Tabla 4. 6.- Componentes y momentos sobre el molde A ..................................... 46

Tabla 4. 7.- Fuerzas y momentos resultantes sobre el molde A ............................ 46

Tabla 4. 8.- Fuerzas sobre el molde B .................................................................. 47

Tabla 4. 9.- Componentes y momentos sobre el molde B ..................................... 47

Tabla 4. 10.- Fuerzas y momentos resultantes sobre el molde B .......................... 47

Tabla 4. 11.- Fuerzas sobre el molde macho C ..................................................... 51

Tabla 4. 12.- Componentes y momentos sobre el molde C .................................. 51

Tabla 4. 13.- Fuerzas y momentos resultantes sobre el molde C ......................... 51

Tabla 4. 14.- Fuerzas sobre el molde macho D ..................................................... 52

Tabla 4. 15.- Componentes y momentos sobre el molde D .................................. 52

XI

Tabla 4. 16.- Fuerzas y momentos resultantes sobre el molde D ......................... 52

Tabla 4. 17.- Fuerzas netas y momentos aplicados sobre los moldes .................. 53

Tabla 4.18.- Resumen de los resultados de los cálculos para el dimensionamiento

del eje 1 que acopla al motor con el piñón reductor. ............................................ 89

Tabla 5. 1.- Verificación de las dimensiones de la máquina ................................ 112

Tabla 5. 2.- Pruebas en vacío ............................................................................. 113

Tabla 5. 3.- Prueba con carga ............................................................................. 113

Tabla 5. 4.- Capacidad de aplastamiento ............................................................ 114

Tabla 5. 5.- Materiales y elementos normalizados para el prototipo ................... 115

Tabla 5. 6.- Costo de materiales indirectos ......................................................... 116

Tabla 5. 7.- Tiempos de preparación de las máquinas herramientas .................. 117

Tabla 5. 8.- Costo de Maquinado ........................................................................ 117

Tabla 5. 9.- Costo de mano de obra .................................................................... 118

Tabla 5. 10.- Costo total de la Máquina Extractora de Jugo de Naranja ............. 118

XII

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 2. 1.- Extracción Manual ............................................................................... 8

Figura 2. 2.- Extracción Manual-Mecánica .............................................................. 9

Figura 2. 3.- Extracción Manual-Eléctrica ................................................................ 9

Figura 2. 4.- Extractor Mecánico-Eléctrico ............................................................ 10

Figura 3. 1.- Exprimidor Neumático ....................................................................... 16

Figura 3. 2.- Diferentes vistas del Exprimidor Neumático ...................................... 18

Figura 3. 3.- Exprimidor con cilindros excéntricos ................................................. 20

Figura 3. 4.- Alternativa Aplastamiento Rotatorio .................................................. 23

Figura 4. 1.- Medición de diámetro de la naranja .................................................. 33

Figura 4. 2.- Prueba de corte de la naranja ........................................................... 34

Figura 4. 3.- Molde macho y molde hembra utilizados en la Prueba. .................... 35

Figura 4. 4.- Prueba de aplastamiento de la naranja ............................................. 35

Figura 4. 5.- Aplastamiento con 70 kg de fuerza ................................................... 37

Figura 4. 6.- Geometría Básica ............................................................................. 39

Figura 4. 7.- Fuerzas ejercidas sobre los moldes .................................................. 40

Figura 4. 8.- Angulo de aplicación de las fuerzas .................................................. 41

Figura 4. 9.- Molde Hembra................................................................................... 42

Figura 4. 10.- Punto de aplicación de las Fuerzas sobre los moldes hembras ..... 44

Figura 4. 11.- Molde Macho................................................................................... 48

Figura 4. 12.- Punto de aplicación de las fuerzas sobre los moldes machos ........ 50

Figura 4. 13.- Motor reductor Ortogonal ............................................................... 54

Figura 4. 14.- Diseño de los engranajes reductores .............................................. 58

Figura 4. 15.- Distancia entre centros de los engranajes de transmisión .............. 67

XIII

Figura 4. 16.- Disposición del Eje 1 ....................................................................... 78

Figura 4. 17.- Diagrama de cuerpo libre del Eje 1 ................................................. 78

Figura 4. 18.- Plano horizontal, dirección z ........................................................... 80

Figura 4. 19.- Plano vertical, dirección y .............................................................. 81

Figura 4. 20.- Diagrama de Configuración del eje que conecta al motor con el

piñón ..................................................................................................................... 83

Figura 4. 21.- Selección de rodamiento para el punto D ....................................... 88

Figura 4. 22.- Disposición del Eje 2 ....................................................................... 91

Figura 4. 23.- Diagrama del cuerpo libre del Eje 2 ................................................ 92

Figura 4. 24.- Plano vertical dirección y ................................................................ 93

Figura 4. 25.- Plano horizontal dirección z ............................................................ 95

Figura 4. 26.- Selección de rodamiento para el punto D ..................................... 102

Figura 4. 27.- Selección de rodamiento para el punto D ..................................... 103

Figura 4. 28.- Diseño del Tambor Hembra en Inventor ....................................... 107

Figura 4. 29.- Molde macho................................................................................. 108

XIV

ÍNDICE DE ANEXOS

ANEXO I.................................................................................................................. I

GRAFICAS Y TABLAS PARA EL DISEÑO ............................................................ I

ANEXO 1. PROPIEDADES DEL NYLON 6 ............................................................. II

ANEXO 2. CARACTERÍSTICAS DEL MOTOR REDUCTOR SELECCIONADO .. IV

ANEXO 3. FÓRMULAS PARA CARACTERÍSTICAS DE DIENTES DE

ENGRANAJE, PARA UN ÁNGULO DE PRESIÓN DE 20° ....... .......................... VIII

ANEXO 4. FACTORES DE CARGA SUGERIDOS, KO .......................................... X

ANEXO 5. MÓDULOS NORMALIZADOS, M ....................................................... XII

ANEXO 6. FACTORES DE TAMAÑOS SUGERIDOS, KS .................................. XIV

ANEXO 7. FACTOR DE ESPESOR DE BORDE, KB .......................................... XVI

ANEXO 8. FACTOR DE PROPORCIÓN DEL PIÑÓN, CPF ............................... XVIII

ANEXO 9. FACTOR DE ALINEAMIENTO DEL ENGRANADO, CMA ................... XX

ANEXO 10. FACTOR DINÁMICO, KV ................................................................ XXII

ANEXO 11. NÚMEROS DE CALIDAD RECOMENDADOS, QV ....................... XXIV

ANEXO 12. FACTOR GEOMÉTRICO, J .......................................................... XXVI

ANEXO 13. CONFIABILIDAD DE DISEÑO, KR ...............................................XXVIII

ANEXO 14. VIDA DE DISEÑO RECOMENDADA, L ......................................... XXX

ANEXO 15. FACTOR POR CICLOS DE ESFUERZO, YN .............................. XXXII

ANEXO 16. COEFICIENTE ELÁSTICO, CP ................................................... XXXIV

ANEXO 17. FACTOR DE GEOMETRÍA RESISTENCIA PICADURA………XXXVI

ANEXO 18. RESISTENCIA A LA FATIGA, SN ............................................. XXXVII

ANEXO 19. FACTOR DE TAMAÑO, CS ........................................................ XXXIX

XV

ANEXO 20. FACTOR DE CONFIABILIDAD, CR ................................................. XLI

ANEXO II........................................................................................................... XLIII

PROFORMAS DE COSTOS ............................................................................. XLIII

ANEXO III.......................................................................................................... XLIX

ANÁLISIS DE ESFUERZOS DE LOS TAMBORES MACHOS Y TAMB ORES

HEMBRAS ........................................................................................................ XLIX

ANÁLISIS DEL MOLDE HEMBRA .......................................................................... L

ANÁLISIS DE LA BOLA ........................................................................................ LII

ANÁLISIS DEL HEXÁGONO............................................................................... LVI

ANEXO IV ........................................................................................................... LIX

ANÁLISIS DE LA ESTRUCTURA ...................................................................... LIX

ANEXO V ............................................................................................................. LX

PLANOS DE TALLER Y MONTAJE ................................................................... LX

XVI

SIMBOLOGÍA UTILIZADA

A = área [m2]

a = altura de cabeza [mm]

b = altura de pie [mm]

C = distancia entre centros [mm]

C = Capacidad de carga básica [N]

c = holgura [mm]

CH = factor de relación de durezas

Comp = componente de una fuerza [N]

Cma = factor de alineamiento del engranado

Cpf = factor de proporción del piñón

Cp = coeficiente elástico

D = diámetro [m]

E = módulo de elasticidad [MPa]

F = fuerza [N]

F = ancho de cara [mm]

h = altura [mm]

h = duración de diseño [h]

ht = profundidad del diente [mm]

I = factor de geometría

i = relación de transmisión

J = factor geométrico

Ks = factor de tamaño.

KB = factor de espesor de orilla

Km = factor de distribución de carga

Ko = factor de carga

KR = factor de confiabilidad

Kv = factor dinámico

L = longitud [mm]

L = Duración nominal en horas de servicio[h]

M = momento flector [N-mm]

m = masa [kg]

XVII

m = módulo [mm]

mB = relación de respaldo

n= velocidad de rotación [rpm]

N = número de dientes.

NC = número de ciclos por carga [ciclos]

N = factor de carga

P = peso [N]

P = potencia [W]

Pdis = potencia de diseño [W]

q= número de aplicación de carga por revolución

R = fuerza de reacción [N]

r = radio [mm]

Stp = esfuerzo del piñón [MPa]

Sy = resistencia a la fluencia. [MPa]

Su = resistencia a la tracción. [MPa]

Sat = esfuerzo flexionante admisible [MPa]

St = esfuerzo flexionante esperado [MPa]

SF = factor de seguridad

Sc = esfuerzo de contacto esperado [MPa]

Sac = esfuerzo de contacto admisible [MPa]

Sn = resistencia a la fatiga [MPa]

Sn”= resistencia modificada a la fatiga [MPa]

T = torque. [N-mm]

tR = espesor de orilla [mm]

t = duración de diseño [h]

V = volumen [cm3]

VR = relación de velocidad nominal

vt = velocidad de la línea de paso [m/s]

Wt = carga transmitida [N]

YN = factor por ciclos de esfuerzo

ZN = factor de resistencia a la picadura

XVIII

RESUMEN

El objetivo de esta tesis es diseñar una Máquina Extractora de Jugo de Naranja

que sea capaz de cortar, exprimir y separar las cáscaras de naranja de una

manera automática, continua, rápida, eficiente y de un costo accesible para la

economía actual.

Inicialmente se recopila información acerca de la naranja, sus propiedades y

beneficios, luego acerca de los métodos de extracción de jugo de naranja y se

concluye que el mejor dispositivo de extracción es el mecánico - eléctrico.

Se plantea 3 alternativas de dispositivos mecánico – eléctricos que cumplan con

los requisitos especificados, se analiza las ventajas y desventajas de cada uno de

estos en los diferentes sistemas que tiene la máquina y también como conjunto.

Una vez analizadas las alternativas se elije la máquina de aplastamiento

rotatorio en el cual se utiliza moldes machos y hembras que son los que realizan

el proceso de corte y aplastamiento.

Se procede al diseño de la máquina, algunos elementos son diseñados mediante

cálculo y otros son seleccionados de catálogos existentes en el mercado.

.

Después del diseño de los elementos que constituyen la máquina se realiza un

análisis económico para obtener el costo aproximado de la máquina extractora de

naranja para lo cual se cotizo elementos y materiales existentes en Quito.

Los objetivos y alcances que se plantearon al inicio de este proyecto fueron

cubiertos al ir desarrollando cada capítulo y se obtiene como conclusión que es

viable la construcción de este tipo de máquinas en nuestro país.

Al final se presenta toda la documentación que se utilizó para el desarrollo del

proyecto.

XIX

ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DE LA MÁQUINA

Dimensiones Generales: 894*505*455 mm

Fuerza de corte: 196 N

Fuerza de aplastamiento: 686 N

Potencia del motor reductor: ¼ Hp

Diámetro de la naranja: 65-85 mm

Capacidad: 12 naranjas por minuto

Peso: 35 Kg

XX

PRESENTACIÓN

La necesidad de comercializar productos alimenticios han crecido con el paso del

tiempo igual que el desarrollo industrial lo cual ha obligado a buscar nuevos

métodos, técnicas y máquinas que simplifiquen procesos, en este caso la

extracción del jugo de naranja. El uso de este tipo de máquinas es mantener la

calidad del producto y disminuir el tiempo de producción.

Ecuador es un país productor de naranjas lo que hace que esta sea una de las

frutas más comerciales y de fácil acceso, esto ayuda a que exista una gran

demanda de la misma.

El consumo de jugo de naranja recién exprimido mejora sustancialmente la salud,

debido a la cantidad de nutrientes que posee esta y es uno de los mejores hábitos

alimenticios.

Por lo tanto el presente proyecto está encaminado al Diseño de Máquina

extractora de Jugo de Naranja ligera, de fácil transportación, ergonómica y de un

costo accesible a la economía actual.

1

CAPÍTULO I

GENERALIDADES

1.1 INTRODUCCIÓN

En el mercado nacional existen diferentes máquinas para la extracción de zumo

de naranja que pueden ser: manual, manual - mecánica, manual – eléctrica,

mecánica - eléctrica. Siendo estas últimas las que brindan mejores prestaciones

para los usuarios, pero este tipo de máquinas posee un costo demasiado elevado

para la economía actual por lo que el siguiente proyecto tiene como propósito el

diseño de una máquina extractora de jugo de naranja que nos permita obtener el

zumo de naranja de forma automática, eficiente y continua. Pero todas estas

prestaciones a un costo que sea accesible para la economía del Ecuador.

En este trabajo se muestran y analizan diferentes tipos de sistemas y

componentes de tres alternativas de máquinas con diferentes formas de

transmisión de movimiento, alimentación de naranjas, corte de naranja, exprimido

de naranja, remoción de cáscaras, almacenamiento del jugo. Se eligió la

alternativa que satisface los requerimientos de diseño previamente establecidos.

Una de las partes críticas del proyecto fue la obtención de las fuerzas necesarias

para el corte y exprimido de la naranja, estos datos fueron obtenidos

experimentalmente mediante la utilización de la máquina Universal y este fue el

punto de partida para el cálculo y selección de los diferentes elementos de todos

los sistemas de la máquina.

La sincronización de los elementos dependió directamente de la cantidad de

naranjas que se requería exprimir por minuto y para este caso son 12 naranjas

por minuto.

2

Finalmente se realizó una evaluación del costo aproximado de la máquina para

saber si sería posible su construcción en el futuro.

El proyecto está enfocado en el área de diseño sin embargo se tuvieron que

aplicar conocimiento de estática, resistencia de materiales y mecánica aplicada.

Además se tomó en cuenta materiales existentes en el mercado ecuatoriano lo

cual nos va a permitir obtener una máquina de alta calidad y de un costo acorde

con la economía de nuestro país.

El desarrollo pretende satisfacer las exigencias de los consumidores con una

importante disminución en el costo y en el tiempo de producción del zumo.

1.2 OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN

1.2.1 OBJETIVO GENERAL

Diseñar una Máquina Extractora de Jugo de Naranja.

1.2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Diseñar una máquina Extractora de Jugo de Naranja que sea capaz de cortar,

exprimir y separar las cáscaras de naranja de una manera automática, continua,

rápida y eficiente.

Obtener una máquina que brinde seguridad y ergonomía para el usuario mediante

una fácil carga de las naranjas y que los elementos sean desmontables para su

debida limpieza.

Establecer elementos que no sean corrosivos, ni que sufran oxidación de los

componentes de la máquina, ya que el producto final es para el consumo

humano.

Obtener una máquina cuyo costo se encuentre acorde a la economía del Ecuador.

3

Realizar el diseño con elementos, materiales disponibles en Quito y que tengan

un bajo costo y peso.

1.3 ALCANCES

• Se recopilará información general acerca de la naranja y las diferentes

formas de extracción del jugo.

• Se creará y estudiará las alternativas.

• Se seleccionará y desarrollará la mejor alternativa.

• Se seleccionará los materiales más apropiados para el diseño, de manera

que la máquina extractora sea segura, resistente, ligera y económica.

• Se obtendrá un costo aproximado de la máquina.

• Se elaborará planos de conjunto y taller.

1.4 JUSTIFICACIÓN

En la actualidad existen máquinas similares en el mercado pero son importadas y

de costo muy elevado, por lo que se plantea el diseño de máquina de un costo

mucho menor.

Ecuador es un país productor de naranjas lo que hace que esta sea una de las

frutas más comerciales y de fácil acceso, esto ayuda a que exista una gran

demanda de la misma.

El consumo de jugo de naranja recién exprimido mejora sustancialmente la salud,

debido a la cantidad de nutrientes que posee esta y es uno de los mejores hábitos

alimenticios.

Por estas razones se emprendió el diseño de una máquina con un costo de

fabricación moderado y que cumpla con los objetivos inicialmente planteados.

4

CAPÍTULO II

ANTECEDENTES

2.1 BASE TEÓRICA

La naranja es un cítrico que procede del lejano Oriente, se originó hace unos 20

millones de años en el sureste asiático, el esparcimiento de los cítricos desde sus

orígenes se debió a los grandes movimientos migratorios ya que la gente iba de

un lugar a otro y en esos cambios ellos llevaban consigo frutos entre ellos la

naranja, razón por la cual esta fruta se produce en diferentes partes del mundo.

En el siglo XX se descubrieron las virtudes de la vitamina C, algunas décadas han

pasado desde este hallazgo, y hoy en día esta fruta, que cruzó los mares del

océano índico, es indispensable cuando las bajas temperaturas empiezan a

arreciar. 1

La naranja es una fuente de riqueza y nos proporciona un sinfín de vitaminas

necesarias para nuestra salud, fortalece las defensas generales de nuestro

organismo, mejora la cicatrización de heridas, alivia las encías sangrantes, es

excelente para combatir problemas circulatorios, y su consumo resulta realmente

positivo para los diabéticos tipo 1, ya que el consumo de una naranja previene

una hipoglucemia. 2

La naranja tiene una corteza gruesa y adherente, tiene una porción dividida por

membranas radiales en gajos o segmentos. Cada gajo está formado por vesículas

que contienen el jugo, además de una cantidad variable de semillas las cuales

son de color blanco y testa rugosa. 3

1 http://etimologias.dechile.net/?naranja

2 http://www.alimentacionsana.com.

3 http://www.soyagricultora.com/naranja.html

5

Su aporte calórico apenas se aprecia, en una pieza contiene tan sólo 70 calorías,

y su consumo facilita la metabolización de las grasas y reduce los niveles de

colesterol. 2

Bajo muchas maneras, podemos incluir a la naranja en nuestra dieta, tres piezas

es la cantidad recomendada. Se pueden tomar, enteras como un refrigerio rápido

y refrescante, en zumo para empezar de una forma saludable el día. Es versátil,

su sabor es muy agradable, no engorda, protege nuestra salud. 2

Consumir naranjas constituye una forma saludable de asegurar la dosis diaria de

vitamina C que el cuerpo necesita, pero sin ningún género de duda es mucho

mejor y más saludable comerse una naranja que su zumo, como también lo es

exprimirse su propio zumo que consumir el envasado comercialmente. 2

2.2 EL ZUMO DE NARANJA

En la actualidad existe auge de popularidad de bebidas de zumos, entre los que

destaca muy en cabeza el de naranja. En Ecuador esta industria es de las más

poderosas si tenemos en cuenta que el desayuno tradicional incluye un vaso, o

dos de zumo de naranja, lo cual puede dar idea de la magnitud del consumo.

Vale la pena subrayar que los zumos comerciales son nutricionalmente muy

inferiores al zumo fresco que uno mismo puede obtener exprimiendo la fruta, pero

aún así existen notables diferencias entre el uno y la otra.

2 http://www.alimentacionsana.com.

6

2.2.1 CARACTERÍSTICAS DE LA NARANJA

La naranja posee varias propiedades que se detallan a continuación:

Tabla 2.1.- Propiedades de la naranja

NARANJA

Valores nutricionales por 100 g2

Agua 86,75 g Cenizas 0,44 g

Carbohidratos 11,75 g Azúcares 9,35 g

Fibras 2,4 g Valor Energético 47 Kcal

Proteínas 940 mg Líquido 120 mg

Oligoelementos

Potasio 181 mg Fósforo 14 mg

Hierro 100 µg Cobre 45 µg

Calcio 40 mg Magnesio 10 mg

Zinc 70 µg Sodio 0 mg

Vitaminas

Vitamina C 53,2 mg Vitamina B2 40 µg

Vitamina B5 250 µg Vitamina B9 0 µg

Vitamina A 225 Ul Vitamina E 0,18 µg



Retinol 0 µg Vitamina K 0 µg

Ácidos grasos

Saturados 15 mg Poli-insaturados 25 mg

Mono-insaturados 23 mg Colesterol 0 mg

Elaboración: Propia

Fuente: http://es.wikipedia.org/wiki/Naranja

7

2.2.2 ANTECEDENTES

La necesidad de comercializar productos alimenticios han crecido con el paso del

tiempo igual que el desarrollo industrial lo cual ha obligado a buscar nuevos

métodos, técnicas y máquinas que simplifiquen procesos, en este caso la

extracción del jugo de naranja. Lo que se busca es mantener la calidad del

producto y disminuir el tiempo de producción, de igual forma reducir el gasto al

prescindir de una persona que se encargue de producir el zumo en una forma

manual.

La máquina que se quiere obtener es una máquina ligera para una fácil

transportación, ergonómica y de un costo accesible.

Los materiales que van a estar en contacto con el producto deben tener un alto

grado alimenticio por lo que se propone usar acero inoxidable, grilón o nylon 6 la

elección va a depender del análisis del diseño y costo.

Otro requerimiento importante es que las piezas que están en contacto con el

producto tienen que ser necesariamente desmontables para su debida limpieza,

por lo que estas tienen que ser de ensamble sencillo para que cualquier persona

pueda acoplar y desacoplar de una forma fácil, rápida y segura.

Para que la máquina sea de fácil transportación las medidas deben tener las

siguientes restricciones espaciales: 1m de alto, 0,60 m de ancho y 0,60 de largo y

un peso máximo de 35 Kg.

8

2.3 TIPO DE MAQUINAS DE EXTRACTORAS DE JUGO DE

NARANJA

Actualmente existen diferentes tipos de máquinas extractoras de naranja las

cuales permiten extraer el zumo de la fruta, pero utilizan dispositivos diferentes y

se clasifican en:

• Manual

• Manual – mecánico

• Manual – eléctrico

• Mecánico – eléctrico

2.3.1 MÁQUINA DE EXTRACCIÓN MANUAL

El dispositivo manual figura 2.1 fue el primero que surgió en el cual la persona

que deseaba obtener el zumo tenía que cortar y exprimir manualmente la naranja

utilizando sus manos mediante giros circulares alrededor del dispositivo.

Este tipo de exprimidores no es muy higiénico ya que la persona está en contacto

con la fruta.

Figura 2. 1.- Extracción Manual

Fuente: http://es.wikipedia.org/wiki/Naranja

9

2.3.2 MÁQUINA DE EXTRACCIÓN MANUAL - MECÁNICA

El dispositivo manual - mecánico es el más usado figura 2.2 y en este el operario

solo tiene que cortar la naranja ubicarla en el dispositivo y ejercer una presión

sobre el brazo para así obtener el zumo.

Figura 2. 2.- Extracción Manual-Mecánica

Fuente: www.ambientar.com.ar/.../39/47391839_1362.jpg

2.3.3 MÁQUINA DE EXTRACCIÓN MANUAL - ELÉCTRICA

El dispositivo manual – eléctrico figura 2.3 se ha hecho muy popular en los

hogares debido a su tamaño y costo. La naranja debe ser partida y presionar

sobre el dispositivo, al igual que el primer caso esto no es muy higiénico ya que el

operario tiene contacto con la fruta.

Figura 2. 3.- Extracción Manual-Eléctrica

Fuente: www.mercadolibre.com.mx/jm/img?s=MLM&f=295625

10

2.3.4 MÁQUINA DE EXTRACCIÓN MECÁNICA - ELÉCTRICA

El equipo mecánico – eléctrico figura 2.4 es utilizado en negocios medianos y

grandes que buscan agilizar el proceso y de esa forma obtener mayores

beneficios. Los tamaños de estas dependen la producción requerida y el espacio

disponible esta es la forma más higiénica de obtener el zumo ya que el proceso

es realizado de forma automática, el producto está listo para ser ingerido.

Debido a que el proceso es automático este tipo de máquinas tienen un costo

elevado en comparación a las descritas anteriormente.

Figura 2. 4.- Extractor Mecánico-Eléctrico

Fuente: Zumex of America

11

CAPÍTULO III

PRESENTACIÓN Y SELECCIÓN DE ALTERNATIVAS

Ante la necesidad de diseñar una máquina extractora de jugo de naranja se

establecen una serie de exigencias que se tiene que cumplir en el diseño, razón

por la cual en este capítulo se definirá las especificaciones técnicas de la

máquina, para posteriormente plantear alternativas de solución las cuales se

analizarán por sistemas y como conjunto. Se definirá el principio de

funcionamiento, sus ventajas y desventajas. Finalmente se obtendrá la mejor

alternativa a ser desarrollada

Para la desarrollo de este capítulo de utilizará como referencia el libro Diseño

Concurrente de RIBA Carles, enero 2002 del cual se tomará todo el fundamento

teórico.

3.1 DEFINICIÓN DEL PROBLEMA

En el Ecuador existen máquinas similares pero el costo es muy elevado por lo que

se plantea el diseño de una máquina Extractora de Jugo de Naranja mucho más

acorde con la economía de nuestro país.

3.2 PRINCIPIO BÁSICO DE FUNCIONAMIENTO

Este sistema debe permitir cortar y exprimir naranjas de un diámetro entre 65 mm

hasta 85 mm que es un rango de la naranja que se puede conseguir en el

mercado nacional. El elemento donde se va a almacenar las naranjas debe tener

una capacidad de por lo menos 5 kg (más o menos unas 20 naranjas) ya que el

objetivo de la máquina es prescindir de una persona que realice todo el proceso

en forma manual, las naranjas tienen que ser alimentadas una por una por lo que

en el diseño del sistema de alimentación debe tener una geometría que asegure

que estas no queden atascadas unas con otras.

12

El proceso corte y exprimido de la naranja tiene que ser continuo para que el

tiempo requerido en esta operación sea mucho menor que el utilizado cuando se

lo realiza en una forma manual, se espera obtener en un minuto entre un litro a

litro y medio de jugo de naranja es decir una capacidad de extracción de 12

naranjas por minuto.

Los materiales a ser utilizados deben ser nacionales, de bajo costo pero que

posean muy buenas propiedades para garantizar seguridad y funcionalidad del

equipo. Los materiales que van a estar en contacto con la fruta tienen que ser

materiales que tengan un alto grado alimenticio es decir que no afecten al ser

humano. Otro requerimiento a tomar en cuenta es el peso ya que se desea

obtener una máquina que tenga un peso razonable para un fácil cambio de lugar

de operación.

Los elementos en contacto con la fruta tienen que ser desmontables para su

debida limpieza para que la persona encargada pueda acoplar y desacoplar estos

elementos de la máquina de una manera sencilla y en un tiempo corto. Otro

requerimiento es que el jugo de naranja no se quede estancado dentro de la

máquina ya que esto produce fermentación por lo que el diseño debe permitir que

todo el jugo caiga en un recipiente por la fuerza de gravedad. Los desechos no

tienen que estar en contacto con el jugo y deben ser almacenados en un

recipiente de recolección.

El accionamiento de la máquina será mediante un interruptor encendido-apagado

según la cantidad de jugo requerido.

3.2.1 DIAGRAMA DE FLUJO

Es importante presentar un diagrama de flujo de proceso tabla 3.1 para tener una

idea más clara de los diferentes sistemas y procesos que tiene que tener la

máquina para cumplir con el objetivo de obtener el zumo de naranja de una

manera automática.

13

Tabla 3. 1.- Diagrama de Flujo de Proceso


Fuente: Propia

3.3 DEFINICIÓN DE LOS PARÁMETROS DE DISEÑO Y

PARÁMETROS FUNCIONALES

Una vez definido el principio básico de funcionamiento se procede a dar las

especificaciones técnicas de la máquina que nos van a ayudar a plantear las

diferentes alternativas para posteriormente elegir los mejores elementos y

materiales a ser utilizados en la máquina.

Almacenamiento

de la naranja

Alimentación

Corte

Exprimido

Remoción

de desechos

Almacenamiento

de jugo

14

Primeramente se toma en cuenta el entorno de funcionamiento de la máquina:

Ubicación: Se lo utilizará sobre una barra o mesa de un local de expendio de

bebidas naturales, la máquina estará dispuesta de una forma fija pero firme con el

objetivo de evitar cualquier caída o derrame, pudiendo ser fácilmente cambiada

de lugar de operación.

Usuarios: Esta máquina debe brindar seguridad y ergonomía para el usuario

mediante una fácil carga de las naranjas y que los elementos sean desmontables

para la limpieza, que tenga un bajo costo y peso.

Energía: La fuente de energía deberá ser un voltaje de 120 V, corriente alterna y

una frecuencia de 60 Hz.

Tiempo de funcionamiento: el tiempo de funcionamiento va a depender de la

cantidad de jugo requerida por lo que es importa la selección de un motor reductor

que tenga la capacidad de encenderse y apagarse varias veces en el día.

Otros usos: La máquina podría ser utilizada para exprimir otros cítricos, siempre y

cuando cumplan con el rango de dimensión que se obtenga del diseño, estas

frutas pueden ser toronjas o limones.

3.3.1 ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DEL PROTOTIPO

Las especificaciones que se detallan a continuación son la base para el desarrollo

de un prototipo y son las variables a tener en cuenta en el diseño de la máquina

extractora.

15

Tabla 3. 2.- Especificaciones Técnicas

Empresa Cliente:

EPN

Producto

Prototipo de una

Máquina Extractora de

Jugo de Naranja

Fecha Inicial: 20/05/09

Ultima revisión:09/12/09

Empresa de Ingeniería:

Facultad de

Ing. Mecánica

Página 1/1

Especificaciones

Concepto Fecha Propone R/D Descripción

Función

20/05/09

C

D+I

D

R

D

D

Cortar, exprimir y separar los

desechos de la naranja de una

manera automática y continua

Almacenar 2 litros de jugo.

Capacidad de almacenar 20 naranjas

en una tolva.

Dimensiones 20/05/09 I+D R La máquina debe permitir naranjas

entre 65mm a 85mm de diámetro

Materiales 20/05/09 D+I R Alto grado alimenticio, bajo costo y

bajo peso

Energía 20/05/09

20/05/09

M

M

R

R

Voltaje de la línea convencional

Funcionamiento con corriente alterna

de 60 Hz

Mantenimiento 20/05/09 C+D R Los elementos que están en contacto

con la fruta deben ser desmontables

para su respectiva limpieza

Seguridad y

ergonomía

20/05/09 I+D

C

R

D

Sistema exprimidor cubierto.

Bajo peso para fácil transportación,

Mantenerse fijo durante el proceso de

extracción.

Propone: C = Cliente; D = Diseño; I = Ingeniería; M = Marketing.

R/D: R = Requerimiento; D = Deseo


Fuente: Propia

16

Una vez planteadas las especificaciones técnicas se procede a tomar en cuenta

los diferentes sistemas de la máquina que ayudan a la selección de alternativas

con sus respectivas ventajas y desventajas para posteriormente hacer un análisis

como conjunto y así llegar a la mejor alternativa de máquina.

Los sistemas utilizados para la obtención del jugo de naranja son:

• Sistema de alimentación de naranjas

• Sistema de transmisión de movimiento

• Sistema de corte de naranja

• Sistema de exprimido de naranja

• Sistema de remoción de desechos

3.4 ESTUDIO DE ALTERNATIVAS

En el estudio de alternativas se describe las partes principales y el principio de

funcionamiento de cada una de las alternativas lo cual permite realizar un análisis

de las ventajas y las desventajas de cada alternativa de máquina

3.4.1 PRIMERA ALTERNATIVA (EXPRIMIDOR NEUMÁTICO CON CUCHILLA CIRCULAR Y TORNILLO DE HÉLICE PARA EXPULSA R RESIDUOS)

Figura 3. 1.- Exprimidor Neumático

Fuente: Diseño de una Extractora de Jugo de Naranja

17

3.4.1.1 Elementos principales

Tubo guía para las naranjas, cuchilla circular, 2 pistones neumáticos, un tornillo

helicoidal, engranes para reducción de velocidad, 3 poleas, colector para el jugo,

cernidero, motor eléctrico, un sistema de compresión de aire, sensores y

actuadores.

3.4.1.2 Funcionamiento

El motor gira y transmite su movimiento hacia el eje de la cuchilla mediante un

sistema de bandas y poleas. Simultáneamente se hace girar al tornillo helicoidal

a una velocidad menor utilizando un sistema reductor de velocidad.

La naranja cae por gravedad a través de un tubo guía y es cortada en dos partes

por la cuchilla circular, una vez cortada desciende hasta la parte inferior del tubo

donde cada mitad es conducida hacia la cámara de compresión.

Los pistones son accionados mediante un sistema de aire comprimido donde se

exprime la naranja, el jugo es extraído y cernido y cae a un colector, la pulpa que

no puede pasar a través del cernidero cae cuando la parte inferior de la cámara

se retrae con el pistón.

Hay que hacer notar que el motor se deberá accionar únicamente para cortar la

naranja controlando también el paso de estas hacia la cámara de compresión (se

utiliza sensores).

Una vez que el pistón llega a su punto inicial, la base de la cámara vuelve a la

posición original, y se acciona nuevamente el motor para realizar un nuevo ciclo

de operación.

Los residuos de naranja son arrastrados hacia un compartimiento de desperdicios

en un costado de la máquina mediante el tornillo.

18

A continuación se muestran las partes del exprimidor neumático.

Figura 3. 2.- Diferentes vistas del Exprimidor Neumático


3.4.1.3 Ventajas y Desventajas

En la siguiente tabla se muestran las ventajas y desventajas que tiene este tipo de

máquina para cada uno de los sistemas.

19

Tabla 3. 3.- Ventajas y Desventajas del Exprimidor Neumático

SISTEMA VENTAJAS DESVENTAJAS

Transmisión Utiliza mecanismo de

poleas de fácil

construcción.

Transmisión de

movimiento directo al

tornillo helicoidal

Sistema de transmisión

independiente del sistema de

exprimido.

Se tiene que reducir la velocidad para

mover al tornillo helicoidal.

Alimentación Utiliza menos espacio La alimentación no es continua

debido a que no posee una tolva de

almacenamiento.

Corte Gran velocidad de

corte.

Muy complejo para hacer girar la

cuchilla se necesita poleas.

Corta en partes desiguales ya que

esto depende del tamaño de la

naranja.

Sistema muy costoso.

Exprimido Gran fuerza de

exprimido

Necesita un sistema adicional de aire

comprimido para exprimir la naranja.

Alto costo

Remoción Expulsión continua de

desperdicios

Facilidad en el

mantenimiento

El sistema es muy complejo solo para

almacenar los desechos

Almacenamiento Directo al vaso para

ingerirlo

Mínima capacidad de

almacenamiento



20

3.4.2 SEGUNDA ALTERNATIVA (EXPRIMIDOR CON CILINDROS EXCÉNTRICOS).

Figura 3. 3.- Exprimidor con cilindros excéntricos

Fuente: Orangenius Manual Ver. 1.0 November 2006

3.4.2.1 Elementos Principales

Motor eléctrico, tubo guía para las naranjas, mecanismo de cuatro barras para el

corte de la naranja, cuchilla plana, cilindro exterior, cilindro interior (con paredes

tipo cernidero), ducto y colector de jugo, colector de desechos.

21

3.4.2.2 Principio de funcionamiento

El motor transmite un movimiento giratorio al cilindro exterior el mismo que está

conectado a un cilindro interior que está excéntrico.

La naranja es alimentada a través de un ducto y llega hacia unos brazos tipo

levas que tienen un movimiento de vaivén que es suministrado por un mecanismo

de cuatro barras los cuales impulsan la naranja contra la cuchilla la cual divide la

naranja en dos mitades.

Cada una de estas mitades cae dentro de dos cilindros rotatorios de acero

inoxidable donde estos son exprimidos.

La parte exterior de la naranja es presionada en contra del cilindro exprimidor

exterior mientras que el lado plano o lado cortado es presionado contra la pared

perforada (tipo tamiz) de un cilindro exprimidor interior lo que permite que solo la

pulpa pase a la parte exterior del cilindro donde es almacenado el jugo de

naranja.

La cáscara con su aceite amargo pasa a través de un canal interno hacia un

receptor de desechos. La esencia de la naranja pasa a través de un cernidero

hacia un recipiente donde se almacena el jugo de naranja.

Cuando el contenedor de desechos está lleno suena una alarma que avisa que

debe ser vaciado.

3.4.2.3 Ventajas y Desventajas.



22

Tabla 3. 4.- Ventajas y Desventajas del Exprimidor con Cilindros Excéntricos


Transmisión Se utiliza el movimiento

rotatorio para cortar y

exprimir la naranja.

Dificultad para transmitir el

movimiento del cilindro exterior al

interior.

Alimentación Utiliza menos espacio.

Alimentación continua.

Poca capacidad de alimentación.

Corte Cuchilla fija Se necesita presión en la fruta a

cortar.

La cuchilla debe estar bien afilada.

Corte en plano al azar

Exprimido Gran fuerza de exprimido

Toda la naranja es exprimida por

lo que se corre el riesgo de que la

parte amarga de la cáscara se

ponga en contacto con el jugo.

Pérdida de contacto de los

cilindros cuando existe algún tipo

de atascamiento

Mantenimiento difícil

Remoción Expulsión continua de

desperdicios

Se necesita constante limpieza del

cilindro interior ya que este se

tapa por su forma tipo cernidero.

Almacenamiento Almacenamiento interior

ocupa menos espacio.

Sensor que permite

regular la cantidad de jugo

almacenado.

Necesita de un sensor que detiene

el funcionamiento de la máquina

ya que el almacenamiento es

interno por lo que el costo de la

máquina aumenta.


Fuente: Propia

23

3.4.3 TERCERA ALTERNATIVA (APLASTAMIENTO ROTATORIO)


Fuente: Propia

3.4.3.1 Elementos Principales.

Motorreductor, mecanismo de engranajes para trasmisión de movimiento,

exprimidores superiores, cuchilla, exprimidores inferiores, removedores de

desechos, colector de jugo y colector de desechos.

3.4.3.2 Principio de Funcionamiento

El Motor reductor transmite el movimiento a través de un par de engranajes rectos

al sistema de ejes-engranajes el cual a su vez hace girar a los moldes tanto

hembras como machos para que estos realicen la extracción del jugo de las

naranjas.

La naranja pasa a través de un ducto de alimentación para depositarse en el

exprimidor superior derecho.

Figura 3. 4.- Alternativa Aplastamiento Rotatorio

24

Como los exprimidores superiores son iguales y su movimiento es sincronizado

estos hacen que la naranja pase a través de la cuchilla y se divida en dos partes.

A continuación se deposita la mitad de la naranja en los exprimidores superiores

y es en ese momento en el que entran en contacto con los exprimidores inferiores

y se obtiene el jugo que es depositado en el colector de jugo. Una vez exprimido

los desechos son obligados a pasar por los removedores donde son depositados

en los recolectores de desechos.

3.4.3.3 Ventajas y Desventajas.



Tabla 3. 5.- Ventajas y Desventajas del Exprimidor de Aplastamiento Rotatorio


Transmisión Se utiliza el movimiento

rotatorio para alimentar,

cortar y exprimir la naranja.

Movimiento giratorio

constante

Se necesita de engranajes y

ejes lo que aumenta el costo y

el peso.

Alimentación Buena capacidad de

almacenamiento.

Utiliza más espacio

Corte Posición definida de la

cuchilla en todo momento.

Se necesita presión en la fruta

a cortar.

La cuchilla debe estar bien

afilada.

Corte en plano al azar

Exprimido Gran capacidad de

esprimido.

Fácil mantenimiento.

Necesitan estar bien

sincronizados los exprimidores

superiores con los inferiores.

Remoción Automática no existe riesgo

de atasco de las partes

Un poco difícil la construcción.

25

Almacenamiento Facilidad para adaptar varios

recipientes ya que el

almacenamiento es exterior.

Adaptabilidad de recipientes

existentes en el mercado.

Aumento en el volumen

ocupado por la maquina.

No posee sensor que advierta

que el recipiente está lleno.


Fuente: Propia

3.5 EVALUACIÓN DE ALTERNATIVAS

La evaluación de las alternativas se la realiza con el método ordinal corregido de

criterios ponderados que permite integrar los resultados de los criterios de

valoración que se describen a continuación.

3.5.1 CRITERIOS DE VALORACIÓN.

Cada sistema tendrá diferentes criterios de valoración dependiendo de su función,

de los cuales se buscara el que mayores ventajas ofrezca al conjunto y los

criterios de valoración se muestran en la siguiente tabla:

Tabla 3. 6.- Criterios de valoración de alternativas

Nº CRITERIO JUSTIFICACIÓN CALIF. /10 PONDERACIÓN

1 Costo Se busca un producto

asequible a la economía

actual del país.

9 0,152

2 Funcionalidad La máquina debe ser

capaz de cortar, exprimir

y separar las cáscaras de

naranja de una manera

continua, rápida y

eficiente

8 0,135

26

3 Facilidad de

uso

La máquina debe ser de

fácil manejo.

6 0,102

4 Facilidad de

mantenimiento

Partes que se encuentran

en contacto con la naranja

deben ser desmontables

para su debida limpieza.

Facilidad de

mantenimiento.

7 0,118

5 Versatilidad El equipo deberá

adecuarse a factores no

esperados y

perturbaciones del

ambiente.

4 0,067

6 Seguridad La máquina debe ser

segura para evitar

cualquier tipo de

accidente.

7 0,118

7 Peso El conjunto debe poderse

transportar fácilmente y al

mismo tiempo quedarse

fijo en el lugar de trabajo

6 0,102

8 Repuestos Los materiales usados

tienen que ser nacionales

para facilitar el cambio de

alguna de sus partes de

ser necesario.

7 0,118

9 Estética La forma de la máquina

debe ser atractiva a la

vista del cliente.

5 0,085

TOTAL 59 1


Fuente: Propia

27

3.5.2 EVALUACIÓN DE LOS PESOS ESPECÍFICOS DE LAS DISTINTA S SOLUCIONES PARA CADA CRITERIO.

Evaluación del peso específico del criterio costo

Solución C>Solución B>Solución A

COSTO Solución A Solución B Solución C ∑+1 Ponderada

Solución A 0 0 1,0 0,167

Solución B 1 0 2,0 0,333

Solución C 1 1 3,0 0,500

SUMA 6,0 1

Evaluación del peso específico del criterio funcionalidad

Solución C>Solución B=Solución A

FUNCIONALIDAD Solución A Solución B Solución C ∑+1 Ponderada

Solución A 1 1 3,0 0,500

Solución B 0 0,5 1,5 0,250

Solución C 0 0,5 1,5 0,250

SUMA 6,0 1

Evaluación del peso específico del criterio fácil uso

Solución A=Solución =Solución C

FACIL USO Solución A Solución B Solución C ∑+1 Ponderada

Solución A 0,5 0,5 2,0 0,333

Solución B 0,5 0,5 2,0 0,333

Solución C 0,5 0,5 2,0 0,333

SUMA 6,0 1

28

Evaluación del peso específico del criterio mantenimiento

Solución C=Solución B> Solución A

Mantenimiento Solución A Solución B Solución C ∑+1 Ponderada

Solución A 0 0 1,0 0,1666

Solución B 1 0,5 2,5 0,4167

Solución C 1 0,5 2,5 0,4167

SUMA 6,0 1

Evaluación del peso específico del criterio versatilidad

Solución A=Solución B=Solución C

Versatilidad Solución A Solución B Solución C ∑+1 Ponderada

Solución A 0,5 0,5 2,0 0,333

Solución B 0,5 0,5 2,0 0,333

Solución C 0,5 0,5 2,0 0,333

SUMA 6,0 1

Evaluación del peso específico del criterio seguridad

Solución B=Solución C> Solución A

Seguridad Solución A Solución B Solución C ∑+1 Ponderada

Solución A 0 0 1,0 0,1666

Solución B 1 0,5 2,5 0,4167

Solución C 1 0,5 2,5 0,4167

SUMA 6,0 1

29

Evaluación del peso específico del criterio peso

Solución B>Solución C> Solución A

Peso Solución A Solución B Solución C ∑+1 Ponderada

Solución A 0 0 1,0 0,167

Solución B 1 1 3,0 0,500

Solución C 1 0 2,0 0,333

SUMA 6,0 1

Evaluación del peso específico del criterio repuestos

Solución C=Solución A> Solución B

Repuestos Solución A Solución B Solución C ∑+1 Ponderada

Solución A 0,5 0,5 2,0 0,4167

Solución B 0 0 1,0 0,1666

Solución C 0,5 0,5 2,0 0,4167

SUMA 6,0 1

Evaluación del peso específico del criterio estética

Solución B=Solución C>Solución A

Estética Solución A Solución B Solución C ∑+1 Ponderada

Solución A 0 0 1,0 0,1666

Solución B 1 0,5 2,5 0,4167

Solución C 1 0,5 2,5 0,4167

SUMA 6,0 1


Fuente: Propia

30

3.6 TABLAS DE CONCLUSIONES:

Tabla 3. 7.- Resultados de la ponderación de las alternativas según los criterios

CONCLUSIÓN Costo Funcionalidad Fácil uso Mantenimiento Versatilidad Seguridad Peso Repuestos Estética

Solución A 0,167 0,500 0,333 0,1666 0,333 0,1666 0,167 0,4167 0,1666

Solución B 0,333 0,250 0,333 0,4167 0,333 0,4167 0,500 0,1666 0,4167

Solución C 0,500 0,250 0,333 0,4167 0,333 0,4167 0,333 0,4167 0,4167


Fuente: Propia

Tabla 3. 8.- Multiplicado por el peso específico de cada criterio

CONCLUSIÓN Costo Funcionalidad Fácil uso Mantenimiento Versatilidad Seguridad Peso Repuestos Estética ∑ Ponderación Priori

Solución A 0,025 0,068 0,034 0,019 0,022 0,019 0,017 0,049 0,014 0,272 0,272 3

Solución B 0,050 0,033 0,034 0,049 0,022 0,049 0,051 0,019 0,035 0,342 0,342 2

Solución C 0,076 0,033 0,034 0,049 0,022 0,049 0,033 0,049 0,035 0,376 0,376 1

1,000 1,000


Fuente: Propia

31

Luego de realizar un análisis de ponderación de las alternativas según los criterios

se llega a la conclusión que la mejor opción es la Máquina Extractora de Jugo de

Naranja de exprimidor rotatorio con cuchilla fija y expulsión de residuos automático

por giro.

Una vez definida la alternativa en los capítulos posteriores se procede a realizar

todo el diseño y los cálculos necesarios para definir los materiales, dimensiones de

cada uno de los elementos de la máquina.

32

CAPÍTULO IV

DISEÑO DETALLADO

En este capítulo se realiza un análisis experimental de la fuerza necesaria para

cortar y aplastar la naranja mediante la Máquina Universal, con estos datos se

procede a calcular el torque que se produce sobre los moldes machos, moldes

hembras y sobre los ejes para posteriormente elegir un motor reductor que exista en

el mercado nacional.

Con el valor de potencia y de velocidad del motor reductor se definirá las cargas a

las que están sometidos los demás elementos de la máquina para especificar todas

sus características y dimensiones mediante el diseño.

Algunos elementos son diseñados mediante cálculo y otros son seleccionados de

catálogos existentes en el mercado.

Para la realización de los cálculos se utiliza como referencia el libro Diseño de

Elementos de Máquinas de MOTT Robert; cuarta edición; año 2006 del cual se

toman todas las ecuaciones, gráficas y fundamento teórico.

4.1 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

En el procedimiento experimental se seleccionó diez naranjas en una forma

aleatoria y se midió el diámetro. Posteriormente se sometió a cada una de las

naranjas a una prueba de corte y a cada mitad de naranja a una prueba de

aplastamiento con el objetivo de obtener las fuerzas que debe entregar la máquina

para el proceso de corte y aplastamiento. Estos datos se obtuvieron

experimentalmente mediante la utilización de la Máquina Universal del Laboratorio

de Análisis de Esfuerzos y Vibraciones de la Escuela Politécnica Nacional.

33

4.1.1 PROCEDIMIENTO:

Para las pruebas se utilizaron 10 naranjas elegidas en una forma aleatoria,

utilizando un calibrador pie de Rey se midió los diámetros de cada naranja como se

muestra en la figura 4.1. Cabe señalar que el peso promedio de las naranjas es 0.27

kg.

Figura 4. 1.- Medición de diámetro de la naranja

Fuente : Propia

La tabla 4.1 muestra los diámetros de las naranjas seleccionadas para las pruebas.

Tabla 4. 1.- Diámetros de las naranjas utilizadas

# Naranja Diámetro (mm)

1 75.38

2 71.81

3 70.16

4 73.9

5 72.23

6 80.75

7 79.5

8 75

9 77.8

10 75.05


34

4.1.1.1 Prueba de Corte

La prueba de corte figura 4.2 consistió en colocar una cuchilla apoyada en unos

soportes de madera, sobre la cuchilla se colocó la naranja y procedió a aplicar la

carga de compresión hasta cortar la naranja. Este procedimiento se realizó a las 10

naranjas y el corte se realizó en diferentes posiciones ya que en la máquina las

naranjas caen en una posición aleatoria lo que puede producir que la fuerza

necesaria de corte sea mayor o menor para cada caso.

Figura 4. 2.- Prueba de corte de la naranja

Fuente : Propia

4.1.1.2 Prueba de Aplastamiento

Para la prueba de aplastamiento se utilizó modelos en forma de macho y hembra

como se muestra en la figura 4.3, estos simulan a los modelos que se utilizarán en

la máquina. Para esto se coloca cada mitad de naranja entre el molde macho y el

hembra, posteriormente se procedió a aplicar la carga de compresión figura 4.4 y se

obtuvo la fuerza necesaria para exprimir la naranja.

35

Figura 4. 3.- Molde macho y molde hembra utilizados en la Prueba.

Fuente: Propia

Figura 4. 4.- Prueba de aplastamiento de la naranja

Fuente: Propia

4.2.2. RESULTADOS

36

La tabla 4.2 muestra los resultados obtenidos en la prueba de corte y la tabla 4.3

muestra los resultados de la prueba de aplastamiento.

Tabla 4. 2.- Resultados de la prueba de corte

Prueba Diámetro (mm) Corte (kg)

1 75.38 10

2 71.81 4.0

3 70.16 6.5

4 73.9 5.5

5 72.23 4.5

6 80.75 7.5

7 79.5 8.0

8 75 15

9 77.8 6.5

10 75.05 5.5


Tabla 4. 3.- Resultados de la prueba de aplastamiento

Prueba Diámetro (mm) Aplastamiento (kg)

1 75.38 135 95

2 71.81 52.5 76

3 70.16 30 52

4 73.9 142 40

5 72.23 59 120

6 80.75 84 171

7 79.5 67.5 67

8 75 70 104

9 77.8 62.5 190

10 75.05 70.5 92.5


37

4.2.3 ANÁLISIS DE RESULTADOS

De los datos obtenidos anteriormente en la prueba de corte se elige el de mayor

valor 10 kg y a este se le aumenta un porcentaje para asegurar un corte rápido y

eficiente de cualquier tipo de naranja. Como resultado la fuerza de corte que se va a

utilizar es de 20 kg.

De la prueba de aplastamiento se obtuvo como resultado que un valor de fuerza de

hasta 60 kg era muy poca ya que no exprimía la naranja en su totalidad, existe un

desperdicio pero se mantiene el sabor del fruto. En el caso de una fuerza mayor a

80 kg la naranja se exprimió en su totalidad pero la cáscara también comenzó a

romperse lo cual produjo que exista una mayor cantidad de jugo pero que su sabor

no sea agradable.

Por lo anteriormente mencionado se seleccionó un valor de 70 kg la fuerza de

aplastamiento ya que con esta fuerza se puede exprimir la naranja en un 90 a 95 %

pero manteniendo un sabor muy agradable para los consumidores como se muestra

en la figura 4.5.

Fuente: Propia

En la tabla 4.4 se muestran los valores de corte y aplastamiento de la naranja que

se eligieron luego del un análisis y que se van a utilizar para los diferentes cálculos

posteriores.

Figura 4. 5.- Aplastamiento con 70 kg de fuerza

38

Tabla 4. 4.- Valores de la fuerza a ser utilizados

Fuerza de Corte

[Kg]

Fuerza de Aplastamiento

[Kg]

20 70


4.2 GEOMETRÍA BÁSICA DEL SISTEMA DE CORTE Y

EXPRIMIDO.

Esta es la geometría más importante de la máquina ya que en esta posición se fijan

los moldes hembras y los moldes machos que realizarán el corte y exprimido de la

naranja (con la ayuda de una cuchilla que se encuentra en una posición fija), estos

moldes no tienen un movimiento de desplazamiento solo tienen un movimiento de

rotación con eje en el centro de cada molde. Como cada naranja es de diferente

diámetro se debe asegurar que no exista ninguna interferencia entre elementos así

como ningún atascamiento. Con estas dimensiones se calcularán los momentos que

se generan debido a las fuerzas que actúan sobre los moldes, posteriormente se

calcula la potencia requerida para el corte y el aplastamiento de la naranja y se

selecciona un motor reductor que sea capaz de vencer estos momentos y así

asegurar un correcto funcionamiento de la máquina.

En la figura 4.6 muestra la ubicación de los moldes hembras, moldes machos, y la

distancia de centros, la ubicación de la cuchilla y removedores. Estas ubicaciones

son resultado de un análisis de interferencia.

39

Figura 4. 6.- Geometría Básica


Fuente: Propia

4.3 DIMENSIONAMIENTO DEL MOTOR

Para el dimensionamiento del motor es necesario saber el torque que tiene que

vencer el motor, en la figura 4.7 se muestran todas las fuerzas que actúan sobre los

moldes hembras y moldes machos que son los que realizan el trabajo de corte y

aplastamiento de la naranja.

40

Figura 4. 7.- Fuerzas ejercidas sobre los moldes


Fuente: Propia

En la figura 4.8 se presentan los ángulos a los que están aplicadas las diferentes

fuerzas.

41

Figura 4. 8.- Ángulos de aplicación de las fuerzas


Fuente: Propia

En este punto es necesario definir el material de los moldes machos y moldes

hembras para obtener el peso, el material utilizado es Nylon 6 en el ANEXO 1 se

muestran sus propiedades.

La densidad del nylon 6 es de 1.14 kg/cm3.

42

4.3.1 PESO DEL MOLDE HEMBRA

La figura 4.9 muestra la geometría del molde hembra.

Figura 4. 9.- Molde Hembra

Primero obtengo el valor del volumen como un cilindro es decir como un sólido total.

hrV ××= 21 π (4.1)4

107 21 ××= πV

31 3,1539 cmV =

El valor obtenido corresponde al volumen como cuerpo completo, por lo que se le

tiene que restar el volumen de los orificios donde se introducen los moldes machos.

Para esto se utiliza la fórmula del volumen de una semiesfera.

32 3

2rV ××= π (4.2)1

32 5.4

3

2 ××= πV

32 85,190 cmV =

4 http:/ /www.ditutor.com/geometria_espacio/volumen_semiesfera.html

43

Este es el valor de un orificio por lo que el volumen de las cuatro semiesferas es

igual:

23 4 VV ×= (4.3)1

85.19043 ×=V

33 40.763 cmV =

El volumen total del molde hembra será igual a:

31 VVVT −= (4.4)1

40.7633.1539 −=TV

39.775 cmVT =

Para obtener la masa del molde hembra se utiliza la ecuación:

V

m=δ (4.5)1

Vm ×= δ

gr

kgcm

cm

grm

1000

19.77514.1 3

3××=

kgm 8845.0=

El peso del molde hembra es de:

gmP ×= (4.6)1

28.98845.0

s

mkgP ×=

NP 67.8=


44

4.3.2 FUERZAS Y MOMENTOS RESULTANTES SOBRE EL MOLDE A Y B

En la figura 4.10 se muestran los puntos de aplicación de las diferentes fuerzas que

actúan sobre los moldes hembras A y B.

Figura 4. 10.- Punto de aplicación de las Fuerzas sobre los moldes hembras


Fuente: Propia

Como el sistema de almacenamiento va a ser capaz de almacenar 20 naranjas el

valor del empuje que se producen sobre el molde es de 5 kg.

El peso de la naranja depende del diámetro por lo que se toma un valor promedio

del peso de las naranjas con las que se realizó la prueba de corte y aplastamiento

es decir un valor de 0.27 kg.

45

La fuerza de aplastamiento se obtuvo experimentalmente y su valor es de 70 kg. El

valor de la fuerza de corte se divide para los dos moldes hembras por lo su valor es

de 10 kg.

En la tabla 4.5 se muestran los valores de cargas, el ángulo de aplicación figura 4.8

y el punto de aplicación figura 4.10 a las que se encuentra sometido el molde

hembra A.

Tabla 4. 5.- Fuerzas sobre el molde A

Tipo de Fuerza

Fuerza

[kg]

Fuerza

[N]

Angulo de

Aplicación

Punto de Aplicación

[mm]

Eje x Eje y

Peso de la naranjas

almacenadas

5 49 135 - 49.96 49.03

Peso de naranja 0.27 2,64 90 19.46 26.63

Peso del molde 0.884 8.67 90 0 0

Fuerza de corte 10 98 270 65.4 25.03

Fuerza de aplastamiento 70 686 255 - 7.57 - 28.28


Con los valores de las fuerzas que actúan sobre el molde A tabla 4.5 se procede a

sacar las componentes y los momentos para el peso de las naranjas almacenadas:

=180

135cos49

πxComp

NCompx 65,34=

=180

13549

πsenCompy

NCompy 65,34−=

yCompxCompM xy ** −=

)03,49(*65,34)96,49(*)65,34( −−−=M

32,32=M

46

El sentido positivo por convención sentido antihorario y negativo sentido horario.

Este procedimiento se realiza para todas las fuerzas que actúan sobre cada uno de

los moldes.

La tabla 4.6 presenta las componentes en el eje x, eje y, el momento y el sentido de

las fuerzas que actúan sobre el molde A

Tabla 4. 6.- Componentes y momentos sobre el molde A

Tipo de Fuerza Componente x [N]

Componente y [N]

Momento [N-mm]

Sentido

Peso de la naranjas almacenadas 34,65 -34,65 32,22 antihorario Peso de naranja 0,00 -5,88 -114,42 horario Peso del molde 0,00 -8,67 0,00 antihorario Fuerza de corte 0,00 98,00 6409,20 antihorario Fuerza de aplastamiento 177,55 662,63 5,04 antihorario


La tabla 4.7 nos presenta las resultantes de las fuerzas en el eje x, el eje y, el

momento que actúan sobre el molde A:

Tabla 4. 7.- Fuerzas y momentos resultantes sobre el molde A

Fx [N]

Fy [N]

Momento [N-mm]

212,20 711,43 6332,04


El proceso de cálculo anterior se repite para cada uno de los moldes. La tabla 4.8

muestra los valores de las cargas, el ángulo y el punto de aplicación a las que se

encuentra sometido el molde hembra B.

47

Tabla 4. 8.- Fuerzas sobre el molde B

Tipo de Fuerza

Fuerza

[kg]

Fuerza

[N]

Angulo de

Aplicación

Punto de Aplicación

[mm]

Eje x Eje y

Peso del molde 0.884 8.67 90 0 0

Fuerza de corte 10 98 270 - 65.27 25.29

Fuerza de aplastamiento 70 686 285 7.14 - 28.98


La tabla 4.9 presenta las componentes en el eje x, eje y, el momento y el sentido de

las fuerzas que actúan sobre el molde B

Tabla 4. 9.- Componentes y momentos sobre el molde B


Componente y [N]

Momento [N-mm]

Sentido

Peso del molde 0,00 -8,67 0,00 antihorario Fuerza de corte 0,00 98,00 -6396,46 horario

Fuerza de aplastamiento -177,55 662,63 -414,25 horario


La tabla 4.10 nos presenta las fuerzas y el momento resultante de las cargas que

actúan sobre el molde A:

Tabla 4. 10.- Fuerzas y momentos resultantes sobre el molde B

Fx [N]

Fy [N]

Momento [N-mm]

-177,55 751,96 -6810,71


48

4.3.3 PESO DEL MOLDE MACHO

La siguiente figura muestra la geometría del molde macho.

Figura 4. 11.- Molde Macho

Primero obtengo el volumen del hexágono para luego sumarle con el valor de las

semiesferas.

El área del hexágono es:

2

apotemaperímetroA

×= (4.7)1

2

19.484.46 ××=A

260cmA=

Entonces el volumen del hexágono es:

LAV ×= (4.8) 1

560 ×=V

3300 cmV =

El volumen de la semiesfera es:

32 3

2rV ××= π (4.9) 1


49

32 4

3

2 ××= πV

32 04.134 cmV =

El volumen de las tres semiesferas es:

23 4 VV ×= (4.10)

04.13443 ×=V

33 16.536 cmV =

El volumen total del molde macho es la suma del volumen del hexágono con el

volumen de las 3 semiesferas.

31 VVVT += (4.11) 1

16.536300 +=TV

316.836 cmVT =

Para obtener la masa del molde macho utilizo la ecuación:

V

m=δ (4.5)

Vm ×= δ

gr

kgcm

cm

grm

1000

116.83614.1 3

3××=

kgm 9532.0=

El peso del molde macho es de:

gmP ×= (4.6)

28.99532.0

s

mkgP ×=

NP 34.9=


50

4.3.4 FUERZAS Y MOMENTOS RESULTANTES SOBRE LOS MOLDES C Y D

En la figura 4.12 se muestran los puntos de aplicación de las diferentes fuerzas que

actúan sobre los moldes machos C y D.

Figura 4. 12.- Punto de aplicación de las fuerzas sobre los moldes machos


Fuente: Propia

La fuerza de aplastamiento se obtuvo anteriormente y su valor es de 70 kg.

En la tabla 4.11 se muestran los valores de las cargas, el ángulo y el punto de

aplicación a las que se encuentra sometido el molde macho C.

51

Tabla 4. 11.- Fuerzas sobre el molde macho C

Tipo de Fuerza

Fuerza

[kg]

Fuerza

[N]

Angulo de

Aplicación

Punto de

Aplicación [mm]

Eje x Eje y

Peso del molde 0.953 9.34 90 0 0

Fuerza de aplastamiento 70 686 155 22.2 88.12


La tabla 4.12 presenta las componentes en el eje x, eje y, el momento y el sentido

de las fuerzas que actúan sobre el molde C

Tabla 4. 12.- Componentes y momentos sobre el molde C


Componente y [N]

Momento [N-mm]

Sentido

Peso del molde 0,00 -9,34 0,00 antihorario Fuerza de aplastamiento -177,55 -662,63 935,42 antihorario



actúan sobre el molde A:

Tabla 4. 13.- Fuerzas y momentos resultantes sobre el molde C

Fx [N]

Fy [N]

Momento [N-mm]

-177,55 -671,97 935,42


En la tabla 4.14 se muestran los valores de las cargas, el ángulo y el punto de

aplicación a las que se encuentra sometido el molde macho D.

52

Tabla 4. 14.- Fuerzas sobre el molde macho D

Tipo de Fuerza

Fuerza

[kg]

Fuerza

[N]

Angulo de

Aplicación

Punto de

Aplicación [mm]

Eje x Eje y

Peso del molde 0.953 9.34 90 0 0

Fuerza de aplastamiento 70 686 285 - 22.75 82.4


La tabla 4.15 presenta las componentes en el eje x, eje y, el momento y el sentido

de las fuerzas que actúan sobre el molde D

Tabla 4. 15.- Componentes y momentos sobre el molde D


Componente y [N]

Momento [N-mm]

Sentido

Peso del molde 0,00 -9,34 0,00 antihorario Fuerza de aplastamiento 177,55 -662,63 444,61 antihorario



actúan sobre el molde D:

Tabla 4. 16.- Fuerzas y momentos resultantes sobre el molde D

Fx [N]

Fy [N]

Momento [N-mm]

177,55 -671,97 444,61


53

4.3.5 ANÁLISIS DE RESULTADOS

En la tabla 4.17 se muestran los resultados de todas las fuerzas netas y momentos

aplicados sobre los diferentes moldes. Se observa que el mayor momento se genera

en el molde B, este valor es el utilizado en el cálculo del valor del motor reductor.

Tabla 4. 17.- Fuerzas netas y momentos aplicados sobre los moldes

Molde Fuerza Neta en x

[N]

Fuerza Neta en y

[N]

Momento

[N-mm]

A 212,20 711,43 6332,04

B -177,55 751,96 -6810,71

C -177,55 -671,97 935,42

D 177,55 -671,97 444,61


4.3.6 SELECCIÓN DEL MOTOR REDUCTOR

Una vez que se obtuvieron los valores de los momentos se elige el valor más alto

que es el que actúa sobre el molde B y tiene un valor de 6810,71 [N-mm], este valor

es el par torsional mínimo que debe entregar el motor reductor a los moldes machos

y hembras.

Con este valor se calcula la potencia del motor aplicando la siguiente fórmula:

nTP *= (4.12)5

Donde:

P= potencia

T= torque

n= velocidad

WP

sradmNP

nTP

41,11

]/[67,1*][81,6

*

=−=

=

5 MOTT R, Diseño de Elementos de Máquinas; Cuarta edición; Capítulo 9; ecuación 9-5; página 367.

54

El valor obtenido es un valor muy bajo por lo que se escogió el motor reductor

Ortogonal con carcasa de aluminio Motovario figura 4.13. Ver ANEXO 2.

Figura 4. 13.- Motor reductor Ortogonal

4.3.6.1 Descripción

Motor reductor Ortogonal Carcasa de Aluminio

Tipo: Tornillo Sin Fin Corona

Marca: Motovario (Italia)

Modelo: NMRV040 i=80

Potencia: ¼ HP 4 polos

Velocidad de salida: 21 rpm

Torque de servicio: 28 N-m

Voltaje: 120-220 V; 60 Hz; Monofásico

Protección: IP 55 cerrado contra polvo y agua.

Aislamiento clase F.

Es necesario señalar que este tipo de motor reductor tiene un agujero de servicio

de 18 mm para el eje de salida y un cuñero cuadrado de 6 mm.

55

4.4 DISEÑO DEL SISTEMA DE TRANSMISIÓN

El sistema de transmisión está compuesto por dos sistemas: El sistema reductor de

velocidad debido a que la velocidad de salida del motor reductor existente en el

mercado es más alta que la que se requiere para la máquina, por lo que es

necesario reducirla aun más le velocidad mediante la utilización de este sistema

reductor. El otro sistema es el de transmisión de movimiento encargado de transmitir

la potencia del motor reductor hacia los moldes hembras y machos respectivamente

que son los que realizan el corte y aplastamiento de la naranja.

4.4.1 DISEÑO DEL REDUCTOR DE VELOCIDAD

Existen varias maneras de reducir la velocidad en las máquinas mediante bandas,

correas y engranajes. Para la máquina extractora se utiliza un reductor de velocidad

que consiste en dos engranajes rectos debido a que la potencia transmitida es baja

así como el costo de este tipo de reductor es el más conveniente.

La potencia del motor reductor es de 1/4 de HP o 0,188 kW. El piñón F está sujeto al

eje del motor reductor que gira a 21 rpm, el engranaje E debe girar entre 6 y 8 rpm

para cumplir con el objetivo de exprimir 12 naranjas por minuto.

Se plantea un ángulo de presión de 20° a profundida d completa y un módulo de 3.

La altura de la cabeza, altura de pie y la holgura ver ANEXO 3 es:

ma *1= (4.13)6

Donde:

=a adendum o altura de cabeza

=m módulo

3*1=a

mma 3=

mb *25,1= (4.14)3

6 MOTT R, Diseño de Elementos de Máquinas; Cuarta edición; Capítulo 8; tabla 8-4; página 314.

56

Donde:

=b dedendum o altura de pie

3*25,1=b

mmb 75,3=

mc *25,0= (4.15) 3

Donde:

=c holgura

3*25,0=c

mmc 75,0=

La relación de velocidad nominal es:

G

P

n

nVR=

(4.16)7

Donde:

=VR velocidad nominal.

=Pn velocidad del piñón.

=Gn velocidad del engranaje.

7

21=VR

3=VR

Se tiene que especificar un factor de carga Ko= 1 ANEXO 4 para una fuente

uniforme de potencia y sin choque en el extractor entonces la potencia es:

PKP odis ∗= (4.17)

Donde:

=Ko factor de carga

=P potencia nominal

188,01∗=disP

kWPdis 188,0=


57

De acuerdo con el ANEXO 5 el módulo m=3 es un valor normalizado acorde al

diseño, se impone un número de dientes del engranaje NP=18 ya que se desea un

piñón de un tamaño reducido, con este valor se procede a calcular los diámetros de

paso del piñón y del engranaje respectivamente.

mND PP ∗= (4.18)8

Donde:

=PD diámetro de paso del piñón

=PN número de dientes del piñón

=m módulo

318∗=PD

mmDP 54=

Ahora se calcula el número de dientes del engranaje:

VRNN PG *= (4.19)9

3*18=GN

54=GN

Con este valor calculo el diámetro de paso del engranaje

mND GG *= (4.20)10

Donde:

=GD diámetro de paso del engranaje

=GN número de dientes del engranaje

mmDG 162=

El valor de la velocidad de salida

=

G

PPG N

Nnn

(4.21)6

8 MOTT R, Diseño de Elementos de Máquinas; Cuarta edición; Capítulo 8; ecuación 8-6; página 312. 9 MOTT R, Diseño de Elementos de Máquinas; Cuarta edición; Capítulo 9; ecuación 9-2; página 366. 10 MOTT R, Diseño de Elementos de Máquinas; Cuarta edición; Capítulo 9; ecuación 9-4; página 366.

3*54=GD

58

=54

1821Gn

7=Gn este valor se encuentra en el rango de velocidad planteado inicialmente.

Con todos estos valores de diámetro de paso del piñón y diámetro de paso del

engranaje se calcula la distancia entre centros

2GP DD

C+

=

(4.22)11

Donde:

=C distancia entre centros

2

16254 +=C

mmC 108=

Figura 4. 14.- Diseño de los engranajes reductores


Fuente: Propia

La velocidad de la línea de paso es:

60000

** PPt

nDv

π=

(4.23)12


59

Donde:

=tv velocidad de la línea de paso en metros por segundo (m/s).

60000

21*54*π=tv

smvt /0,0593761=

La carga transmitida Wt está en newtons (N), la potencia en (kW) y la velocidad de

la línea de paso en (m/s).

tt v

PW

*1000=

(4.24)9

Donde:

=tW carga transmitida

0,0593761

188,0*1000=tW

3166,25N=tW

El ancho de cara tiene que estar entre el valor:

mFm 168 ≤≤ (4.25)13

Donde:

=F ancho de cara

mF *8=

3*8=F

mmF 24=

Este es un valor que se encuentra dentro del rango permitido y facilita el maquinado

debido a que mientras mayor es el ancho de cara más precisión se necesita para la

obtención de la pieza.

Finalmente el esfuerzo en el piñón se calcula con la ecuación:

12 MOTT R, Diseño de Elementos de Máquinas; Cuarta edición; Capítulo 9; página 413. 13 MOTT R, Diseño de Elementos de Máquinas; Cuarta edición; Capítulo 9; ecuación 9-28; página 408.

60

P

vmBsottP JmF

KKKKKWS

**

*****=

(4.26)14

Donde:

=tPS esfuerzo del piñón

=oK factor de sobrecarga

=Ks factor de tamaño

=BK factor de espesor de orilla

=mK factor de distribución de carga

=vK factor dinámico

=F ancho de cara

=m módulo

=PJ factor geométrico

El factor de tamaño ks=1 ANEXO 6 debido a que la AGMA recomienda este valor

cuando se trabaja con un módulo de valor menor a 5.

El factor de espesor de orilla kB depende de la relación de respaldo mB que se

calcula de la siguiente manera:

t

RB h

tm =

(4.27)15

Donde:

=Bm relación de respaldo

=Rt espesor de la orilla

=th profundidad del diente

El espesor de orilla para nuestro caso es mucho mayor que la profundidad del

diente lo que asegura que no se produzcan deformaciones. Por este motivo

2,1>>Bm por lo tanto KB ANEXO 7 es:

1=BK

14 MOTT R, Diseño de Elementos de Máquinas; Cuarta edición; Capítulo 9; ecuación 9-15; página 388. 15 MOTT R, Diseño de Elementos de Máquinas; Cuarta edición; Capítulo 9; página 391.

61

El factor de distribución de carga km se calcula mediante la fórmula:

(4.28)16

Donde:

=pfC factor de proporción del piñón

=maC factor por alineamiento del engranado

Para obtener el valor de pfC ANEXO 8 necesito saber la relación entre el ancho de

cara y el diámetro del piñón:

54

24=PD

F

44,0=PD

F

El valor de pfC es:

02,0=pfC

El valor de maC ANEXO 9 debido a que son engranajes abiertos el valor es:

26,0=maC

Entonces:

26,002,00,1 ++=mK

28,1=mK

Para el factor dinámico Kv ANEXO 10 se necesita saber la velocidad de la línea de

paso vt que ya se obtuvo anteriormente y los números de calidad que para este caso

es Qv=6 ANEXO 11 es:

Entonces:

1=vK

Para el factor geométrico J ANEXO 12 se necesita saber el número de dientes del

piñón así como el número de dientes del engranaje.

Entonces:


mapfm CCK ++= 0,1

62

315,0=PJ

397,0=GJ

Con todos estos valores puedo obtener el esfuerzo sobre el piñón

315,0*3*24

1*28,1*1*1*1*3166,25=tPS

MPaStP 69,178=

Los esfuerzos sobre los engranajes:

G

PtPtG J

JSS *=

(4.29)17

397,0

315,0*69,178=tGS

MpaStG 78,141=

El material seleccionado para el piñón y el engranaje del sistema reductor de

velocidad de acuerdo al esfuerzo flexionante es un acero AISI 4340 que es el

material existente en el mercado y tiene las siguientes características:

Su = 1590 MPa

Sy = 1420 MPa

Dureza = 461 HB

El esfuerzo admisible del material seleccionado tiene que ser mayor que el esfuerzo

calculado. Para comprobar se utiliza la siguiente ecuación:

≥

N

Rtat Y

SFKSS

*

(4.30)18

Donde:

=atS esfuerzo flexionante admisible

=tS esfuerzo flexionante esperado

=RK factor de confiabilidad

=SF factor de seguridad

17 MOTT R, Diseño de Elementos de Máquinas; Cuarta edición; Capítulo 9; página 394. 18 MOTT R, Diseño de Elementos de Máquinas; Cuarta edición; Capítulo 9; ecuación 9-20; página 397.

63

=NPY factor por ciclos de esfuerzo

La confiabilidad de diseño ANEXO 13 es 0,99 entonces:

1=RK

El factor de seguridad toma en cuenta la incertidumbre de diseño, características del

material y tolerancia de manufactura.

2.1=SF

Para el factor por ciclo de esfuerzo necesito saber el número de ciclos de carga:

))()()(60( qnLNc = (4.31)19

Donde:

=CN número de ciclos por carga

=L vida de diseño en horas

=n número de revoluciones en rpm

=q número de aplicación de carga por revolución

La vida de diseño recomendada ANEXO 14 es L = 30000 h.

El número de revoluciones del piñón nP =21 rpm

El número de revoluciones del engranaje nG =7 rpm

El número de aplicación de carga por revolución q = 1

)1)(21)(30000)(60(=CPN

ciclosXNCP7107,3=

)1)(7)(30000)(60(=CGN

ciclosxNCG71026,1=

Con estos valores obtengo YNP ANEXO 15

958,0=NPY

99,0=NGY

Esfuerzo flexionante admisible del piñón

19

MOTT R, Diseño de Elementos de Máquinas; Cuarta edición; Capítulo 9; ecuación 9-18; página 396.

64

≥958,0

2.1*195,142atPS

MPaSatP 94,178≥

MPaMpaSatP 94,1781590 ≥=

El esfuerzo admisible del engranaje es:

≥99,0

2.1*142,113atGS

MPaSatG 48,137≥

MPaMpaSatG 48,1371590 ≥=

El material seleccionado es correcto ya que el esfuerzo admisible es mucho mayor

que el esfuerzo calculado.

El esfuerzo de contacto es:

IDF

KKKKWCS

p

vmsotPC **

*****=

(4.32)20

Donde:

=PC coeficiente elástico

=I factor de geometría

El coeficiente elástico ANEXO 16 para el material del piñón es:

=PC 191

El factor de geometría por resistencia a la picadura ver ANEXO 17

La relación de engranajes es:

P

G

N

Ni =

18

54=i

3=i


65

098,0=I

Entonces:

098,0*54*24

1*28,1*1*1*3166,25*191=CS

MPaSC 97.,1078=

Ajuste de los esfuerzos de contacto del piñón.

≥

NP

RCat Z

SFKSS

*

(4.33)21

Donde:

=NPZ factor de resistencia a la picadura

El factor de resistencia a la picadura para un número de contactos esperado se

obtuvo anteriormente y los valores para el piñón y engranaje respectivamente son:

ciclosXNCP7107,3=

ciclosxNCG71026,1=

Entonces el factor de resistencia a la picadura es:

1,1=NPZ

14,1=NGZ

El esfuerzo de contacto admisible del piñon

≥

NP

RCacP Z

SFKSS

*

(4.33)

≥1,1

2,1*197,1078acPS

MPaSacP 76,1294≥

MPaMpaSacP 76,12941590 ≥= 21 MOTT R, Diseño de Elementos de Máquinas; Cuarta edición; Capítulo 9; ecuación 9-26; página 403.

66

Esfuerzo de contacto admisible del engranaje

≥

HNG

RCacG CZ

SFKSS

*

*

(4.34)22

Donde:

=HC Factor por relación de durezas

Se empieza con un valor de relación de durezas de CH = 1

≥1*25,1

2,1*197,1078acGS

MPaSacG 81.1035≥

MPaMpaSacG 81.10351590 ≥=


velocidad de acuerdo al esfuerzo de contacto es un acero AISI 4340 que es el


Su = 1590 MPa

Sy = 1420 MPa

Dureza = 461 HB

4.4.2 SISTEMA DE TRANSMISIÓN DE MOVIMIENTO

Un sistema de transmisión accesible y con buenas prestaciones es el mecanismo de

transmisión por engranajes rectos, se debe cumplir que la distancia entre centros de

los engranajes superiores (moldes machos) es 160 mm y la distancia entre centros

entre el engranaje del molde macho y el engranaje del molde hembra es 140 mm

como se muestra en la figura 4.15. Se sabe también que la relación de transmisión

es i=3:4 y que el piñón C es el motriz tiene que girar a 7 rpm. A partir de estas

condiciones se arranca con el diseño del tren de engranajes.


67

Figura 4. 15.- Distancia entre centros de los engranajes de transmisión


Fuente: Propia

Se propone que los engranajes tengan un ángulo de presión de 20° a profundidad

completa y un módulo m = 4.

La altura de la cabeza, altura de pie y la holgura es:

ma *1= (4.13)

4*1=a

mma 4=

mb *25,1= (4.14)

4*25,1=b

mmb 5=

68

mc *25,0= (4.15)

4*25,0=c

mmc 1=

La relación de transmisión es:

P

G

n

ni =

Entonces:

PG nin ×=

775,0 ×=Gn

rpmnG 25,5=

La velocidad nominal es:

G

P

n

nVR=

(4.16)

25,5

7=VR

3333,1=VR

El número de dientes del engranaje:

VRNN PG *= (4.19)

3333,1*PG NN =

La distancia entre centros es:

2GP DD

C+

=

(4.22)

El diámetro de paso para el piñón como para el engranaje es:

mND ×= (4.18)

Reemplazo la ecuación 4.18 y 4.19 en la ecuación 4.21 y obtengo el número de

dientes del piñón C:

2

mNmNC GP ×+×

=

69

2

mNmNC GP ×+×

=

2

33,1 mNmNC PP ××+×

=

( )33,11

2

+×=

m

CN p

( )33,114

1402

+×=pN

30=pN

Reemplazo este valor en la ecuación 4.18 y obtengo el número de dientes del

engranaje A

3333,1*PG NN =

3333,1*30=GN

40=GN

Con este valor calculo el diámetro de paso del engranaje

mND GG *= (4.20)

4*40=GD

mmDG 160=

El diámetro del piñón C es:

mND PP *=

4*30=PD

mmD P 120=

La velocidad de la línea de paso es:

60000

** PPt

nDv

π=

(4.23)

60000

7*120*π=tv

smvt /0,0439823=

70

El factor de carga se obtuvo anteriormente y su valor es Ko= 1 para una fuente

uniforme de potencia y sin choque en el funcionamiento del extractor.

Existe una pérdida de potencia en la transmisión del 1% debido a que este es un

caso típico por lo que la potencia ahora será de P=0,186 , entonces la potencia es:

PKP odis ∗= (4.17)

186,01∗=disP

KWPdis 186,0=

La carga transmitida Wt está en newtons (N), la potencia en (kW) y la velocidad de

la línea de paso en (m/s).

tt v

PW

*1000=

(4.24)

0,0439823

186,0*1000=tW

4228,97N=tW

El ancho de cara tiene que estar entre el valor:

mFm 168 ≤≤ (4.25)

Donde:

=F ancho de cara

=m módulo

El valor mínimo es:

mF *8=

4*8=F

mmF 32=

71

Finalmente el esfuerzo en el piñón se calcula con la ecuación:

P

vmBsottP JmF

KKKKKWS

**

*****=

(4.26)

Donde:

=tPS esfuerzo del piñón

=oK factor de sobrecarga

=Ks factor de tamaño

=BK factor de espesor de orilla

=mK factor de distribución de carga

=vK factor dinámico

=F ancho de cara

=m módulo

=PJ factor geométrico

El factor de tamaño Ks=1 ANEXO 6 debido a que la AGMA recomienda este valor

cuando se trabaja con un módulo de valor menor a 5.

El factor de espesor de orilla KB se muestra en el ANEXO 7 Este valor depende de

la relación de respaldo mB que para este caso es mucho mayor que 1,2 debido a

que la que la orilla tiene un espesor que asegura que no se produzcan

deformaciones. Por este motivo se utiliza un valor de kB=1

El factor km se calcula mediante la fórmula:

mapfm CCK ++= 0,1 (4.28)

Donde:

=pfC factor de proporción del piñón

=maC factor por alineamiento del engranado

Para obtener el valor de pfC ANEXO 8 necesito saber la relación entre el ancho de

cara y el diámetro del piñón:

72

120

32=PD

F

26,0=PD

F

El valor de pfC es:

01,0=pfC

El valor de maC ANEXO 9 debido a que son engranajes abiertos el valor es:

275,0=maC

Entonces:

275,001,00,1 ++=mK

276,1=mK

Para el factor dinámico Kv ANEXO 10 se necesita saber la velocidad de la línea de

paso que ya se obtuvo anteriormente vt y los números de calidad que para este caso

Qv=6 ANEXO 1.

Entonces:

1=vK

Para el factor geométrico J ANEXO 12 se necesita saber el número de dientes del

piñón así como el número de dientes del engranaje.

Entonces:

375,0=PJ

392,0=GJ

Con todos estos valores puedo obtener el esfuerzo sobre el piñón

375,0*4*32

1*276,1*1*1*1*4228,97=tPS

MPaStP 42,112=

73

Los esfuerzos sobre los engranajes:

G

PtPtG J

JSS *=

(4.29)

392,0

375,0*42,112=tGS

MpaStG 54,107=


velocidad de acuerdo al esfuerzo flexionante es un acero AISI 4340 que es el


Su = 1590 MPa

Sy = 1420 MPa

Dureza = 461 HB

El esfuerzo admisible del material seleccionado tiene que ser mayor que el esfuerzo

calculado. Para comprobar se utiliza la ecuación:

≥

NP

RtPatP Y

SFKSS

*

(4.30)

Donde:

=atPS esfuerzo flexionante admisible

=tPS esfuerzo flexionante esperado

=RK factor de confiabilidad

=SF factor de seguridad

=NPY factor por ciclos de esfuerzo

La confiabilidad de diseño es 0,99 entonces:

1=RK

El factor de seguridad toma en cuenta las incertidumbres de diseño, características

del material y tolerancia de manufactura.

2.1=SF

74

Para el factor por ciclo de esfuerzo necesito saber el número de ciclos de carga:

))()()(60( qnLNc = (4.31)

La vida de diseño recomendada ANEXO 14 es L = 30000 h.

El número de revoluciones del piñón nP =7 rpm

El número de revoluciones del engranaje nG =5,25 rpm

El número de aplicación de carga por revolución q = 1

)1)(7)(30000)(60(=CPN

ciclosxNCP71026,1=

)1)(25,5)(30000)(60(=CGN

ciclosxNCG71094,0=

Con estos valores obtengo YN ver ANEXO 15

99,0=NPY

,1=NGY

Esfuerzo flexionante admisible del piñón

≥99,0

2.1*142,112atPS

MPaSatP 26,136≥

MPaMpaSatP 26,1361590 ≥=

El esfuerzo admisible del engranaje es:

≥1

2.1*154,107atGS

MPaSatG 05,129≥

MPaMpaSatG 05,1291590 ≥=

75

Se comprueba que el material seleccionado es correcto debido a que se cumple que

el esfuerzo admisible del material es mayor que el esfuerzo calculado.

El esfuerzo de contacto es:

IDF

KKKKWCS

p

vmsotPC **

*****=

(4.32)

Donde:

=PC coeficiente elástico

=I factor de geometría

El coeficiente elástico ANEXO 16 para el material del piñón es:

=PC 191

Para el factor de geometría I se necesita saber la relación de engranajes:

P

G

N

Ni =

30

40=i

333,1=i

El factor de geometría ANEXO 17 es:

0857,0=I

Entonces:

0857,0*120*32

1*276,1*1*1*4228,97*191=CS

MPaSC 43,773=

Ajuste de los esfuerzos de contacto del piñón.

≥

NP

RCatP Z

SFKSS

*

(4.33)

Donde:

=NPZ factor de resistencia a la picadura

76

El factor de resistencia a la picadura para un número de contactos esperado se

obtuvo anteriormente y los valores para el piñón y engranaje respectivamente son:

)1)(7)(30000)(60(=CPN

ciclosxNCP71026,1=

)1)(25,5)(30000)(60(=CGN

ciclosxNCG71094,0=

Entonces el factor de resistencia a la picadura es:

995,0=NPZ

1=NGZ

El esfuerzo de contacto admisible del piñón

≥

NP

RCacP Z

SFKSS

*

(4.33)

≥995,0

2,1*143,773acPS

MPaSacP 78,932≥

Esfuerzo de contacto admisible del engranaje

≥

HNG

RCacG CZ

SFKSS

*

*

(4.34)

Donde:

=HC Factor por relación de durezas

Se empieza con un valor de relación de durezas de CH = 1

≥1*1

2,1*143,773acGS

MPaSacG 11,928≥


velocidad de acuerdo al esfuerzo de contacto es un acero AISI 4340 que es el


77

Su = 1590 MPa

Sy = 1420 MPa

Dureza = 461 HB

Se comprueba que el material seleccionado cumple con los esfuerzos requeridos.

Los engranajes A y C son similares a los engranajes B y D respectivamente por lo

que no es necesario volver a realizar el cálculo, estos tienen las mismas

dimensiones y se utiliza el mismo material.

4.5 DISEÑO DE LOS EJES

Es necesario el diseño de dos tipos de ejes, el primero para el reductor de

velocidad, el segundo para el eje de los moldes machos y para los moldes hembras.

Para esto es necesario realizar un análisis de las cargas que se generan sobre los

ejes cuando la máquina se pone en funcionamiento.

4.5.1 DISEÑO DEL EJE 1 (CONECTA AL MOTOR CON EL PIÑÓN)

El motor reductor seleccionado existe en el mercado nacional, cuentan con un

agujero de servicio de 18 mm y 21 mm de largo para acoplar al eje y con espacio

para una cuña cuadrada de 6 mm, por lo que es necesario el diseño del mismo, en

la figura 4.16 se muestra la disposición del eje que es la base para proceder al

cálculo de los diámetros. Es importante señalar que solo necesita de un rodamiento

ya que el otro ya viene acoplado al motor.

Una vez determinados los elementos que se encuentran sobre el eje se determina

las cargas que dichos elementos producen sobre el eje para lo cual en la figura 4.17

muestra el diagrama de cuerpo libre del eje.

78

Figura 4. 16.- Disposición del Eje 1


Fuente: Propia

Figura 4. 17.- Diagrama de cuerpo libre del Eje 1


Fuente: Propia

79

El momento flexionante se calcula mediNBante tramos como se muestra en la figura

4.17, en la posición A se encuentra el rodamiento del motor que soporta al eje.

Sabemos que la fuerza tangencial que actúa sobre el eje es Wt = 3166,25 N,

entonces la fuerza radial sobre el piñón F es:

)20(* tgWW tr = (4.35)

NtgtgWW tr 09,1292)20(*25,3166)20(* ===

∑ = 0ZF (4.36) ∑ = 0yF

(4.37)

0=−+ tDzAz WRR 0=−+ rDyAy WRR

25,3166=+ DzAz RR 09,1292=+ DyAy RR

NRAz 125,1583= NRAy 04,646=

NRDz 25,1583= NRDy 04,646=

La resultante de las reacciones en el punto B y en el punto D es:

22 RyRzR += (4.38)

22DyDzD RRR +=

22 04,64625,1583 +=DR

NRD 87,1709=

NRA 87,1709=

80

La figura 4.18 muestra las fuerzas horizontales que actúan sobre el eje 1.

Figura 4. 18.- Plano horizontal, dirección z


Fuente: Propia

Tramo 1-1 0 < x < 73 mm

xM 87,1709=

00 ==xM

mmNM x −=== 511,12482073*87,170973

Tramo 2-2 73 mm < x < 106 mm

)73(25,316687,1709 −−= xxM

mmNM x −=== 51,12482073*87,170973

073*25,3166106*87,1709106 =−==xM

Entonces:

mmNM Cz −= 51,124820

81

La figura 4.19 muestra las fuerzas verticales que actúan sobre el eje 1.

Figura 4. 19.- Plano vertical, dirección y


Fuente: Propia

Tramo 1-1 0 < x < 73 mm

xM 04,646=

00 ==xM

mmNM x −=== 92,4716073*04,64673

Tramo 2-2 73 mm < x < 106 mm

)73(09,129204,646 −−= xxM

mmNM x −=== 92,4716073*04,64673

073*09,1292106*04,646106 =−==xM

Entonces:

mmNM Cy −= 92,47160

El momento flexionante en el punto C es la resulta de las componentes x, y.

22CyCzC MMM +=

(4.40)

82

22 92,4716051,124820 +=CM

mmNM C −= 8,133432

El par torsional para el sistema inglés se calcula con la siguiente fórmula:

W

PT *8,9548=

(4.41)

Donde:

=T par torsional en N-m

=P potencia en Kw

=W velocidad en rpm

21

188,0*8,9548=T

mNT −= 4849,85

En la siguiente figura 4.20 se presentan gráficamente los resultados obtenidos

anteriormente.

83

Figura 4. 20.- Diagrama de Configuración del eje que conecta al motor con el piñón


Fuente: Propia

El material que se ha seleccionado para el eje es un acero AISI 1018 estirado en

frio, el mismo que tiene aplicaciones en tuercas, pernos, piezas de máquinas

pequeñas, eje para motores y transmisión de potencia, etc.

Además por sus propiedades mecánicas y bajo costo es el más adecuado.

Las propiedades mecánicas del acero AISI 1018 estirado en frio son las siguientes:

Su = 440 MPa

84

Sy = 370 MPa

Dureza = 126 HB

La resistencia a la fatiga se obtiene mediante la figura ANEXO 18

La resistencia básica a la fatiga es Sn = 180 Mpa

La resistencia modificada a la fatiga:

))((1RSnn CCSS = (4.41)23

Donde:

=1nS resistencia modificad a la fatiga

=nS resistencia básica a la fatiga

=SC factor de tamaño.

=RC factor de confiabilidad

El factor de tamaño se obtiene en la figura ANEXO 19

El factor de tamaño es Cs= 0,90 para un diámetro de eje de 20 mm.

El factor de confiabilidad se obtiene mediante la tabla ANEXO 20

El factor de confiabilidad es CR = 0,75 la confiabilidad deseada es 0,999.

Entonces:

75,0*90,0*1801 =nS

MPaSn 5,1211 =

Es necesario definir el factor de diseño, para nuestro caso se elije una valor de N=2

debido a que debido a el eje no sufre cargas de choque e impacto.

4.5.2 CÁLCULO DE LOS DIÁMETROS MÍNIMOS

El cálculo de los diámetros mínimos del eje se lo realiza en los puntos que se

presentan en la figura 4.10. Para lo cual se utiliza dos ecuaciones una para el

cálculo del diámetro cuando sobre un punto actúa una carga vertical única y cuando

el eje está sometido a flexión y torsión simultáneamente.

23 MOTT R, Diseño de Elementos de Máquinas; Cuarta edición; Capítulo 12; página 548.

85

4.5.2.1 Punto A

Este punto es el de acoplamiento que permite la transmisión de potencia desde el

motor hacia el eje con el uso de una cuña, el cuñero del eje es uno tipo trineo por lo

que se utiliza valor de factor de concentración de esfuerzos Kt = 1.6.

Como se puede observar en la figura 4.10 el punto A está sometido solo a cargas de

torsión.

Utilizando la ecuación se obtiene:

3

1

2

1 4

332

=

yS

TND

π

(4.43)

3

1

2

1 370

9,85484

4

32*32

=π

D

mmD 97,151 =

4.5.2.2 Punto B

El punto B es el asiento del rodamiento por lo que el factor de concentración de

esfuerzos Kt = 2.5 debido a que tiene un chaflán agudo.

3

1

2

2 370

9,85484

4

32*32

=π

D

(4.43)

mmD 97,152 =

El diámetro D3 tiene que ser mayor que D2 y D4 para formar escalones para el

rodamiento y el engranaje.

4.5.2.3 Punto C

El punto C es el lugar donde se monta el engranaje con un chaflán bien redondeado

a la izquierda, un cuñero de perfil en el engranaje y una ranura para el anillo de

retención a la derecha.

A la izquierda existe un par torsional de 85484,9 N-mm y un cuñero de perfil Kt = 2.

Entonces:

86

3

1

22

14 4

332

+

=

yn

t

S

T

S

MKND

π

(4.43)

3

1

22

4 370

9,85484

4

3

5,121

8,133432*22*32

+

=π

D

mmD 43,274 =

4.5.2.4 Punto D

El punto D es donde asienta el rodamiento allí no hay momentos torsionales ni

flexionantes. Sin embargo hay una fuerza cortante vertical, igual a la reacción en el

rodamiento. En este punto existe un chaflán agudo por lo que Kt = 2,5.

Aplico la ecuación 4.44 para calcular el diámetro mínimo requerido en este punto:

15

)(49,2

Sn

NVKD t=

(4.44)

5,121

2*87,1709*5,2*49,25 =D

mmD 38,145 =

4.5.3 SELECCIÓN DE LOS RODAMIENTOS

La carga de diseño es la carga radial, es decir las reacciones en los apoyos de cada

eje son las cargas radiales a las que están sometidos los rodamientos. Se elije

rodamientos de una hilera de bolas con ranura profunda ya que poseen una buena

capacidad de carga radial, la pista interior del rodamiento girará con el eje. Por lo

tanto el factor de rotación tiene un valor de V= 1 y la carga de diseño es igual a la

carga radial Fr = Pd.

La carga radial fue calculada anteriormente y su valor es:

NRRF DBr 87,1709===

87

El eje debe girar a 7 rpm entonces la duración es:

)min/60)()(( hrevtLd = (4.45)

Donde:

=t duración de diseño en horas, h.

=rev número de revoluciones en rpm

La duración de diseño es:

ht 30000=

El número de revoluciones es:

rpmrev 7=

Entonces:

)min/60)(7)(30000( hLd =

esrevolucionxLd71026,1=

La capacidad de carga básica es:

k

dd

LPC

/1

610

=

(4.46)

Para rodamientos de bolas la constante k es 3. 3/1

6

7

10

1026,187,1709

= x

C

NC 81,3978=

Con este valor y el diámetro mínimo calculado anteriormente obtengo el rodamiento

requerido utilizando el catálogo SKF.

El rodamiento ubicado en el punto B ya viene dado por el motor por lo que solo se

necesita ubicar un rodamiento en el punto D

Rodamiento 2 ubicado en el punto D

NC 81,3978=

88

Figura 4. 21.- Selección de rodamiento para el punto D

Fuente: SKF Interactive Engineering Catalogue (datos de los productos)

mmD 38,145 =

89

Tabla 4. 18.- Resumen de los resultados de los cálculos para el dimensionamiento

del eje 1 que acopla al motor con el piñón reductor.


Fuente: Propia

Diámetro y

Sección

componente

relacionado

MOMENTOS

FLEXIONANTES

FUERZAS

CORTANTES

DIÁMETRO (mm)

Par

torsional

(N-m)

Mx

(N-

m)

My

(N-

m)

Vx

(N)

Vy

(N)

Kt

característica

Mínimo

Diseño

A

D1 Acoplamiento

85.48 0 0 0 0 1.6 Cuñero

de trineo

15.97 16

B (Derecha)

D2 Acoplamiento

85.48 0 0 0 0 2.5 Chaflán

agudo

15.97 25

Nota: D3 tiene que ser

mayor que D2 o D4

para formar escalones

-

-

-

-

-

-

35

40

C

D4 Engrane

85.48 56.42 21.32 1709.87 646.34 2.0 Perfil de

cuñero

27.43 32

C (Derecha)

D4 Engrane

0 56.42 21.32 1709.87 646.34 3.0 Ranura

para anillo

31.28 32

D

D5 Rodamiento

0 0 0 1709.87 646.34 2.5 Chaflán

agudo

14.38 15

90

4.5.4 CÁLCULO DE LOS CUÑEROS

Se debe especificar 2 cuñas, una para acoplar al eje con el motor y otro para el

piñón del reductor de velocidad.

4.5.4.1 Cuña para el acoplamiento

La mitad del acoplamiento que se monta en el eje de entrada es crítico, porque su

diámetro de barreno es 16 mm, y se producen fuerzas mayores sobre la cuña

cuando se transmite el par torsional de 85.41 N-m, calculado anteriormente en el

diseño del eje. El material seleccionado para la cuña es AISI 1020 estirado en frio

que tiene una resistencia a la fluencia Sy= 352 MPa.

La cuña es cuadrada de 5mm, se utiliza el mismo factor de diseño del eje N=2.

yDWS

TNL

4= (4.48)

Donde:

=L longitud de la cuña

=T par torsional

=N factor de diseño

=D Diámetro del eje

=W ancho de la cuña

=yS esfuerzo de fluencia

Entonces:

352*5*16

2*85485*4=L

mmL 2.24=

Como seguridad adicional al valor anterior se le aumenta a:

mmL 30=

91

4.5.4.2 Cuña para el piñón reductor

El barreno del piñón debe tener 32 mm nominal determinadas en el cálculo del eje

1, el tamaño de la cuña debe ser cuadrada de 8 mm, el par torsional que transmite

es de 85,41 N-m y el material res el AISI 1020 estirado en frío. Utilizando la

ecuación 4.48 se obtiene:

352*8*32

2*85485*4=L

mmL 6.7=


mmL 14=

4.5.5 DISEÑO DEL EJE 2 (DONDE ASIENTAN LOS MOLDES MACHOS)

Sobre este eje están montados dos engranajes rectos el engranaje E y el piñón C,

así como el molde macho y dos rodamientos.

La figura 4.22 muestra la disposición del eje en la máquina así como los elementos

que actúan sobre este eje.

Figura 4. 22.- Disposición del Eje 2


Fuente: Propia

Una vez determinados los elementos que se encuentran sobre el eje se determina

las cargas que dichos elementos producen sobre el eje para lo cual en la figura 4.23

muestra el diagrama de cuerpo libre del eje.

92

Figura 4. 23.- Diagrama del cuerpo libre del Eje 2


Fuente: Propia

Sabemos que la fuerza tangencial es igual para el eje como para el piñón por lo

tanto:

NW DtF 25.3166/ =

NW DrF 09.1292/ =

La fuerza tangencial ya se calculo el valor es:

NW CtA 97,4228/ =

La fuerza radial se calcula:

)20(*97,4228/ tgW CrA =

NW CrA 22,1529/ =

Ahora se calcula las componentes en z, y.

)20(*// tgWW CtACrA =

93

)15cos(/ CtAz WW =

)15cos(*97,4228=zW

NWz 87,4084=

)15cos(/ CrAy WW =

)15cos(*22,1529=yW

NWy 11,1477=

Cargas sobre el molde macho

Se sabe que el torque que actúa sobre el eje donde asienta el eje macho

mmNMT E −== 935,42

NFy 97,671−=

NFz 55,177−=

La figura 4.24 muestra las fuerzas que actúan sobre el eje 2 en la dirección vertical

eje y.

Figura 4. 24.- Plano vertical dirección y


Fuente: Propia

∑ = 0yF

0// =−−−+ yCyAAyDyErR FWRRW

NRR AyDy 99.856=−

∑ = 0AM

0208*158*114*44* // =−+− yDyCyAErR FRWW

NRDy 93.2474=

94

NRAy 94.1617=

Cálculo de momentos flexionantes

Tramo 1-1 0 < x < 44 mm

xM 94,1617−=

00 ==xM

mmNM x −−=−== 36,7118944*94,161744

mmNM By −−= 36,71189

Tramo 2-2 44 mm < x < 114 mm

)44(09,129294,1617 −+−= xxM

mmNM x −−=−== 36,7118944*94,161744

mmNM x −−=+−== 86,9399870*09,1292114*94,1617114

mmNM Cy −−= 86,93998

Tramo 3-3 114 mm < x < 158 mm

)114(11,1477)44(09,129294,1617 −−−+−= xxxM

mmNM x −−=+−== 86,9399870*09,1292114*94,1617114

mmNM x −−=−+−== 1,65871144*11,1477114*09,1292158*94,1617158

mmNM Dy −−= 1,658711

La figura 4.25 muestra las fuerzas que actúan sobre el eje 2 en la dirección

horizontal eje z.

95

Figura 4. 25.- Plano horizontal dirección z


Fuente: Propia

∑ = 0zF

0// =+−−+− zDzDzBEtRAz FRWWR

NRR AzDz 04.3390=+

∑ = 0AM

0208*158*114*44* // =+−− zDzDzBEtR FRWW

NRDz 96,3595=

NRAz 16,2213=

Cálculo de momentos flexionantes

Tramo 1-1 0 < x < 44 mm

xM 46,834−=

00 ==xM

mmNM x −−=−== 24,3671644*46,83444

mmNM Bz −−= 24,36716

Tramo 2-2 44 mm < x < 114 mm

)44(12,158346,834 −+−= xxM

mmNM x −=−== 24,3671644*46,83444

mmNM x −=+−== 96,1568970*12,1583114*46,834114

96

mmNM Cz −= 96,15689

Tramo 3-3 114 mm < x < 158 mm

)114(87,4048)44(12,158346,834 −+−+−= xxxM

mmNM x −=+−== 96,1568970*12,1583114*46,834114

mmNM x −=++−== 28,22678144*87.4048114*12,1583158*46,834158

mmNM Dz −= 28,226781

La resultante de las reacciones en el punto A y en el punto D es:

22 RyRzR +=

22AyAzA RRR +=

22 16,221394,1617 +=AR

NRA 49,2741=

NRD 02,4364=

El momento flexionante en el punto B, C es la resultante de las componentes z, y.

22ByBzB MMM +=

22 24,3671636,71189 +=BM

mmNM B −= 98,80099

22CyCzC MMM +=

22 96,1568986,93998 +=CM

mmNM C −= 32,95299

22DyDzD MMM +=

22 28,2267811,658711 +=DM

mmNM D −= 34,696656

Cálculo del par torsional:

97

W

PT *8,9548=

(4.40)

7

188,0*8,9548=T

mNT −= 45,256

El material que se ha seleccionado para el eje es un acero AISI 1018 estirado en

frio, el mismo que tiene aplicaciones en tuercas, pernos, piezas de máquinas

pequeñas, eje para motores y transmisión de potencia, etc.

Además por sus propiedades mecánicas y bajo costo es el más adecuado.

Las propiedades mecánicas del acero AISI 1018 estirado en frio son las siguientes:

Su = 440 MPa

Sy = 370 MPa

Dureza = 126 HB

La resistencia a la fatiga se obtiene mediante la figura ANEXO 18

La resistencia básica a la fatiga es Sn = 180 Mpa

La resistencia modificada a la fatiga:

))((1RSnn CCSS = (4.41)1

Donde:

=1nS resistencia modificad a la fatiga

=nS resistencia básica a la fatiga

=SC factor de tamaño.

=RC factor de confiabilidad

El factor de tamaño se obtiene en la figura ANEXO 19

El factor de tamaño es Cs= 0,90 para un diámetro de eje de 20 mm.

1 MOTT R, Diseño de Elementos de Máquinas; Cuarta edición; Capítulo 12; página 548.

98

El factor de confiabilidad se obtiene mediante la tabla ANEXO 20

El factor de confiabilidad es CR = 0,75 la confiabilidad deseada es 0,999.

Entonces:

75,0*90,0*1801 =nS

MPaSn 5,1211 =

Es necesario definir el factor de diseño, para nuestro caso se elije una valor de N=2

debido a que debido a el eje no sufre cargas de choque e impacto.

4.5.6 CÁLCULO DE LOS DIÁMETROS MÍNIMOS

El cálculo de los diámetros mínimos del eje se lo realiza en los puntos que se

presentan en la figura 4.10. Para lo cual se utiliza dos ecuaciones una para el

cálculo del diámetro cuando sobre un punto actúa una carga vertical única y cuando

el eje está sometido a flexión y torsión simultáneamente.

4.5.6.1 Punto A

El punto A es donde asienta el rodamiento allí no hay momentos torsionales ni



11

)(49,2

Sn

NVKD t=

5,121

2)49,2741(5,249,21

×××=D

mmD 21,181 =

4.5.6.2 Punto B

El punto B es el lugar donde se monta el engranaje E con un chaflán bien

redondeado a la derecha, un cuñero de perfil en el engranaje y una ranura para el

anillo de retención a la izquierda.

A la derecha existe un par torsional de 256450 N-mm, un cuñero de perfil Kt = 2 y a

la izquierda una ranura para el anillo Kt = 3

A la izquierda del engranaje:

99

3

1

22

12 4

332

+

=

yn

t

S

T

S

MKND

π

(4.42)

3

1

22

2 370

256450

4

3

5,121

98.80099*32*32

+

=π

D

mmD 8,342 =

A la derecha del engranaje:

3

1

22

12 4

332

+

=

yn

t

S

T

S

MKND

π

3

1

22

2 370

256450

4

3

5,121

98,8009922*32

+

×=π

D

mmD 312 =

El diámetro D3 y D4 tiene que ser mayor que D2 y D5 para formar un escalón para el

engranaje.

4.5.6.3 Punto C

El punto C es el lugar donde se monta el engranaje C con un chaflán bien

redondeado a la izquierda, un cuñero de perfil en el engranaje y una ranura para el

anillo de retención a la derecha.

A la izquierda existe un par torsional de 85484,9 N-mm, un cuñero de perfil Kt = 2 y

a la derecha una ranura para el anillo Kt = 3


3

1

22

15 4

332

+

=

yn

t

S

T

S

MKND

π

(4.42)

100

3

1

22

5 370

256450

4

3

5,121

32,95299*22*32

+

=π

D

mmD 46,325 =

A la derecha del engranaje:

3

1

22

15 4

332

+

=

yn

t

S

T

S

MKND

π

3

1

22

5 370

256450

4

3

5,121

32,95299*32*32

+

=π

D

mmD 7,365 =

4.5.6.4 Punto D

El punto D es donde asienta el rodamiento allí no hay momentos torsionales ni



Aplico la ecuación 4.44 para calcular el diámetro mínimo requerido en este punto:

16

)(49,2

Sn

NVKD t=

(4.44)2

5,121

2*02,4364*5,2*49,26 =D

mmD 34,206 =

4.5.6.5 Punto E

El punto E es el lugar donde se monta el molde macho. En este punto existe un

momento MD = 935,42 N-mm y un cuñero de perfil Kt = 2.


2 MOTT R, Diseño de Elementos de Máquinas; Cuarta edición; Capítulo 12; ecuación 12-16a; página 551.

101

3

1

22

17 4

332

+

=

yn

t

S

T

S

MKND

π

(4.42)

3

1

22

7 370

256450

4

3

5,121

42,935*22*32

+

=π

D

mmD 04,227 =

4.5.7 SELECCIÓN DE LOS RODAMIENTOS

La carga de diseño es la carga radial, es decir la reacción en el apoyo del eje es la

carga radial a las que está sometido el rodamiento. Se elije rodamientos de una

hilera de bolas con ranura profunda ya que poseen una buena capacidad de carga

radial, la pista interior del rodamiento girará con el eje. Por lo tanto el factor de

rotación tiene un valor de V= 1 y la carga de diseño es igual a la carga radial Fr = Pd.

La carga radial fue calculada anteriormente y su valor es:

NRP Dd 49,2741==

La duración es:

)min/60)()(( hrpmhLd = (4.44)3

Donde:

=h duración de diseño en horas, h.

=rpm número de revoluciones en rpm

La duración de diseño es:

ht 30000=

El número de revoluciones es:

rpmrev 7=

Entonces:

)min/60)(7)(30000( hLd =

esrevolucionxLd71026,1=

La capacidad de carga básica es: 3 MOTT R, Diseño de Elementos de Máquinas; Cuarta edición; Capítulo 14; página 611.

102

k

dd

LPC

/1

610

=

(4.45)4

Para rodamientos de bolas la constante k es 3. 3/1

6

7

10

1026,109,1292

= x

C

NC 65,3006=

Con este valor y el diámetro mínimo calculado anteriormente obtengo el rodamiento

requerido utilizando el catálogo SKF.

Rodamiento 1 ubicado en el punto A

NC 65,3006=



Rodamiento 2 ubicado en el punto D

NC 65,3006=


mmD 21,181 =

103



mmD 256 =

104

Tabla 4. 19.- Resumen de los resultados de los cálcu los para el dimensionamiento del eje 2 para los mo ldes.


Fuente: Propia

Diámetro y

Sección componente

relacionado

MOMENTOS FLEXIONANTES FUERZAS

CORTANTES

DIÁMETRO (mm)

Par torsional

(N-m)

Mz

(N-m)

My

(N-m)

Vz

(N)

Vy

(N)

Kt característica

Mínimo

Diseño

A D1 Rodamiento 0 0 0 1617,94 2213,16 2.5 Chaflán agudo 18.21 20

B (izquierda) D2 Engrane 0 71,19 36,72 3166.25 1292.09 3.0 Perfil de cuñero 34.8 36

B (Derecha) D2 Engrane 256,45 71,19 36,72 3166.25 1292.09 2.0 Ranura para anillo 31 36

Nota: D3 y D4 tiene que ser mayor que D1 o

D2 y D5 para formar escalones

-

-

-

-

-

-

40

40

C (izquierda) D5 Engrane 256,45 93.99 15.69 4048.87 1477.11 2.0 Perfil de cuñero 32.46 38

C (Derecha) D5 Engrane 0 93.99 15.69 4048.87 1477.11 3.0 Ranura para anillo 36.7 38

D D6 Rodamiento 0 658.71 226.78 3213.16 2474.93 2.5 Chaflán agudo 20.34 25

E D7 Molde Macho 0 0 0 177.55 671.97 3.0 Perfil de cuñero 22.00 23

105

4.5.8 CÁLCULO DE LOS CUÑEROS

Se debe especificar dos cuñas, una para acoplar al eje con el engranaje E, otro

para acoplar al eje con el piñón C. En la posición que asienta el molde macho no se

necesita cuña debido a que la forma que se le va a dar es triangular para que exista

un menor esfuerzo sobre el molde.

4.5.8.1 Cuña para el engranaje E

El barreno del piñón debe tener 36 mm nominal determinadas en el cálculo del eje

2, el tamaño de la cuña debe ser cuadrada de 8 mm, el par torsional que transmite

es de 256,45 N-m y el material es acero AISI 1020 estirado en frío que tiene una

resistencia a la fluencia Sy= 352 MPa.

Utilizando la ecuación 4.48 se obtiene:

yDWS

TNL

4=

352*8*36

2*256450*4=L

mmL 24.22=


mmL 24=

4.5.8.2 Cuña para el piñón C

El barreno del piñón debe tener 38 mm nominal, el tamaño de la cuña debe ser

cuadrada de 8 mm, el par torsional que transmite es de 256,45 N-m y el material es

acero AISI 1020 estirado en frío que tiene una resistencia a la fluencia Sy= 352 MPa.

Utilizando la ecuación 4.48 se obtiene:

106

yDWS

TNL

4=

352*8*38

2*256450*4=L

mmL 17.19=


mmL 20=

4.5.9 DIMENSIONAMIENTO DE LA ESTRUCTURA

Para el dimensionamiento y selección del perfil para la estructura se debe tomar en

cuenta lo siguiente:

• Peso del motor = 147 N

• Peso de los ejes = 30 N

• Peso de los engranajes = 42 N

• Peso de la placa frontal y posterior = 15 N

• Peso de los moldes = 10 N

Mediante el análisis y diseño estructural SAP. 2000, se observa que la deflexión de

los elementos es pequeña, por lo que el perfil seleccionado es L: 25*25*3 cumple

los requerimientos de esfuerzos. Ver ANEXO IV

107

4.5.10 DISEÑO DE LOS MOLDES HEMBRAS Y MOLDES MACHOS

Los moldes machos y hembras son los encargados de cortar (en conjunto con una

cuchilla), exprimir y remover los residuos de la naranja durante el proceso de

extracción del jugo.

Debido a la compleja geometría de estos elemento no fue posible realizar los

cálculos mediante formulas, por lo que se definió la geometría del molde hembra

figura 4.30 y molde macho figura 4.28 mediante un análisis de interferencia para

posteriormente realizar la simulación en el programa Inventor del comportamiento

del los moldes cuando están sometidos a cargas de trabajo para saber si las

dimensiones y los espesores son los adecuados para el funcionamiento de las

máquina. El material de estos moldes es nylon 6. Los detalles del resultado del

cálculo de los moldes machos y moldes hembras se presenta en el ANEXO III

Figura 4. 28.- Diseño del Tambor Hembra en Inventor


Fuente: Propia

108

.

Figura 4. 29.- Molde macho


Fuente: Propia

109

CAPÍTULO V

CONSTRUCCIÓN, MONTAJE Y ANÁLISIS DE COSTOS

En la primera parte de este capítulo se presenta los documentos necesarios para

la construcción y el montaje de un prototipo de la Máquina Extractora de Jugo de

Naranja así como los requerimientos de máquinas, herramienta para la

construcción. Se presenta también las pruebas que se deben realizar para la

comprobación del correcto funcionamiento de la máquina.

Posteriormente se presenta un análisis detallado del costo total de un prototipo, para

la realización de los costos se obtuvo proformas de materiales y de elementos

normalizados de varios proveedores en el mercado nacional.

5.1 CONSTRUCCIÓN Y MONTAJE

Para un mejor entendimiento se elabora planos de taller, mediante los cuales se

obtiene una información total sobre el funcionamiento de los mecanismos y el

proceso de fabricación de las piezas.

Los planos de dibujo mecánico permiten indicar los materiales, dimensiones formas

estados superficiales y especificaciones tecnológicas de los elementos mecánicos

que constituyen la máquina.

Los planos de conjunto y taller están adjuntos en el ANEXO II

5.1.1 CONSTRUCCIÓN DE LOS MECANISMOS

Con los planos de taller se realiza la construcción de los mecanismos. Los

elementos como moldes machos hembras, ejes, cuchilla, etc. Se obtienen por

maquinado.

110

Para la estructura se utiliza planchas de ángulos de 25*3 mm y platinas de 25*3

mm, que son la más adecuadas para la construcción y se encuentra con mucha

facilidad en el mercado nacional.

El proceso de soldadura que se utiliza es SMAW con electrodo E6013 de 1/8” para

la estructura base.

El motor reductor fue seleccionado en el capítulo 3 y sus características se indican

en el ANEXO 2

5.1.1.1 Requerimientos para la Construcción

Los requerimientos necesarios para la construcción se detallan a continuación:

5.1.1.1.1 Máquinas y Equipos

• Torno horizontal

• Fresadora universal

• Aparato divisor

• Soldadura eléctrica

• Equipo de corte por plasma

• Esmeril

• Taladro vertical

5.1.1.1.2 Herramientas de corte y marcado

• Escuadra

• Compas

• Rayador

• Broca

• Cuchilla de acero rápido

• Lima

• Machuelo

111

• Fresa

• Útiles de torno

• Discos de fresado

5.1.1.1.3 Instrumentos de medición y verificación

• Calibrador pie de rey

• Flexómetro

• Cronómetro

5.1.1.1.4 Materiales

• Planchas y ejes de acero

• Bloque de duralón C90

• Electrodo E6013

• Plancha de tol

5.1.1.1.5 Elementos normalizados

• Tornillos

• Pernos

• Arandelas planas

• Motor reductor

• Tuercas

• Rodamientos

5.1.2 PRUEBAS

Para verificar el correcto funcionamiento de la máquina se realiza determinadas

pruebas que aseguran el funcionamiento de cada uno de los elementos así como de

conjunto, estas pruebas se realizan luego de construido y montado el prototipo.

112

5.1.3 DIMENSIONES DE LA MÁQUINA

Se realizan las mediciones de los elementos construidos para verificar que

concuerden con las dimensiones de los mecanismos diseñados para que no haya

ningún inconveniente en el montaje de la máquina. También se debe verificar las

dimensiones como conjunto.

Esta prueba se realiza con la ayuda de un flexómetro y un calibrador pie de rey

Tabla 5. 1.- Verificación de las dimensiones de la máquina

Verificación de dimensiones

Dimensión Diseño prototipo % error

Largo total

(mm)

505

Ancho total

(mm)

455

Altura total

(mm)

893

Diámetro del tubo

alimentador

(mm)

90

Distancia entre los

moldes machos

(mm)

160

Distancia entre el

molde macho y el

molde hembra

(mm)

140

Distancia entre los

moldes hembras

(mm)

229


113

5.1.4 PRUEBA EN VACIO

Esta prueba nos ayuda a verificar el funcionamiento de los diferentes sistemas que

se detalla en la tabla 5.2. Se basa en las revoluciones de salida del motor reductor

que es de 21 rpm, esta prueba se la realiza con la ayuda de un cronómetro y un

tacómetro.

Tabla 5. 2.- Pruebas en vacío

Tiempo

min

Revoluciones Potencia Sistema de

corte

Sistema de

transmisión

Teórico Práctico Teórico Práctico falla No

falla

falla No

falla rpm rpm Hp Hp

2 21 0.25

3 21 0.25

5 21 0.25


5.1.5 PRUEBA CON CARGA

Las pruebas con carga se realiza para comprobar el correcto funcionamiento así

como también la capacidad de aplastamiento, al igual que en la prueba de vacio

aplastamiento. Al igual que en la prueba al vacio se verifica las revoluciones del

motor con la ayuda de un tacómetro.

Tabla 5. 3.- Prueba con carga

Tiempo

min

Revoluciones Potencia Sistema de

corte

Sistema de

transmisión

Teórico Práctico Teórico Práctico

rpm rpm Hp Hp

falla No

falla

falla No

falla

2 21 0.23

3 21 0.23

5 21 0.23


114

Tabla 5. 4.- Capacidad de aplastamiento

Tiempo

(min)

Capacidad de Aplastamiento

Teórico

unidades

Práctico

unidades

1 12

2 24

4 48


5.2 ANÁLISIS DE COSTOS

Para el análisis de costos se debe considerar aspectos fundamentales tales

como:

• Costo de materiales y elementos normalizados

• Costo de maquinado.

• Costo de ingeniería.

• Costo de prototipo.

5.2.1 COSTO DE MATERIALES Y ELEMENTOS NORMALIZADOS

En el diseño intervienen materiales y elementos normalizados que son necesarios

para la construcción de la máquina, el costo de estos elementos se ha estimado a

base de cotizaciones obtenidas en el mercado nacional.

A continuación se detallan los proveedores:

• IVAN BOHMAN C.A. avenida Galo Plaza 13150 y los cerezos.

• RULIMANES B.Z.H. avenida 10 de Agosto N39-253 y Gaspar de Villarroel.

• GERRERO BARRENO avenida de Los Pinos E7-30 e Ines de Medina.

• PROACERO avenida 6 de Diciembre N55-20 y Los Pinos.

En la siguiente tabla se presenta el costo de de los materiales y elementos

normalizados necesarios para la construcción de un prototipo.

115

Tabla 5. 5.- Materiales y elementos normalizados para el prototipo

Denominación Especificación Cantidad Valor

Unitario

(USD)

Valor

Total

(USD)

Motor reductor NMRV040, ¼ HP, 21 rpm 1 365.0 369.6

Eje Transmisión1 AISI 304 (Ø=38.1 mm) 2 Kg 2.16 4.32

Eje Transmisión 2,3 AISI 304(Ø=31,75 mm) 10.30 Kg 2.16 22.25

Ac. Engranaje F AISI 4340(Ø=55,0 mm) 2.30 Kg 5.00 11.50

Ac. Engranajes

A,B,C,D

AISI 4340(Ø=170.0 mm) 13,40 Kg 5.00 67.00

Ac.Engranaje E AISI 4340(Ø=120.0 mm) 3.10 Kg 5.00 15.50

Rodamiento SKF 61902 1 8.84 8.84

Rodamiento SKF 61804 4 9.72 36.8

Rodamiento SKF 61805 4 10.75 42.96

Plancha Ac. Inox. AISI 304(1220*2240*1.5) 1 64.42 64.42

Angulo AISI A36(25.4*25.4*3.18) 1 6.98 6.98

Platina AISI A36(25.4*3.18) 1 3.65 3.65

Plan. Galvanizado (1220*2240*0.70) 2 17.53 35.06

Moldes Nylon 6 (180mm) 15.20Kg 15.26 187.88

Acrílico (1220*2240*3.0) 1/2 42 21

Perno M6X0.8X10 36 0.25 9.0

Arandela plana M6 40 0.08 3.2

Perno M8X0.8X20 4 0.30 1.20

Tuerca M8X2 4 0.25 1.0

Tuerca M6X1.75 36 0.22 7.92

Perno M3X0.8X20 4 0.20 1.0

TOTAL 920.64


116

Tabla 5. 6.- Costo de materiales indirectos

Material Cantidad Valor

Unitario (usd)

Valor Total (usd)

Electrodo 6011 de 4.8mm 5 kg 25/5kg 25

Cuchilla torno HSS 1 8 8

Broca de centros 3.15mm 1 3 3

Lija para hierro 2 0.40 0.80

Pintura anticorrosiva 2.5 L 3.50 8.75

Pintura esmalte 1.5L 4.10 6.15

Thiñer 4 L 1.30 5.2

Guaype 10 0.10 1.0

TOTAL 57.9


5.2.2 COSTO DE MAQUINADO

El costo de maquinado depende de tres tiempos fundamentales:

• Tiempo de preparación de la máquina con respecto al montaje y desmontaje

de las piezas y herramientas.

• Tiempo de mecanizado de la pieza.

• Tiempo de operaciones manuales como: Calibración, Afilado de

herramientas, etc.

•

A continuación se detallan algunos tiempos de preparación de algunas máquinas,

tabla 5.7

Tiempos de preparación de algunas máquinas herramientas necesarias para la

construcción de la máquina extractora de jugo de naranja.

117

Tabla 5. 7.- Tiempos de preparación de las máquinas herramientas

Máquina Herramienta Tiempo (min)

Limadoras normales 30

Tornos cilíndricos medianos 30

Taladros normales 30

Rectificadores normales 30

Fresadoras normales 45


Fuente: Gerling, H; Alrededor de las Máquinas Herramientas, Revereté, Barcelona,

1984.

El costo de operación mecánica de las piezas se basa en el tiempo total de

fabricación, los cuales se obtienen de las hojas de proceso ver Anexo II

Tabla 5. 8.- Costo de Maquinado

Máquina Tiempo Aprox.

(Horas)

Costo

(USD)

Costo Total

(USD)

Torno 6 5 30.0

Fresadora 8 8 64.0

Taladro 2 5.5 11.0

Plasma 0.5 6 3.0

Soldadora 2 3 6.0

TOTAL 114.0


118

Tabla 5. 9.- Costo de mano de obra

Máquina Tiempo Aprox.

(Horas)

Costo

(USD)

Costo Total

(USD)

Torno 6 1.2 7.2

Fresadora 8 4 32.0

Taladro 2 0.70 1.4

Plasma 0.5 3 1.5

Soldadora 2 2 4.0

TOTAL 46.1


5.2.3 COSTO DE DISEÑO

El costo de diseño es el costo de ingeniería, en este valor se toma en cuenta las

horas de trabajo empleadas en el diseño de los elementos de la máquina.

Tomando en cuenta que se trata de un proyecto de titulación se tiene un tiempo

aproximado de 50 horas, el costo para el diseño de la máquina Extractora de

Naranja es de 15 dólares la hora.

5.2.4 COSTO TOTAL

Tabla 5. 10.- Costo total de la Máquina Extractora de Jugo de Naranja

TIPO DE COSTO COSTO TOTAL

(USD)

Costo de materiales y elementos

normalizados

920.64

Costo de materiales indirectos 57.9

Costo de uso de máquina 114.00

Costo de mano de obra 46.1

Costo de diseño 750.0

Imprevisto (10%) 188.86

TOTAL 2077.5


119

CAPITULO VI

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

6.1 CONCLUSIONES

• En general se puede concluir que el diseño de la máquina extractora de jugo

de naranja cumple con los parámetros mínimos de diseño.

• Los valores obtenidos en el ensayo de corte de 10 N y de 70 N en la prueba

de aplastamiento de la naranja fueron valores relativamente bajos por lo que

me permitió elegir un motor reductor pequeño de ¼ de Hp que es suficiente

para realizar todo el proceso.

• Las geometría de ciertos elementos es demasiado complicada como para

aplicar un modelo matemático simple por lo que se utilizó la simulación en

inventor, que permitió visualizar las áreas críticas de algunos elementos y

obtener su respectivo factor de seguridad.

• El diseño realizado garantiza que la máquina tenga una capacidad de

producción de 12 naranjas por minuto.

• El costo total de la máquina es de 2077.5 dólares que es un valor asequible

para la industria de expendio de alimentos o restaurantes que brindan este

tipo de bebidas, este precio es semejante al valor inicial que fue de 2000

dólares.

• La construcción de la máquina se la puede realizar en un taller industrial

equipado con máquinas herramientas comunes como: torno, fresa, taladro,

suelda eléctrica, etc.

• La máquina diseñada es ergonómica de fácil operación y mantenimiento.

• El uso de Nylon 6 en los moldes machos y hembras que son los que están en

contacto con la fruta nos garantizan que el proceso sea completamente

higiénico y nos reducen en gran cantidad el peso de la máquina.

• Se puede adaptar otro tipo de moldes a la máquina para exprimir otras frutas

de diámetro menor a 65 mm, como son limones o mandarinas.

• Los planos de conjunto y taller se encuentran bajo normas de dibujo

mecánico lo que facilitaría la construcción de un prototipo.

120

6.2 RECOMENDACIONES

• El maquinado de los moldes debe realizarse con una persona de mucha

experiencia en la fresa ya que tanto el molde macho como el molde hembra

tienen una geometría muy compleja.

• La tapa frontal de la máquina debe estar cerrada para poner la máquina en

funcionamiento, caso contrario puede haber un derrame de jugo o la

contaminación del mismo.

• Siempre mantener la cuchilla en buen estado para disminuir los esfuerzos

producidos sobre los moldes.

• Es recomendable mantener limpia la máquina ya que los sobrantes del jugo

sobre los moldes se puede fermentar y tomar un sabor desagradable cuando

se utilice nuevamente la máquina.

• Ubicar la máquina en un lugar seguro para evitar cualquier tipo de accidente

ya que esta tiene un peso de 30 kg que es un peso considerable.

121

CAPITULO VII

BIBLIOGRAFÍA

• Romero C., Edgar, 2005, Dimensionamiento y Simulación de una Exprimidora

de Naranja de Frutas Cítricas controlada con un PLC Proyecto de Titulación

de Tecnología de Mantenimiento Industrial, EPN, Quito, Ecuador.

• Correa G., Cesar, 2004, Diseño de una Maquina Rebanadora de Naranja

para la Industria de Mermelada. Proyecto de Titulación previo a la obtención

del Título de Ingeniero Mecánico, EPN, Quito, Ecuador.

• Andrade N., Mario, Jácome S., Galo, 1997, Diseño de una Maquina

Extractora de Pulpa de Manzana. Proyecto de Titulación previo a la obtención

del Título de Ingeniero Mecánico, EPN, Quito, Ecuador.

• SHIGLEY Joseph, Diseño en Ingeniería Mecánica, México, México,1997.

• MOTT Robert, Diseño de Elementos de Máquinas, México, México, 2006.

• ALLEN HALL, Teoría y Problemas de Diseño de Máquinas, Colección

Shaum, 1980.

• NORTON ROBERT, Diseño de Máquinas, Editorial McGraw-Hill, México,

1999.

• RIBA Charles, Diseño Concurrente, España, enero 2002

• Centro de Comercio Internacional, GATT, El Mercado de Jugos Agrios de

Europa.

• Jornadas Ecuatorianas de Ciencia y Tecnología de Alimentos IX: Congreso

Iberoamericano I.

• Catálogo de Rodamientos de la FAG

• Norma DIN

• Catálogo del duralón facilitado por el grupo Carrión Álvarez.

CONSULTAS WEB

• http://www.engranajesmiralles.com/Engramir5.htm

• http://iec.skf.com/4e.htm

122

• http://www.thyssenkrupp.cl/Documentos/fichasT/Aceros%20maquinaria%20b

arras/SAE%204340%20-%2034CrNiMo6.pdf

• http://www.sumiteccr.com/Aplicaciones/Articulos/pdfs/AISI%201018.pdf

• http://etimologias.dechile.net/?naranja

• http://www.alimentacionsana.com.

• http://www.soyagricultora.com/naranja.html

• http://es.wikipedia.org/wiki/Naranja

• www.ambientar.com.ar/.../39/47391839_1362.jpg

• www.mercadolibre.com.mx/jm/img?s=MLM&f=295625

123

ANEXOS

I

ANEXO I

GRAFICAS Y TABLAS PARA EL DISEÑO

II

ANEXO 1. PROPIEDADES DEL NYLON 6

III

PROPIEDADES DEL NYLON 6

El nylon 6 es un tipo de poliamida fabricado por proceso de vaciado, es reconocido

como el plástico de ingeniería más elemental es apropiado para cualquier

aplicación.

IV

ANEXO 2. CARACTERÍSTICAS DEL MOTOR REDUCTOR

SELECCIONADO

V

CARACTERÍSTICAS MOTOR REDUCTOR MOTOVARIO:

Motorreductor ortogonal carcasa de aluminio

Tipo: Tornillo sin fin corona

Marca: Motovario

Modelo: NMRV040 i=80

Potencia: ¼ HP 4 polos

Velocidad de salida: 21 rpm

VIII

ANEXO 3. FÓRMULAS PARA CARACTERÍSTICAS DE DIENTES D E

ENGRANAJE, PARA UN ÁNGULO DE PRESIÓN DE 20°

IX

FÓRMULAS PARA CARACTERÍSTICAS DE DIENTES DE ENGRANAJE, PARA UN

ÁNGULO DE PRESIÓN DE 20°

Propiedad

Involuta de 20° Profundidad Total

Símbolo Sistema Módulo Metrico

Addendum A 1.00m

Dedendum B 1.25m

Clearance C 0.25m

X

ANEXO 4. FACTORES DE CARGA SUGERIDOS, KO

XI

FACTORES DE CARGA SUGERIDOS

Fuente de

Potencia

Máquina impulsada

Uniforme Choque

ligero

Choque

moderado

Choque

pesado

Uniforme 1.00 1.25 1.50 1.75

Choque ligero 2.00 1.40 1.75 2.25

Choque moderado 3.00 1.70 2.00 2.75

XII

ANEXO 5. MÓDULOS NORMALIZADOS, m

XIII

MÓDULOS NORMALIZADOS

Módulo

(mm)

Pd normalizado más

cercano(dientes/pulg)

0.3 80

0.4 64

0.5 48

0.8 32

1 24

1.25 20

1.5 16

2 12

2.5 10

3 8

4 6

5 5

6 4

8 3

10 2.5

12 2

16 1.5

20 1.25

25 1

XIV

ANEXO 6. FACTORES DE TAMAÑOS SUGERIDOS, KS

XV

FACTORES DE TAMAÑOS

Paso diametral,

Pd

Módulo métrico,

M

Factor de tamaño

ks

≥5 ≤5 1.00

4 6 1.05

3 8 1.15

2 12 1.25

1.25 20 1.40

XVI

ANEXO 7. FACTOR DE ESPESOR DE BORDE, KB

XVII

FACTOR DE ESPESOR DE BORDE

XVIII

ANEXO 8. FACTOR DE PROPORCIÓN DEL PIÑÓN, CPF

XIX

FACTOR DE PROPORCIÓN DEL PIÑÓN

XX

ANEXO 9. FACTOR DE ALINEAMIENTO DEL ENGRANADO, C ma

XXI

FACTOR DE ALINEAMIENTO DEL ENGRANADO

XXII

ANEXO 10. FACTOR DINÁMICO, K V

XXIII

FACTOR DINÁMICO

XXIV

ANEXO 11. NÚMEROS DE CALIDAD RECOMENDADOS, Q V

XXV

NÚMEROS DE CALIDAD RECOMENDADOS

Velocidad de la línea de

paso (pies/min)

Número de calidad Velocidad de la línea de

paso (m/s)

0-800 6-8 0-4

800-2000 8-10 4-11

2000-4000 10-12 11-22

Más de 4000 12-14 Más de 22

XXVI

ANEXO 12. FACTOR GEOMÉTRICO, J

XXVII

FACTOR GEOMÉTRICO

XXVIII

ANEXO 13. CONFIABILIDAD DE DISEÑO, K R

XXIX

CONFIABILIDAD DE DISEÑO

Confiabilidad kR

0,90 una falla en 10 0.85

0,99 una falla en 100 1.00

0,999 una falla en 1000 1.25

0,9999 una falla en 10 000 1.50

XXX

ANEXO 14. VIDA DE DISEÑO RECOMENDADA, L

XXXI

VIDA DE DISEÑO RECOMENDADA

XXXII

ANEXO 15. FACTOR POR CICLOS DE ESFUERZO, YN

XXXIII

FACTOR POR CICLOS DE ESFUERZO

XXXIV

ANEXO 16. COEFICIENTE ELÁSTICO, C P

XXXV

COEFICIENTE ELÁSTICO

XXXVI

ANEXO 17. FACTOR DE GEOMETRÍA POR RESISTENCIA A LA

PICADURA Z N

XXXVII

ANEXO 18. RESISTENCIA A LA FATIGA, Sn

XXXVIII

RESISTENCIA A LA FATIGA

XXXIX

ANEXO 19. FACTOR DE TAMAÑO, Cs

XL

FACTOR DE TAMAÑO

XLI

ANEXO 20. FACTOR DE CONFIABILIDAD, C R

XLII

FACTOR DE CONFIABILIDAD

XLIII

ANEXO II

PROFORMAS DE COSTOS

XLVIII

XLIX

ANEXO III

ANÁLISIS DE ESFUERZOS DE LOS TAMBORES MACHOS Y

TAMBORES HEMBRAS

L

ANÁLISIS DEL MOLDE HEMBRA

TABLE 2

NYLON 6

Young's Modulus 2930 MPa

Poisson's Ratio 0,35

Mass Density 1,13e-006 kg/mm³

Tensile Yield Strength 82,75 MPa

Tensile Ultimate Strength 82,68 MPa

5.1 LOADS AND CONSTRAINTS

The following loads and constraints act on specific regions of the part. Regions were defined by selecting surfaces, cylinders, edges or vertices.

TABLE 3

Load and Constraint Definitions

Name Type Magnitude Vector

Force 1 Vertex Force 178,2 N

-53,45 N

170,0 N

0,0 N

Force 2 Vertex Force 451,8 N

210,0 N

400,0 N

0,0 N

Pressure 1 Surface Pressure 6,9e-002 MPa N/A

Pressure 2 Surface Pressure 7,e-002 MPa N/A

Fixed Constraint 1 Surface Fixed Constraint 0,0 mm

0,0 mm

0,0 mm

0,0 mm

Pin Constraint 1 Pin Constraint

Radial Direction: Fixed

Axial Direction: Fixed

Tangential Direction: Free

N/A

TABLE 4

Constraint Reactions

LI

Name Force Vector Moment Moment Vector

Fixed Constraint 1 3297 N

3201 N

-788,2 N

18,85 N

1,282e+007 N·mm

-2,946e+006 N·mm

-1,188e+007 N·mm

3,802e+006 N·mm

Pin Constraint 1 2832 N

-2832 N

21,25 N

-20,37 N

1,052e+007 N·mm

8,447e+004 N·mm

1,052e+007 N·mm

-1360 N·mm

5.2 RESULTS

The table below lists all structural results generated by the analysis. The following section provides figures showing each result contoured over the surface of the part. Safety factor was calculated by using the maximum equivalent stress failure theory for ductile materials. The stress limit was specified by the tensile yield strength of the material.

TABLE 5

Structural Results

Name Minimum Maximum

Equivalent Stress 1,382e-003 MPa 222,6 MPa

Maximum Principal Stress -43,25 MPa 55,16 MPa

Minimum Principal Stress -199,6 MPa 3,555 MPa

Deformation 0,0 mm 0,2244 mm

Safety Factor 0,3717 N/A

FIGURE 1

LII

Equivalent Stress

FIGURE 2

Safety Factor

ANÁLISIS DE LA BOLA

LIII

5.3 MATERIAL DATA

The following material behavior assumptions apply to this analysis:

• Linear - stress is directly proportional to strain. • Constant - all properties temperature-independent. • Homogeneous - properties do not change throughout the volume of the part. • Isotropic - material properties are identical in all directions.

TABLE 2

NYLON








TABLE 3



Force 1 Edge Force 222,0 N

-157,0 N

-157,0 N

0,0 N


-160,0 N

-160,0 N

0,0 N

Fixed Constraint 1 Surface Fixed

Constraint 0,0 mm

0,0 mm

0,0 mm

0,0 mm

TABLE 4


LIV


Fixed Constraint 1 448,3 N

317,0 N

317,0 N

2,431e-007 N

2,559e+005

N·mm

9,25 N·mm

-9,25 N·mm

-2,559e+005 N·mm

Note: vector data corresponds to global X, Y and Z components.

5.5 RESULTS


TABLE 5

Structural Results







FIGURE 1

Equivalent Stress

LV

FIGURE 3

Safety Factor

LVI

ANÁLISIS DEL HEXÁGONO

5.6 MATERIAL DATA

The following material behavior assumptions apply to this analysis:

• Linear - stress is directly proportional to strain. • Constant - all properties temperature-independent. • Homogeneous - properties do not change throughout the volume of the part. • Isotropic - material properties are identical in all directions.

TABLE 2

NYLON 6








TABLE 3




0,0 N

445,0 N

0,0 N

Fixed Constraint 1 Surface Fixed Constraint 0,0 mm

0,0 mm

0,0 mm

0,0 mm

TABLE 4



Fixed Constraint 1 444,9 N 1,433e-005 N 1,768e+006 N·mm -1,764e+006 N·mm

LVII

TABLE 3



-444,9 N

-2,322e-006 N

-5,769e-002 N·mm

1,202e+005 N·mm

Note: vector data corresponds to global X, Y and Z components.

5.8 RESULTS


TABLE 5

Structural Results







LVIII

FIGURE 1

Equivalent Stress

FIGURE 3

Safety Factor

LIX

ANEXO IV

ANÁLISIS DE LA ESTRUCTURA

LX

ANEXO V

PLANOS DE TALLER Y MONTAJE

LX

CARGAS SOBRE LA ESTRUCTURA

LXI

ESTRUCTURA DEFORMACIONES

LXII

ESTRUCTURA ESFUERZOS

LXIII

ÍNDICE DE PLANOS

NO DENOMINACIÓN NO PLANO FORMATO

1 Conjunto Máquina Extractora de Jugo de Naranja 1.1984.001 A0

2 Chaveta 1.1984.101 A5

3 Chaveta 1.1984.103 A5

4 Molde hembra 1.1984.104 A3

5 Tornillo fijador 1.1984.105 A4

6 Cuchilla 1.1984.106 A3

7 Tolva 1.1984.107 A3

8 Tapa de rodamiento 1.1984.108 A3

9 Tapa frontal 1.1984.109 A4

10 Hexágono 1.1984.110 A3

11 Basurero izquierdo 1.1984.111 A4

12 Basurero derecho 1.1984.112 A4

13 Vaso 1.1984.113 A4

14 Bola de extracción 1.1984.114 A3

15 Engranaje F 1.1984.115 A4

16 Engranajes C, D 1.1984.116 A4

17 Removedores 1.1984.117 A3

18 Eje 1 1.1984.118 A3

19 Eje 2 1.1984.119 A3

20 Eje 3 1.1984.120 A3

21 Engranaje E 1.1984.121 A4

22 Engranaje A,B 1.1984.122 A4

23 Chaveta 3 1.1984.123 A5

24 Placa frontal 1.1984.124 A3

25 Placa posterior 1.1984.125 A3

26 Tapa trasera 1.1984.126 A3

27 Estructura base 1.1984.002 A2

LXIV

28 Perfil 1 1.1984.201 A4

29 Perfil 2 1.1984.202 A5

30 Perfil 3 1.1984.203 A5

31 Perfil 4 1.1984.204 A5

32 Perfil 5 1.1984.205 A5

33 Perfil 6 1.1984.206 A5

34 Perfil 7 1.1984.207 A4

interesante exprimidor electromecánico de citricos varios patentado en españa

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