TESIS DESCAPSULADORA DE MAaasaaaaaaaaaaaaaNI.pptx

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1. FACULTAD DE INGENIERÍA, ARQUITECTURA Y URBANISMO ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA TESIS DISEÑO DE UNA MÁQUINA DESCAPSULADORA DE MANÍ CON CAPACIDAD DE 200 KG/H EN LA EMPRESA MESAFE S.A.C DEL DISTRITO JOSÉ LEONARDO ORTIZ - CHICLAYO   Autor: Bach. Gonzales Chuque Dany Bach. Vallejos Casas Carlos Andrés   Línea de investigación: Ingeniería de Procesos Productivos – Diseño Mecánico Pimentel – Perú 2020

2. Situación problemática Internacional : En Kenia el descapsulado de maní es una labor tediosa y lenta (Maquinaria especializada muy costosa) En Argentina el levado costo de importación genera una gran barrera a los productores en general. Nacional : Amazonia Peruana , Loreto y San Martin , presentan una reducción en el precio final del producto al venderlo en su estado bruto (Maní con cascara), con lo cual se hace necesaria la adquisición de una máquina descapsuladora de maní para dicho sector. El maní es uno de los cultivos más importantes a nivel mundial, contribuyendo con el desarrollo agrícola e industrial de los países donde se siembra

3. Local : La empresa comercializadora MESAFE S.A.C. se dedica a la importación-exportación y comercialización de toda clase de menestras y granos en general. Actualmente cuenta con 06 trabajadores y la empresa posee 05 secciones principales: Acopio Decapsulado Embolsado Ventas Administración. Dentro de ellos el MANÍ A manera de complemento y valor agregado también se realiza la selección por tamaños, limpieza y descascarado de productos como el maní para aumentar el precio de venta.

4. El principal problema de la empresa MESAFE S.A.C. es la necesidad de cumplir con la demanda de sus clientes en el tiempo acordado. Problemática Local : Presentando un cuello de botella en el proceso de descapsulado debido a que este se realiza en forma manual por dos trabajadores. Durante periodos de gran demanda la gerencia se ve obligada a alquilar una máquina para acelerar el proceso. Sin embargo, esta máquina solo rompe la cascara y no la separa lo que otra vez hace necesaria la presencia de personal. La empresa Mesafe S.A.C semanalmente adquiere de 4 a 5 Toneladas de maní en cascara, por lo cual sus trabajadores laboran de lunes a sábado, dando como resultado 1 tonelada diaria de producción que al dividirlo entre las 5 horas que se le dedica al rubro de MANÍ al día, se estima que con una máquina con capacidad de 200 kg/h se cubriría la demanda semanal.

5. Antecedentes de la investigación Ventura (1995). Realizo un estudio y evaluó tres sistemas de pelado de maní ( Automático, Semi automático y tradicional ), llegando a la conclusión de que se obtienen mejoras en los rendimientos del sistema automático a partir grandes cantidades de procesamiento (5Tn/h a más) y el costo del mismo lo vuelve poco accesible para lugares de baja producción, en cuanto a la relación beneficio/costo, el sistema superior fue el semi automático. Carrión y Carrión (2012) Diseñaron y construyeron una máquina descascaradora de maní para emplearla en el área de energía, descubrieron que la velocidad de giro óptimo del cilindro triturador es de 195 rpm con un sistema de transmisión mediante poleas. Dávila, Jiménez, Hidalgo, & Viena (2013) Emplearon una matriz morfológica y optaron por un neumático como tambor de fricción, accionado por una manivela de manera manual, hallaron que, por cada 500 gr de maní en vaina procesado , se obtuvieron 200 gr de grano entero y lo restante entre cascara y partidos. Acevedo (2014) Definió los parámetros de diseño de una máquina descascaradora de maní, para una capacidad de 400Kg/h, con una potencia de 1 Hp. Encontró que el avance del maní hacia el tambor de triturado debe ser de 0.05 kg/s, con un giro de 159 rpm. Chamorro (2014), Concluyó en mantener el giro optimo en el tambor de 50 rpm y de usar el acero inoxidable AISI 304 para la construcción de todas las partes que entren en contacto con los granos de maní.

6. Antecedentes de la investigación Herrera & Silva (2015) Diseñaron una maquina desvainadora de maní con capacidad de 600 Kg/h. Emplearon capa de caucho maleteado de 5 mm de espesor, para aumentar la fricción , Hallaron que la fuerza necesaria para romper la cascara de maní es de 104.96 Newton entre ambos rodillos. Khabbab , Khalid , & Abdalla (2015) Delinearon y fabricaron una maquina desgranadora de maní. Llevaron a cabo experimentos de laboratorio para encontrar algunas propiedades físicas y de ingeniería de los cacahuetes. Encontraron que la potencia requerida para romper el maní es de 0.365kW, empleando un motor de 2 HP. Moreira & Velásquez (2016) Dimensionaron un sistema mecánico de dos fases, descascarador y desencapsulador de la semilla Sacha Inchi para una capacidad de 2 Ton/h. Partieron por la recopilación de información y análisis por el método de fallas de von mises. Hallaron que la velocidad del eje debe ser de 230rpm , con un motor de 3Hp . Walke , Gadge , & Gohate (2017) Diseñaron y construyeron una máquina desgranadora de cacahuate con materiales locales cómodos y que el tiempo de retorno de lo invertido seria en poco tiempo. Demostrando también que la misma podría remplazar a tres o cuatro personas , haciendo el mismo trabajo en el mismo tiempo.

7. Formulación del problema ¿Cuáles son las características técnicas y geométricas de una máquina descapsuladora de maní, con capacidad de 200 kg/h, en la empresa MESAFE S.A.C. del distrito José Leonardo Ortiz - Chiclayo? Delimitaciones de la investigación En el presente trabajo de investigación se realizó el diseño de una máquina descapsuladora de maní con capacidad de 200 kg/h para la empresa Mesafe sac . Determinando las necesidades de esta empresa por medio de entrevistas y realizando una búsqueda exhaustiva de normativa y estándares de diseño asociadas a esta máquina definiendo el diseño conceptual ganador. Por otro lado se realizo una GUI que nos brindó un panorama global del comportamiento de las variables implicadas en el diseño.

8. Objetivos: Objetivo General Objetivo Especifico Diseñar una máquina descapsuladora de maní con capacidad de 200 kg/h para disminuir los tiempos de procesado del grano y aumentar las ganancias en la empresa MESAFE S.A.C. Definir las necesidades de la empresa “MESAFE S.A.C”. Observar y empaparse de toda la normativa afiliada a las máquinas descapsuladoras de maní: códigos, normas, estándares y sugerencias de diseño. Puntualizar las especificaciones de ingeniería mediante un cuadro, considerando la importancia de las características de la máquina a razón de rangos deseables; en función a entrevistas y normativa. Delinear conceptualmente la máquina por medio de alternativas con latente potencial de solución al problema proyectado por la empresa Mesafe S.A.C Proyectar la estructura apropiada del diseño conceptual para idealizar la posición relativa más óptima de los componentes Dimensionar los componentes universales de la máquina descapsuladora de maní usando los resultados de las entrevistas y de la normativa observada. Seleccionar los materiales para las partes principales de la máquina descapsuladora de maní.

9. Objetivo Especifico Esquematizar la selección de componentes comerciales y/o standard. Listar en un cuadro las partes, sistemas y componentes de la máquina descapsuladora de maní. Elaborar el estudio económico del proyecto de investigación, obteniendo presupuestos bajo los métodos: TIR, VAN y ROI. Elaborar el manual de mantenimiento de la máquina descapsuladora de maní para el usuario.

10. Justificación Justificación Técnica Contribuir con la línea de procesos productivos, diseñando una máquina descapsuladora de maní para nuestra sociedad y así aumentar el medio de información con este diseño formal. Justificación Económica Generará un ahorro para la empresa MESAFE S.A.C., debido a la reducción de tiempos y personal necesarios para el procesado de maní. Justificación Ambiental La máquina descapsuladora de maní funciona solo a base de energía eléctrica, no es perjudicial para el ambiente. Justificación Social La máquina descapsuladora de maní será una opción para la sociedad ayudando a incrementar más puestos de trabajo, con fines sociales y laborales.

11. Método de análisis de Datos

12. Componentes del Descapsulador de Maní Sistema Genérico a tener en consideración.

13. Caja negra para diseño de eje Puesto que ya es entendido que se requiere un diseño de descapsulador de maní, a continuación se detalla la caja negra empleada para obtener los parámetros óptimos de diseño del eje para el descapsulador

14. RESULTADOS

15. Resultados Resumen de los resultados de las entrevistas realizadas en la empresa MESAFE S.A.C.

16. Recomendaciones de Materiales para el diseño, obtenidas de tesis culminadas y aprobadas Resultados

17. Resultados Diseño conceptual Descascaradora de maní con rotor horizontal Descapsuladora de maní con tambor horizontal . Descascaradora de maní de doble salida Diseño de la desvainadora de rodillos vulcanizados Sistema de descascarado de rodillo dentado Sistema de descascarado de rodillos lisos

18. Selección de la alternativa más óptima mediante una matriz de selección ponderada Resultados Diseño conceptual

19. Dentro de las configuraciones horizontales tenemos Resultados Diseño conceptual Configuración No.1 Configuración No.2 Configuración No.3

20. Resultados Diseño conceptual Los criterios tomados en consideración para la configuración optima, fueron producto del análisis de las entrevistas realizadas a la empresa Mesafe sac . La matriz de selección ponderada dio como resultado, que la configuración No.1 es la más óptima a tenerse en cuenta para el diseño. En conclusión, esta alternativa será la base conceptual por la ubicación de los componentes.

21. Resultados Dimensionamiento general de la máquina Después analizar los conceptos y las configuraciones, se procedió a definir las dimensiones generales de la máquina según las recomendaciones de diseño investigadas. Las especificaciones ingenieriles también fueron tomadas en consideración. A continuación, se podrá visualizar el diseño ganador del diseño.

22. Dimensionamiento general de la máquina Resultados

23. Selección de materiales para el rodillo y otros componentes Resultados Después de una búsqueda exhaustiva corroboramos que para diseños similares los autores recomiendan emplear el acero AISI 304, el cual por sus características es el ideal por sus propiedades de resistencia, mientras que por otro lado al ser un acero inoxidable es recomendado para el uso en alimentos. Vista 1 Vista 2 Partes

24. Resultados Selección de materiales para el eje motriz El eje motriz es un elemento importante en este diseño al ser el que estará sometido a esfuerzos críticos. Se hizo una investigación de manera minuciosa. Por recomendaciones de diseño se ha optado por el acero AISI 1045 debido a que posee un historial técnico muy importante en el diseño de ejes. Además, comprobamos que su ficha técnica presta las condiciones para el análisis completo.

25. Selección de materiales para la estructura Resultados La selección del material para la estructura está basada en las recomendaciones de diseño para la estructura de la máquina. Se utilizará tubo cuadrado de acero ASTM A36, por su durabilidad, resistencia mecánica, por ser comercial, por su grado de resistencia ante inclemencias ambientales.

26. Cargas de Diseño Resultados La metodología de cálculo se basó del libro de diseño de elementos de máquinas del investigador Shigley , además algunos datos se obtuvieron de la investigación experimental: Potencia elegida : Cálculos de cargas sobre poleas : Estimamos el diámetro de la polea a 500 mm para poder hallar la fuerza que se ejerce en la polea

27. Cálculos de cargas sobre poleas : Polea de 500mm Resultados

28. Calculo del Angulo de separación entre el tambor y la criba Resultados Atreves de esta ecuación podemos encontrar

29. Calculo del Angulo de separación entre el tambor y la criba Resultados

30. Superficie de contacto de la vaina de maní y el tambor Resultados

31. Diseño del eje del tambor triturador Resultados Este material se tomó en cuenta por recomendaciones de diseño y porque es muy utilizado en el ámbito laboral en el cálculo de la resistencia a la fatiga, este material es el acero AISI 1045 Calculo de cargas del eje. Donde 𝑆 𝑈 ∶ 𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑎 𝑙𝑎 𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖𝑜𝑛 [ 𝑀𝑃𝑎] 𝑆 𝑌 ∶ 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑎 𝑙𝑎 𝑓𝑙𝑢𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 [ 𝑀𝑃𝑎] El Esfuerzo a la fatiga está dado por

32. Diseño del eje del tambor triturador Resultados Veremos el valor de esfuerzo real a la fatiga 𝑆 𝑛′ siendo así Donde 𝑆 𝑒′ ∶ 𝐿𝑖𝑚𝑖𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑎 𝑙𝑎 𝑓𝑎𝑡𝑖𝑔𝑎 [ 𝑀𝑝𝑎] 𝑆 𝑒 ∶ 𝐿𝑖𝑚𝑖𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑎 𝑙𝑎 𝑓𝑎𝑡𝑖𝑔𝑎 𝑒𝑛 𝑢𝑏𝑖𝑐𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑐𝑟𝑖𝑡𝑖𝑐𝑎[ 𝑀𝑝𝑎] 𝐾 𝑎 ∶ 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑒𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑝𝑜𝑟 𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒 𝐾 𝑏 ∶ 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑒𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑝𝑜𝑟 𝑡𝑎𝑚𝑎ñ𝑜 𝐾 𝐶 ∶ 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑒𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑝𝑜𝑟 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝐾 𝑑 ∶ 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑒𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑝𝑜𝑟 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝐾 𝑒 ∶ 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑒𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑝𝑜𝑟 𝑐𝑜𝑛𝑓𝑖𝑎𝑏𝑖𝑙𝑖𝑑𝑎𝑑 𝐾 𝑓 ∶ 𝑓𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑒𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑑𝑒 𝑒𝑓𝑒𝑐𝑡𝑜𝑠 𝑣𝑎𝑟𝑖𝑜𝑠

33. Diseño del eje del tambor triturador Resultados Calculo de las reacciones Para encontrar las reacciones en los soportes, necesitamos verificar el equilibrio de las fuerzas verticales hallaremos el momento de equilibrio. El diagrama de cuerpo libre de nuestro eje es:

34. Resultados Diseño del eje del tambor triturador Por lo tanto, al calcular las fuerzas verticales equilibrio, uno encuentra que: Donde: R: Representa las reacciones F: Representa cargas puntuales W: Representa la fuerza total causada por una carga distribuida. Para encontrar esta fuerza total, calculo el área debajo de la carga distribuida, entonces: Donde 𝑋 𝑦 𝑋 1 Representar la posición de aplicación de carga inicial y final, los valores iniciales y finales, en N / m. Por lo tanto, al sustituir los valores numéricos, encontramos:

35. Al resolver el equilibrio de momento en el primer soporte, encontraremos: Resultados Diseño del eje del tambor triturador De ambas ecuaciones, encontramos el siguiente sistema: Al resolver el sistema, encontramos que:

36. Resultados Diseño del eje del tambor triturador Calculo de la fuerza de corte Para encontrar la ecuación para la fuerza de corte, necesitamos resolver el equilibrio de las fuerzas verticales en cada sección así que: Donde 𝑉 (𝑋) es el valor de la fuerza de corte SECCION 1 SECCION 2 SECCION 3 SECCION 4

37. Resultados Diseño del eje del tambor triturador Calculo de la fuerza de corte

38. Resultados Diseño del eje del tambor triturador Calculo de Momento de flexión SECCION 1 SECCION 2 SECCION 3 Necesitamos resolver el equilibrio de momentos en cada sección así que:

39. SECCION 4 Resultados Diseño del eje del tambor triturador

40. Simulación en la aplicación ANSYS Resultados Los datos obtenidos anteriormente fueron de suma importancia al momento de ingresar los momentos y las reacciones a esta aplicación. Los materiales empleados fueron AISI 1010, AISI 1018, AISI 1045. En esta aplicación se analizó la deformación equivalente, el esfuerzo Von Misses y el factor de seguridad. Se obtuvo un factor de seguridad de 15 como máximo en el material 1045.

41. Simulación en la aplicación ANSYS Resultados

42. Simulación en la aplicación ANSYS Resultados

43. Diseño Paramétrico Resultados En este segmento del diseño se hace referencia de la caja negra

44. Resultados Animaciones

45. Resultados Animaciones

46. Resultados Análisis Económico Total: S/ 3,088,50 Total con IGV: S/ 3,644,43

47. Resultados Análisis Económico

48. Conclusiones Las encuestas realizadas a los trabajadores de la empresa Mesafe sac fue de suma importancia, porque gracias a aquella recopilación de información se pudo determinar las necesidades de la misma, lo cual permitió dar inicio con el diseño de la máquina descapsuladora de maní. En este trabajo de investigación el boceto conceptual y la configuración óptima, fueron el resultado de la aplicación del método de Eggert de matriz de selección ponderada el cual permitió evaluar las bondades de cada diseño, mostrando así el mejor panorama para la toma de decisión, la cual resulto en la elección de la máquina descapsuladora de maní con tambor horizontal. El método de elementos finitos de la aplicación de ANSYS nos mostró que el material AISI 1045 asignado al eje sometido a esfuerzos brinda resultados aceptables, con un factor de seguridad FS = 15 como Máximo. La aplicación Matlab al ser un excelente software para el análisis de componentes críticos permitió por medio de su interfaz gráfica de usuario (GUI) corroborar los resultados del cálculo realizado de manera manual, presentando un alto porcentaje de similitud. El comportamiento de las variables dentro de las gráficas y tablas paramétricas dieron conformidad al proceso de programación, dando una resultante global aceptable.

49. DISEÑO DE UNA MÁQUINA DESCAPSULADORA DE MANÍ CON CAPACIDAD DE 200 KG/H EN LA EMPRESA MESAFE S.A.C DEL DISTRITO JOSÉ LEONARDO ORTIZ - CHICLAYO