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MEMORIAS DEL XXIII CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 20 al 22 DE SEPTIEMBRE DE 2017 CUERNAVACA, MORELOS, MÉXICO

Tema A1a Diseño Mecánico: Diseño de prototipos

“Prototipo de molino para fraccionar fibras de agave con fines experimentales”

Magdaleno Caballero Caballeroa, José Luis Montes Bernabéa*, Maria Eugenia Silva Riveraa.

a Instituto Politécnico Nacional, Centro Interdisciplinario de Investigación para el Desarrollo Integral Regional Unidad Oaxaca, Hornos No. 1003, Col.

Noche Buena, Municipio de Santa Cruz Xoxocotlán, Oaxaca, C.P. 71230, México,

*Autor contacto.Dirección de correo electrónico: [email protected]

R E S U M E N

Debido a la tendencia de sustituir fibras sintéticas por fibras naturales, en este caso para su utilización como refuerzo en

biocompuestos, deben satisfacer los requerimientos dimensionales de diferentes formulaciones, por lo que el objetivo de

este trabajo fue el diseño de un prototipo que realice la función de fraccionar fibra seca de bagazo de agave, mediante el

impacto de masas metálicas que giran libremente. En este prototipo, las fibras se fraccionan bajo la acción de un golpe

mecánico. El tamaño de la fibra fraccionada se controla en la criba de salida del producto la cual cuenta con orificios de

dimensión igual al tamaño definido, el producto es descargado hasta que logre pasar por los orificios de la criba. El

producto obtenido podrá ser utilizado de manera directa o como materia prima en un siguiente proceso de pulverizado.

Palabras Clave: Diseño de prototipos, biocompuestos, fibra de agave

A B S T R A C T

Due to the tendency to substitute synthetic fibers by natural fibers, in this case for their use as reinforcement in

biocomposites, they must fulfill the dimensional requirements of different formulations, reason why the objective of this

work was the design of a prototype that realizes the function of fractionating dry fiber of agave bagasse, by the impact of

freely rotating metallic masses. In this prototype, the fibers are fractioned under the action of a mechanical blow. The size

of the fractional fiber is controlled in the outlet screen of the product which has holes of dimension equal to the defined

size, the product is discharged until it can pass through the holes of the sieve. The product obtained may be used directly

or as a raw material in a subsequent spraying process.

Keywords: Design of prototypes, biocomposites, agave fiber

1. Introducción

La principal fuente de material renovable en la naturaleza

es la lignocelulosa. Este compuesto tiene una tasa de

síntesis de 4x109 toneladas anuales y se compone de

lignina, hemicelulosa y celulosa [1]. Cada uno de estos

componentes tiene propiedades físicas y químicas que los

hacen substratos de interés para ser usados en procesos

biotecnológicos, debido a su bajo costo y a su amplia

disponibilidad mencionada anteriormente. En este

sentido, en México se generan residuos agroindustriales,

que pudieran ser aprovechados para obtener productos de

valor agregado. En general la mayor parte de estos

residuos se dispone por incineración, sin embargo, la

biomasa residual es abundante y se ha demostrado que es

factible convertirla en diferentes productos como

biocombustible, alimento animal, compostas y químicos,

entre otros. Dentro de estos residuos agroindustriales se

encuentra el bagazo de Agave angustifolia Haw. Este es

un subproducto derivado del proceso para la producción

del mezcal y del cual se generan miles de toneladas

anualmente por lo que su disposición representa un

problema para dicha industria [2].

A lo largo de la historia de la humanidad las fibras

naturales han desarrollado un papel importante en el

ISSN 2448-5551 DM 194 Derechos Reservados © 2017, SOMIM


ámbito de la construcción, existen datos de la utilización

de fibras de hojas y madera que se utilizaban como

refuerzo de bloques compuestos con base arcillas [3] para

la construcción de viviendas e incluso para soportar cargas

moderadas. Por otra parte, se están realizando diversos

estudios alrededor del mundo sumando esfuerzos por

conseguir materiales compuestos completamente bio-

degradables, para así mitigar el daño ecológico que se ha

venido dando al medio ambiente por la producción en

masa de productos sintéticos a lo largo de la segunda

mitad del siglo pasado [4]. De acuerdo con Callister [5],

las características mecánicas de los materiales compuestos

reforzados con fibras dependen no solamente de las

propiedades de la fibra, sino también del grado en que una

carga aplicada es transmitida a las fibras a través de la

fase matriz. Al respecto, es muy importante la magnitud

de la unión interfacial entre las fases de fibra y matriz,

bajo un esfuerzo aplicado, la unión matriz-fibra cesa en

los extremos de la fibra, lo que produce un patrón de

deformación de la matriz; en otras palabras, en cada uno

de los extremos de la fibra no hay transmisión de la carga

desde la matriz. Se requiere una longitud de fibra crítica

para un aumento efectivo de la resistencia y de la rigidez

del material compuesto. Esta longitud crítica depende del

diámetro de la fibra y de su resistencia última a la tracción,

así como de la resistencia de la unión matriz-fibra (o de la

resistencia a la cizalladura de la matriz, la que sea más

pequeña), por lo que el objetivo de este trabajo fue el

diseño de un prototipo que realice la función de fraccionar

fibra seca de bagazo de agave, mediante el impacto de

unas masas metálicas que giran libremente. En este

prototipo, los haces de fibras se fragmentan bajo la acción

de un golpe mecánico, durante el cual la energía cinética

de las partículas en movimiento se transforma, parcial o

totalmente, en energía para su fragmentación. El tamaño

de la partícula se controla en la criba de salida del

producto la cual cuenta con orificios de una dimensión

igual al tamaño de partícula deseado, ya que el producto

será expulsado por la tolva de descarga hasta que logre

pasar por los orificios antes mencionados.

2. Metododología

2.1. Identificación de la necesidad

Para la utilización de la fibra del bagazo de agave como

refuerzo en biocompuestos es necesario que la longitud de

la fibra tenga dimensiones dependiendo de la matriz y el

tipo de biocompuesto, por lo que en el presente trabajo se

diseñó y construyó un prototipo de molino para fraccionar

fibra de agave con fines experimentales, con las

especificaciones de desempeño del prototipo que se

enlistan a continuación:

• Capacidad de procesamiento de 20 kg/h

• Operación con bajo consumo de energía eléctrica

• Fraccionar fibra seca de bagazo de agave hasta

un tamaño de 10 mm

• Sencillez de operación

• Facilidad de limpieza

• Costo inicial menor o igual a $ 20,500.00

2.2. Generación de conceptos

Para poder alcanzar los objetivos de este punto es

importante tomar en cuenta los siguientes antecedentes

que se presentan a continuación:

• Establecer la descomposición funcional

• Generar el árbol de funciones correspondiente

• Elaborar la carta morfológica del diseño

• Generar los conceptos de solución

Función global:

Fraccionar fibra seca de bagazo de agave

Funciones primarias

o Seccionar en longitudes de 10 mm la fibra

o Controlar el tamaño de la fibra

o Evitar fugas de material

Funciones secundarias:

o Controlar el tamaño de la fibra. Garantizar la

longitud del producto

o Fragmentar en partículas de 10 mm fibra de

bagazo de agave. Seccionar las fibras.

o Evitar fugas de material. Sellar las partes en

donde pudieran existir fugas.

Árbol de funciones

El árbol de funciones describe gráficamente las funciones

que debe realizar un producto a diseñar, Fig. 1.

Figura 1- Árbol de funciones del prototipo



Carta morfológica y generación de conceptos

Cada función puede realizarse mediante la utilización de

diferentes alternativas. Debiéndose lograr una correcta

funcionalidad del equipo por lo que a partir de esta

herramienta se harán las combinaciones de las alternativas

para lograr los conceptos. Tabla 1.

Tabla 1– Carta morfológica de diseño

Funciones Alternativas

1. Controlar el

tamaño de la fibra

Con tamices

Manual

l

Con criba de

salida

2. Fragmentar en

longitudes de 10

mm la fibra

Manual

Manual con

herramienta

mecánica basica

Por medio

mecánico

3.Evitar fugas de

material

Traslape de

pestaña

Sello de caucho

Sello de caucho

En las tablas 2, 3, y 4 se presenta la evaluación de cada una de las alternativas propuestas para satisfacer cada función del prototipo, esto se realiza con base a diferentes parámetros que el usuario y el diseñador hayan definido, y al término de la evaluación cada una de las alternativas obtendrá una calificación la cual se registrara en la carta morfológica.

Tabla 2– Evaluación de las alternativas de la función controlar

tamaño


1. Controlar el

tamaño de la

fibra

Con tamices

Manual

Con criba

de salida

Costo 2 3 1

Funcionalidad 2 1 3

Durabilidad 1 2 3

Materiales 2 1 3

Estética 2 1 3

Total 9 8 13

Tabla 3– Evaluación de las alternativas para la función fragmentar

en longitudes de 10 mm


3. Fragmentar

en longitudes

de 10 mm la

fibra

Manual

Manual con

herramienta

mecánica basica

Por medio

mecánico

Costo

3

2

1

Funcionalidad

1

2

3

Durabilidad

2

1

3

Materiales

1

2

3

Estética

1

2

3

Total 8 9 13

Tabla 4– Evaluación de alternativas para la función evitar fuga de

material


3 Evitar fugas

de material

Traslape de

pestaña

Sello de caucho

Sello de caucho

Costo

2

3

1

Funcionalidad

1

2

3

Durabilidad

3

2

1

Materiales

2

1

3

Estética

2

1

3

Total 10 9 11

Con base a las calificaciones obtenidas por cada alternativa de solución para cada función, se construyen los diferentes conceptos, los cuales realizaran la función principal para satisfacer las necesidades del usuario, tablas 5 y 6.



Tabla 5– Generación de conceptos a través de la carta morfológica


1. Controlar

el tamaño de

la fibra

Con

tamices

Manual

Con criba de salida

2. Fragmentar

en longitudes

de 10 mm la

fibra

Manual

Manual con

herramienta

mecánica basica

Por medio mecánico

3.Evitar fugas

de material

Traslape

de pestaña

Sello de caucho

Sello de caucho

Tabla 6– Conceptos

Concepto I Concepto II

La toma de decisiones se realizó evaluando las

alternativas generadas comparándolas contra los

requerimientos establecidos del usuario, por lo que se hizo

una evaluación de la forma en que cada uno cumple los

requerimientos bajo una escala de calificación, y como

resultado se tiene el conjunto más viable y óptimo.

Tabla 7– Escala de calificación

Escala de calificación

2 Poco

4 Regular

6 Medianamente

8 Casi por completo

10 Totalmente

Tabla 8- Tabla evaluativa de los conceptos con las especificaciones

de desempeño

Usuario Conceptos

I II

Fraccionar fibra seca de bagazo

de agave

10 4

Seguridad en el servicio 10 6

Bajo consumo de energía 8 10

Facilidad de limpieza 10 10

Resistente a vibraciones 10 8

Costo de inversión 8 10

Costo de operación 8 10

Facilidad de mantenimiento 8 10

TOTAL 72 68

Con base a la evaluación se concluye que el concepto a desarrollar es la opción I, al cumplir totalmente con la función principal.

2.3. Descripción del concepto seleccionado

La fig. 2 es una proyección del concepto del prototipo de

molino para fraccionar fibras de bagazo, y de las partes

que lo integran las cuales son: 1) Tolva de alimentación

de fibra seca, 2) Rotor con elementos de trituración 3)

Criba de salida, 4) Tolva de descarga de producto.

Funcionamiento. El prototipo fue construido con lámina

calibre 12 y 18 de acero inoxidable, la cual fue trazada y

cortada, para después ser ensamblada con soldadura de

arco eléctrico, remachada y atornillada. Un rotor con

elementos de trituración, el cual es movido por un motor

monofásico de 1.5 HP, una criba también de acero

inoxidable con abertura de orificios de 10 mm, todos los

elementos están montados en una estructura construida

con ángulo de 38 mm y espesor de 6.35 mm. El prototipo

pesa 95 kg, con dimensiones de 1000 mm de largo, 1300

mm de alto y 600 mm de ancho. Es accionado con

corriente monofásica de 120 volts.

El prototipo realiza la función de triturar la fibra seca de

bagazo de agave, a un tamaño de 10 mm, esta función se

logra mediante el impacto de unas masas metálicas que

giran libremente. En este prototipo, los haces de fibras se

fragmentan bajo la acción de un golpe mecánico, durante

el cual la energía cinética de las partículas en movimiento

se transforma, parcial o totalmente, en energía para su

destrucción. El tamaño de la fibra procesada se controla

en la criba de salida del producto la cual cuenta con

orificios de una dimensión igual al tamaño de partícula

deseado, ya que el producto será expulsado por la tolva de

descarga hasta que logre pasar por los orificios antes

mencionados.

C II C I



Figura 2 -Proyección del prototipo.

2.3. Cálculo de la potencia requerida

José [7], en pruebas de laboratorio determinó la energía

de impacto para romper la estructura de la piña o corazón

del agave, compuesta por pulpa y fibra, obteniendo un

valor de 1.15 kJ/m2 en la sección que requirió mayor

energía. Con base a la disposición de las herramientas de

corte en el prototipo y el material a procesar, el área de

impacto fue de 3 X 10-4 m2, por lo que la energía aplicada

de forma individual fue de 3.45 X 10-4 kJ o 0.345 J.

Según la fig. 3, la distancia que describe en su trayectoria

el centro de masa de la herramienta de corte es igual a

0.115 m

Figura 3 – Distancia que describe en su trayectoria el centro de

masa de la herramienta de corte.

Caballero [6] para calcular la fuerza de corte utilizó la

siguiente ecuación:

c

tra

TF N

d (1)

Donde

trad = Distancia que describe en su trayectoria el centro

de masa de la herramienta de corte

trad = 0.115 m

T = 0.345 J

Por lo que la fuerza de corte fue de:

0.3453

0.115cF N

Debido a que el rotor trabaja simultáneamente con 24

herramientas de corte

TC C hcF F xn N (2)

3 24 72TCF x N

Calculo para la selección de las poleas

Partiendo de una velocidad angular del rotor de 875.5 rpm

y teniendo una polea de diámetro de 9.75”, así como la

velocidad del motor de 1800 rpm, se tiene:

1 1 2 2n d N D (3)

En donde

n1 = velocidad del motor

d1 = diámetro de la polea motriz

N2 = velocidad de la polea conducida

D2 = diámetro de la polea conducida

Por lo que despejando la incógnita, en este caso el

diámetro de la polea motriz, se tiene:

1 2 2 1( ) /d N D n

Sustituyendo

1 (875.5 9.75) /1800d x

"

1 4.74d

Se compra una polea con diámetro comercial de 4.75”

Con base a la velocidad del rotor N2 = 875.5 rpm = 91,68

rad/s y el radio= 0.115 m, se determinó la velocidad lineal.

91.68 0.115 10.54 /CV m s (4)

Teniendo los valores de la fuerza total de corte y de la

velocidad lineal se determinó la potencia requerida para el



fraccionado de las fibras.

72 10.541.017

745.7 745.7

TC CTC

F VP HP (5)

Por lo que se seleccionó un motor eléctrico monofásico de

1.5 HP.

2.4. Geometría de la herramienta de corte

Se definió una geometría con base a la funcionalidad y las

operaciones de maquinado, mostrándose las dimensiones

(mm), en la fig. 4.

Figura 4 – Dimensiones de la herramienta de corte.

En la Fig. 5 se puede apreciar la herramienta de corte, la

cual con base a su volumen total de 5.27x10-6 m3 y a la

densidad del acero AISI 316 igual a 7960 kg/m3 se

determinó su masa de 41.94 g.

Figura 5 – Herramienta de corte.

Figura 6 – Eje y separadores de las herramientas de corte.

Figura 7 – Herramientas de corte montadas en su eje.

Figura 8 – Discos montados en su flecha.

Figura 9 – Criba con tamaño de agujero de 10 mm.

3. Resultados

Se diseñó y construyó un prototipo de molino para

fraccionar fibras de agave con fines experimentales,

Fig.10.

Figura 10 - Prototipo terminado

Condiciones de entrada y salida de la fibra

Se probó el prototipo para evaluar su función principal,

inicialmente la fibra al entrar al molino tiene dimensiones

entre 100 mm y 200 mm, y humedad de 10%, figs. 10 y

11.

Figura 10 – Fibra antes de ser procesada, 100 mm.

Figura 11 – Fibra antes de ser procesada, 200 mm.



Después de haber procesado 20 kg de fibra en el prototipo

de molino, se obtuvo fibra fraccionada entre 10 y 15 mm.

Fig, 12.

Figura 12 –Fibra procesada

La fibra procesada se hizo pasar por 2 tamices, para

cuantificar el porcentaje de fibra con tamaño de 10 mm,

12.5 y 15 mm, procediéndose a pesar la cantidad de fibra

de cada dimensión, por lo que el porcentaje obtenido fue:

95% de longitud 10 mm

3% de longitud 12.5 mm

2% de longitud 15 mm

Después de haber realizado 8 pruebas por un tiempo de 1

hora cada una, no se detectaron daños en las herramientas

de corte, piezas del rotor o algún otro elemento del

prototipo. En cuanto al nivel de ruido del equipo, debido

a la capacidad del motor y las características del material

procesado se alcanzarían máximo 80 decibeles.

4. Conclusión

Se diseñó y construyó un prototipo que acondiciona fibra

de bagazo de agave con fines experimentales al

fraccionarla hasta obtener una longitud mínima de 10 mm,

utilizándose el producto procesado de manera directa en

determinados biocompuestos que requieran fibra con la

dimensión que entrega el molino. Este prototipo también

puede ser utilizado para fraccionar fibra antes de ser

procesada en otro equipo el cual la pulverice, ahorrando

tiempo en esta última operación. La capacidad del molino

fue de 20 kg/h con eficiencia de 95%.

REFERENCIAS

[1] Y. García Gonzalez, e-Gnosis (2004). [2] Linerio J. (1998), Residuos Tequileros, Normatividad

y Medio Ambiente, Bebidas Mexicanas (CIATEJ) [3] Gatenholm, P. 1997.IntefacialAdhesión and

Dispersiónin Biobased Composites. Molecular Interactions between Cellulose and Other Polymers, Technical Report, Chalmers University, Suecia.

[4] Suluaga, F. 1999.ElplásticoCondenadoaNo Desaparecer. Revista Ciencia al Día, Universidad del Valle, Colombia.

[5] Callister, W. D. Jr. (2009). Ciencia e Ingeniería de los Materiales, segunda edición. Limusa Wiley. Mexico

[6] M. Caballero Caballero; L. Silva Santos; A. José José; I. López Hernández; C. I. Cortes Martínez; J. L. Montes Bernabé; R. F. García Méndez (2008), Diseño y construcción de una maquina seccionadora de agave verde, Memorias del 14 Congreso Internacional Anual de la SOMIM.

[7] A. José José (2008), Determinación de la energía de corte por impacto sobre el agave angustifolia Haw, tesis de maestría, Instituto Politécnico Nacional.


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