univalle analisis roturas ejes

7/25/2019 Univalle Analisis Roturas Ejes

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45Anlisis de la confiabilidad de los ejes de molino de caa de azcar

JHONSANDROR IVASMURILLO/ SAR AA D ARODRGUEZPULECIO/ JOH NJAIROCORONADOMARN

con-ciencias

Anlisis de la confiabilidad de los ejes demolino de caa de azcar

Reliability analysis of the sugar cane mills axes

JHO NSANDRORIVASMURILLOEstudiante de Maestra en Ingeniera Mecnica Universidad del Valle.

[email protected]

SAR AAD ARODRGUEZPULECIOIngeniera Mecnica Universidad del Valle.

[email protected]

JOH NJAIROCORONADOMARNIngeniero Mecnico Corporacin Universitaria Autnoma de Occidente, Magster en Ingeniera

Mecnica Universidad de Puerto Rico, profesor de la Escuela de Ingeniera Mecnica,Universidad del Valle (Colombia).

[email protected]

Clasificacin del artculo: Investigacin

Fecha de recepcin: septiembre 03 de 2004 Fecha de aceptacin: diciembre 20 de 2004

RE S U M E N

Las condiciones de operacin de los molinosazucareros hacen que en sus ejes se presentenniveles crticos de esfuerzo y, por consiguiente, altoriesgo de falla. Factores como el desgasteproducido en el guijo y el funcionamiento encondiciones tales que el eje superior del molinoest desalineado respecto del eje del reductor de

baja aumentan los esfuerzos generados en elescaln interno del guijo, zona que es consideradacomo crtica. A partir de este estudio se concluyeque el factor de seguridad en el escaln internodel guijo y en la transicin de seccin cuadrada acircular son muy sensibles a las condiciones enque el molino es operado.

Palabras clave:Ejes de maza, acoples, factor de seguridad, condiciones de operacin de molinos,confiabilidad, riesgo de falla.Key words:Joint, security factor, mill operation conditions, reliability, failure risk.

A B S T R A C T

The sugar cane mills operation conditions makethat their roller shafts develop critic stressconditions and as a consequence, a high failure risk.Factors such as the waste produced in the graveland the functioning in conditions such that the toproll shaft of the mill is out of alignment with respectto the gear box shaft increase the efforts generated

in the internal step of the gravel, this is a criticalzone. After this study, it is concluded that thesecurity factor within the internal step of the graveland in the transition from the square section to thecircular one is very sensitive to the conditions inwhich the mill is operated.


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46 Tecnura ao 8 No.15 segundo semestre de 2004

con-ciencias

1. Introduccin

Estudios realizados por la Universidad del Valle yel Ingenio Manuelita S.A. durante el ao 19991,apoyados por experiencias anteriores en el Ingenio

Pichich y en el mismo Ingenio Manuelita, arro-jaron resultados positivos frente al uso potencialde cascos de maza de acero en lugar de los tradicio-nales de hierro gris. La decisin de adoptar estatecnologa por parte del Ingenio estuvo apoyadaen aspectos como:

La mayor resistencia mecnica y ductilidad delacero le permitira utilizar un rayado en loscascos de maza de 35 con paso de 11/2, y node 55 con paso de 11/2 o 2, como se venaaplicando. Experimentalmente, se ha encon-

trado que el rayado fino incrementa la eficien-cia de extraccin, por aumentar la destruccinde fibras y mejorar la imbibicin (Vass, 1999).

En los cascos de maza, el uso de acero de bajocarbono tipo AISI 1030 mejora las expectativasfrente a la soldabilidad del material para elproceso de blindaje con recubrimientos duros,puesto que el acero presenta un mejor compor-tamiento a la soldadura que el hierro gris.

La maza de acero est calculada para una vidainfinita, esto es, los dientes pueden ser recons-

truidos siempre que se presente desgaste en ellos.Cuando su deterioro sea muy alto, pueden serretirados; el dimetro original es nuevamentealcanzado aplicando soldadura de recargue porarco sumergido (proceso SAW), para despusvolver a maquinarlos con la forma original.

La adopcin de la tecnologa as descrita hizo quela importancia de garantizar la durabilidad de losejes de maza aumentara, puesto que una falla enuno de ellos producira la prdida, no solo del ejemismo sino tambin del casco, cuyo valor supera

al del casco similar de hierro gris.

Diferentes estudios han sido orientados a mejorarla comprensin de los fenmenos presentes en elproceso de molienda que afectan la vida de los ejes.Entre ellos se destacan los efectuados para deter-minar las cargas que sufren los ejes, la bsqueda de

las zonas en las cuales se presentan las fallas msfrecuentes y las propuestas de nuevos diseos y decondiciones de operacin de los molinos que pre-tenden garantizar un buen funcionamiento reduciendola velocidad de desgaste y los niveles de esfuerzos enlas zonas crticas de los ejes. Tambin se han realizadotrabajos tendientes a definir procedimientos para quelos ejes con problemas continen en servicio y a aplicarla teora de la mecnica de fractura para predecir laaparicin de fisuras, su velocidad de propagacin y,por tanto, la vida remanente de los ejes.

En la mayora de los casos, la falla de los ejes de mazase encuentra asociada con un proceso de fatiga en elque se destaca la iniciacin de una fisura en una zonadonde se presentan simultneamente un alto nivel de

esfuerzos y alguna caracterstica que los intensifica(concentradores de esfuerzo).

Despus de la iniciacin de las fisuras se presenta unperodo de propagacin de estas, ocasionado por laconcentracin de esfuerzos que se produce en la zonafrente al vrtice de la grieta y por el cambio alternantedel esfuerzo aplicado al eje. Este perodo se denominade propagacin subcrtica, ya que no se requiereque se alcance el esfuerzo ltimo (S

u) en toda la seccin

del eje, sino que con bajos esfuerzos aplicados el efectoconcentrador del vrtice de la fisura es suficiente para

que en su vecindad se alcance el esfuerzo de rupturay se produzca propagacin de la fisura.

Figura 1. Superficie tpica de falla por fatiga

1Contrato entre la Escuela de Ingeniera Mecnica de la Universidad

del Valle y el Ingenio Manuelita S.A., Cali (Colombia).


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con-ciencias

Finalmente, se presenta una falla rpida causadaporque la seccin del eje ha sido reducida por lapropagacin subcrtica de la fisura y la seccin yano puede soportar el esfuerzo aplicado. Esta partedel proceso de falla tiene como caractersticaprincipal la presencia de una superficie de fracturafrgil a pesar de tratarse de un material dctil. Lafigura 1presenta las zonas caractersticas de unafalla por fatiga.

Cullen (1968) midi los esfuerzos en algunas zonasde ejes de maza superior utilizandostrain gaugesylos compar con clculos tericos; determin que lazona crtica del eje era el paso desde el guijo, en ellado de entrada de potencia hacia la maza, y concluyque la desalineacin entre el eje superior y el eje de

salida del reductor de baja, producido por la flotacindel eje, aumenta en forma significativa el esfuerzode flexin.

La consideracin del escaln entre el guijo del ladode entrada de potencia y el casco de maza como zonams crtica del eje ha sido apoyada por Reid (1988) yAnderson y Loughran (1999), quienes reportan queel 42% de las fallas de los ejes se presentan en esazona; el porcentaje de fallas para otras zonas del ejees presentado en la figura 2. La incidencia de la fallaen el escaln del guijo en los ingenios azucareros

colombianos parece ser mayor, de acuerdo con loreportado por Gmez y Aguilar (1989); de ochoeventos de falla analizados por ellos, todos sepresentaron en la zona crtica. Adicionalmente, Reid(1988)reporta que el 66% de las fallas en ejes molinose presentan en ejes de maza superior.

Las investigaciones reportadas han tratado ladeterminacin del estado de esfuerzos en los ejes,la propagacin de fisuras y la estimacin de la vidaresidual, pero no han presentado estrategias efectivasy confiables para abordar el tratamiento del problemade aparicin de una fisura en un eje. Esto hace pensarque, ante la presencia de este tipo de falla, la directrizes bajar el eje del molino u operar por determinadonmero de horas en una maza inferior y luego darlode baja. Ponce de Len (1992) presenta una meto-dologa que consiste en mecanizar la zona de la fisurahasta encontrar el frente de grieta; dejando una enta-lla redondeada, el eje podra continuar en servicio.Esta estrategia para enfrentar la presencia de fisurases aplicada a ejes en todas las posiciones del molino,con la salvedad de que la profundidad mxima

admisible de la entalla (profundidad mxima de lafisura recuperable) vara de una posicin a otra; nose presentan consideraciones sobre la reduccin dela zona de apoyo y la seccin transversal del guijo.

Figura 2.Porcentaje de incidencia de fallas en ejesreportado por Anderson y Loughram (1999)

Cuando se presentan desgastes excesivos y pequeasfisuras, la prctica habitual es aplicar soldadura derecargue y regresar el eje a sus dimensiones nomina-les; esto trae consigo problemas tecnolgicos relacio-

nados con la definicin del material de aporte, proce-dimiento de recuperacin y las propiedades del mate-rial depositado y de la zona afectada trmicamente.La aplicacin inadecuada de soldadura sobre acerostpicos de ejes como AISI 1045 y AISI 4140 generacondiciones de baja confiabilidad (Gmez y Aguilar,1989).

Figura 3.Eje fracturado tras pocas horas de operacin conuna gran zona superficie de fractura frgil.


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con-ciencias

Un aspecto poco considerado en la literaturaespecializada es el comportamiento en servicio deejes altamente cargados que han sido recuperadospor soldadura. La figura 3 muestra la fractura frgilde un eje de cuarta maza con baja propagacin que

haba sido sometido a soldadura en la superficie.La relativamente baja soldabilidad de los acerosde maquinaria empleados en los ejes (AISI 1045,AISI 4140, AISI 4340) impone el desarrollo yempleo riguroso de procedimientos que incluyenla adecuada seleccin de variables operacionalesdel proceso de soldadura y ciclos trmicos de prey poscalentamiento. La figura 4 presenta un caso(eje superior de molino de 84 con guijo de 22)en el que la ausencia de estos requerimientostermina en la prdida del eje y su casco.

Figura 4.Eje con cordones de soldadura longitudinalesrevelados por corrosin y con una fisura en el escaln delguijo

En este trabajo se realiza un estudio de los factoresque afectan la vida de los ejes superiores de molinoazucarero, con el objetivo de determinar su gradode influencia y de discernir cules de ellos debenser controlados cuando se pretende extender la vidade los ejes a travs de la recuperacin por soldadura.

2. Metodologa

Un modelo simplificado para el anlisis de los ejessuperiores de molino azucarero consiste enconsiderar el extremo de entrada de potencia comouna viga empotrada en la zona donde empieza elcasco de maza; esto permite estudiar los efectosque producen las cargas en el cambio de seccinde cuadrado a circular, y en el escaln interno del

guijo. Se consideran como cargas externas lafraccin del torque que es consumida por el ejesuperior y la presin aplicada por el cilindrohidrulico. Este modelo fue aplicado a casos querepresentan las condiciones de operacin dealgunos de los molinos de la regin del Valle delCauca (Colombia). Las condiciones de operacinde los casos analizados se presentan en la tabla 1de la siguiente pgina .

El modelo se us para determinar cmo vara elfactor de seguridad a fatiga de frente a:

El uso de diferentes radios de acuerdo con elescaln interno del guijo y el cambio de seccinde cuadrado a circular.

El desplazamiento que sufre el punto de accinde la carga resultante del cilindro hidrulicodebido al desgaste del eje y el bronce.

Se plante un segundo modelo, considerando lainfluencia de la carga de las coronas y las cargas ymomento inducidos por el desalineamiento delentreds, para observar cmo cambia el factor deseguridad con respecto al determinado por elmodelo simplificado.


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con-ciencias

3. Resultados

Para cada caso, las figuras 5 y 6 presentan la presinnominal aplicada a las chumaceras superiores y lacarga aplicada (medida en toneladas/pie de maza),frente a la recomendada por el fabricante de mo-

linos Farrel. Se observa que todos los casos anali-zados operan con una carga cercana a la reco-mendada, a excepcin del caso 8, que correspondea un molino sobreesforzado.

Tabla 1.Caractersticas de los casos analizados

Ingenio Caso 1 Caso 2 Caso 3 Caso 4 Caso 5 Caso 6 Caso 7 Caso 8

Potencia [HP] 1.200 1.000 1.000 300 1.200 750 1.000 150

Velocidad angular [rpm] 6,3 6,5 4,0 6,0 4,0 5,5 5,0 6,0Longitud de maza [in] 84 78 84 48 72 72 84 36

Material (SAE) 4.140 1.045 1.045 1.045 1.045 1.045 1.045 1.045

Cara del cubo de entrada

de potencia [in] 18 14,5 16,750 10,75 15 15 18 8,5

Dimetro del guijo [in] 20 18 19 13 18 18 22 10

Dimetro mayor del escaln [in] 24 20,874 21 15 19,625 21,625 24 12

Radio del concentradoren

el guijo r[in] 5 2 5 0,875 0,75 3,5 1,25 5

Longitud del guijo [in] 24 26,750 25,938 15 22,125 25 28 13

Presin en los cilindros

oleoneumticos [lb/pul2] 3.000 2.800 3.000 2.500 3.500 3.000 2.800 2.500

Dimetro del cilindrooleoneumtico [in] 15 15 16 10,5 12 13 15 11

Figura 5.Presin nominal aplicada en chumaceras

superiores

Figura 6.Carga aplicada al molino versuscarga

recomendada

P RE S I N NO MINAL E N CH UMACE RAS

0,000

200,000

400,000

600,000

800,000

1000,000

1200,000

1400,000

1

PRESINN

OMINAL

(

C AS O 3 C AS O 7 C ASO 6 C AS O 5 C AS O 4 C AS O 2 C AS O 1

CASO8CASO1CASO2

CASO3CASO4

CASO5CASO6

TONELADASPORPIEDEMAZA

0,000

10,000

20,000

30,000

40,000

50,000

60,000

70,000

80,000


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En las figuras 7 y 8se presentan los cambios delfactor de seguridad para diferentes radios, de acuerdocon el escaln del guijo y el cambio de cuadrado acircular, aplicando la fuerza del cilindro hidrulicoen el centro del guijo. En todos los casos, se observaque el factor de seguridad aumenta cuando crece elradio correspondiente; se encontr que el factor de

Figura 7.Factor de seguridad para distintos valores delradio de acuerdo del escaln guijo-maza

La figura 9 muestra el cambio del factor deseguridad en el escaln interno del guijo ante eldesplazamiento del punto de aplicacin de la cargadel cilindro hidrulico con el radio de acuerdoactual. Este anlisis es importante puesto que eldesgaste de los ejes es mayor hacia el lado de lamaza; esta circunstancia desplaza el punto deaplicacin de la fuerza hacia la corona cuando no

hay asentamiento entre el eje desgastado y la cajasuperior nueva, lo cual aumenta el momento flectoren el eje. En una condicin crtica, se observa queel factor de seguridad se reduce hasta un 58% aldesplazar el punto de aplicacin de la fuerza hastael extremo del guijo.

Figura 9.Factor de seguridad versuspunto de aplicacin de la carga del cilindro hidrulico expresado como fraccin de lalongitud del guijo

seguridad en el escaln interno del guijo puede serincrementado un 53% al aumentar el radio deacuerdo correspondiente, de 0,5 a 6. Asimismo,el factor de seguridad en el cambio de seccin decuadrado a circular puede incrementarse un 36% alcambiar el radio de acuerdo de 0,001 a 1,75.

Figura 8.Factor de seguridad para distintos valoresdel radio de acuerdo del cambio de seccin cuadrada a circular

)


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con-ciencias

3.1. Efecto de la reaccin inducida por las

coronas

La figura 10 muestra el cambio del factor deseguridad en el escaln del guijo cuando se considera

la fuerza de reaccin que se produce en las coronasy que es transmitida al eje, para las condiciones deoperacin del caso 3; la disminucin en el factor deseguridad es del 8,4%. El efecto causado por lascoronas no puede ser reducido por medios prcticos,ya que su accin est ligada a la transmisin detorque necesaria para el funcionamiento del molinoy a la geometra del diente de la corona.

para = 0, y 31,5% para = 0,84; momento 20%para = 0 y 27% = 0,84, en donde:

(1)

El montaje de los molinos debe ser realizado de talforma que, cuando este se encuentre a plena carga,el eje del reductor de baja y el de la maza superiorestn alineados, as se evita que se produzcanfuerzas y momento flector en los ejes del molino ydel reductor. Si esta condicin no es aplicada y elmolino funciona por debajo del eje del reductor(figura 11), el momento flector y la fuerza verticalque actan en el extremo del eje disminuyen elefecto del momento flector generado por la accindel cilindro hidrulico. Adicionalmente, esta forma

de operacin consume una menor cantidad depotencia. La figura 12 muestra el cambio del factorde seguridad para esta situacin; su valor seincrementa de 0,959 en el modelo simplificado a3,48 en el guijo; en el cambio de seccin, el factorde seguridad disminuye de 1,07 a 0,53.

Cuando el molino funciona con el eje superior porencima del eje del reductor (figura 11), el momentogenerado por la accin del cilindro hidrulico esaumentado debido al generado por la fuerza verticaly el momento ocasionado por el acople. La figura

12 muestra el cambio que sufre el factor deseguridad ante esta situacin; se observa que sereduce de 0,959 a 0,493 en el escaln interno delguijo. En el cambio de seccin cuadrada a circular,el factor de seguridad disminuye de 1,07 a 0,42.

La variacin en la magnitud del torque consumidopor el molino se determina a partir de su factor deservicio, que es habitualmente de 1,2.

Figura 11. Posiciones extremas de funcionamiento del eje

Figura 10. Cambio en el factor de seguridad hallado con elmodelo simplificado al incluir la fuerza ejercida por lascoronas sobre el eje

3.2. Efecto de las cargas inducidas por

desalineamiento del entreds

Okamura et al. (1972) estudiaron las fuerzasgeneradas en el eje a causa del desalineamientoentre el eje de salida del reductor de baja y el ejede la maza superior del molino, cuando este ltimoflota igual en ambos extremos; ellos desarrollaronexpresiones que permiten calcular las fuerzas y

momentos que se generan por este hecho.

En la Universidad del Valle (Colombia) tambinse estudi este tema. Castao (2001)concluy quecuando el eje est inclinado positivamente ungrado, desde el lado de la corona hacia el lado libre,las cargas se incrementan as: fuerza radial 13%


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Tabla 2. Registro de flotacin en mm de uno de los casos estudiados

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

MOLINO 1 Flotacin lado libre 3 2,4 3 2,7 3,2 3,1 3,1 3,2 3,3 3,2 3,2 3,036 0,036

Flotacin lado corona 1,2 1,1 1,2 1,1 1,1 1,1 1,1 1,1 1,2 1,2 1,1 1,136

MOLINO 3 Flotacin lado libre 25 24 24 24 24 24 24 24 25 24 25 24,291 0,353Flotacin lado corona 6 5,4 6,1 6 5,7 5,1 5,6 5,8 6,3 5,7 6,2 5,809

MOLINO 4 Flotacin lado libre 7,1 6,3 7 7,1 6,8 6,7 6,7 6,6 7,1 7 7,1 6,864 0,087

Flotacin lado corona 5 3,4 3,4 1,7 1,6 1,3 1,3 1,3 2,1 2,1 2,1 2,300

MOLINO 5 Flotacin lado libre 18 16 9,5 14 13 7,9 13 11 10 12 15 12,645 0,089

Flotacin lado corona 0 0 0 13 11 12 13 13 13 12 1,2 7,991

MOLINO 6 Flotacin lado libre 3,4 3,1 3,3 3,4 3,3 3,3 3,3 3,3 3,3 3,3 3,3 3,300 0,006

Flotacin lado corona 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3,000

Las condiciones de operacin de los molinos hacenque su flotacin no sea paralela. En la tabla 2sepresenta un registro de flotacin de uno de los casosestudiados; en ella se observa que el molino trestiene una flotacin desigual, con un promedio de

4. Conclusiones y recomendaciones La variacin de las condiciones de operacin

debida, por ejemplo, a cambios en la tasa demolienda, puede generar condiciones distintasa las previstas en el planteamiento de los ajus-tes, creando situaciones en las cuales el molino

opera con el eje de maza superior no alineadocon el eje de salida de la transmisin. Esta situa-cin hace que se produzcan fuerzas y mo-mentos flectores que afectan el estado de es-fuerzos del eje. Se recomienda mantener cons-tante la tasa de molienda y un sistema de

0,229 en el lado corona y 0,956 en el lado libre,con una inclinacin de 0,353. Para esta condicin,las cargas se incrementaran as: 13%, la fuerzaradial y 20%, el momento flector, generando unestado ms crtico de esfuerzos (Castao, 2001)

Figura 12.Cambio en el factor de seguridad por el desalineamiento entre los ejes del reductor y la maza superior


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nivelacin de la caa de azcar, para que pasede manera ms homognea a travs de losmolinos.

La condicin de operacin en que el eje

superior est flotando por debajo del eje delreductor de baja aumenta el factor de seguridaden la zona del guijo, porque el momento y lafuerza radial generadas en el acople producenuna accin opuesta a la carga del cilindrohidrulico. Esta situacin es desfavorable; elbajo nivel de flotacin del eje se debe a un malcontrol de la tasa de fibra que pasa a travs delmolino, lo cual genera problemas en el procesocompleto de molienda.

La operacin de los molinos, con niveles de flo-tacin que hagan que el eje superior est por en-cima del eje del reductor de baja, debe ser evitada,ya que los esfuerzos producidos por la accincombinada de la fuerza del cilindro hidrulico, lafuerza radial y el momento generados en el entre-ds ponen en riesgo la integridad del eje.

El funcionamiento del molino con su eje superiordesalineado frente al eje del reductor de bajadisminuyen el factor de seguridad en el cambiode seccin de cuadrado a circular y, por tanto,se aumenta la probabilidad de falla en esta zona.

Para disminuir el aumento de los esfuerzoscausado por el funcionamiento de los molinoscon el eje superior desalineado se debe abordarel diseo de un sistema de acople que noinduzca las cargas y momentos adicionales queproduce el sistema de acople actual. En estesentido, la Universidad del Valle (Colombia)ha efectuado algunas aproximaciones para elanlisis de nuevos sistemas. Se recomiendausar cualquier diseo de acople que alcanceniveles de fuerzas y momentos cercanos a losdel cardn.

El uso de un modelo simplificado para predecirlos esfuerzos en la zona del escaln interno delguijo es vlido, siempre que se considere ladisminucin del factor de seguridad debida a la

accin de la reaccin en las coronas, ya que estaes inherente al diseo de la corona y del molino.

El uso de radios de acuerdo mayores en laszonas crticas de los ejes aumenta los factores

de seguridad y debe ser considerado comoestrategia para disminuir el riesgo de falla.

La disminucin del factor de seguridad debidaal desplazamiento del punto de aplicacin dela carga impuesta por el cilindro hace que debapensarse en metodologas que disminuyan eldesgaste en el guijo. El diseo de chumacerasque incorporen sistemas de sellado es unaestrategia que debe abordarse; as se disminuirel desgaste producido en el eje y con ello losproblemas de asentamiento de los bronces eincluso la necesidad de recuperar ejes desgas-tados por soldadura.

Las actuales condiciones de operacin de losmolinos hacen que sus ejes se encuentren ensituaciones de esfuerzo crticas. En conse-cuencia, la intencin de aplicar soldadura paraextender su vida en servicio requiere de laconformacin de un ncleo cientfico-tecnol-gico que investigue los efectos causados por lasoldadura y disminuya el nivel de incertidumbrecon que se afronta este tema. Se recomiendarecuperar el eje desgastado usando un procedi-miento con precalentamineto, evitar la formacinde poros, la penetracin de la escoria y, final-mente, realizar un tratamiento trmico para elalivio de tensiones internas.

A G R A D E C I M I E N T O S

El Grupo de Investigacin en Mejoramiento Industrial

de la Escuela de Ingeniera Mecnica (Universidad del

Valle), en el marco del Proyecto cooperativo agroin-

dustrial para reducir el desgaste en equipos de preparacin

y molienda, que se lleva a cabo en el Ingenio Manuelita

S.A. con la participacin de Cenicaa, agradece los apor-

tes del personal de estas organizaciones y el apoyo finan-

ciero de Colciencias, que con recursos econmicos del

BID ha posibilitado este trabajo.


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Referencias bibliogrficas

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