Artículo Científico / Scientific Paper |
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pISSN: 1390-650X / eISSN: 1390-860X |
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DESIGN AND CONSTRUCTION OF A CORN SHELLER |
José Olger Pérez Silva1,*, Luis Christian Cholca Cacuango2, |
Resumen |
Abstract |
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El presente artículo da a conocer el diseño y construcción de una desgranadora de maíz para sustituir el trabajo manual y monótono que causa lesiones y enfermedades en los agricultores. Esta tarea ocasiona afectaciones ocupacionales a la salud de la persona quien de forma artesanal desgrana 10 q de maíz diarios; entre las lesiones graves que pueden darse están la tendinitis en el dedo pulgar, lumbalgia en la espalda e hiperlordosis dorsal producida por una mala postura al desgranar. Ante esta situación se planteó una alternativa de trabajo al diseñar y posteriormente construir una máquina que realice el mismo trabajo remplazando el esfuerzo humano. Se describe el proceso de diseño y fabricación de la máquina, que permitió obtener una producción de 105 q al día de manera rápida y limpia, para desgranar todo tipo de maíz con una humedad del 10 al 15 % además de abastecer la demanda en el mercado salvaguardando la salud física al evitar lesiones a las personas. |
This article lays out the design and construction of a corn sheller with the objective to replace the monotonous manual labor of those who shell corn, hich often causes injuries and illnesses in farm workers. The arduous manual labor causes occupational damages to the health of the worker, who produce 10q of corn daily using the artisanal manner. Among the serious injuries which can arise are tendonitis of the thumb, lumbago of the back, and dorsal lordosis produced by shelling in a bad posture. Faced with this situation, an alternative was proposed: designing and subsequently constructing a machine which would carried out the same labor replacing human stress. The machine’s design and construction process is described; which allowed obtaining 105q daily in a fast and clean way, to thresh all kinds of corn with a humidity between 10 to 15%, supplying the demand in the market and safeguarding the physical health of workers. |
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1,*área de Mecánica y Mecatrónica, Colegio Técnico Salesiano Don Bosco - Ecuador. Autor para correspondencia : josuepepo@yahoo.com. http://orcid.org/0000-0002-9991-3592 2Carrera de Ingeniería Mecánica, Universidad Politécnica Salesiana Sede Quito - Ecuador. http://orcid.org/0000-0001-6030-1241, http://orcid.org/0000-0001-9391-129X |
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Figura 1. Rendimiento de maíz duro seco en invierno del 2015. [1] Figura 2. Desgranado mediante tabla con grapas. [3] |
Debido al aumento de la demanda, los pequeños agricultores han visto la necesidad de tomar medidas que les permitan incrementar su producción en menor tiempo, razón por la cual se plantea el diseño y fabricación de una desgranadora de maíz para ayudar a los pequeños agricultores y mitigar lesiones producidas por el proceso manual. La máquina realizada en Autodesk Inventor Professional se presenta en la Figura 3.
Figura 3. Máquina para desgranar maíz.
El diseño de la máquina inicia con el cálculo de la producción requerida de aproximadamente 15 quintales/hora; cada quintal de maíz contiene alrededor de 125 mazorcas que dependerán de su tamaño [4].
2.1. Dados desgranadores Como se observa en la Figura 4, los dados en la máquina cumplen la función de un dedo pulgar que en el desgranado manual se utiliza para arrancar varios granos de su núcleo. Por esta razón el dado tiene un diámetro de 19 mm y una longitud de 60 mm asemejando las dimensiones de un dedo pulgar promedio.
Figura 4. Sistema de desgranado manual.
Mediante ensayos en un dinamómetro de veinte mazorcas se determinó que para arrancar un promedio |
Figura 5. DCL dado desgranador. |
Figura 6. Simulación del dado.
Al realizar la simulación se obtienen datos los mismos que de forma detallada se encuentran en la Tabla 1.
Tabla 1. Análisis de la simulación del dado.
2.2. Cilindro desgranador
El cilindro como se observa en la Figura 7, es el elemento que cumple la función de contener todos los dados, los cuales estarán soldados.
Figura 7. Cilindro desgranador.
Los dados se ubican en el cilindro siguiendo un recorrido en espiral a todo su alrededor tal como se detalla en la Figura 8. Para proporcionar un rápido desgrane y transporte de expulsión de su núcleo, se colocan en tres hileras para no producir atascamientos ni roturas de la mazorca [2]. |
Figura 8. Recorrido en espiral.
Mediante experimentos y criterios de ingeniería se propuso que la distancia entre dados debe ser el promedio de tamaño y diámetro de mazorcas. Las dimensiones de las mismas de acuerdo con su tamaño fueron determinadas en la Tabla 2.
Tabla 2. Dimensiones de las mazorcas de maíz.
Para la colocación de los dados a lo largo del cilindro se realiza una distribución equitativa en cada hilera y se realiza con la siguiente ecuación 3:
2.3. Diseño de la criba
La criba o tamiz que se observa en la Figura 9, es la cámara perforada que recubre en su totalidad al cilindro desgranador que cumple la función de prelimpiado del maíz desgranado, mientras su núcleo, polvo y partículas más livianas salen expulsadas por el ventilador.
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Figura 9. Criba. El diseño de la criba está en función del volumen de producción, tamaño y diversas formas físicas de granos de maíz, además del amplio camino de los núcleos hacia el ventilador, los datos de diseño se obtuvieron experimentalmente, así para un volumen aproximado de producción de 15 q se ocupa un cilindro de 250 mm de diámetro, cumpliendo con los factores antes mencionados. El diámetro del cilindro desgranador se obtiene mediante la comparación entre el diámetro de la criba y la distancia de los dados desgranadores calculados previamente (Figura 10). Los dados y la criba deben estar separados para no producir atascamientos.
Figura 10. Comparación de volúmenes entre criba y cilindro desgranador.
En la Tabla 3 se determina experimentalmente el valor promedio del volumen que ocupan 125 mazorcas en un quintal de maíz.
Tabla 3. Volumen de mazorcas.
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Mediante la ecuación 4 y los datos de volumen de la criba y de las mazorcas que se tomaron experimentalmente se determina el diámetro del cilindro.
2.4. Diseño del eje principal
Para un diseño correcto se consideran los elementos que van a soportar el eje, tales como la polea, el ventilador y el cilindro desgranador como se observan en la Figura 11.
Figura 11. Elementos que soporta el eje.
El material empleado es acero AISI 4140, [6] bonificado de alta resistencia a la tracción y torsión, además, es recomendado para la construcción de ejes. En la Tabla 4 se indican los datos técnicos.
Tabla 4. Propiedades mecánicas del acero AISI 4140. [6]
Para el diseño se toma en cuenta que el momento generado por la polea es igual al del ventilador para que se estabilicen las fuerzas. En la Figura 12 se observa el diagrama de cuerpo libre del eje.
Figura 12. Diagrama de cuerpo libre del eje. |
Los diagramas de fuerza cortante y de momentos, así como las reacciones en los soportes A y B, y el momento máximo se obtienen en el software MDSolids como se indica en la Figura 13.
Figura 13. Diagrama de cargas, fuerza cortante y momentos.
El eje va a estar sometido a esfuerzos de flexión y torsión (τ) [5], y para determinar su diámetro se realiza primero un predimensionamiento mediante análisis estático. Se calcula el esfuerzo admisible (σ) [5] y el diámetro (d) [5].
Para la optimización del diseño se realiza un estudio dinámico obteniendo el diámetro mediante el método de Goodman modificado [7].
2.5. Diseño del ventilador
Para expulsar las impurezas y núcleos de maíz, se instala un ventilador como se observa en la Figura 14, el cual se sitúa al final del sistema de desgranado. |
Figura 14. álabes del ventilador.
Los ventiladores centrífugos de aspas con curvatura hacia atrás son ideales en lo que se refiere a transportación y extracción; además, las aspas tienden a ser de autolimpieza y poseen una amplia capacidad de presión y volumen [8]. La parte fundamental en el diseño es determinar la velocidad necesaria para separar los núcleos e impurezas de los granos de maíz, empleando la ecuación 9.
Donde las principales variables son: v: velocidad ascendente de expulsión R: resistencia que opone un cuerpo a moverse c: coeficiente de arrastre adimensional Ap: área de proyección del cuerpo perpendicular a la velocidad δa: densidad absoluta del aire en el medio que se encuentra La fuerza de la corriente de aire debe ser mayor al peso del núcleo (aproximadamente 0,085 N) para que pueda expulsarla, caso contrario no se elevará. La velocidad a la salida del ventilador (v0) se obtiene con la ecuación 10. Luego se procede al cálculo del caudal (Q).
El ventilador consta de 16 álabes debido a que para ventiladores con curvatura hacia atrás el número de aspas debe ser de 12 a 16 [9]. Para realizar la comprobación del ventilador se realiza la simulación de los álabes tanto en desplazamiento como factor de seguridad para garantizar la durabilidad. En las Figuras 15 y 16 se observan la simulación de desplazamiento y factor de seguridad. |
Figura 15. Simulación de desplazamiento. Figura 16. Simulación de factor de seguridad. Figura 17. Desgranadora construida. |
Tabla 5. Grado de humedad de varias muestras de maíz.
Tabla 6. Tabulación prueba 1.
Figura 18. Ponderación de prueba 1. |
Tabla 7. Tabulación prueba 2.
Figura 19. Ponderación de prueba 2. Tabla 8. Tabulación prueba 3.
Figura 20. Maiz desgranado en su totalidad. |
4) Prueba 4 tiempos de desgranado: se logra determinar el tiempo de desgranado manual frente al desgranado mecánico, como se observa en la Tabla 9.
Tabla 9. Tabulación prueba 4.
Figura 21. Ponderación de prueba 4. Figura 22. Producción diaria de maíz desgranado. |
Figura 23. Costo-producción. Tabla 10. Tabulación de costos.
Tabla 11. Tabla de cálculo.
Tabla 12. Cálculo del payback.
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