diseÑo de colector de semillas de achiote para los
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I N S T I T U T O P O L I T E C N I C O N A C I O N A L
SECCIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN
DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS
DE ACHIOTE PARA LOS PRODUCTORES DEL
ESTADO DE TABASCO
T E S I S QUE PARA OBTENER EL GRADO DE:
MAESTRO EN CIENCIAS
EN INGENIERÍA MECÁNICA PRESENTA:
ING. JUAN CARLOS ROSETE FONSECA
DIRECTOR DE TESIS MC SERGIO A. VILLANUEVA PRUNEDA. MÉXICO D.F. 2000
Agradecimientos.
Muchas son en realidad las personas a las que debo agradecer el presente trabajo de
tesis, y que a la par representa un gran esfuerzo y parte importante en mi vida.
¡ Muchas gracias !
Padres y hermanas
Por su apoyo y paciencia todo el tiempo.
Mónica
Por brindarme tu cariño.
Noelia
Por ser una verdadera y única amiga.
Martín Por animarme a estudiar la maestría.
Oswaldo Por ser un gran amigo.
Dr. Alejandro ( Q.E.P.D.)
Por enseñarme lo más valioso, el verdadero valor de nuestro trabajo.
MC Sergio
Por su dedicación en la revisión de la tesis.
Hortensia
Por confiar en mi.
Gladys
Por darme la oportunidad de participar en el proyecto
Al pueblo tabasqueño
Por enseñarme el lado mas bello del ser humano.
Glosario de términos
Afluente Río secundario que desemboca en otro principal.
Albufera Laguna litoral, en costa baja, de agua salina o ligeramente salobre,
separada del mar por una lengua o cordón de arenas.
Alcaloide Cualquiera de los compuestos orgánicos nitrogenados de carácter
básico, producidos por vegetales.
Carotina Hidrocarburo rojo anaranjado que forma parte de la clorofila y de
muchas otras células de ciertos órganos vegetales.
Copal Dícese de la resina de varios árboles tropicales que se emplea en
barnices o masticatorios de alta calidad.
Copra Designación de la pulpa del coco, utilizada como materia prima en la
elaboración de aceites.
Criba Plancha metálica con agujeros o con red de malla de alambre.
Cutícula Película, piel delgada y delicada.
Defoliación Caída prematura de las hojas de árboles y plantas.
Disentería Enfermedad infecciosa que se caracteriza por diarrea con pujos y
alguna mezcla de sangre.
Embadurnado Untado, embarrado, manchado, pintarrajeado
Exiguo Insuficiente, escaso.
Fluvial Relativo a los ríos.
Gavillas Conjunto de sarmientos, mieses, etc., mayor que el manojo y menor
que el haz.
Granza Residuos de paja, espiga y grano sin descascarillar, etc., que quedan
de las semillas cuando se avientan.
Guadaña Instrumento para segar a ras de tierra, formada por una cuchilla curva
enastada en un mango.
Hacinas Conjunto de haces colocados unos sobre otros
Harnero Especie de criba
Haz Porción atada de mieses, lino , leña o cosas semejantes.
Latencia Oculto y escondido; estado que guardan plantas y animales en los
cuales se minimizan sus funciones fisiológicas vitales, aguardando un
estímulo externo para reactivarse.
Lepidóptero Dícese de los insectos con boca chupadora y cuatro alas abiertas de
membranas imbricadas, como la mariposa.
Macerar Ablandar una cosa estrujándola o golpeándola
Manglar Terreno que en la zona tropical cubren de agua las grandes mareas,
lleno de esteros, que lo cortan, formando muchas islas bajas, donde
crecen los árboles de agua salada.
Meseta Planicie o elevación a considerable altura sobre el nivel del mar.
Mesocarpio Capa intermedia de los tres que forman el pericarpio de los frutos;
como la parte carnosa del melocotón.
Mies Cereal maduro. // Tiempo de la siega y cosecha de los granos.
Mucílago Sustancia viscosa de mayor o menor transparencia que se halla en
ciertas partes de algunos vegetales
Valva Pieza dura que sirve de protección
Yuca Planta liliácea de América tropical, con flores blncas y raiz gruesa de
la que se saca harina alimenticia.
Zapa Pala con un corte acerado.
i
DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS PRODUCTORES DEL ESTADO DE TABASCO.
ÍNDICE I NOMENCLATURA V GLOSARIO. VII ÍNDICE DE FIGURAS IX ÍNDICE DE TABLAS XI RESUMEN XII ABSTRACT XIV OBJETIVO XVI JUSTIFICACIÓN XVII INTRODUCCIÓN XX CAPITULO I GENERALIDADES
1.1 El Estado de Tabasco 1 1.1.1 Condiciones geográficas 1
1.1.2 Clima 3
1.1.3 Población 4
1.2 El achiote 6 1.2.1 Historia 6 1.2.2 Generalidades agronómicas 6 1.2.3 Rendimiento por planta 9 1.2.4 Enfermedades y plagas del achiote 10
1.3 Usos 11 1.3.1 Componentes del achiote 11 1.3.2 Bixina 12 1.3.3 Sector doméstico 13 1.3.4 Sector industrial 14 1.3.5 Sector medicinal
16 1.3.6 Mercado 16
CAPITULO II ESTADO DEL ARTE 18
2.1 Generalidades de la cosecha de granos 18 2.1.1 Cosecha manual de granos 19 2.1.1.1 Operación de cosecha manual 19 2.1.1.2 Corte de cultivo 19 2.1.1.3 Secado y maduración 20
ii
2.1.1.4 Trilla 20 2.1.1.5 Limpieza 21
2.2 Trilla y limpieza del achiote 21 2.2.1 Separación de la semilla 22 2.2.2 Colección de la semilla en verde 22 2.2.3 Colección de semilla en seco 23
2.3 Equipos Industriales y semi-indutriales de colección 26 2.3.1 Maquina trituradora de granos
26 2.3.2 Maquina trituradora manual 26 2.3.3 Maquinas trilladoras 31
2.3.3.1 Maquinas trilladoras estacionarias 31 2.3.3.2 Maquinas trilladoras combinadas 34
CAPITULO III DESPLIEGUE DE LAS FUNCIONES DE CALIDAD EN EL EQUIPO 40
3.1 Despliegue de las funciones de calidad 40
3.2 Identificación de los grupos vinculados 42 3.2.1 Consumidor del producto 42 3.2.2 Financiamiento del proyecto 45 3.2.3 Fabricación del producto 46 3.2.4 Ensamblado del producto 46 3.2.5 Mantenimiento al equipo 46
3.3 Determinación de los requerimientos del cliente 47
3.3.1 Requerimientos funcionales 47 3.3.1.1 Medio ambiente de funcionamiento 47 3.3.1.2 Rendimiento 48 3.3.1.3 Desempeño funcional 49 3.3.1.4 Fiabilidad 50
3.3.2 Restricciones espaciales 50
3.3.3 Apariencia 51 3.3.3.1 Forma 51 3.3.3.2 Textura 51
3.3.4 Manufacturabilidad 51 3.3.4.1 Cantidades a fabricar 51 3.3.4.2 Capacidades de la empresa 52 3.3.4.3 Facilidad de fabricación 52
iii
3.3.4.4 Facilidad de ensamble 52
3.3.5 Conservación 52
3.4 Identificación de requerimientos obligatorios y deseables 53 3.4.1 Identificación de los requerimientos 53 3.4.2 Ponderación de los requerimientos deseables 54
3.5 Estudio comparativo ( Benchmarking) 55
3.6 Traducción de los requerimientos del cliente en términos mensurables 57
3.6.1 Trabajo dentro de áreas rurales en condiciones rústicas 57 3.6.2 Sencillez de operación 58 3.6.3 Obtención de semilla seca limpia 59 3.6.4 Bajo nivel de daño a la semilla
59 3.6.5 Operación segura 59
3.7 Fijación de las metas de diseño 61
CAPITULO IV DISEÑO CONCEPTUAL Y DE DETALLE
4.1 Diseño conceptual 63 4.1.1 Descomposición funcional 64 4.1.2 Generación de conceptos 66 4.1.3 Evaluación de las propuestas con los requerimientos del cliente 71
4.1.3.1 Matriz de ponderación de conceptos 72 4.1.3.2 Definición del equipo de trilla 74
4.2 Diseño de detalle 76 4.2.1 Diseño del conjunto de trilla 76 4.2.2 Dimensionamiento de las barras rompedoras superiores 79 4.2.3 Diseño de la barra A 81 4.2.4 Barras rompedoras intermedias (B) 86 4.2.5 Diseño por fatiga 88
4.2.5.1 Diseño del tornillo 88 4.2.5.2 Cálculo por fatiga del tornillo 90
4.2.6 Diseño de la barra central por fatiga 92 4.3 Diseño de los brazos soporte 96
4.3.1 Distribución de las barras 97
4.4 Diseño de la placa central de apoyo 109 4.5 Selección del sistema de transmisión 115
iv
4.5.1 Selección del motor 116 4.5.2 Selección de las bandas 118
4.5.2.1 Procedimiento de selección de transmisión por bandas V 118
4.5.3 Selección de la cadena 120
4.6 Diseño del árbol de transmisión 121 4.6.1Analisis de carga en el árbol de transmisión A 122
4.6.1.1 Dimensionamiento del alojamiento de la catarina 125 4.6.1.2 Cálculo por fatiga del alojamiento de la catarina 127
4.6.2 Diseño del árbol B 131 4.6.3 Dimensionamiento del alojamiento de las cuñas 136
4.7 Soportes superiores del armazón
137 4.7.1 Análisis de la soldadura en el extremo 143 4.7.2 Dimensionamiento de la placa de apoyo 149 4.7.3 Evaluación del espesor de la placa por aplastamiento 151
4.8 Dimensionamiento de los soportes 152
4.9 Consideraciones para el túnel de viento 155 4.9.1 Resistencia de los fluidos al movimiento de los cuerpos 155
4.9.1.1 Capa limite: Resistencia de superficie 155 4.10 Tabla de resultados 159 CONCLUSIONES 1. Vinculación con el medio productivo 162
2. Aspecto social 163
3. Aspectos educativos y culturales 164
4. Aspectos económicos 166
5. Influencia del medio ambiente 168
ANEXOS
1. Aspectos técnicos del achiote 170
2. Diseño por fatiga, concentradores de esfuerzos 174
3. Torsión de barras de sección no circular 184
4. Selección del sistema de transmisión ( bandas y cadenas ) 188
5. Planos de construcción de los componentes de la máquina 194
v
BIBLIOGRAFÍA 216
NOMENCLATURA. a Coeficiente que depende de la resistencia última a tensión del material. A Área de una sección. Ancho de barra b Base beq Base equivalente c Distancia del extremo al centro de la sección transversal, pudiendo tomar los
valores y, y´ Cv Coeficiente de corrección por volumen Cvc Coeficiente de carga variable de Wöler Cr Coeficiente de corrección por rugosidad Cc Coeficiente de corrección por confiabilidad Cs Coeficiente de corrección por soldadura d Diámetro e Espesor Ff Fuerza flexionante Ft Fuerza tangencial h Altura l Longitud in Relación de transmisión itotal Relación de transmisión total. Ix Momento de inercia alrededor del eje x Iu Momento de inercia unitario Iz Momento de inercia alrededor del eje z. J Momento polar de inercia Ju Momento polar unitario Kf Coeficiente real de concentración de esfuerzos Kt Coeficiente teórico de concentración de esfuerzos. M = Mf Momento flexionante Mmáx Momento flexionante máximo n Velocidad de trabajo en rpm N Potencia NT Potencia total P Carga actuante q Carga uniformemente repartida a lo largo de una viga. Coeficiente de
sensibilidad a la entalla r Radio de la entalla, radio R Reacción en apoyos Rf Resistencia a la fatiga real
vi
R´f Límite de resistencia a la fatiga del elemento mecánico. S Módulo elástico T Par torsor actuante sobre una sección Ttpol motriz Par torsor en el árbol motriz v Velocidad V Volumen Vmáx Carga máxima cortante W Peso del conjunto y Distancia del extremo al centroide y´ Distancia complementaria del extremo al centroide de la sección. x,y,z Coordenadas rectangulares α,β,γ Coeficientes que dependen de la relación h/b en la ecuación de esfuerzo
cortante para sección no redonda. η Eficiencia de la transmisión. Σ Sumatoria σadm Esfuerzo admisible σeq. Esfuerzo normal equivalente σc Esfuerzo de cedencia σm Esfuerzo medio σmáx. Esfuerzo máximo σu Esfuerzo último σv Esfuerzo variable σx Esfuerzo normal en la dirección del eje x σy Esfuerzo normal en la dirección del eje y σz Esfuerzo normal en la dirección del eje z τ´ Esfuerzo cortante primario τ´´ Esfuerzo cortante secundario τmáx Esfuerzo cortante máximo τxy Esfuerzo cortante sobre el plano xy ω Velocidad angular F.S. Factor de seguridad
vii
GLOSARIO DE TÉRMINOS
Afluente Río secundario que desemboca en otro principal.
Albufera Laguna litoral, en costa baja, de agua salina o ligeramente salobre,
separada del mar por una lengua o cordón de arenas.
Alcaloide Cualquiera de los compuestos orgánicos nitrogenados de carácter
básico, producidos por vegetales.
Carotina Hidrocarburo rojo anaranjado que forma parte de la clorofila y de
muchas otras células de ciertos órganos vegetales.
Copal Dícese de la resina de varios árboles tropicales que se emplea en
barnices o masticatorios de alta calidad.
Copra Designación de la pulpa del coco, utilizada como materia prima en la
elaboración de aceites.
Criba Plancha metálica con agujeros o con red de malla de alambre.
Cutícula Película, piel delgada y delicada.
Defoliación Caída prematura de las hojas de árboles y plantas.
Disentería Enfermedad infecciosa que se caracteriza por diarrea con pujos y
alguna mezcla de sangre.
Embadurnado Untado, embarrado, manchado, pintarrajeado
Exiguo Insuficiente, escaso.
Fluvial Relativo a los ríos.
Gavillas Conjunto de sarmientos, mieses, etc., mayor que el manojo y menor
que el haz.
Granza Residuos de paja, espiga y grano sin descascarillar, etc., que quedan
de las semillas cuando se avientan.
Guadaña Instrumento para segar a ras de tierra, formada por una cuchilla curva
enastada en un mango.
Hacinas Conjunto de haces colocados unos sobre otros
viii
Harnero Especie de criba
Haz Porción atada de mieses, lino , leña o cosas semejantes.
Latencia Oculto y escondido; estado que guardan plantas y animales en los
cuales se minimizan sus funciones fisiológicas vitales, aguardando un
estímulo externo para reactivarse.
Lepidóptero Dícese de los insectos con boca chupadora y cuatro alas abiertas de
membranas imbricadas, como la mariposa.
Macerar Ablandar una cosa estrujándola o golpeándola
Manglar Terreno que en la zona tropical cubren de agua las grandes mareas,
lleno de esteros, que lo cortan, formando muchas islas bajas, donde
crecen los árboles de agua salada.
Meseta Planicie o elevación a considerable altura sobre el nivel del mar.
Mesocarpio Capa intermedia de los tres que forman el pericarpio de los frutos;
como la parte carnosa del melocotón.
Mies Cereal maduro. // Tiempo de la siega y cosecha de los granos.
Mucílago Sustancia viscosa de mayor o menor transparencia que se halla en
ciertas partes de algunos vegetales
Valva Pieza dura que sirve de protección
Yuca Planta liliácea de América tropical, con flores blancas y raíz gruesa de
la que se saca harina alimenticia.
Zapa Pala con un corte acerado.
ix
INDICE DE FIGURAS FIGURA
No: CONCEPTO PAGINA
1 Aspecto de la serranía en el municipio de Tenosique 2 2 Cuerpo lagunar 3 3 Localización geográfica de Tabasco 5 4 Racimo de achiote 7 5 Frutos del achiote 7 6 Aspecto de achiote maduro 8 7 Estructura interna del fruto del achiote 8 8 Pasta de achiote producida domésticamente 17 9 Corte con machete de los frutos del achiote 23 10 Proceso manual de colección de semillas 23 11 Desechos de la colección de semillas 24 12 Proceso de separación `por golpeo 25 13 Molino de granos 26 14 Colector de semillas por vacío 28 15 Maquina trilladora manual 29 16 Trilladora de frijol marca “ EL PROGRESO” 32 17 Funcionamiento de las máquinas trilladoras 32 18 Esquema funcional de la trilladora de frijol 33 19 Configuración general de la cosechadora de granos, adaptada
como banco frijolero. 34
20 Esquema de aparatos trilladores de cilindro cóncavo 38 21 Mujeres Tzotziles encargadas del cultivo de achiote. Ranchería
Ignacio Allende, Tenosique, Tabasco 44
22 Área de preparación de pasta de achiote. Ejido Niños Héroes, Tenosique, Tabasco.
48
23 Aspecto típico de comunidad rural 50 24 Condiciones típicas municipales ( Nacajuca, Tabasco). 58 25 Transición de la necesidad al producto 63 26 Objetivos del diseño conceptual 63 27 Descomposición funcional del equipo 65 28 Modelo conceptual del equipo 75 29 Modelo del conjunto de trilla 76 30 Relación de proporción de un racimo de achiote 78 31 Modelo descriptivo del primer nivel de trilla 79 32 Acción de corte 80 33 Identificación de barras con cargas similares 80 34 Carga en la barra 81 35 Sistema de carga equivalente 81 36 Cargas actuantes en la sección transversal 82 37 Cargas sobre la barra intermedia 86
x
38 Sección transversal de la barra. 87 39 Carga sobre el tornillo 89 40 Comportamiento de carga 93 41 Ejemplo de obtención de Kt 94 42 Identificación de los brazos soporte 96 43 Acomodo de las barras rompedoras en el brazo 97 44 Descripción de las condiciones de carga del brazo 98 45 Cargas actuantes sobre el brazo soporte 100 46 Conformación del brazo soporte 101 47 Ejes principales de la sección y momentos actuantes 101 48 Sección rectangular equivalente 103 49 Identificación de los concentradores de esfuerzo 105 50 Identificación de la placa central de apoyo 109 51 Acción del brazo soporte sobre las entradas de la placa 110 52 Esquema del sistema de transmisión 115 53 Configuración del sistema de transmisión de la máquina 116 54 Identificación del árbol de transmisión 121 55 Dimensionamiento aproximado del árbol. 123 56 Geometría del árbol de transmisión 131 57 Identificación del árbol B 132 58 Detalle de conjunto del árbol B 132 59 Cargas actuantes en el árbol B 133 60 Identificación de las barras en la estructura 137 61 Disposición de la barra superior 137 62 Dimensionamiento preliminar del soporte y barras 138 63 Cargas actuantes sobre el soporte superior 138 64 Dimensiones básicas del perfil 139 65 Comportamiento del momento flexor y torsor 139 66 Identificación del área de la garganta del cordón 143 67 Segunda alternativa de construcción y región resistente 146 68 Cargas actuantes sobre la sección 149 69 Acción del proceso de trilla sobre la placa 150 70 Identificación de los soportes 152 71 Cargas actuantes sobre los soportes 152 72 Comportamiento de los fluidos 155 73 Capa límite y desprendimiento de la corriente 156 74 Formas típicas de material trillado 157 75 Comportamiento del flujo ante el contorno de los trozos de rama 157 76 Comportamiento del flujo ante los trozos de cápsula 157 77 Concepción del túnel de viento para separación de semilla 158 78 Modelo conceptual de la máquina trilladora de achiote 161 79 Cultivo de achiote 162 80 Productor chol de achiote 162 81 Vista frontal de la máquina 165 82 Prototipo de máquina construida en herrería 167 83 Armado de los soportes superiores. 167
xi
INDICES DE TABLAS TABLA
No: CONCEPTO PAGINA
1 Composición del achiote 12 2 Productos y usos del achiote 14 3 Principales consumidores de achiote en México 15 4 Requerimientos del producto 53 5 Ponderación de los requerimientos deseables 54 6 Estudio comparativo 56 7 Traducción de requerimientos 60 8 Fijación de metas de diseño 61 9 Generación de conceptos 66 10 Evaluación de conceptos 72
xii
RESUMEN
El presente proyecto de diseño forma parte de la serie de investigaciones
multidisciplinarias que en el Estado de Tabasco y que a través del Instituto Tecnológico de
Villahermosa se están llevando a cabo con el fin de mejorar los niveles de aprovechamiento
y procesamiento del achiote.
Bajo los auspicios del Instituto del Trópico Húmedo, el Instituto Nacional Indigenista,
Gobierno del Estado y diversos grupos de productores, se inician los trabajos de
caracterización, regionalización de especies, técnicas de extracción de colorantes, secado y
separación de semillas, entre otros. Se pretende que antes de llegar al quinto año de siembra
de la planta se cuente con una infraestructura lo suficientemente desarrollada para permitir
que los niveles de producción de bixina ( colorante extraído del achiote ) y de semilla seca,
estén al nivel de competencia exigida por el mercado internacional.
Es lógico entender que tal meta será imposible de lograr si antes no se cuenta con
tecnología capaz de reemplazar las tareas de tipo artesanal que hoy se son aplicadas por las
personas que confían en el achiote como un medio de subsistencia. De ahí que se busque el
generar la máquina de colección idónea al entorno.
En el primer capítulo se revisan las características geográficas, ambientales y sociales del
Estado de Tabasco a fin de establecer el marco de referencia donde se aplicará el equipo; de
igual manera, se lleva a cabo un profundo estudio del achiote, revisando no tan solo sus
características físicas necesarias para el diseño, sino también su caracterización
agronómica, usos, plagas y enfermedades que permiten comprender plenamente a la planta.
En el segundo capítulo se busca establecer la serie de requisitos mínimos indispensables
que debe cumplir la máquina, con objeto de satisfacer las necesidades de los diversos
grupos involucrados.
xiii
En el tercer capítulo se plantean una serie de alternativas capaces de resolver los problemas
existentes en el proceso de obtención de semilla, se exponen los criterios de evaluación
empleados y los resultados obtenidos, los cuales conformarán el modelo conceptual base
para llevar a cabo la fase de dimensionamiento de cada una de las piezas.
En la fase de diseño de detalle ( capítulo IV ), se exponen los modelos matemáticos y la
base física que rigen el comportamiento mecánico de cada una de las piezas que conforman
la máquina; se presentan los análisis desarrollados para el dimensionamiento de cada
elemento y las interacciones presentes.
Finalmente, se generan como conclusión del proyecto los planos de cada una las partes
diseñadas y las observaciones pertinentes para trabajos futuros.
ABSTRACT
xiv
This design research is one of several that in Tabasco State trough the Institituto
Tecnológico de Villahermosa, the goberment and other institutions are developing in order
to improve and to increase the level of annato using.
With the economical support of Instituto del Trópico Humedo, Instituto Nacional
Indigenista, State of Tabasco and farmers groups, were established some work groups, with
the objective to establish chemical process to extract de colorant bixine, to design
equipment to dry and collect the seeds, to generate the conditions to built a bixine factory,
etc. The goal, is before the fifth year of annato farming, the state would have enough levels
of production and quality to satisfy the mexican demand and to export annato seeds and
bixine colorant.
It is easy to understand that the goal will be impossible, if before the farmers do not have
the technology able to reduce the time that actually they need to obtain seeds. Important
point of view if we remember that all that people depends almost totally of the production
reached.
In the first chapter an introduction about Tabasco is presented in order to know the
geographical and economical conditions in which the machine has to operate; in the same
way, a study of the annato is presented, checking not only its properties, the reader will find
a complete information of the plant, since plagues and sicks until the most common uses in
Mexico and the World.
Second chapter present us the variety of requirements that will define how the machine has
to work, and how this has to satisfy the necessities of each one of the groups that are
involved.
By the designer, a great variety of alternatives to solve a problem can be proposed; but is
to sure, that only one or few of them, results satisfactory at the problems of efficiency, cost,
machining and of course, operation. That is the reason because I show in chapter 3 several
xv
routes that could be used to generate the annato seeds collector and the criteria which
determinate what route had to be followed, and how the equipment approximately is going
to look like when the research finish. This is the first step to do if the designer pretends
develop a satisfactory product, not only by him, useful by anywhere use the machine.
When the idea has been obtained, it is necessary to calculate the dimensions of each
component. Whichever machine has to support a enormous variety of adverse factors,
fatigue, environment corrosion, misuse, etc. that can destroy a part or totally the structure.
So, by these reasons, the engineering must evaluate all the conditions and factors involved,
and, taking the theories of strength and materials behavior it is possible to determinate the
shapes and measurements of the components. All this process is developed in chapter four.
Finally, construction plains and possibilities by future researches are exposed.
OBJETIVO.
xvi
El objetivo del presente trabajo de tesis es el de proyectar y generar una máquina capaz de
trillar y separar las semillas del fruto del achiote de manera eficiente y segura, adaptada a
las necesidades económico sociales de los campesinos y a las exigencias del medio
ambiente.
Se pretende que tanto los materiales, procesos y fabricantes de las máquinas se encuentren
dentro de la región, a fin de asegurar la capacidad plena de mantenimiento y reposición de
piezas dañadas o desgastadas, además de no existir la necesidad de adquirir materiales o
llevar a cabo maquinados en otras entidades.
Muchas de las piezas presentarán ventaja si son lo suficientemente sencillas como para ser
generadas por herreros, reduciendo con ello la necesidad de participación de empresas del
sector metalmecánico en la manufactura de las mismas, lo que significará menores costos
por unidad.
No debe desecharse la posibilidad de utilizar equipos de carácter doméstico entre los
componentes de la máquina, el uso de un ventilador casero en lugar de uno industrial en el
proceso de separación de la semilla de la cascarilla, puede significar aún menores costos.
JUSTIFICACIÓN
xvii
Por sus características físicas, económicas y sociales, el estado de Tabasco presenta un
notable potencial de desarrollo en diversas áreas; punto que ha marcado una pauta dentro
de los múltiples esfuerzos realizados al interior de la entidad.
Por su riqueza petrolera, el gobierno del estado y el gobierno federal han invertido una
cuantiosa cantidad de recursos económicos para que éste sector cuente con la
infraestructura y servicios necesarios para su correcta explotación. El crecimiento es
notable; elevados índices de migración se presentaron durante la época del auge petrolero y
la cantidad y variedad de servicios disponibles también se multiplicaron.
No obstante, la prosperidad no ha tocado a todos los grupos de la población. Los sectores
pesquero, turístico y agrícola presentan aún hoy en día notables rezagos y marginación;
poca inversión y en muchos de los casos, sistemas y técnicas productivas inoperantes para
el desarrollo de la población, marcan la pauta en casi todo el estado.
En el año de 1996, y por iniciativa del gobierno estatal como parte de su plan de desarrollo,
se promueve la introducción de cultivos más rentables a los tradicionales del plátano,
cacao, maíz y arroz a todo lo largo del territorio tabasqueño.
El achiote fue una de las variedades de árboles con las que se inició el esfuerzo para el
mejoramiento del agro; si bien era muy conocido en toda la región, su aprovechamiento se
limitaba a pequeñas parcelas de bajo rendimiento.
El principal factor que determinó la elección del achiote como un cultivo de alto beneficio
económico, es el alto costo que en el mercado internacional tiene la bixina, un colorante
rojo muy utilizado por las industrias cárnicas, lácteas, avícolas, cosméticas y de
condimentos para
el coloreado de muchos de sus productos; además, su semilla se cotizaba para 1994 en $ 25
pesos el kilogramo, con lo cual las expectativas de altas ganancias se consideraban un
aspecto seguro.
xviii
Si embargo, para diciembre de 1997 fecha de la primer cosecha del fruto del achiote las
pérdidas para los agricultores fueron cuantiosas; las razones se indican a continuación:
• Países como Perú, Costa rica y Guatemala produjeron grandes cantidades de semilla de
achiote, y al ser un producto especulativo en el mercado, los precios se desplomaron
hasta $ 7 pesos el kilogramo.
• En el estado se sembraron aproximadamente 500 hectáreas con la planta; organismos
como el INI1 y SAGAR fueron las encargadas de distribuir entre las comunidades las
plantas. No obstante, no se cuidó el que se distribuyeran únicamente las variedades de
mas alto rendimiento, teniéndose actualmente sembradíos totalmente heterogéneos.
• Debido a la poca experiencia en el cultivo del árbol por parte de los campesinos, los
rendimientos por hectárea tampoco fueron los deseados.
• Las técnicas de cosechado, secado, procesado y obtención de la semilla son totalmente
rudimentarios, tanto por falta de capacitación en el campo como por la carencia de
equipos especializados en el aprovechamiento del producto.
• Ausencia de plantas de procesamiento y canales de comercialización adecuados que
permitan al agricultor colocar su producto en el mercado.
El potencial que tiene éste cultivo para los agricultores de Tabasco es muy vasto. Como se
verá a lo largo del estudio de la presente investigación, existen múltiples alternativas para
el aprovechamiento adecuado del achiote, pero además, las condiciones bajo las cuales se
tiene que efectuar la explotación del recurso son muy específicas, por lo tanto, el
desconocimiento u omisión de las mismas redundarán nuevamente en frustración y pobreza
para las comunidades dedicadas a la explotación de la planta.
En base a lo expuesto anteriormente, es notable la necesidad de realizar investigaciones en
múltiples áreas, a fin de dar solución a múltiples carencias; las diversas posibilidades de
comercialización, técnicas más eficientes para la extracción de colorantes, usos alternativos
para lo que hoy se considera desecho, y por supuesto tecnologías de procesamiento, son
quizás, las áreas críticas en la producción de achiote.
xix
Por ello y como respuesta a la necesidad de contar con un medio que permita al productor
obtener la semilla en periodos reducidos de tiempo, y a la par con un bajo nivel de daño, es
que se desarrolla el presente proyecto de diseño.
INTRODUCCIÓN.
La planta del achiote es conocida y utilizada desde la época prehispánica, se tiene
referencia a través de diversas crónicas, de la utilización de las semillas por parte de los
1 Instituto Nacional Indigenista
xx
habitantes de la región maya como repelente de mosquitos, tinte para las telas, medicina y
masticatorio.
Desde América, el cultivo del achiote se extendió a otros continentes, recibiendo notable
aceptación sobre todo en las regiones de clima cálido - húmedo del Asia y Africa, donde
con el transcurrir del tiempo produjeron variedades características a dichas regiones.
El nivel de utilización también se incrementó, en Europa adquirió un interesante valor al
incluirse en el proceso de coloreado de embutidos y progresivamente en la elaboración de
cosméticos, siendo en la actualidad los principales rubros de aplicación del achiote, en el
extranjero; se destacan Irlanda y Rusia como los principales países procesadores del
colorante. En nuestro país por su parte, es más conocido por la elaboración del condimento
que lleva su nombre y con el cual se preparan una notable variedad de platillos típicos
como la cochinita pibil o el mixiote.
A pesar del innegable potencial del producto, pocas son aún los avances para su
comercialización a gran escala dentro y fuera de nuestro país; las técnicas empleadas por
las comunidades indígenas para la obtención de semilla o pasta no han variado
ostensiblemente desde mediados del siglo pasado a nuestros días: Muy común es encontrar
que los campesinos invierten hasta dos semanas de su jornal tan solo en la actividad de
extraer la semilla de su envoltorio y tres días para obtener la pasta correspondiente, ello sin
incluir la pérdida de semillas y bixina por lo rudimentario de la técnica.
Parte de lo anteriormente expuesto encuentra su razón en la forma en la que las personas
conciben los beneficios de la planta. Por ser una planta muy rústica, fácilmente se
desarrollan parcelas a nivel de traspatio de las cuales se obtienen beneficios secundarios. Al
iniciar el proceso de intensificación del cultivo, los niveles de producción se incrementaron
a nivel estatal en un 300%, pero al no contarse con la tecnología adecuada , tuvieron que
seguirse empleando los medios manuales que se conocían generándose problemas severos.
xxi
Éste incremento de la producción produjo a su vez una saturación del mercado local, al no
conocerse las posibles vías de comercialización una importante cantidad de semillas se
perdió, con el correspondiente desaliento social.
A partir del año de 1997 se inician por iniciativa del gobierno del estado una serie de
estudios tendientes a solucionar los problemas por los que atraviesan las comunidades y de
los cuales ésta tesis forma parte. Sin embargo, la investigación inició formalmente en
febrero de 1998. Con la integración del equipo multidisciplinario, se definieron las líneas
de investigación que cada uno de los participantes seguirían. En la todos los casos, se
requirió que cada integrante colaborara en el trabajo que otras áreas efectuaban a fin de
integrar el esquema general. Me es grato citar que además de realizar el trabajo de diseño
del colector se llevaron a cabo las siguientes actividades:
• Identificación de los principales grupos de consumidores de achiote y productos
derivados en el país.- El objetivo de esta fase del proyecto fue el de contar con una base
de datos que permitiera conocer las empresas y ramos que utilizaban achiote en sus
procesos de fabricación y aquellas que potencialmente podrían incorporarlo en el
mediano o corto plazo. Se pretendía que con los datos obtenidos pudiese ser posible
definir los productos derivados del achiote que más se consumían en el mercado y por
supuesto, las cantidades de los mismos; con esta información se estimaría la demanda de
nuestro país y la capacidad instalada en el Estado para satisfacerla. Parte de los
resultados arrojados durante el proceso mostraron que cerca del 60% del achiote que es
adquirido por la industria en México es en forma de semilla seca, de la cual se elaborará
pasta para condimento.
• Diseño de un secador solar .- En virtud de la exagerada facilidad con la que una carga
de fruto puede perderse por ataque de hongos ( 3 días 100 kg ), es imprescindible secar
la cosecha de forma inmediata. Por la marcada pobreza que viven gran cantidad de
comunidades, resulta prohibitivo el invertir en un secador a gas o eléctrico y por
supuesto mantenerlo. Se propuso la posibilidad de generar un colector solar, utilizando
materiales tales como madera, tubos de chimenea, papel aluminio, un ventilador
centrífugo, etc. para suministrar una corriente de aire caliente que arrastrara la humedad
xxii
al exterior de la cámara de secado. La única fuente energética aprovechada para calentar
el aire debía de ser la proporcionada por el Sol, abatiendo ostensiblemente el costo de un
secador. Se otorgaron cinco mil pesos para construir el prototipo por parte del Instituto
Tecnológico de Villahermosa, en virtud de que se participaría con éste proyecto en el
XIII concurso Nacional de Creatividad realizándose pruebas durante un mes.
Desafortunadamente, al ser eliminado el proyecto se le consideró poco viable, por lo que
anularon los apoyos para continuar con la investigación.
• Evaluación del comportamiento del material trillado en un molino de granos ante
la corriente de aire generada por un ventilador centrífugo de 2000 m3/h, como
medio para separar la semilla de la paja.- Originalmente se utilizó por parte del
departamento de biología de la Universidad Juárez Autónoma de Tabasco y del grupo de
bioquímica del ITVH, un molino de granos generado en la Universidad de Chapingo
como medio para romper la cápsula y los racimos de fruto. El producto obtenido
consistía en una mezcla de semillas y pajilla fina la cual es difícil de eliminar por
cernido. Se optó por utilizar un ventilador centrífugo como medio para separar ambos
culminándose con modelo de túnel que aprovechaba la gravedad y la succión de aire
para arrastrar el desperdicio. Si bien no se planeó para su incorporación en un proceso
continuo, facilitó las actividades que los grupos mencionados llevaban a cabo.
NOMENCLATURA. a Coeficiente que depende de la resistencia última a tensión del material. A Área de una sección. Ancho de barra b Base beq Base equivalente c Distancia del extremo al centro de la sección transversal, pudiendo tomar los
valores y, y´ Cv Coeficiente de corrección por volumen Cvc Coeficiente de carga variable de Wöler Cr Coeficiente de corrección por rugosidad Cc Coeficiente de corrección por confiabilidad Cs Coeficiente de corrección por soldadura d Diámetro e Espesor Ff Fuerza flexionante Ft Fuerza tangencial h Altura l Longitud in Relación de transmisión itotal Relación de transmisión total. Ix Momento de inercia alrededor del eje x Iu Momento de inercia unitario Iz Momento de inercia alrededor del eje z. J Momento polar de inercia Ju Momento polar unitario Kf Coeficiente real de concentración de esfuerzos Kt Coeficiente teórico de concentración de esfuerzos. M = Mf Momento flexionante Mmáx Momento flexionante máximo n Velocidad de trabajo en rpm N Potencia NT Potencia total P Carga actuante q Carga uniformemente repartida a lo largo de una viga. Coeficiente de
sensibilidad a la entalla r Radio de la entalla, radio R Reacción en apoyos Rf Resistencia a la fatiga real R´f Límite de resistencia a la fatiga del elemento mecánico. S Módulo elástico T Par torsor actuante sobre una sección Ttpol motriz Par torsor en el árbol motriz v Velocidad V Volumen Vmáx Carga máxima cortante
W Peso del conjunto y Distancia del extremo al centroide y´ Distancia complementaria del extremo al centroide de la sección. x,y,z Coordenadas rectangulares α,β,γ Coeficientes que dependen de la relación h/b en la ecuación de esfuerzo
cortante para sección no redonda. η Eficiencia de la transmisión. Σ Sumatoria σadm Esfuerzo admisible σeq. Esfuerzo normal equivalente σc Esfuerzo de cedencia σm Esfuerzo medio σmáx. Esfuerzo máximo σu Esfuerzo último σv Esfuerzo variable σx Esfuerzo normal en la dirección del eje x σy Esfuerzo normal en la dirección del eje y σz Esfuerzo normal en la dirección del eje z τ´ Esfuerzo cortante primario τ´´ Esfuerzo cortante secundario τmáx Esfuerzo cortante máximo τxy Esfuerzo cortante sobre el plano xy ω Velocidad angular F.S. Factor de seguridad
DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS PRODUCTORES DEL ESTADO DE TABASCO.
NOMENCLATURA
GLOSARIO.
ÍNDICE DE FIGURAS
ÍNDICE DE TABLAS
RESUMEN
ABSTRACT
JUSTIFICACIÓN
OBJETIVO
INTRODUCCIÓN
CAPITULO I ANTECEDENTES
1.1 Introducción 1 1.2 El Estado de Tabasco 3
1.2.1 Clima 5 1.2.2 Población 6
1.3 El achiote 8 1.3.1 Generalidades 8
1.3.1.1 Historia 8 1.3.2.2 Generalidades agronómicas 8 1.3.2.3 Rendimiento por planta 12 1.3.2.4 Enfermedades y plagas del achiote 13
1.3.2 Usos 14 1.3.2.1 Componentes del achiote 14 1.3.2.2 Bixina 15 1.3.2.3 Sector Doméstico 16 1.3.2.4 Sector Industrial 18 1.3.2.5 Sector Medicinal 19 1.3.2.6 Mercado 20
CAPITULO II ESTADO DEL ARTE 23
2.1 Introducción 23
2.1.1 Cosecha manual de granos 24 2.1.1.1 Operación de cosecha manual 24 2.1.1.2 Corte de cultivo 25 2.1.1.3 Secado y maduración 26 2.1.1.4 Trilla 26 2.1.1.5 Limpieza 27
2.2 Trilla y limpieza del achiote 28 2.2.1 Separación de la semilla 29 2.2.2 Colección de la semilla en verde 29 2.2.3 Colección de semilla en seco 30
2.3 Equipos Industriales y semi-indutriales de colección 32 2.3.1 Maquina trituradora de granos
32 2.3.2 Maquina trituradora manual 36 2.3.3 Maquinas trilladoras 38
2.3.3.1 Maquinas trilladoras estacionarias 38 2.3.3.2 Maquinas trilladoras combinadas 42
CAPITULO III DESPLIEGUE DE LAS FUNCIONES DE CALIDAD EN EL EQUIPO 49
3.1 Introducción 49
3.2 Identificación de los grupos vinculados 52 3.2.1 Consumidor del producto 52 3.2.2 Financia el proyecto 54 3.2.3 Fabrica el producto 55 3.2.4 Ensambla el producto 56 3.2.5 Da mantenimiento al equipo 56
3.3 Determinación de los requerimientos del cliente 56
3.3.1 Requerimientos funcionales 57 3.3.1.1 Medio ambiente de funcionamiento 57 3.3.1.2 Rendimiento 58 3.3.1.3 Desempeño funcional 59 3.3.1.4 Fiabilidad 60
3.3.2 Restricciones espaciales 60
3.3.3 Apariencia 61 3.3.3.1 Forma 61 3.3.3.2 Textura 61
3.3.4 Manufacturabilidad 61 3.3.4.1 Cantidades a fabricar 61 3.3.4.2 Capacidades de la empresa 62 3.3.4.3 Facilidad de fabricación 62 3.3.4.4 Facilidad de ensamble
62 3.3.5 Conservación 62
3.4 Identificación de requerimientos obligatorios y deseables 63 3.4.1 Ponderación de los requerimientos deseables 64
3.5 Estudio comparativo ( Benchmarking) 65
3.6 Traducción de los requerimientos del cliente en términos mensurables 67
3.6.1 Trabajo dentro de áreas rurales en condiciones rústicas 67 3.6.2 Sencillez de operación 68 3.6.3 Obtención de semilla seca limpia 69 3.6.4 Bajo nivel de daño a la semilla
69 3.6.5 Operación segura 69
3.7 Fijación de las metas de diseño 71
CAPITULO IV DISEÑO DEL CONJUNTO DE TRILLA 73
4.1 Diseño conceptual 73 4.1.1 Descomposición funcional 74 4.1.2 Generación de conceptos 76 4.1.3 Evaluación de las propuestas con los requerimientos del cliente 81
4.1.3.1 Matriz de ponderación de conceptos 82 4.1.3.2 Definición del equipo de trilla 84
4.2 Diseño de detalle 86 4.2.1 Diseño del conjunto de trilla 86
4.2.1.1 Capacidad 86 4.2.2 Dimensionamiento de las barras rompedoras superiores 89 4.2.3 Diseño de la barra A 91 4.2.4 Barras rompedoras intermedias (B) 96 4.2.5 Diseño por fatiga 98
4.2.5.1 Diseño del tornillo 98 4.2.5.2 Cálculo por fatiga del tornillo 100
4.2.6 Diseño de la barra central por fatiga 102
4.3 Diseño de los brazos soporte 106 4.3.1 Distribución de las barras 107
4.4 Diseño de la placa central de apoyo 119 4.5 Selección del sistema de transmisión 125
4.5.1 Selección del motor 125 4.5.2 Selección de las bandas 126
4.5.2.1 Procedimiento de selección de transmisión por bandas V 126
4.5.3 Selección de la cadena 128
4.6 Diseño del árbol de transmisión 130 4.6.1Analisis de carga en el árbol de transmisión A 132
4.6.1.1 Dimensionamiento del alojamiento de la catarina 135 4.6.1.2 Cálculo por fatiga del alojamiento de la catarina 137
4.6.2 Diseño del árbol B 141 4.6.3 Dimensionamiento del alojamiento de las cuñas 146
4.7 Soportes superiores del armazón
147 4.7.1 Análisis de la soldadura en el extremo 153 4.7.2 Dimensionamiento de la placa de apoyo 159 4.7.3 Evaluación del espesor de la placa por aplastamiento 161
4.8 Dimensionamiento de los soportes 162
4.9 Consideraciones para el túnel de viento 165 4.9.1 Resistencia de los fluidos al movimiento de los cuerpos 165
4.9.1.1 Capa limite: Resistencia de superficie 165 4.10 Tabla de resultados 169 CONCLUSIONES 171
5.1 Vinculación con el medio productivo 171
5.2 Aspecto social 172
5.3 Aspectos educativos y culturales 173
5.4 Aspectos económicos 175
5.5 Influencia del medio ambiente 177
ANEXOS 178
GLOSARIO DE TÉRMINOS 205
BIBLIOGRAFÍA 207
INDICE DE FIGURAS
FIGURA
No: CONCEPTO PAGINA
1 Aspecto de la serranía en el municipio de Tenosique 4 2 Cuerpo lagunar 5 3 Catedral de Tabasco 7 4 Racimo de achiote 9 5 Frutos del achiote 10 6 Aspecto de achiote maduro 10 7 Estructura interna del fruto del achiote 11 8 Pasta de achiote producida domésticamente 21 9 Corte con machete de los frutos del achiote 29 10 Proceso manual de colección de semillas 30 11 Desechos de la colección de semillas 31 12 Proceso de separación `por golpeo 32 13 Molino de granos 33 14 Colector de semillas por vacío 35 15 Maquina trilladora manual 36 16 Trilladora de frijol marca “ EL PROGRESO” 39 17 Funcionamiento de las máquinas trilladoras 40 18 Esquema funcional de la trilladora de frijol 41 19 Configuración general de la cosechadora de granos, adaptada
como banco frijolero. 42
20 Esquema de aparatos trilladores de cilindro cóncavo 47 21 Mujeres Tzotziles encargadas del cultivo de achiote. Ranchería
Ignacio Allende, Tenosique, Tabasco 54
22 Área de preparación de pasta de achiote. Ejido Niños Héroes, Tenosique, Tabasco.
57
23 Aspecto típico de comunidad rural 60 24 Condiciones típicas municipales ( Nacajuca, Tabasco). 68 25 Transición de la necesidad al producto 73 26 Objetivos del diseño conceptual 73 27 Descomposición 75 28 Modelo conceptual del equipo 85 29 Modelo del conjunto de trilla 86 30 Relación de proporción de un racimo de achiote 88 31 Modelo descriptivo del primer nivel de trilla 89 32 Acción de corte 90 33 Identificación de barras con cargas similares 90
34 Carga en la barra 91 35 Sistema de carga equivalente 91 36 Cargas actuantes en la sección transversal 92 37 Cargas sobre la barra intermedia 96 38 Sección transversal de la barra. 97 39 Carga sobre el tornillo 99 40 Comportamiento de carga 103 41 Ejemplo de obtención de Kt 104 42 Identificación de los brazos soporte 106 43 Acomodo de las barras rompedoras en el brazo 107 44 Descripción de las condiciones de carga del brazo 108 45 Ejes principales de la sección y momentos actuantes 111 46 Identificación de los concentradores de esfuerzo 115 47 Identificación de la placa central de apoyo 119 48 Acción del brazo soporte sobre las entradas de la placa 120 49 Esquema del sistema de transmisión 129 50 Identificación del árbol de transmisión del conjunto de trilla 130 51 Sistema de transmisión de la máquina 131 52 Dimensionamiento aproximado del árbol. 133 53 Geometría del árbol de transmisión 141 54 Identificación del árbol B 142 55 Detalle de conjunto del árbol B 142 56 Cargas actuantes en el árbol B 143 57 Identificación de las barras en la estructura 147 58 Disposición de la barra superior 147 59 Dimensionamiento preliminar del soporte y barras 148 60 Cargas actuantes sobre el soporte superior 148 61 Dimensiones básicas del perfil 149 62 Comportamiento del momento flexor y torsor 149 63 Identificación del área de la garganta del cordón 153 64 Segunda alternativa de construcción y región resistente 157 65 Cargas sobre la placa 159 66 Respuesta mecánica del elemento 160 67 Identificación de los soportes 68 Cargas actuantes sobre los soportes 69 Comportamiento de los fluidos 165 70 Capa límite y desprendimiento de la corriente 166 71 Formas típicas de material trillado 167 72 Comportamiento del flujo ante el contorno de los trozos de rama 167 73 Comportamiento del flujo ante los trozos de cápsula 167 74 Concepción del túnel de viento para separación de semilla 168 75 Cultivo de achiote 171 76 Productor chol de achiote 172 77 Vista frontal de la máquina 174 78 Prototipo de máquina construida en herrería 176 79 Armado de los soportes superiores. 176
INDICES DE TABLAS TABLA
No: CONCEPTO PAGINA
1 Composición del achiote 15 2 Productos y usos del achiote 17 3 Principales consumidores de achiote en México 19 4 Requerimientos del producto 63 5 Ponderación de los requerimientos deseables 64 6 Estudio comparativo 66 7 Traducción de requerimientos 71 8 Fijación de metas de diseño 72 9 Generación de conceptos 80 10 Evaluación de conceptos 83
CAPÍTULO I ______________________________________________________________________
1
1.1 El estado de Tabasco.
1.1.1 Condiciones geográficas.
El estado de Tabasco se encuentra situado al sureste de la República Mexicana, en la
llanura costera del Golfo, entre los 17° 15’ 00’’ y los 18° 39’ 07’’ de latitud norte y los 90°
50’ 23’’ y los 94° 07’ 49’’ de longitud oeste. Limita al norte con el Golfo de México; al
noroeste con Campeche; al sureste con la República de Guatemala; al sur con Chiapas y al
oeste con Veracruz. { B - 28 }
Abarca una superficie territorial de 24, 475.24 kilómetros2 que representan el 1.24% de la
superficie total de la República, ocupando el vigésimo lugar por su extensión territorial en
la cual se asientan los 17 municipios que integran la división política del estado. El estado
dispone de un litoral hacia el Golfo de México que se extiende a lo largo de 183.86
kilómetros al norte del estado, y de una plataforma continental de 850 km2.
El agua es tan abundante en el estado que, a diferencia de otros de la República, es el
excedente lo que ocasiona problemas, pues se carece de infraestructura adecuada para
drenarla, concentrándose aquí la tercera parte de los recursos hidráulicos del país. El
sistema fluvial se constituye con los caudales del río Usumacinta ( mono sagrado ), el más
grande de la República, y el río Grijalva, el segundo por su caudal, con sus numerosos
afluentes que desembocan en el Golfo de México. A los numerosos ríos, riachuelos y
arroyos que cruzan en todos los sentidos el territorio tabasqueño, se añade un elevado
número de lagunas diseminadas en su territorio, destacándose los sistemas lagunares de El
Carmen-Pajonal-Machona y Mecoacán.
CAPÍTULO I ______________________________________________________________________
2
La mayor parte del territorio es una planicie que se extiende a la vista, sin obstáculo
alguno, hasta el horizonte. Hay al sur, sin embargo, algunas elevaciones que forman parte
de la meseta central de Chiapas. Entre los montes o cerros más importantes se cuentan El
Madrigal, que tiene aproximadamente 1,000 m.s.n.m. La Campana, La Corona, Poaná
Coconá Mono Pelado, y el Tortuguero.
Fig. 1 Aspecto de la serranía en el municipio de Tenosique
Seis tipos de vegetación se dan principalmente en Tabasco: la tupida selva de tierra
adentro; la sabana; la selva menos compacta que bordea la costa; las formaciones bajas
propias de las playas; los manglares y la vegetación de pantano. Asimismo, la flora es
variada en árboles, arbustos y hierbas. Abundan los árboles frutales, numerosos
ornamentales y subsisten aquellos de maderas preciosas, cedro y caoba, en exiguas
cantidades.
Cabe señalar que en la actualidad gran parte de la superficie territorial del Estado de
Tabasco ha sido desmontada de su selva para dar paso a las áreas de pastoreo y al cultivo
de productos como el cacao, plátano, maíz, arroz, etc., aspecto que ha afectado
sensiblemente las características del entorno, dañando el ecosistema y poniendo en peligro
serio de extinción a numerosas especies.
CAPÍTULO I ______________________________________________________________________
3
Fig. 2 Cuerpo lagunar
La fauna tabasqueña, tanto acuática, como terrestre, es variada y fascinante, integrada por
diversas especies de reptiles, aves y mamíferos, muchas de ellas amenazadas por la
actividad humana. La mayoría de la población está estrechamente vinculada con la
vegetación selvática que cubrió, en otra época, casi la totalidad del estado. Ahora solo
queda en aquellas condiciones originales en las riberas del Usumacinta, entre Tenosique y
Balancán, muy escasamente habitadas por el hombre.
1.1.2 Clima
La ubicación de Tabasco en la zona tropical, su escasa elevación con respecto al nivel del
mar y su cercanía con el Golfo de México, a lo largo de 190 kilómetros de costa,
determinan el desarrollo de climas cálidos con influencia marítima, registrándose una
temperatura mínima de 15° C a 20° C en enero y febrero; la máxima es de 40° C a 45° C,
de abril a junio, y la media al año es mayor de 26° C.
CAPÍTULO I ______________________________________________________________________
4
La invasión de las masas de aire en la entidad es directa y provoca gran parte de la
precipitación total anual que se cuenta entre las más altas del mundo ( 2,750 mm. en la
zona costera y hasta 4,000 mm. en las estribaciones de la sierra ).Consecuentemente, la
temporada de lluvias abarca la mayor parte del año; de junio a marzo.
Solo la primavera es seca, y eso relativamente. En verano llueve con más intensidad: son
las lluvias torrenciales conocidas como turbonadas; cuando el calendario marca otoño e
invierno empiezan a soplar los nortes, que se traducen en prolongadas lluvias acompañadas
por vientos con velocidades mayores de 40 kilómetros por hora.
Así se puede concretar, que al estar el Estado de Tabasco en el trópico húmedo de la
República, se presentan dos tipos fundamentales de climas: Cálido húmedo y cálido
subhúmedo.
1.1.3. Población
Con base en el XI Censo Nacional de Población y Vivienda, se estima que actualmente la
población tabasqueña asciende a 1’ 501, 744 habitantes, lo cual equivale al 1.73% de la
población total de la República Mexicana. El 76% de los tabasqueños pertenece al medio
rural, determina una densidad demográfica en el estado de 61 habitantes por kilómetro
cuadrado. Se calcula que la población para el año 2000 será aproximadamente de 1’
755,457 habitantes.
En cuanto a la distribución territorial de la población, los municipios de Cárdenas, Centro,
Comalcalco, Huimanguillo y Macuspana concentran al 62.57 % del total; el municipio con
mayor población es el de Centro y el de menor cantidad es el de Jonuta.
CAPÍTULO I ______________________________________________________________________
5
Fig. 3 Localización geográfica de Tabasco
1.2 El achiote.
1.2.1 Historia.
CAPÍTULO I ______________________________________________________________________
6
El achiote es conocido desde las épocas más remotas; los aborígenes de las regiones del sur
de México y Centro América utilizaron esta planta como colorante para pintarse el cuerpo
al celebrar sus ritos religiosos; asimismo lo utilizaron como medicina y repelente de los
mosquitos y para colorear un masticatorio llamado “copal”.
Éste cultivo es originario de la América Tropical, adaptándose más a los países cálidos,
prosperando bien desde el nivel del mar hasta los 1500 metros, aunque su crecimiento es
más rápido y vigoroso en las partes bajas de la costa, preferentemente donde la
precipitación oscila entre 1 000 y 1 500 mm y la temperatura fluctúa entre 23 y 30° C con
un promedio de 26° C.
1.2.2 Generalidades agronómicas { B - 25 }
El achiote ( bixa orellana ), conocido también por los nombres de onoto, achote, bija o
bixa, pertenece a la familia de las bixáceas, al género Bixa y a la especie Orellana. Es un
arbusto de tamaño regular que mide entre 3 y 6 metros de altura, llegando a alcanzar hasta
10 metros; consta de un tallo cilíndrico recto que llega a desarrollar en su base de 20 a 30
centímetros de diámetro, el cual está sostenido por raíces leñosas ramificadas y cilíndricas.
Las hojas son simples óvalos, alternas pecioladas, anchas, lampiñas y membranosas.
A pesar del notable tamaño que es capaz de alcanzar esta planta, pocas veces se le deja
crecer por arriba del 1.5 m, podándosele continuamente en forma de copa a fin de captar la
mayor cantidad de energía solar y así aumentar la producción; además, el evitar que el
achiote crezca facilita la actividad de cosecha del fruto.
CAPÍTULO I ______________________________________________________________________
7
Fig. 4 Racimo de achiote
El fruto está constituido por una cápsula espinosa de dos centímetros aproximadamente,
que se abre en valvas entre las placentas parietales, donde se alojan muchas semillas de las
que se obtiene un colorante preparado de la pulpa anaranjada que recubre a las semillas. Es
un cultivo perenne que puede dar producción rentable unos 18 años.
Fig. 5 Frutos del achiote
CAPÍTULO I ______________________________________________________________________
8
El fruto es de forma oval, con una punta alargada o en forma de castaña, con apéndices
espinudos largos y suaves en la mayoría de los tipos; su color puede ser rojo, café, verde o
amarillo cuando está maduro. Cada fruto puede tener de 30 a 60 semillas.
Fig. 6 Aspecto de achiote maduro
Fig. 7 Estructura interna del fruto de achiote
Las semillas se encuentran adheridas a la pared por medio de la placenta y son pequeñas,
en forma de pirámide triangular, recubiertas de una capa acuosa de color rojo. Es
relativamente pequeña, muy liviana cuando seca y está recubierta por una resina a manera
Grupo de
semillas
Espínulas
Fruto
CAPÍTULO I ______________________________________________________________________
9
de pulpa, de color que varia de anaranjado brillante o rojizo a amarillento. Esta pulpa o
capa resinosa es la que contiene el colorante que se explota comercialmente. Del interior de
la semilla se obtiene la provitamina “A” , que se utiliza para enriquecer ciertos alimentos.
El interior del fruto está compuesto por dos valvas; sin embargo, se pueden encontrar frutos
trivalvares lo cual podría ser una característica benéfica para aumentar la capacidad de
producción.
El achiote es una planta resistente a la sequía. Con mucha frecuencia produce considerables
cosechas en condiciones relativamente adversas de suministro de agua. En muchos casos,
cuando el tiempo es seco, la planta entra en una etapa de latencia e incluso presenta una
fuerte defoliación como medio de defensa.
La clasificación botánica de la planta es como sigue: Subdivisión : Angiosperma
Clase: Dicotiledónea
Orden: Parietales
Familia: Bixaceas
Género: Bixa
Especie: Orellana
1.2.3 Rendimiento por planta
La semilla seca obtenida del fruto del achiote constituye uno de los principales productos
de consumo en el mercado de las especias, colorantes y alimentación avícola. Los
rendimientos de semilla seca que son obtenidos por hectárea, representan la base de los
beneficios económicos que los agricultores pueden esperar y el nivel de impacto que sobre
el precio de compra se tendrá en los mercados nacional e internacional.
Los rendimientos registrados parecen variar de una fuente a otra; es cierto que el primer y
segundo años de cosecha son los más bajos, estabilizándose el nivel óptimo de producción
CAPÍTULO I ______________________________________________________________________
10
hasta llegado el cuarto o quinto años, para los cuales se pueden esperar producciones de 4.5
a 5 kg de semilla seca por árbol en un año. Según el número de árboles/ha y otros factores
que pueden afectar el rendimiento un productor puede obtener de 350 a 700 kg de semilla.
{B - 1}
Otros rendimientos que han sido declarados son: India 600 kg/ha; Colombia 200 kg/ha;
además, se han obtenido rendimientos individuales de 4.5 a 9 kg de semilla seca en árboles
de cuatro años de clones seleccionados, lo cual puede considerarse un ideal de producción.
{B - 16}
1.2.4 Enfermedades y plagas del achiote.
Entre las más importantes plagas y enfermedades que afectan a la planta están:
• Mildiú polvoriento.- Hongo que ataca principalmente las hojas, brotes jóvenes, flores y
cápsulas. Se manifiesta por un polvo blancuzco que cubre las partes afectadas. En las
hojas se genera una deformación en forma de cuchara y en ocasiones un enrrollamieno
de las mismas. En ataques tempranos y severos puede producir la muerte de las plantas.
Se combate mediante la aplicación de productos fungicidas a base de azufre.
• Mancha de la hoja.- Se presenta principalmente las hojas viejas de aquellos árboles que
se encuentran creciendo bajo sombra. Esta enfermedad se caracteriza por producir
manchas de color café rodeadas por un halo amarillento. En casos severos puede causar
completa defoliación del árbol. Por métodos químicos se puede combatir mediante la
aplicación de productos a base de cobre.
• Atta ( hormigas).- El daño que causan es el típico corte de media luna en las hojas.
• Arañita roja.- Insecto que se alimenta succionando la savia de las hojas provocando así
una fuerte defoliación de estas.
• Lepidóptero.- Larva móvil aún no identificada que destruye las semillas en el interior de
la cápsula provocando serios daños, actualmente, es la plaga que mayores daños causa al
achiote.
1.3 Usos.
CAPÍTULO I ______________________________________________________________________
11
Anteriormente se anotó que cuando los españoles llegaron al nuevo mundo, encontraron a
los aborígenes embadurnados con achiote, para evitar la picadura de insectos ( mosquitos,
zancudos, etc.), así como para su arreglo previo a sus celebraciones religiosas.
En los Estados Unidos y Europa, el achiote ha sido utilizado por mas de cien años en el
coloreado de quesos y embutidos. Investigaciones por mas de 30 años han probado su
seguridad para aplicación en alimentos y cosméticos, incrementándose su consumo ante
una clara tendencia al no consumo de colorantes artificiales.
Un rubro en el cual el achiote no ha podido ser aprovechado es en el de la generación de
colorantes para telas; dada su alta sensibilidad a la luz solar, cuando es aplicado sobre
algún textil como el algodón, el color permanece muy poco tiempo tornándose café o negro
al cabo de unos cuantos días.
1.3.1 Componentes del achiote.
El achiote está compuesto de los siguientes elementos:
1. Resina
2. Orelina ( materia colorante amarilla )
3. Bixina ( Materia colorante roja )
4. Aceite volátil
5. Aceite graso.
El siguiente cuadro, elaborado por el INCAP, muestra la composición y el valor energético
de 100 gramos de achiote. { B - 14 }
Composición por 100 gramos de achiote.
NOMBRE Valor
ener- gético
Hume dad
Proteína
Grasa Fibra Ca P Fe Vit. A
Tiamina Riboflavina
Niacina
Cal % gr. gr. gr. gr. gr. gr. mg. gr. gr. gr.
CAPÍTULO I ______________________________________________________________________
12
Achiote
fresco
54 84.4 0.0 0.3 0.5 7 10 0.8 45 0.00 0.05 0.3
No. de
análisis
2 1 2 2 1 1 2 1 1 1 1
Seco 334 5.6 6.6 4.6 14.5 120 116 5.6 185 0.9 0.19 1.7
No. de
análisis
2 2 2 2 2 2 2 2 1 2 2
Tabla 1. Composición del achiote
1.3.2 Bixina.
La bixina fue identificada en 1825 como un pigmento carotenoide, soluble en grasas y
aceites. Es el principal constituyente de la materia colorante del achiote representando mas
del 80% del total de pigmentos. La bixina es encontrada en varias partes de la planta, pero
su mayor concentración está en el mesocarpio carnoso (semilla).
El contenido de bixina en las semillas de achiote es de gran importancia para los
importadores debido a que se toma como base en la fijación del precio. El porcentaje
establecido es de 2.5 - 3.0%.
La bixina se puede convertir en un pigmento amarillo ( norbixina ) soluble en aceite por
calentamiento con acético anhídro. Tiene una buena estabilidad a la oxidación, cierta
estabilidad a la luz, buena estabilidad al calor pero ésta disminuye a altas temperaturas,
cerca de los 125° C. { B -14 }
El colorante del achiote es estable al calor y relativamente estable a la luz, comparado con
otros colorantes naturales. La estabilidad aumenta a bajas concentraciones de oxígeno o en
presencia de antioxidantes, esta cualidad hace que el achiote tenga ventajas sobre el uso de
colorantes sintéticos, los cuales reaccionan fuertemente con agentes oxidantes ( cloro o
hipoclorito ) o agentes reductores ( dioxido de azufre, ácido ascórbico, azúcar invertido, y
algunos sabores ), causando degradación del color.
CAPÍTULO I ______________________________________________________________________
13
En la actualidad el campo en el cual puede ser aplicado el achiote es muy basto, pudiéndose
categorizar en los siguientes grupos:
• Doméstico
• Medicinal
• Industrial.
1.3.3 Sector doméstico
El achiote es muy utilizado en nuestro país como condimento para la preparación de
diversos platillos típicos; éste se logra al triturar la semilla seca la cual posteriormente es
mezclada con harina, chiles y vinagre, formando una masilla que es laminada y cortada en
pequeños bloques de 50 gr y que son la presentación de venta al público. Otros de los
principales usos del achiote es para colorear productos lácteos y cárnicos como las
mantequillas, quesos, margarinas, chorizos, jamones, etc.
En la alimentación de las aves de corral se ha encontrado que el residuo que queda después
del proceso de preparación del achiote, es una buena fuente de vitamina A. Se tienen
experiencias en el sentido de que agregando un 3% de harina de achiote, a la ración
alimentaria de las gallinas ponedoras aumenta el contenido de carotina de los huevos y por
lo tanto mejora el color de las yemas. En las raciones para pollitos puede reemplazar del
30% al 50 % del maíz.
PRODUCTO DESCRIPCIÓN DEL PRODUCTO
APLICACIÓN
Polvo soluble en agua Extracto de achiote con
carbonato de potasio e hidróxido de potasio.
Mezclas secas, sopas, bebidas, pasteles, cereales, postres, tabletas
Líquido soluble en agua Extracto de achiote en solución de potasio
Quesos, cereales, pasteles, bebidas, bocadillos, conos de helados, helados, embutidos.
Líquido soluble en aceite Extracto de achiote en aceite vegetal.
Margarinas, grasas y aceites, mantecas, aderezos,
{ B - 16 }
CAPÍTULO I ______________________________________________________________________
14
mantequillas, mezcla de especias, pastas.
Suspensión soluble en aceite
Suspensión de extracto de achiote en aceite vegetal.
Quesos procesados, confituras, cobertura de dulces, aderezos, margarinas.
Color de la emulsión Achiote purificado, procesado y emulsificado con propilen glicol, monoglicéridos e hidróxido de potasio.
Bebidas, yoghurt, helados, mantequillas, margarina, quesos, mantecas, dulces, confituras, bocadillos, aderezos para ensaladas, elaboración de coberturas.
Tabla 2. Productos y usos del achiote.
1.3.4 Sector industrial.
La materia tintoria del achiote es poco empleada en la industria textil; básicamente para
modificar o avivar ciertos tintes. Pero por el contrario, ha tenido gran aplicación para dar
color a los barnices, aceites y grasas animales. Lo anterior es debido a que los colores del
achiote resisten mucho tiempo a la acción del jabón y los ácidos, pero cambian rápidamente
al contacto con el aire.
En nuestro país las principales industrias consumidoras del achiote o la bixina se
encuentran ubicadas básicamente en el sector alimenticio, esto es posible afirmarlo, pues se
realizaron entrevistas telefónicas y personales con aproximadamente 30 empresas
vinculadas con los colorantes, teniéndose como resultado los mostrados en la siguiente
tabla:
EMPRESA LOCALIZACIÓN PRODUCTOS EN LOS QUE INCORPORAN EL ACHIOTE
1. EL YUCATECO MÉRIDA,
YUCATÁN Elaboración de condimento de achiote a
partir de la semilla. 2. LA ANITA MERIDA,
YUCATÁN Elaboración de condimento de achiote a
partir de la semilla. 3. ESCOSA DISTRITO
FEDERAL Elaboración de condimento de achiote a
partir de la semilla. 4. LOL - TUN DISTRITO
FEDERAL Elaboración de condimento de achiote a
partir de la semilla.
CAPÍTULO I ______________________________________________________________________
15
5. LA EXTRA MÉRIDA, YUCATÁN
Elaboración de condimento de achiote a partir de la semilla.
6. CONDIMENTOS Y PRODUCTOS MARÍN
MÉRIDA, YUCATÁN
Elaboración de condimento de achiote y carnes procesadas y condimentadas.
7. INDUSTRIAL ALIMENTARIA DEL SURESTE
MÉRIDA, YUCATÁN
Producción de pasta de achiote
8. PRODUCTOS LA CHATA
CULIACÁN, SINALOA
Preparación de cochinita pibil enlatada
9. ANDERSON CLAYTON
DISTRITO FEDERAL
Elaboración de bixina y norbixina.
10. INDUSTRIAS ALIMENTARIAS FABP
DISTRITO FEDERAL
Colorantes naturales para la industria láctea y de cárnicos
11. KOHASTAM DE MÉXICO
DISTRITO FEDERAL
Elaboración de colorantes naturales.
12. WARNER JENKINSON
DISTRITO FEDERAL
Elaboración de colorantes naturales
Tabla 3. Principales consumidores de achiote en México.
Es necesario destacar que en los últimos años se ha presentado un aumento constante en el
aprovechamiento del achiote como colorante natural; esto debido a las disposiciones de la
Secretaría de Salud, que incluyen la sustitución de los colores artificiales como el amarillo
40 y el rojo 14 para la elaboración de productos alimenticios de consumo humano, por los
naturales como la bixina o el colorante de la paprica.
1.3.2.5 Sector medicinal.
El achiote es muy apreciado para la pronta curación de quemaduras, tanto que cuando se
aplica oportunamente evita la formación de ampollas. También es antidisintérico y agente
útil que facilita la digestión de ciertos alimentos. En envenenamientos con la yuca brava, es
eficaz administrándose a cucharadas cada hora, variando según la gravedad del caso.
CAPÍTULO I ______________________________________________________________________
16
Las ramas y hojas tiernas picadas y puestas a macerar en agua fría suministran un
mucílago espeso y abundante de sabor análogo al de la goma arábiga y que tiene
propiedades tan estimulantes como ella.
Aplicadas las hojas en la frente alivia los dolores de cabeza y de su cocción es usada
frecuentemente para la curación de enfermedades de la garganta, como la angina; excelente
hemostático en las heridas leves.
1.3.2.6 Mercado.
El achiote se comercializa principalmente en forma de semilla seca en el mercado
internacional; en pasta o en polvo casi no se realiza, observándose que ésta es la
presentación más popular en la entidad.
El mercado más importante es probablemente Rusia, que importa de 100 a 150 toneladas de
semilla al año, principalmente de la India. Otros países que importan arriba de 100
toneladas anuales son Argentina, Israel, Japón, Portugal y Nueva Zelandia; es consumido
también por Colombia, Cuba, España y Suiza. { B - 16 }
En México se tienen datos de exportación hacia los Estados Unidos y los países bajos
durante los años de 1972 y 1973, no obstante en los últimos años este mercado ha sido
satisfecho por Costa Rica y el Perú; inclusive, México importó de Guatemala, Perú y Costa
Rica en el año de 1995 grandes cantidades de la semilla para satisfacer las necesidades de
la industria de los condimentos del centro del país.
En México el principal productor de achiote es Yucatán, empresas como “La Anita”, “La
Extra”; “Marín”, etc., consumen casi la totalidad de la producción de semilla.
Si bien es cierto que se tiene identificado un mercado potencial de consumo, éste es
mayoritariamente para la semilla seca; hasta el momento, por no existir una tecnología
adecuada para la separación de la semilla, esta no representa un beneficio económico para
el productor por lo que opta en transformarla en pasta, que si bien tiene un precio de venta
en el mercado mucho mayor, la lentitud con la que esta se comercializa y la elevada
CAPÍTULO I ______________________________________________________________________
17
competencia, nulifican nuevamente la posibilidad de una mas justa retribución al esfuerzo
del campesino. En el siguiente capítulo se expondrán las técnicas actuales de obtención de
semilla usadas por el campesino y diversas máquinas de trilla desarrolladas por algunas
industrias para la obtención de semillas como el frijol, arroz, etc., que como podrá
apreciarse no son susceptibles de aplicarse al achiote.
Fig. 8 Pasta de achiote producida domésticamente.
CAPITULO II _____________________________________________________________________ 18
2.1 Generalidades de la cosecha de granos.
La cosecha de granos incluye la recolección de granos tales como semillas de oleaginosas,
pastos, alfalfa, lino, trébol, girasol, trigo, cebada, avena, centeno, arroz, sorgo, maíz,
arvejas, soya y frijol. Para éste efecto, se desarrollan las siguientes operaciones básicas:
• Separación de la parte aérea de las plantas con respecto a sus raíces, mediante una
operación de corte.
• Secado y postmaduración del material cortado.
• Separación de las semillas de las espigas o vainas mediante una operación de trilla.
• Limpieza y clasificación de las semillas.
La separación de la parte aérea de las plantas mediante el corte del cultivo deja un rastrojo
en el campo. En el caso de la cosecha del maíz, se arrancan las mazorcas de los tallos,
dejando los restos de las plantas en el campo.
Por otra parte, en el caso de la cosecha de cultivos como arveja, soya y frijol es, a menudo,
necesario levantar las plantas para evitar el corte de las vainas que quedan cerca del suelo.
También se pueden cortar las arvejas y frijoles con una cuchilla ligeramente por debajo de
la superficie del suelo.
Luego del corte, puede ser inminente dejar que el material cortado se seque. El secado se
requiere cuando: (1) El material contiene gran cantidad de hierbas verdes, (2) Cuando la
maduración de las semillas no es uniforme y, (3) Cuando el ambiente es húmedo. El secado
es particularmente necesario en el caso de la cosecha de granos en vainas y de semillas de
pasto y de alfalfa.
La separación de los granos de las espigas o vainas se efectúa por impacto y/o fricción
sobre el material cortado y seco. Esta operación se llama trilla, cuyo resultado es una
mezcla de paja, pajilla, granos y residuos. En la operación de limpieza se separan los
granos de las impurezas.
CAPITULO II _____________________________________________________________________ 19
2.1.1 Cosecha manual de granos.
La cosecha manual se aplica cuando se trata de pequeñas parcelas y bajo condiciones que
económica o técnicamente no permiten el empleo de maquinaria.
2.1.1.1 Operación de cosecha manual.
La cosecha manual requiere más tiempo que la cosecha mecanizada debido a que la
capacidad del hombre es limitada. Por esto, se inicia el corte del cultivo lo más temprano
posible para disponer de un tiempo suficiente que permita la realización de las demás
operaciones.
Como resultado del corte temprano, el material necesita un secado y un tiempo de
postmaduración que puede demorar hasta varias semanas, para el secado y la maduración,
se une el material cortado en gavillas, éstas se juntan en hacinas de diferentes formas y
tamaños según las exigencias climatológicas; de esta manera, el material queda protegido
contra lluvias y pájaros.
Cuando los tallos y granos están bastante secos y maduros, el material puede ser trillado en
el campo; sin embargo, muchas veces no se dispone de suficiente tiempo para realizar la
trilla de inmediato. Por eso, para evitar mayores pérdidas, se junta el material en hacinas
grandes o en depósitos bajo techo para su posterior trillado.
2.1.1.2 Corte del cultivo.
El corte manual del cultivo se realiza con diferentes tipos de herramientas, según la región
y el tipo de cultivo; entre las herramientas más comunes se encuentran la hoz, la zapa
flamenca, la guadaña, la cuchilla arrocera y el machete. La hoz y la cuchilla arrocera se
usan principalmente para la siega de arroz, éstas permiten una siega minuciosa e impiden
que las espigas se desgranen antes de tiempo. Para la recolección de otros cereales, se
CAPITULO II _____________________________________________________________________ 20
utiliza principalmente la guadaña y el machete, la guadaña es fundamentalmente un
instrumento
para cegar hierba a ras del suelo. Bajo la misma línea, la zapa flamenca se usa por ejemplo,
para el corte de arveja, soya o frijol.
2.1.1.3 Secado y maduración.
Después del corte, el paso siguiente es el del secado de los productos. Una de las prácticas
más comunes es la de exponer directamente al sol las plantas cortadas para eliminar la
humedad. Es importante denotar que de un adecuado secado dependerá la posibilidad de un
tiempo de vida en almacén prolongado pues se evitarán la proliferación de hongos y moho,
que dañarán rápidamente los granos pudiéndose tener considerables pérdidas; otro factor
importante para llevar a cabo el secado de los granos es el del transporte, al eliminar peso
por humedad, el productor estará en la posibilidad de transportar de forma más económica
su mercancía a los centros de acopio o distribución.
2.1.1.4 Trilla
Después del secado y la maduración, los granos deben ser trillados, o sea separados de las
espigas o vainas. Existen varias herramientas y equipos para efectuar la trilla:
• Trillado primitivo. Esta operación se realiza mediante el golpeo del material con
látigos o mayales, o haciendo que los animales pisoteen las mieses.
• Trillado rotativo. Consiste en pasar un rodillo de costillas sobre las mieses.
• Trilladora de tambor. El tambor es accionado por medio de un pedal, este equipo se
usa, por ejemplo en países productores de arroz.
• Desgranadora. Consiste en una tolva pequeña, un disco desgranador y un dispositivo
para sujetar la mazorca contra el disco desgranador. El disco es accionado por medio de
una manivela.
CAPITULO II _____________________________________________________________________ 21
La separación de los granos de las espigas o vainas se realiza mediante el impacto y la
fricción que se aplica con las herramientas y equipos sobre el material. La separación será
más completa si se golpea el material con mayor fuerza, si el rodillo de costillas tiene más
peso y si gira el tambor a mayor velocidad. Sin embargo, si la trilla se realiza con
demasiada intensidad se corre el riesgo de quebrar granos, por eso, el operario deberá tener
cuidado de mantener la velocidad adecuada, la cual es difícil lograr en la trilla manual.
2.1.1.5 Limpieza.
El material trillado requiere de limpieza para separar los granos de la paja, de la pajilla y de
otras impurezas. Un método primitivo es el que consiste en aventar los granos al aire. Para
esto se emplean útiles tales como horcas, cestos y harneros. La operación depende de la
presencia de vientos continuos y constantes. Si no hay viento, la limpieza por aventado se
realiza con la ayuda de ventiladores.
2.2 Trilla y limpieza del achiote.
Como se explicó anteriormente, el achiote es un producto agrícola muy conocido y
aprovechado, no tan solo en México sino también en gran parte de América Central y
algunos países de América del Sur como Brasil y Colombia. Al ser una planta rústica,
requiere en términos generales un nivel de cuidado muy bajo, lo que le ha permitido
adaptarse a las regiones tropicales del Africa y Asia, donde se ha introducido
satisfactoriamente. En Europa y los Estados Unidos, se procesa eficientemente la semilla
para obtener industrialmente la bixina e incorporarla como colorante a los procesos de
elaboración de quesos y embutidos principalmente.
A pesar de lo anterior, el desarrollo de una tecnología exclusiva para el achiote se
encuentra aún en un nivel incipiente en la mayoría de los países dedicados a su cultivo,
hasta la fecha, la gran mayoría de los productores de América lleva a cabo la exposición
directa al sol del fruto para su secado, la separación manual de semilla y la elaboración
CAPITULO II _____________________________________________________________________ 22
doméstica de la pasta, lo que conlleva a bajos niveles de rendimiento y una ganancia
reducida del producto.
Durante el desarrollo del presente capítulo, se indicarán los procedimientos y técnicas, así
como algunos de los equipos probados hasta el momento para el trillado de la semilla de
achiote.
2.2.1 Separación de la semilla.
Aunado al problema del secado del achiote, otro de los puntos en los cuales no se cuenta
con avances técnicos para el procesamiento del fruto es en la separación y colección de la
semilla; actividades que son realizadas completamente en forma manual por los
productores del estado de Tabasco, bajo los siguientes métodos:
2.2.2 Colección de la semilla en verde.
Cuando el fruto ha madurado; es decir, cuando presenta una coloración roja intensa en su
exterior, el productor corta del árbol aquellos racimos que ya estén listos; posteriormente,
separa las cápsulas de sus ramas y finalmente abre cada una de ellas oprimiéndolas entre
sus dedos y así extraer la cutícula que contiene las semillas. Esta actividad además de ser
ardua, involucra un alto nivel de desperdicio de colorante, pues al estar la semilla aún
húmeda es muy posible que la pasta acuosa que contiene el colorante sea aplastada por las
paredes del fruto o los dedos del agricultor al momento de oprimir la cápsula.
Este procedimiento se justifica por la suavidad que presentan los apéndices espinudos de
la superficie y la facilidad con la que abre la cáscara; cuando el fruto se seca, estos
mismos apéndices dificultan la extracción, pues resultan dolorosos y lastiman la mano;
sin embargo, el bajo nivel de aprovechamiento y la alta duración del proceso, lo vuelven
improductivo.
CAPITULO II _____________________________________________________________________ 23
Fig. 9. Corte con machete de los frutos del achiote.
2.2.3 Colección de semilla en seco.
Una vez que el achiote ha sido secado, es susceptible de ser almacenado durante largos
periodos; no obstante, para el campesino que pretende producir pasta a partir de frutos
secos no le es conveniente aplicar la técnica anterior para separar la semilla, pues la dureza
externa del fruto y espínulas lesionan los dedos , por lo que se procede a utilizar una
técnica diferente, la cual se describe a continuación.
Cápsulas por romper
Cápsulas rotas, de donde se buscan las
semillas
Búsqueda visual y colección manual
Fig. 10. Proceso manual de colección de semillas
CAPITULO II _____________________________________________________________________ 24
El fruto del achiote seco es extendido sobre una manta blanca, posteriormente, se le golpea
con un palo, con lo cual se rompen las paredes externas de la cápsula liberando así la
semilla; como la superficie es blanca, el alto contraste de la semilla con la superficie
permite por inspección visual ubicar las semillas y las cáscaras, separándose manualmente
una de otra.
Este método resulta aún mas ineficiente que el anterior. Muchas de las semillas no se
desprenden del envoltorio que las cubre al momento de golpearlas, por lo que el productor
puede desechar lo que el considera basura con una cantidad significativa de semilla; otras
semillas no son vistas entre la gran cantidad de ramas, hojas y pedazos de cáscara que se
encuentran presentes, con lo que son también eliminadas y por último, la fatiga acumulada
por esta actividad condiciona progresivamente a una disminución de la atención y por
ende, de la identificación de las semillas.
La labor exige demasiado tiempo y esfuerzo por parte de la comunidad, pues por entrevista
directa con los grupos ejidatarios, familias y propietarios de parcelas se estimó que para
desgranar 1 costal con 8 kilogramos de fruto se requiere del trabajo de dos personas todo
un día.
Fig. 11. Desechos de la colección de semillas.
Grupos de semillas
Cápsula rota con semillas
Desperdicio
CAPITULO II _____________________________________________________________________ 25
Otra variante a esta técnica es la de introducir las cápsulas en un costal, colgarlo y luego
golpear vigorosamente para quebrar los envoltorios; cuando se considera que se ha
desmenuzado lo suficiente, el producto es cribado con malla del número 4 para eliminar las
ramas y cáscaras de mayor tamaño y luego ventilado para separar la basura ligera.
Ésta segunda variante si bien es mucho mas eficiente que la anterior, sigue presentando el
problema de falta de desprendimiento de mucha de la semilla, con lo que también se pierde
aquella que se confunda con la basura. El tamizado por su parte requerirá arduo trabajo y si
consideramos que una hectárea en condiciones óptimas de producción es capaz de generar
2 toneladas de fruto o más y recordando la información anterior, encontraremos que la
necesidad de implementar nuevas tecnologías es un punto primordial.
Fig. 12. Proceso de separación por golpeo.
CAPITULO II _____________________________________________________________________ 26
2.3 Equipos industriales y semi-indutriales de colección.
2.3.1 Máquina trituradora de granos.
Atendiendo a la necesidad de contar con equipo capaz de desprender la semilla seca del
fruto, se analizó la posibilidad de usar un triturador de granos desarrollado por el
departamento de Ingieniería Mecánica Agrícola de la Universidad de Chapingo. El
esquema de funcionamiento del equipo es el siguiente:
M
2. El fruto seco se introduce en la tolva del molino de martillos.
1. Un motor eléctrico genera el movimiento del eje del molino.
3. Al girar los martillos, golpean fuertemente al fruto, rompiendo totalmente la cápsula y cutícula con lo cual la semilla se separa
4. Los fragmentos y semilla salen del interior al ser proyectados hacia un tamiz que regula el tamaño del producto molido.
5. Semilla y la cápsula triturada salen del molino y se colectan en sacos
Fig. 13. Molino de granos.
CAPITULO II _____________________________________________________________________ 27
El equipo presenta aún diversos inconvenientes, como son trituración excesiva del fruto,
daños a la semilla y elevado riesgo de accidentes por la forma en que debe introducirse el
fruto; normales si se considera que no fue proyectado para las condiciones y características
del achiote, lo cual es también parte de los objetivos que esta investigación comprende más
adelante.
Sin considerar los inconvenientes presentados anteriormente, el molino se usó para avanzar
en otras áreas; sin embargo, se tenia ahora el problema de como separar la semilla de la
basura molida en una forma rápida, eficiente, segura y que no involucre un elevado
esfuerzo humano. Por lo tanto, al analizar las propiedades geométricas y físicas, tanto de la
semilla como de la cápsula, se observó que la densidad de la semilla es un 30 % mayor al
del material que compone la cápsula, esto dió pauta para el uso de una corriente de aire que
arrastrara el material triturado de la cáscara, pero que no afectara la semilla.
A fin de iniciar los estudios, se construyó un prototipo de separador por aire que se conectó
a la entrada de un ventilador centrífugo del cual se disponía en el laboratorio de cárnicos
del Instituto Tecnológico de Villahermosa. El principio que se planteó como útil era que, al
estar mezcladas tanto la basura como las semillas se les podía dar a ambas un impulso
inicial, aprovechando tanto la fuerza de gravedad como la fuerza de arrastre de la corriente
de aire; posteriormente, y al estar en condiciones de equilibrio, tanto la fuerza de arrastre,
como el peso de la semilla, estas no se verán perturbadas en su movimiento de caída debido
a la energía ganada y por lo tanto no serán absorbidas. Además, los cuerpos planos y
fragmentos ligeros se verán capturados por la fuerza del viento generada al momento de
entrar al ducto principal para enviarse posteriormente a un depósito de acumulación.
CAPITULO II _____________________________________________________________________ 28
VENTILADOR
CENTRÍFUGO
El producto triturado se vierte en el extremo superior del colector.
El aire entra tanto en el extremo superior como en el inferior
Tanto las semillas como el desperdicio son aceleradas por acción de la gravedad y el aire de entrada
La semilla y los fragmentos mas grandes son los únicos en caer.
En éste punto, la basura es atraída al interior del ducto por las corrientes de aire que confluyen.
Los fragmentos pequeños y ligeros son arrastrados por la corriente de aire.
Aunque el flujo de aire es contrario al movimiento deseado para la semilla, no es capaz de succionarla, pero si de atrapar material que no haya sido colectado
La inclinación y el aumento de sección disminuyen la velocidad del aire para asegurar que solo sea transportada á
Fig. 14 Colector de semillas por vacío.
CAPITULO II _____________________________________________________________________ 29
2.3.2 Máquina trituradora manual.
Durante el proceso de investigación se detectó la existencia de máquinas de operación
manual en el Estado de Chiapas. Estos equipos fueron revisados tanto en su sistema de
funcionamiento, capacidad, materiales de fabricación y rendimiento.
Los frutos secos se hacen pasar por la trilladora de clavos
La máquina es accionada manualmente por medio de la manivela
La trilladora de clavos rompe la cáscara del fruto y libera la semilla
A través de una criba se separa la semilla del material de desecho
Fig. 15. Máquina trilladora manual.
La máquina es de construcción simple, hecha casi en su totalidad de madera y accionada a
través de una palanca. Es importante indicar que en el Estado de Chiapas la producción de
achiote presenta un muy bajo nivel de promoción comparándolo con el Estado de Tabasco;
consecuentemente, para el agricultor chiapaneco el achiote no constituye una fuente
importante de recursos, el principal aprovechamiento registrado es en el sector doméstico,
en el cual la semilla es mezclada con cacao y maíz molidos con lo que se obtiene un polvo
CAPITULO II _____________________________________________________________________ 30
rojizo llamado “techlexcalate”, el cual al ser servido con leche constituye una bebida muy
popular en Chiapas. Debido a éste bajo nivel de producción, la capacidad de separación de
la máquina es muy reducida, pues su diseño responde a las condiciones del entorno.
Como conclusión al capítulo, se recordará en la primer parte de la investigación la
diversidad de industrias en la ciudad de Mérida que aprovechan el cultivo, ello ubica a
Yucatán como el mayor productor probable de achiote en el País. Contrario a las
expectativas del grupo de investigación, no fue posible identificar maquinaria diseñada de
forma exclusiva para el achiote, a pesar de haber efectuado tres visitas a la entidad.
CAPÍTULO III ____________________________________________________________________ 40
3.1 Despliegue de las funciones de calidad
La concepción de lo que la palabra diseño representa ha sido depurada notablemente en los
últimos años en nuestro país; para las escuelas de ingeniería, el diseñar no se debe restringir
a la impartición de modelos matemáticos o teorías útiles tan solo para especificar las
dimensiones y características de los elementos de máquina bajo estudio, las corrientes de
integración hacia la calidad de los bienes y servicios, obligan al encargado de la generación
de un nuevo producto a tener una visión más amplia de su entorno y de las exigencias que
este presenta en el momento.
El hablar de la calidad de una herramienta o máquina, no es un factor que se restrinja tan
solo a la alta resistencia de sus materiales, su elevada potencia, su alta velocidad de trabajo
o inclusive, al prolongado tiempo de vida que ha de poseer. En un mercado tan competitivo
como el que estamos enfrentando, la palabra calidad representa el entregar al entorno un
producto con la capacidad de satisfacer plenamente las necesidades de todos aquellos que
han de verse beneficiados por la nueva idea; un producto que considere las condiciones
económicas, sociales, políticas y culturales de los consumidores, que evalúe la capacidad
tecnológica de la industria donde ha de manufacturarse, que prevea tiempos de vida acordes
con la evolución de la sociedad y por supuesto, que cumpla con la función para la que ha
sido creado con eficiencia.
Aunado a lo anterior, la perspectiva que el ingeniero de diseño tiene de su labor, ha también
evolucionado, de sus decisiones dependerá en mucho la actividad productiva de una
empresa, la consolidación de la misma en el mercado, la capacidad de crecimiento y por
supuesto, la calidad generada.
El lograr un nivel adecuado de calidad puede ser una tarea ardua y complicada sino se
poseen los conocimientos y la sensibilización sobre lo que el concepto representa. Para
lograrla se hace necesario la aplicación de una técnica sistemática y orientada a la
satisfacción de las necesidades de los sectores de consumo; para el caso del desarrollo de
CAPÍTULO III ____________________________________________________________________ 41
esta tesis, la técnica sobre la cual se basarán las evaluaciones posteriores es la del
despliegue de las funciones de calidad. { B - 5 }, { B - 24 }
El despliegue de las funciones de calidad, conocido por las siglas QFD, cuyo significado es
Quality Function Deployment, es una herramienta mediante la cual, de manera sistemática,
se determinan los requerimientos del cliente y se traducen a requerimientos técnicos
mensurables, con objeto de establecer, durante la comprensión del problema, las
características que debe poseer el producto a diseñar.
La realización del despliegue de las funciones de calidad sigue la serie de pasos que se
ilustran a continuación.
METODOLOGÍA DEL QFD
PASO 6FIJACIÓN DE METAS DE DISEÑO
PASO 5TRADUCCIÓN DE LOS REQUISITOS
DEL CLIENTE EN TÉRMINOS MENSURABLES
PASO 4ESTUDIO COMPARATIVO (BENCHMARKING)
PASO 3PONDERACIÓN DE LOS REQUERIMIENTOS DEL CLIENTE
PASO 2DETERMINACIÓN DE LOS REQUERIMIENTOS DEL CLIIENTE
PASO1IDENTIFICACIÓN DEL CLIENTE
CAPÍTULO III ____________________________________________________________________ 42
Para el proceso de diseño, el término CLIENTE debe tomarse en su significado más
amplio, ya que representa no solamente al usuario o al comprador final del producto, sino
que, incluye también a quienes fabrican, distribuyen, comercializan y proporcionan servicio
al producto.
3.2 Identificación de los grupos vinculados con los equipos. (Identificación del cliente)
La palabra cliente debe tener un sentido muy amplio. Por supuesto se trata de la persona
que decidirá la compra del producto, siendo por ello la más importante; sin embargo se
trata también de la persona que utilizará el producto, es decir el usuario, el cliente más
importante desde el punto de vista funcional. Asimismo de quien patrocina el proyecto,
quien fabricará y ensamblará el producto. Del mismo modo, ciertas restricciones legales,
ubican al gobierno en una larga lista de clientes que deben ser considerados por el
diseñador.
Bajo estas bases y teniendo presente que el desarrollo del colector de semillas de achiote
busca optimizar y mejorar la productividad de un sector específico del agro tabasqueño
como meta inicial, se definen como clientes los siguientes grupos:
• Utiliza el producto
• Financia el proyecto
• Fabrica el producto
• Ensambla el producto
• Da mantenimiento al producto
3.2.1 Consumidor del producto.
En el estado de Tabasco, el impulso que se le ha dado al desarrollo de cultivos alternativos
ha sido notable; como se mencionó anteriormente, la intensificación del cultivo del achiote
tuvo desde sus orígenes la intensión de ampliar las expectativas de vida de los campesinos
tabasqueños.
CAPÍTULO III ____________________________________________________________________ 43
Al igual, se citó con anterioridad que a la fecha no se cuenta en el interior del estado con
una tecnología concebida explícitamente para el procesamiento del fruto del achiote y su
posterior transformación en bienes de mercado. La totalidad de los productores de achiote
emplean técnicas heredadas de sus antepasados, técnicas que respondieron en su momento
a las necesidades del entorno, pero que en la actualidad resultan inoperantes ante la
embestida de las actuales filosofías de calidad y desarrollo. Por lo tanto, el pensar en las
características que debe poseer un equipo de procesamiento de semillas de achiote, debe
forzosamente considerar los aspectos económicos, sociales y culturales del medio donde se
ha de desempeñar.
Específicamente para el estado, se encuentra que uno de los primeros factores a tomar en
cuenta es la gran distancia que existe entre los diversos centros de producción, esto debido
a que muchas de las comunidades y ejidos dedicados al cultivo de la planta se encuentran
enclavados en zonas de difícil acceso, tanto por las condiciones geográficas, como por las
grandes distancias a cubrir; comunidades que se encuentran a dos horas de camino en
automóvil de la cabecera municipal o a cinco horas de la capital hicieron que se planteara la
primer condición del diseño1 : “El equipo procesará los frutos de achiote producidos
por grupos ejidales que se localicen dentro de la región municipal de producción.”
Esto excluye la posibilidad de generar un equipo apto para operar en un centro de acopio,
que a su vez procese el achiote producido en todo el estado o una máquina que opere a
nivel de parcelas familiares.
Punto fundamental para el desarrollo de la tesis es el considerar el grupo social al cual
pertenecen la mayoría de los productores, en un elevado porcentaje, los campesinos
encargados de la producción del achiote pertenecen a algunas de las etnias o grupos
indígenas presentes en el interior de Tabasco, personas que en la gran mayoría son de
escasos recursos y no cuentan con los medios para la compra continua de refacciones o
para brindar un mantenimiento especializado a la maquinaria.
CAPÍTULO III ____________________________________________________________________ 44
Fig. 21 Mujeres Tzotziles encargadas del cultivo de achiote.
Ranchería Ignacio Allende, Tenosique, Tabasco.
Otro elemento importante es la participación de la mujer en las actividades agrícolas, la
mujer se encarga de la siembra, separación de la semilla, producción y venta de la pasta y
en menor medida de la cosecha, dada su estatura y complexión. Ante ello puede imaginarse
que el generar un equipo separador de semilla deberá llevarse a cabo pensando en las
necesidades fisiológicas y antropométricas de ambos sexos.
El grado de escolaridad es otro de los elementos a considerar, la educación primaria es en
promedio el nivel máximo de estudios para la población, de ahí que la sencillez del diseño
sea una premisa fundamental, debiéndose evitar el uso de controles o elementos de manejo
complejos.
3.2.2 Financiamiento del proyecto.
1 M. en I. Gladys Juárez Rojop, Coordinadora del proyecto de producción del achiote en Tabasco
CAPÍTULO III ____________________________________________________________________ 45
Hasta el momento no se han formado cooperativas o agrupaciones del achiote, a diferencia
de las ya establecidas del plátano o la copra; por lo tanto, la posibilidad de que sean los
grupos productores quienes patrocinen el proceso de investigación o adquieran el
herramental y equipos es aún distante.
Diversas instituciones gubernamentales y descentralizadas han apoyado los esfuerzos del
programa del achiote, El Instituto del Trópico Húmedo, Conacyt, el Instituto Nacional
Indigenista, SECOFI, el Instituto Tecnológico de Villahermosa, la Universidad Juárez
Autónoma de Tabasco, entre otros han participado en diversas fases del proyecto; estas van
desde la capacitación en el manejo del fruto, hasta el análisis químico - biológico. Si bien
se destinaron fondos en diversas áreas, los apoyos con los que se contó para el desarrollo de
esta tesis consistieron de:
• Beca para el desarrollo de tesis de maestría, aportada por CONACyT ( $ 6,000.00 ).
• Recursos para desarrollar investigación de campo en comunidades del municipio de
Tenosique, aportados por el INI y el Instituto del Trópico Húmedo.
• Compra de los insumos para construcción de un secador solar, en el cual también se
participó, con fondos del Instituto Tecnológico de Villahermosa.
• Apoyo total para la fabricación del prototipo de trilla, mediante el pago de materiales,
fabricación de componentes en talleres de la Ciudad de México y Villahermosa y
transporte por parte del CONACyT. En éste rubro si bien no se especificó un tope
máximo de gastos, se consideró que $ 14, 000.00 en promedio seria la cantidad de
dinero con que se contaría.
El objetivo es poder brindar a los agricultores la tecnología necesaria para la
transformación del fruto y el procesamiento de la semilla, dicha tecnología será distribuida
a través del programa de créditos para el campo. Se debe destacar que el número de
máquinas trilladoras que se plantea patrocinar por parte de SECOFI será de
aproximadamente entre 20 a 30 máquinas.
3.2.3 Fabricación del producto.
CAPÍTULO III ____________________________________________________________________ 46
El diseño de cualquier maquinaria o equipo debe estar forzosamente vinculada con la
capacidad de fabricación del medio productivo. Un punto muy favorable para el desarrollo
del proyecto es el que, no obstante no existe una industria metalmecánica grande, la
presencia de la industria petrolera en el estado ha favorecido la creación y consolidación de
diversos talleres y medianas industrias con equipo, maquinaria y personal calificado para la
fabricación de los prototipos y de los equipos finales.
Dentro del estado de Tabasco se han detectado talleres metalmecánicos que involucran
procesos de arranque de material, soldadura, pailería y prensas; sin embargo, no se han
identificado empresas dedicadas a las operaciones de inyección de plásticos, vaciado, forja,
recubrimientos y troquelado.
3.2.4 Ensamblado del producto
La posibilidad de que la máquina trilladora esté constituida por una variedad de piezas
independientes facilita las condiciones de mantenimiento y reposición de piezas; no
obstante, el montaje y desmontaje de cada una de las piezas puede resultar un verdadero
problema para aquellas personas que tradicionalmente no tienen un contacto directo con
máquinas; se debe recordar, que las mujeres serán muy probablemente quienes procesarán
el achiote en muchas de las comunidades y rancherías del estado. Para facilitar el
ensamblado se debe pensar en un diseño que solo permita una posición de entrada de las
piezas, la generación de diagramas e instructivos, así como un periodo de capacitación en el
uso de la máquina.
3.2.5 Mantenimiento del equipo.
A fin de preservar al equipo en condiciones de operación adecuadas, se establecerá un
programa de mantenimiento preventivo y lubricación, así como las condiciones de
conservación durante los periodos inoperantes. Asimismo, el mantenimiento preventivo
deberá ser efectuado por los agricultores, mientras que el mantenimiento correctivo o
especializado se llevará a cabo por la industria que halla fabricado las máquinas.
CAPÍTULO III ____________________________________________________________________ 47
3.3 Determinación de los requerimientos del cliente.
A través de encuestas, entrevistas directas o recopilación de información proveniente del
grupo de personas u organismos que conforman el concepto de cliente, se elabora un
listado de las características que deberá reunir el producto para ser considerado de calidad.
La lista de requerimientos se puede integrar en varios grupos:
3.3.1 Requerimientos funcionales.
3.3.1.1 Medio ambiente.
Como se explicó en el primer capítulo de esta investigación, Tabasco es un estado con una
elevada humedad ( en algunas ocasiones de hasta el 90 % ), altas temperaturas ( 46° C en
verano ) y uno de los niveles pluviométricos más intensos del país, que en últimas fechas
han resultado especialmente dañinos por la severidad de las inundaciones registradas ( mas
de dos metros de altura en algunas comunidades). Existe además, una destacada variedad
de especies de insectos y reptiles que conviven normalmente en las áreas habitadas por el
ser humano.
Es comprensible entender que lo más que pueden proveer los campesinos de forma
colectiva es un área con piso de tierra y techo rústicos, a base muy probablemente de
lámina galvanizada, así como una acometida para la energía eléctrica; las condiciones
económicas en las que viven no les permiten tener casas completamente acondicionadas
para su uso, por lo que una máquina tampoco puede esperar condiciones controladas de
humedad o temperatura, o que esté libre de insectos o reptiles.
CAPÍTULO III ____________________________________________________________________ 48
Fig. 22. Área de preparación de pasta de achiote.
Ejido Niños héroes, Tenosique, Tabasco.
Como nos ilustra la imagen anterior, la mayoría de las casas son de piso de tierra, algunas
con paredes y techo de lámina. Estas condiciones obligan a concebir un equipo a base de
materiales con baja tendencia a la corrosión y medios de inspección que permitan al
operario revisar la sección de trilla y comprobar que no se encuentren en ésta insectos o
reptiles.
Como conclusión a éste apartado se tienen las siguientes consideraciones:
• Trabajo bajo condiciones no controladas de humedad y temperatura.
• Trabajo bajo condiciones extremas de humedad y temperatura.
• Elevada proliferación en el medio de insectos y reptiles.
• Baja protección contra fenómenos naturales y posibilidad de inundaciones.
3.3.1.2 Rendimiento.
El achiote no es un cultivo que se presente todo el año, los principales meses de producción
son noviembre, diciembre y enero; presentándose un muy bajo nivel de floración en los
meses de julio y agosto. Según las estimaciones, para el segundo año de cosecha se
esperan un promedio de 200 kg/ hectárea, el cual se incrementará progresivamente hasta el
CAPÍTULO III ____________________________________________________________________ 49
quinto año donde es posible obtener rendimientos de 700 Kg / hectárea como total de los
tres meses. Es importante observar que una vez seco, el fruto pierde aproximadamente un
50% de su peso, por lo que un nivel de procesamiento de 350 kg / hectárea a procesar sería
la base.
Al recabar la información sobre la distribución de los grupos ejidales y rancherías
dedicadas al cultivo de la planta2 se encontró y acordó que estos podían ser agrupados por
zonas, de forma tal que se totalizaría un máximo de 40 hectáreas para extracción de
semilla. El total de fruto a trillar para obtener la semilla será de 14 toneladas bajo el
siguiente régimen de producción:
• Primer y tercer mes : 1750 kg de fruto seco para procesar. • Segundo mes de cosecha : 10500 kg
Por lo tanto si se distribuyen estas 10.5 toneladas a lo largo del mes de diciembre se tendrá
un rendimiento de 350 kg diarios de fruto de achiote seco procesado para obtención de
semilla.
Por conclusión se tiene un nivel de procesamiento de 350 kg al día.
3.3.1.3 Desempeño funcional.
Las actividades del campo son múltiples y muy variadas, por lo tanto resulta más práctico
que el nivel de rendimiento esperado se logre en jornadas diarias de 8 horas, donde uno o
dos de los integrantes de la familia consuma un muy bajo tiempo en la trilla y colecta de la
semilla.
De igual manera por las condiciones del medio social, los elementos de control de la
máquina deben ser muy básicos en las interfaces hombre - máquina, a fin de que no resulte
complicado la puesta en marcha, paro y regulación de los elementos de trabajo.
La última propuesta es la posibilidad de adaptación a cultivos como el frijol, lenteja o
sorgo, a fin de aprovechar la máquina durante todo el año.
CAPÍTULO III ____________________________________________________________________ 50
3.3.1.4 Fiabilidad.
Se debe obtener como producto final del proceso semilla seca y limpia, exenta de basura
como pajilla, ramas o tierra en un límite aceptable para el posterior procesamiento de 5 gr.
de impurezas en cada kg de semilla1.
Otro aspecto que es imprescindible denotar es el que la bixina se encuentra concentrada en
las paredes externas de la semilla; y es la bixina no la semilla, el principal producto
aprovechado por la industria. Por ello, el equipo de trillado que se genere debe contemplar
un mínimo de daño por golpeteo, compresión o corte de la semilla y así evitar que el
colorante quede depositado sobre las paredes del equipo.
3.3.2 Restricciones espaciales
Fig. 23. Aspecto típico de comunidad rural.
La totalidad de las áreas de producción cuentan con espacios amplios en los cuales puede
construirse un cuarto en el cual se instalará la máquina; además, la mayoría cuenta con 2 Investigación realizada por alumnos del Instituto Tecnológico de Villahermosa, área químico - biológica.
CAPÍTULO III ____________________________________________________________________ 51
construcciones que son utilizadas como bodegas o almacén. La principal restricción
espacial la constituyen las condiciones antropométricas de la población
3.3.3 Apariencia.
3.3.3.1 Forma.
Por tratarse de una máquina de tipo agrícola, la forma es totalmente restringida por las
operaciones a realizar por la misma y las relaciones de los mecanismos que la conforman.
El único punto a considerarse dentro de éste apartado es la búsqueda de la estética del
conjunto.
3.3.3.2 Textura.
La textura se cuidará en aquellos puntos en que exista contacto con alguna parte del cuerpo
humano durante la operación , como lo es el caso de las manos. Para las partes internas de
la máquina, la textura se fijará como la resultante de los procesos de fabricación
involucrados.
3.3.4 Manufacturabilidad
3.3.4.1 Cantidades a fabricar.
Como se explica en párrafos anteriores, el procesamiento de la semilla se llevará a cabo de
forma grupal por los integrantes del ejido o comunidad, si bien se tienen registradas más de
60 comunidades dedicadas al cultivo de la planta, algunas de ellas pueden servir como
centros de procesamiento y acopio, con lo que el total de máquinas a producir se estima
aproximadamente en 20, con un máximo de 30 unidades. No se descarta en ningún
momento la posibilidad de una mayor necesidad de máquinas, mas sin embargo ello seria
en un periodo posterior de avance del proyecto.
1 Condición manifiesta por las industrias “LOL-TUN” y “ESCOSA”, productores de condimento de achiote
CAPÍTULO III ____________________________________________________________________ 52
3.3.4.2 Capacidades de la empresa.
Por las características de la industria metalmecánica en el estado de Tabasco, las
operaciones necesarias para la construcción de la máquina trilladora se restringen a: Corte,
torneado, fresado, barrenado soldadura y pailería
Por el relativo bajo número inicial de unidades producidas, se deben evitar procesos de
vaciado, troquelado o inyección de plásticos que tan solo encarecerían el costo de la
máquina, por exigir que se lleven a cabo en otros estados, ya que estos procesos no se
encuentran en la región.
3.3.4.3 Facilidad de fabricación.
Al no contarse con procesos de fabricación adecuados para la manufactura de piezas de
formas complejas, las piezas de la maquinaria deben ser resultado de operaciones de
conformación simples a partir de perfiles y materiales comerciales.
3.3.4.4 Facilidad de ensamble.
En la medida de lo posible, se debe contemplar el concepto de ensamble modular y alta
intercambiabilidad de las piezas similares. No se debe considerar el uso de equipos para el
montaje eléctricos, neumáticos o hidraúlicos.
3.3.5 Conservación.
El equipo diseñado no debe necesitar mantenimiento complejo y delicado. Se pretende que
varias piezas sean comerciales y que en caso de deterioro solo sean reemplazadas. Debido a
la elevada humedad existente en la entidad, es fácil que las estructuras metálicas se vean
fuertemente afectadas por la oxidación, consecuentemente, se deben prever protecciones
contra la corrosión.
3.4. Identificación y ponderación de los requerimientos obligatorios y deseables.
3.4.1 Identificación de los requerimientos obligatorios y deseables.
CAPÍTULO III ____________________________________________________________________ 53
En base a lo expuesto en los apartados anteriores se identifican los siguientes
requerimientos:
Obligatorias Deseables
Trabajo bajo condiciones no controladas de
humedad y temperatura, Máx. 90% de
humedad y 46° C.
Protección contra inundaciones
Trabajo en áreas rurales dentro de
construcciones rústicas.
Adaptación a cultivos de la región.
Protección contra la penetración de insectos
y reptiles.
Sistema de recuperación de colorante
Capacidad de procesamiento de 350 kg.
diarios de fruto seco.
Diseño ergonómico
Sencillez de operación. Diseño estético
Obtención de semilla seca limpia Colores agradables
Bajo nivel de daño a la semilla Bajo nivel de ruido.
Intercambiabilidad de las piezas. Ensamble modular
Fabricación por torno, fresadora, soldadura,
y pailería.
Posibilidad de regular las condiciones de
trabajo en la máquina.
Uso de perfiles y materiales comerciales
para la elaboración de las piezas.
Operación segura.
Medidas de protección contra la corrosión
Nula contaminación a la semilla por aceites,
grasas o pinturas.
Tabla 4. Requerimientos del producto.
3.4.2 Ponderación de los requerimientos deseables.
CAPÍTULO III ____________________________________________________________________ 54
Un método sencillo y eficaz para llevar a cabo la ponderación de los requerimientos
deseables, consiste en la comparación por pares. El método implica tomar la decisión por
parte del diseñador de cual de ellos es más importante, y generar la posibilidad de descartar
aquellos irrelevantes. Es decir, para éste fin no se admite que se les califique como
requerimientos de importancia similar. Al confrontar dos requerimientos, el de mayor
importancia será identificado por el símbolo “+”, mientras que “0” denotará un
requerimiento de menor importancia
Requerimientos
deseables
a b c d e f g h i Número de
(+)
Peso relativo x 100
a.- Protección contra
inundaciones.
+ + 0 + + 0 0 + 5 13.8888
b.- Adaptación a cultivos
de la región.
0 + + + + + + + 7 19.4444
c.- Sistema de
recuperación de
colorante
0 0 0 + + 0 0 + 3 8.3333
d.- Diseño ergonómico + 0 + + + + + + 7 19.4444
e.- Diseño estético. 0 0 0 0 + 0 0 0 1 2.7777
f.- Colores agradables 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0.0
g.- Bajo nivel de ruido. + 0 + 0 + + 0 + 5 13.8888
h.- Ensamble modular + 0 + 0 + + + + 6 16.6666
i.- Sistema de
regulación.
0 0 0 0 + + 0 0 2 5.5555
100.00 Total 36
Tabla 5. Ponderación de los requerimientos deseables.
Del análisis anterior, se aprecia que el requerimiento de generar una máquina trilladora con
colores agradables no resulta relevante a fin de satisfacer las necesidades del cliente, siendo
CAPÍTULO III ____________________________________________________________________ 55
éste eliminado de evaluaciones posteriores. Por su parte, deben realizarse análisis con
objeto de establecer los medios por los cuales se verán cubiertas y a la par satisfechas
aquellas necesidades que han obtenido las más altas calificaciones y que por ellas se
obtendrá un productos de mejor calidad, recordando en todo momento que se trata de
necesidades deseables.
3.5 Estudio comparativo ( Benchmarking ).
Para esta fase de la investigación, se tomaron como base de comparación las técnicas y
equipos que hasta el momento ha sido posible identificar, como utilizados para el
procesamiento de las semillas del achiote en nuestro país; se debe aclarar, que se tiene
referencia de máquinas de origen brasileño que han sido probadas eficientemente para esta
tarea; no obstante, no ha sido posible obtener los datos acerca de su capacidad, sistema de
operación, eficiencia y costos, por lo que no se incluyen en éste apartado.
Para comparar se asignará una escala numérica que representará el grado de satisfacción
que brinda el producto a cada uno de los requerimientos del cliente, tanto obligatorios
como deseable.
La escala de comparación para el grado de satisfacción será:
-2 Negativo ( El equipo o técnica resultan contraproducentes para la necesidad )
0 Nulo ( El requisito no es considerado en el diseño o no es aplicable )
2 Restringido ( Muy bajo nivel de satisfacción logrado )
4 Regular ( El requisito es alcanzado pero es susceptible de mejorar )
6 Eficiente ( Satisface la necesidad sin ninguna contrariedad )
8 Excelente ( El equipo es el ideal para satisfacer el requerimiento ).
Requerimiento Designación I II III IV V
CAPÍTULO III ____________________________________________________________________ 56
REQUERIMIENTOS OBLIGATORIOS
1.-Trabajo bajo condiciones no controladas de humedad y
temperatura.
A 4 6 4 4 6
2.-Trabajo dentro de áreas rurales en condiciones rústicas B 8 8 8 2 6
3.- Protección contra la penetración de insectos y reptiles. C 2 6 6 2 6
4.- Capacidad de procesamiento de 350 Kg diarios D 2 4 6 8 8
5.- Sencillez de operación. E 4 6 8 6 8
6.- Obtención de semilla seca limpia. F 6 4 6 2 6
7.- Bajo nivel de daño a la semilla G 8 8 6 -2 6
9.- Intercambiabilidad de las piezas. H 0 6 6 4 6
10.- Fabricación por torno, fresadora, soldadura y pailería I 0 0 8 8 6
11.- Uso de perfiles y materiales comerciales para la
fabricación.
J 0 0 8 8 8
12.- Operación segura. K 6 6 8 -2 6
13.- Medidas de protección contra la corrosión. L 0 0 6 6 6
14.- Nula contaminación a la semilla por grasas o pinturas M 6 8 6 4 8
REQUERIMIENTOS DESEABLES
15.- Adaptación a cultivos de la región. a 6 8 6 8 4
16.- Diseño ergonómico b -2 -2 2 2 2
17.- Ensamble modular c 0 0 -2 0 2
18.- Sistema de regulación d 0 0 2 6 2
19.- Bajo nivel de emisión de ruido e 8 6 6 2 6
20.- Sistema de recuperación de colorante f 0 0 0 2 0
21.- Protección contra inundaciones g 0 0 2 0 0
22.- Diseño estético h 0 0 4 6 6
Tabla 6. Estudio comparativo.
I Separación de la semilla manualmente.
II Golpeteo de los sacos y limpieza por soplado.
III Máquina trilladora manual de clavos.
IV Triturador de granos.
V Máquina trilladora costarricense.
CAPÍTULO III _____________________________________________________________________ 57
3.6 Traducción de los requerimientos del cliente en términos mensurables.
Esta es una de las etapas decisivas dentro del proceso de diseño, y requiere la mayor
atención del grupo de trabajo. En esencia, es el objetivo de la técnica del despliegue de las
funciones de calidad ( QFD ); se trata de convertir un lenguaje que generalmente es
subjetivo ( requerimientos del cliente ), en otro mucho más concreto que fundamentalmente
consista en requerimientos que se puedan medir y controlar. En algunos casos, los
requerimientos del cliente no necesitan traducción ya que están expresados en términos
mensurables. En muchos otros, es necesario hacer una descomposición que puede derivar
en varios términos mensurables para cada requerimiento del cliente.
A continuación se lleva acabo la traducción de aquellas necesidades de diseño que resulten
subjetivas para la comprensión del problema.
3.6.1 Trabajo dentro de áreas rurales en condiciones rústicas.
Para éste requerimiento se debe evaluar el grado de desarrollo socioeconómico de las
posibles áreas donde se ha de utilizar el equipo, la posibilidad de irregularidades en el
terreno, uso de pisos de tierra, protección contra el medio ambiente reducida, entre otros,
pueden afectar el desempeño del equipo si no se consideran desde un inicio.
Por ello se descompone el requerimiento en los siguientes requerimientos específicos:
1. Capacidad de nivelación de la base con respecto al piso.
2. Posibilidad de trabajo aún sobre pendiente.
CAPÍTULO III _____________________________________________________________________ 58
Fig. 24 Condiciones típicas municipales, ( Nacajuca, Tab. )
3.6.2 Sencillez de operación.
La operación de un equipo implica dos tipos de esfuerzo, uno mental y otro físico; en el
primero se involucra el mínimo esfuerzo para entender el método de operación y para
controlar el funcionamiento de los componentes. En el segundo están implícitos la
comodidad que durante el trabajo pueda percibir el operario y la capacidad física necesaria.
Si bien ninguno es mensurable aún, esta partición nos permite ampliar nuestro panorama
sobre el grado de alcance que la evaluación tendrá. Así si se estudian los cuatro parámetros
tendremos:
1. Tiempo necesario para adiestramiento en el manejo del equipo
2. Escolaridad mínima necesaria.
3. Cantidad necesaria de personas para operar el equipo.
4. Precisión de los movimientos corporales.
CAPÍTULO III _____________________________________________________________________ 59
3.6.3 Obtención de semilla seca limpia.
La obtención de semilla limpia y seca es sin lugar a dudas el objetivo del desarrollo de la
máquina; no obstante debe entenderse lo que el concepto de limpieza implica para la
semilla y el máximo grado de impurezas permisibles. Por lo tanto, semilla limpia es aquella
que está libre de fragmentos de cáscara, hojas y ramas propias de la planta, producto del
proceso de trillado, así como de tierra, hongos y restos de plástico o yute de los costales.
Así, una de las posibilidades de aprovechamiento de la semilla es la venta directa a las
empresas dedicadas a la elaboración de condimento; por las características de su proceso y
producto, se encontró para éste rubro un 5 % del peso de la partida de impurezas℘ , en el
caso de un posterior procesamiento para la obtención de bixina, la cantidad anteriormente
citada es también válida.
3.6.4 Bajo nivel de daño a la semilla.
Al ser el colorante, el producto más valioso de la planta se debe cuidar de no depositar
cantidades significativas de éste en las paredes de los mecanismos que integran la máquina,
como resultado de la trilla; además, se debe evitar el aplastamiento de las semillas por las
mismas circunstancias.
3.6.5 Operación segura.
El cuidar la integridad física de las personas estará relacionado con la concepción de los
individuos sobre la importancia de su seguridad y la naturaleza del diseño, el cual puede
minimizar muchos de los riesgos si la concepción es la adecuada, por lo que se considera:
1. Edad mínima para operar el equipo. 2. Escolaridad mínima necesaria. 3. Conocimientos especiales necesarios. 4. Existencia de elementos de seguridad. 5. Resistencia de las piezas.
La siguiente tabla presenta un resumen de los conceptos antes señalados.
℘ C. P. Mauricio Camhi ( Industrias Escosa )
CAPÍTULO III _____________________________________________________________________ 60
Requerimiento del cliente Traducción en términos mensurables
Unidad de medida
Trabajo bajo condiciones no
controladas de humedad y
temperatura
Temperatura máxima de
trabajo.
Humedad relativa máxima
Grados Celsius ( º C )
%
Trabajo dentro de áreas
rurales en condiciones
rústicas
Capacidad de nivelación
Trabajo sobre pendientes
mm
Grados
Sencillez de operación
Tiempo necesario para el
adiestramiento.
Escolaridad mínima necesaria
Cantidad necesaria de personas
Precisión de movimientos
del operario
Horas
Grado escolar
Número de personas
mm
Obtención de semilla seca y limpia.
Porcentaje en peso de
impurezas
%
Bajo nivel de daño a la semilla
Porcentaje de semilla
fracturada.
Pérdida porcentual de colorante.
%
%
Operación segura
Edad mínima
Escolaridad mínima
Conocimientos especiales
Elementos de seguridad
Resistencia de las piezas
Edad del individuo.
Grado escolar
Horas de capacitación
Número de elementos
Kg/mm2
Bajo nivel de emisión de ruido Intensidad de ruido generado
por el equipo.
Decibeles
Protección contra
inundaciones
Nivel del agua alcanzado en la
región en temporada lluviosa.
Centímetros
Tabla 7. Traducción de requerimientos.
3.7 Fijación de las metas de diseño.
CAPÍTULO III _____________________________________________________________________ 61
A continuación se listan cada una de las necesidades para el equipo detectadas, su
traducción a términos mensurables y la meta fijada para diseño.
FIJACIÓN DE METAS DE DISEÑO
Requerimiento Traducción en términos
mensurables Meta de diseño.
Trabajo bajo condiciones no controladas de humedad y temperatura.
Temperatura máxima de trabajo Humedad relativa máxima
45º C 95 %
Trabajo dentro de áreas rurales en condiciones rústicas.
Capacidad de nivelación. Trabajo sobre pendientes
50 mm 5º
Protección contra insectos y reptiles Tamaño del insecto 5 mm Capacidad de procesamiento 350 Kg/día Sencillez de operación.
Tiempo de adiestramiento Escolaridad mínima Número de operarios Precisión de movimientos
8 horas Primaria
2 30 mm
Obtención de semilla seca y limpia Porcentaje de impurezas 5 % (máx.) Bajo nivel de daño a la semilla. Porcentaje de semilla fracturada.
Pérdida porcentual de colorante 5 % 10 %
Intercambiabilidad de las piezas Total Fabricación de componentes
Torno, fresadora, soldadura y
pailería Materiales de fabricación Comerciales en
la región Operación segura
Edad mínima para operar el equipo Escolaridad mínima. Conocimientos especiales. Elementos de seguridad. Resistencia de las piezas.
16 años Primaria
Levantamiento de cargas. Fusibles
mecánicos y guardas.
Óptima para soportar las
fuerzas Medidas contra la corrosión
Recubrimientos metálicos y
pinturas.
CAPÍTULO III _____________________________________________________________________ 62
Presencia de grasas, aceites o pinturas en la semilla.
Nula
Protección contra inundaciones 1 metro de elevación en el nivel del agua.
Nivel de adaptación a otros cultivos Pimienta Sistema de recuperación de colorante.
Porcentaje de colorante fijado a la máquina susceptible de recuperarse
70 %
Interfaces hombre - máquina Bajo diseño ergonómico.
Diseño estético Nivel de emisión de ruidos. 40 db Ensamble Modular Sistema de regulación Control para el
caudal de aire.
Tabla 8. Fijación de metas de diseño.
Con el análisis desarrollado se cuenta con una serie de datos que permiten identificar no tan
solo el nivel de impacto de la máquina en la región, si no además, se está en posibilidad de
afirmar que el modelo conceptual que se pudiera plantear, cuenta con el suficiente respaldo
para responder a las expectativas de todos los involucrados.
Las exigencias sociales obligan a pensar en un colector de bajo costo, pues la pobreza en
que viven los achioteros no les permitiría adquirir maquinaria sofisticada y costosa. La
posibilidad de construir la máquina por parte de los mismos productores resultaría de gran
ayuda, dada la limitante del aislamiento en comunicaciones que padecen algunas
comunidades; además, si se plantea el uso tan solo de perfiles y materiales que se ha
comprobado se comercializan en la región, se podrá garantizar la fabricación y
construcción de la máquina en la entidad.
CAPÍTULO IV _____________________________________________________________ 76
4.2 Diseño de detalle.
4.2.1 Diseño del conjunto de trilla
Una vez analizadas las diferentes alternativas para llevar a cabo la trilla del achiote se
seleccionó el concepto de barras rompedoras en eje vertical, por ser el modelo que mas se
ajusta a las necesidades de los diferentes grupos involucrados
Fig. 29 Modelo del conjunto de trilla.
Para el segundo año de cosecha* se proyectan rendimientos de 200 kg/ha. De fruto verde;
no obstante, el nivel de rendimiento debe incrementarse progresivamente hasta el 5º año,
en el que pueden esperarse 700 kg/ha.
Como el trillado se llevará a cabo por regiones se considera:
700 kg/ha. de fruto verde
350kg/ha. de fruto seco
Para un promedio de 40 ha. cultivadas
Total a procesar 14,000 kg. = 14 ton.
El ritmo de cosecha para los 3 meses es: 25% en el 1er. y 3er. Meses; 75% en el 2º. Mes.
∴14,000 (75%) = 0.75 (14,000)= 10,500 kg. de fruto en un mes.
Para calcular el ritmo diario:
CAPÍTULO IV _____________________________________________________________ 77
10,500 / 30 = 350 kg./día.
= 43.75 kg./hora ( jornadas de 8 horas)
= 0.729 kg./min. ≈ 0.75 kg./min.
Si se toma la opción de cubrir este ritmo a través de cargas continuas a intervalos
promedio de 30 segundos se tiene:
Carga = 0.375 kg. cada 30 segundos
El espacio en el cual se procesará el fruto será bajo la siguiente geometría:
h
d
Si el volumen de 1 kg. de fruto seco es igual a 50 000 cm3; entonces, el volumen a procesar
por cada carga será: 0.375 (50 000) = 18,750 cm3.
Siendo el volumen de un cilindro: Vd h
=π 2
4………………………………………( 1 )
El diámetro aproximado del cilindro de la cámara de trilla se obtiene por despeje de la ec. 1
siendo la ecuación: ( )( )dVh
=4π
..……………………………………( 2 )
Donde:
d.- Diámetro del cilindro
V.- Volumen del cilindro ( cm3 )
h.- Altura del cilindro
* Año de 1998, sin embargo al momento de desarrollar el presente trabajo no se cuenta aún con los resultados oficiales en cuanto a la producción obtenida.
CAPÍTULO IV _____________________________________________________________ 78
La altura del cilindro se toma en base a la dimensión máxima de un racimo seco, dejando
una holgura de 2 cm. A fin de que pueda entrar libremente a la cámara de trilla
B
A
Figura 30. Relación de proporción de un racimo de achiote.
En todas las muestras observadas A > B, siendo el valor promedio A = 15 cm.
∴ h = 17 cm.
Sustituyendo los valores del diámetro y la altura en la ecuación 2, tenemos:
d =⎡
⎣⎢
⎤
⎦⎥ =
4 18 75017
37 471 2( , )
( ).
/
π A fin de simplificar cálculos d = 40 cm.
El valor de 40 cm corresponde al diámetro de un cilindro que contenga el volumen a
procesar cada 30 segundos en la máquina. Si revisamos la figura 29 ( pag. 86 ), notaremos
un árbol de transmisión, una placa alojada en el mismo soportando un conjunto de barras
que llevarán a cabo el proceso de ruptura del achiote, se hace notar que como referencia, un
largo de brazo de 20 cm ( véase fig. 42, pág. 106 ), será con el que se inicien los cálculos;
no obstante es virtualmente imposible que 40 cm sea el diámetro final del cilindro de trilla
pues no se han dimensionado aún los diámetros del árbol y de la placa central de apoyo, los
cuales incrementarán la dimensión del cilindro
CAPÍTULO IV _____________________________________________________________ 79
4.2.2 Dimensionamiento de las barras rompedoras superiores.
Figura 31. Modelo descriptivo del primer nivel de trilla
Al girar el eje, las barras montadas en los brazos soporte se desplazan entre los espacios
libres existentes entre barras superiores, los racimos de achiote que penetran en éste primer
nivel son fracturados al ejercerse sobre ellos un efecto similar al de una tijera; el nivel de
ruptura pretendido no es severo, se persigue un desmenuzamiento del racimo pero sin
afectar la semilla. El efecto de corte se ilustra a continuación en la siguiente página:
CAPÍTULO IV _____________________________________________________________ 80
El conjunto central rota alrededor de su eje, accionando las barras
Al incidir las barras rompedoras, el fruto de achiote es fracturado
Figura 32. Acción de corte.
En el diseño de las barras se tienen dos condiciones de fuerzas diferentes, las barras A y C
se someten a esfuerzos de flexión y torsión combinados, mientras en la barra B se tienen
condiciones de flexión principalmente, en virtud de que la acción cortante de las barras
contiguas a B compensan la torsión, generando flexión básicamente por el aplastamiento
del racimo.
A
B
C
Figura 33. Identificación de barras con cargas similares.
CAPÍTULO IV _____________________________________________________________ 81
A fin de determinar la carga necesaria para trozar los racimos secos de achiote, se solicitó
apoyo al departamento de química y bioquímica del Instituto Tecnológico de Villahermosa*
, con objeto de que se desarrollara un prototipo de prueba que trabajara en condiciones
similares a como lo haría la máquina y de ésta forma estimar la fuerza a usar en los cálculos
de diseño.
Por resultado se tuvo una carga uniformemente repartida. q = 120 kg/m = 0.12
kg/mm
4.2.3 Diseño de la barra A
0.12 Kg/mm
c
170 mm Fig. 34 Carga en la barra.
Para la primer trilla se usará solera comercial de 25 mm ( 1” ) ancho, pues se trata de un
material altamente comercializable en cualquier parte del estado; el factor a calcular será el
espesor necesario. Por supuesto, se encontrará irónico el uso de un material que ofrece tan
baja resistencia mecánica y alta tendencia a la oxidación. Esto obedece exclusivamente al
objetivo de disminuir el costo; no obstante se llevará a cabo un análisis para el empleo de
Nylamid®, como una alternativa en contra de la humedad del medio, siendo decisión de las
dependencias que aportarán los recursos el definir el material a usar. No se considera acero
inoxidable por el elevado costo y las dificultades para adquirirlo.
Sustituyendo las condiciones iniciales por un sistema equivalente:
Mo
0.12 Kg/mm
T = 255 kg mm
R
* La investigación corrió totalmente a cargo de los alumnos tesistas del nivel licenciatura, a quienes solo se les asesoraba sobre las condiciones de la prueba.
Fig. 35 Sistema de carga equivalente
CAPÍTULO IV _____________________________________________________________ 82
T ql c= ( ) = .120 ( 170) ( 12.5 ) = 255 kg/mm……………………………………( 3 )
T.- Momento torsor generado por la carga repartida
q.- Carga uniformemente repartida a lo largo de la viga
c.- Distancia del extremo al centro de la sección transversal.
R V qlmax= = = 0.12 ( 170) = 20.4 kg. …………………………………………( 4 )
R.- Reacción en el apoyo.
Vmáx..- Máxima carga cortante
l - Longitud total de la viga.
Mql
kgmm= = =2 2
2012 170
21734
. ( ) …………………………………………( 5 )
M.- Momento flexionante en el apoyo.
Por ser un elemento de sección no redonda, los esfuerzos máximos debidos a la flexión no
coinciden con los esfuerzos cortantes máximos debidos a la torsión, por lo que se llevará a
cabo el análisis para sección no redonda. { B - 2 }, { B - 22 }
Se deben practicar chaflanes en las placas como se ilustra en la figura para asegurar que no
existe el riesgo de aplastar la semilla con los costados.
25 mm
Para el cálculo se considera un rectángulo equivalente de 20 mm de base.**
y
z
h = ?
20 = b
1734 kg mm
T= 255 Kg mm
x 20.4 Kg
Las ecuaciones del esfuerzo cortante para secciones no circulares son: Fig. 36 Cargas actuantes en la sección transversal
** G.S. Pisarenko propone el rectángulo equivalente de longitud similar al lado menor del trapecio.
CAPÍTULO IV _____________________________________________________________ 83
ταxy
Tbh
= 2 Para el lado largo ……………………………………………….( 6 )
τ γαxy
Tbh
= 2 Para el lado corto ………………………………………………( 7 )
τxy.- Esfuerzo cortante sobre el plano xy
T.- Momento torsor actuante sobre la sección.
b.- Base del rectángulo.
h.- Altura del rectángulo
α, γ .- Coeficientes que dependen de la relación h/b
Los valores de α y γ se interpolan de la siguiente tabla1:
bh
3.0 4.0 Interpolando
α 0.267 0.282 α = 0.2805 ………………. ( 8 )
β 0.263 0.281 β = 0.2792 ………………. ( 9 )
γ 0.753 0.745 γ = 0.7458 ……………….. ( 10 )
Obtenemos por sustitución en las ecuaciones 6 y 7 el valor del esfuerzo cortante en cada
lado de la barra.
τ xy h h1
2550 2805 20
4545452 2= =
. ( )( ).
Para el lado largo ……………………….. ( 11 )
τ xy h h20 7458
4545 3392 2=
⎛⎝⎜
⎞⎠⎟ =.
. . Para el lado corto ………………………..( 12 )
Por otra parte, la barra está sometida a una combinación de esfuerzos de torsión y flexión,
que requieren un análisis que involucre ambos casos.
Para el estado general de esfuerzos
1 PISARENKO,G.S., Manual de resistencia de materiales, .
CAPÍTULO IV _____________________________________________________________ 84
σσ σ σ σ
τmaxx y x y
xy=+
+−⎛
⎝⎜
⎞⎠⎟ +
⎡
⎣⎢⎢
⎤
⎦⎥⎥2 2
22
1 2/
………………………………. ( 13 )
τσ σ
τmaxx y
xy=−⎛
⎝⎜
⎞⎠⎟ +
⎡
⎣⎢⎢
⎤
⎦⎥⎥2
22
1 2/
………………………………………………. ( 14 )
σmáx .- Esfuerzo normal máximo σx
τmáx .- Esfuerzo cortante máximo τxy
σx .- Esfuerzo normal en la dirección del eje x .
σy .- Esfuerzo normal en la dirección del eje y.
τxy.- Esfuerzo cortante en el plano x - y. τxy
σx
Por otra parte:
σxx
McI
Mcbh
Mcbh
hh
= = = = =3 3 3 2
12
12 12 1734 0 520
520 2( )( . ) .h ……………………….…………( 15 )
M.- Momento flexionante actuante en la pieza alrededor del eje x.
c.- Distancia al centro de la sección transversal de la pieza sobre el eje y.
Ix .- Momento de inercia de la sección alrededor del eje x.
σy = 0 …………………………………………………………………………………. ( 16 )
El mayor esfuerzo cortante se encuentra en el lado largo por lo que éste será el de
evaluación .
Para acero AISI 1018
σc kg mm= 2109 2. / ……………………………………………………….. ( 17 )
σ σσ
adm maxc
F S= =
. . ……………………………………………………………… ( 18 )
σc.- Resistencia a la cedencia
F.S. Factor de seguridad
CAPÍTULO IV _____________________________________________________________ 85
Se propone un F.S. = 1.35
El esfuerzo admisible es por lo tanto:
σadm kg mm= =2109135
156222 2..
. / ……………………………………………………( 19 )
Sustituyendo los resultados de las ecuaciones 16 y 19 en 13 tenemos:
156222520 22
520 22
45452 2
2
2
2 1 2
.. . .
/
= ±⎛⎝⎜
⎞⎠⎟ +
⎛⎝⎜
⎞⎠⎟
⎡
⎣⎢
⎤
⎦⎥h h h
Resolviendo los términos entre paréntesis:
( )15 62222601
67652 01206611
24
4
1 2
..
. /. /
= ± +⎛⎝⎜
⎞⎠⎟
⎡
⎣⎢
⎤
⎦⎥h
hh
Resolviendo el radical.
15.6222 =2601 264 041
2 2
. .h h
± ⇒ 15.622 = 5241419
2
.h
y 15.622 = − 3941
2
.h
Empleando la teoría del esfuerzo cortante máximo : 15.622 = ( 524.1419 -(-3.941)) / h2
15622528 0829
2..
=h
h =528 0829156222
581411 2.
..
/⎡⎣⎢
⎤⎦⎥
= mm …………………………………………………….. ( 20 )
Para Nylamid 6
σc =8.4 kg/mm2 σ σadm max= = =8 4135
6 2222.
.. ………………. ( 21 )
Bajo un procedimiento análogo:
h =⎡⎣⎢
⎤⎦⎥
=52414196 2222
9171 2.
..
/
…………………………………………………………( 22 )
4.2.4 Barras rompedoras intermedias ( B )
CAPÍTULO IV _____________________________________________________________ 86
0.12 Kg/mm
R
Mo
Fig.37 Cargas sobre la barra intermedia.
Estas barras solo están sometidas a la acción de la carga uniformemente repartida, debiendo
tan solo soportar un esfuerzo de flexión.
Acero AISI 1018, con σc =21.09 kg/mm
q = 0.24 kg/mm …………………………………………………………………….. ( 23 )
R = Vmax =ql = 0.24 ( 170 ) = 40.8 ……………………………………………….. ( 23 )
M = ( )ql
kg mm2 2
20 24 170
23468= =
./ …………………………………………….( 25 )
Para el diseño de la sección de una viga se aplica:
S =Mmax
admσ …………………………………………………………………………. ( 26 )
S.- Módulo Elástico
Mmáx.- Momento máximo.
σadm .- Esfuerzo admisible
σσ
admc
F Skg mm= = =
. ...
. /210913
16 22 2 ………………………………………………… ( 27 )
Por otra parte, el módulo elástico S se puede expresar:
SIc
= ……………………………………………………………………………( 28 )
I.- Momento de inercia de la sección.
c.- Distancia al centroide , pudiendo tomar los valores y, y’
25 = b
Y
CAPÍTULO IV _____________________________________________________________ 87
20 = b1
h Y’
Fig. 38 Sección transversal de la barra.
El momento de inercia para un trapecio.
( )( )I
h b bb b
b b=
+ +
+
3 21 1
2
1
4
36……………………………………………………………….( 29 )
Sustituyendo
( )I
hh=
+ ++
=3 2 2
325 4 20 25 2036 25 20
18672( )( )
( ). …………………………………………( 30 )
La primer coordenada del extremo al centroide
yb bb b
h h=++
=++
=2
325 2 203 25 20
0 048141
1( )( )
( ). h …………………………………………( 31 )
La segunda coordenada del extremo al centroide
yb bb b
h h1 1
1
23
2 25 203 25 20
05185=++
=++
=( )
( ) ( )( )
. h …………………………………………( 32 )
Una vez obtenidos los valores de las coordenadas extremas ( 30, 31 ) y del momento de
inercia ( 29 ), se sustituyen en la ecuación 27 para encontrar el nivel del esfuerzo a tensión
y de compresión.
Para el esfuerzo a tensión
Sustituimos el valor de la distancia al extremo de la pieza sometida a tensión.
SIY
hh
h= = =186720 4814
387863
2..
. ……………………………………………………..( 33 )
CAPÍTULO IV _____________________________________________________________ 88
Igualando 33 y 26 y despejando el valor de la altura h:
38786346816 22
346838786 16 22
21 2
.. . ( .
/
h h= ⇒ =⎡
⎣⎢
⎤
⎦⎥)
h = 7.42457 mm ……………..( 34 )
Para la compresión
Se verifica que en y´ la barra está sometida a una carga de compresión.
SI
Yhh
h= = =1
3218672
0518536011
..
. ……………………………………………………. ( 35 )
Igualando 35 y 26 y sustituyendo el valor de h
3 6011346816 22
34683 6011 16 22
21 2
.. . ( .
/
h h= ⇒ =⎡
⎣⎢
⎤
⎦⎥)
h = 7.7 mm ….………… ( 36 )
4.2.5 Diseño por fatiga
Para sujetarse a la barra se utilizará un tornillo, el orificio para su alojamiento genera
concentraciones de esfuerzo que deben tomarse en cuenta.
4.2.5.1 Diseño del tornillo
A fin de conocer el diámetro del orificio en la placa, se procede a calcular el diámetro del
tornillo cabeza hexagonal “máquina” necesario para soportar la carga.
El primer paso consistirá en identificar la distancia entre el extremo de la barra y el centro
del orificio para el tornillo.
0 .24 K g m m
P
d
0 .2 4 K g m m
Fig. 39 Carga del tornillo.
CAPÍTULO IV _____________________________________________________________ 89
Para d = 15
+↓ = 15P - 3468 [M O Po = = −∑ ( ) . ( )( )15 0 24 170 85 ]
P = 346815
2312= . kg. …………………….. ( 37 )
Para d= 20 y por un procedimiento análogo al anterior.
P = 346820
173 4= . kg. …………………….. ( 38 )
Usando tornillo grado 5&
Esfuerzo de cedencia σc = 52.02 kg/mm2
Esfuerzo último σu = 64.64 kg/mm2
El esfuerzo normal
σ =PA
………………………………………………………………………….… ( 39 )
El esfuerzo admisible
σσ
admc
F Skg mm= = =
. ...
. /52 02
2 223 64 2 …………………………………………… ( 40 )
Sustituyendo el valor del esfuerzo admisible en la ecuación 39 y despejando el área:
AP
=σ
=173 423 64
7 33 2..
.= mm …………………………………………………….. ( 41 )
El área de un círculo está dada por la ecuación:
Ad
=π 2
4 ………………………………………………………………………… ( 42 )
A.- Área
d.- Diámetro de la sección
Despejando el diámetro de la ecuación 42:
dA
=⎡⎣⎢
⎤⎦⎥
=⎡⎣⎢
⎤⎦⎥
4 4 7 331 2 1 2
π π
/ /( . ) = 3.05 mm
& Los valores de resistencia indicados fueron extraídos del catálogo de tornillería de “CASA SOMMER S.A. tornillería 1997”.
CAPÍTULO IV _____________________________________________________________ 90
La medida comercial es ¼” ⇒ 6.35 mm …………………………………… ( 43 )
4.2.5.2 Cálculo por fatiga del tornillo.
En el cálculo anterior se encontró que un tornillo comercial de 6.35 mm de diámetro sería
capaz de soportar la carga; no obstante, ésta no será uniforme, sino que variará generando
condiciones de fatiga, por lo que es necesario evaluar bajo éste concepto. El esfuerzo
equivalente para las condiciones de fatiga se expresa por la ecuación: { B - 29 }
( )σ
σ σσeq
c v
fmR
=′
+ …………………………………………………………. ( 44 )
σeq.- Esfuerzo equivalente
σv.- Esfuerzo variable
σm.- Esfuerzo medio
σc .- Esfuerzo de cedencia
R´f.- Límite de resistencia a la fatiga del elemento mecánico
* Joseph Marin, propone una clasificación de los factores que modifican el límite a la
fatiga, los que se incluyen en la siguiente ecuación:
R´f = ( Rf x Cv x Cr x Cc x Cs ) / Kf ……………………………………………. ( 45 )
Donde:
R´f .- Resistencia a la fatiga real.
Cv.- Coeficiente de corrección por volumen
Cr.- Coeficiente de corrección por rugosidad.
Cc.- Coeficiente de corrección por confiabilidad.
Cs.- Coeficiente de corrección por soldadura
Kf.- Coeficiente real de concentración de esfuerzos.
* Citado en el manual de diseño mecánico, Mc Graw Hill, 3ª edición, pag. 307
CAPÍTULO IV _____________________________________________________________ 91
• Nota.- Marin propone el uso de un coeficiente de corrección por temperatura; sin embargo, a
temperaturas comprendidas entre los 0º C y los 50º C éste factor tiene valor 1, y por estar estas
temperaturas en el rango operación no se considera en la ecuación 45.
Los materiales sujetos a esfuerzos que alternan tensión o compresión tienen limites de
duración de aproximadamente 85% del límite de duración en flexión invertida.
Rf = 0.85 x 0.5σu …………………………………………………………..…… ( 46 )
= 0.85 x 0.5( 64.676) = 27.48 kg/mm2
En base a las tablas y datos del anexo 2, se identifican los valores correspondientes a cada
uno de los coeficientes de corrección de la ecuación 45
Debido a que la pieza no rebasa los 50 mm de diámetro :
Cv = 1
Valores para Cr
Ru kg/mm2 Cr
laminado en caliente
56.3 0.6
70.3 0.55
Interpolando Cr = 0.5702
Cc para una confiabilidad de 0.95
Cc = 0.868
Cs = 1
Por tratarse de una unión roscada Kf = 2.2 *
Ahora, substituyendo cada uno de los factores en la ecuación 45
Rf1 27 48 1 05702 0868 1
2 261821=
( . )( )( . )( . )( ).
.=
……………………………………. ( 47 )
* Consúltese anexo A 2.7
CAPÍTULO IV _____________________________________________________________ 92
Nuevamente se sustituyen en la ecuación 44 el resultado de la ecuación 45 y los
correspondientes esfuerzos de cedencia, variable y medio, teniendo:
σeqd
d=
⎛⎝⎜
⎞⎠⎟+
52 02220 77
61821110 382
2
..
..
Resolviendo:
σeq d=
1968 072
. …………………………………………………………..… ( 48 )
Ahora, si consideramos σeq = σadm , y si σeq. = 23.64 Kg / mm2 , despejamos el diámetro
d de la ecuación 48.
∴d m=⎡⎣⎢
⎤⎦⎥
=1968 07
236491241
1 2..
./
m
La medida comercial es 3/8” = 9.52 mm ……………………………………( 49 )
4.2.6 Diseño de la barra central por fatiga.
Con objeto de evaluar por fatiga la pieza se usará el procedimiento empleado en el cálculo
del tornillo ( ecuación 44 ), para nuestro caso se determinará σv aplicando nuevamente la
ecuación 15, pero considerando el esfuerzo en x como el esfuerzo variable:
σvfM cI
=( )( )
………………………………………………………………….( 50 )
Para las condiciones de compresión
I = 1.8672 h3 ( véase ecuación 31 )
c = y1 = 0.5185 h ( véase ecuación 32 )
Sustituyendo ambos resultados y el momento actuante en la sección.
σv
hh h
= =3468 0 5185
18672963 02
3
( . ).
.2 ………………………………………………..( 51 )
Como se trata de un esfuerzo fluctuante en un solo sentido, σm = ½ σv
∴σm h48151
2
. ……………………………………………………………………( 52 )
CAPÍTULO IV _____________________________________________________________ 93
σm = 481.51/h2
σv = 963.02/h2
Fig. 40 Comportamiento de carga.
Como la barra está barrenada con objeto de unirse con tornillería al soporte se tiene una
sensibilidad a la entalla que de acuerdo a Peterson { B - 27 }, { B -29 }, se define por la
siguiente ecuación:
Kf = 1 + q ( Kt -1 ) ……………………………………………………………..( 53 )
Kf. Coeficiente real de concentración de esfuerzos.
q. Coeficiente de sensibilidad a la entalla.
Kt. Coeficiente teórico de concentración de esfuerzos.
Por su parte, el coeficiente de sensibilidad a la entalla:
q ar
=+
1
1……………………………………………………………………… ( 54 )
a.- Coeficiente que depende de la resistencia última a tensión del material.
r.- Radio de la entalla.
Para el acero 1018 { B - 32 }
σc = 21.09 kg/mm2 σu = 56.24
Verificando la tabla A7 de los anexos, e interpolando para 56.24:
σu a
53 0.250
56.24 a = 0.2357
70 0.175
CAPÍTULO IV _____________________________________________________________ 94
Sustituyendo en la ecuación 54.
q =+
=1
10 2357
3 69
0 94..
. ……………………………………………………….……( 55 )
De la figura A 21 del anexo B
e
d/e = 1.2363
d/A = 0.476 Fig. 41 Obtención de Kt { B - 29 }
d = 9.52 ( Diámetro del barreno )
A = 20 ( Ancho de la barra )
e = 7.7 ( Espesor de la barra )
dA= =
9 5220
0 476.
.
de= =
9 527 7
12363..
.
De la gráfica se obtiene el coeficiente teórico de fatiga
kt = 1.5 …………………………………………….………………………………( 56 )
Sustituyendo 55 y 56 en 53
kf = 1+0.94( 1.5-1) = 1.47 ………………………………………………………. ( 57 )
Empleando nuevamente la ecuación 45
CAPÍTULO IV _____________________________________________________________ 95
RR C C C c
kff v r c s
f
1 =( )( )( )( )( )
Para el caso
Rf = 0.5Ru = 0.5 ( 56.24) = 28.12 kg/mm2
Cv = 0.85 Cc = 0.897
Cr = 0.6 Cs = 1
Sustituyendo en la ec. 45
Rf1 2812 085 0 6 0897
1478 75=
( . )( . )( . )( . ).
.= …………………………………………..( 58 )
Con los datos de las ecuaciones 51,52 y 58 encontramos el valor del esfuerzo eq. ( 44 )
σeqh
h=
⎛⎝⎜
⎞⎠⎟+
210996302
8 75481512
2
..
..
………………………………………………… ( 59 )
σ σ σσ
eq eq admc
h F Skg mm= ⇒ = = = =
2802 66 210913
16 2221 1
2. ..
. / ……………….. ( 60 )
Igualando ambas expresiones de 60.
16 222802 66 2802 66
16 222
1 2
.. .
.
/
= ⇒ =⎡⎣⎢
⎤⎦⎥h
h
h =13.14 mm Medida comercial 5/8” = 15.87 mm
Nota.- Es posible utilizar material de ½” = 12.7 mm
CAPÍTULO IV ____________________________________________________________________ 96
4.3 Diseño de los brazos soporte.
El propósito de esta pieza es servir como soporte a las barras rompedoras y a los peines de
trilla; por la naturaleza del trabajo, está sometida a cargas de flexión y torsión
simultáneamente, por lo que se requirió un perfil capaz de soportar dichas condiciones,
siendo el elegido el siguiente:
Árbol de transmisión
Barras rompedoras
Brazo soporte
Fig. 42 Identificación de las brazos soporte
A fin de identificar las condiciones de carga del elemento mecánico, se procede a
desarrollar la distribución de las barras rompedoras y de los espacios entre dientes de trilla
del peine.
CAPÍTULO IV ____________________________________________________________________ 97
4.3.1 Distribución de las barras.
Uno de los requisitos de calidad para el producto, es que la semilla no debe presentar
fracturas o perdida excesiva del colorante como resultado de la acción de trillado, para ello,
se debe prever un espacio en el cual la semilla pueda pasar libremente entre las barras. Al
llevar a cabo la revisión de diversas muestras de semillas se encontró que un espacio entre
barras de 5 mm es suficiente para permitir el paso.
El arreglo de las barras es:
-
Fig. 43 Acomodo de las barras rompedoras en el brazo
En el caso de las barras, éstas no están sometidas a las mismas cargas puesto que no
romperán iguales cantidades de material, la distribución de cargas, así como los momentos
ejercidos por cada barra sobre el soporte son:
En razón a la distancia al centro de la cámara, la cantidad de achiote a trillar aumenta, obligando a una mayor carga por barra.
CAPÍTULO IV ____________________________________________________________________ 98
Brazos soporte fijos
Brazos soporte giratorios
Fig. 44 Descripción de las condiciones de carga del brazo.
Las fuerzas efectivas que sobre cada barra rompedora se presentan, fueron establecidas
nuevamente por los alumnos de la ingeniería bioquímica, como parte de sus evaluaciones
para determinar las características físicas y químicas de la planta; los resultados fueron
utilizados para esta investigación, con los siguientes resultados:
40.8 Kg 31.5 Kg 12.2 Kg
CAPÍTULO IV ____________________________________________________________________ 99
980 Kg mm
28 Kg
3468 Kg mm 2677.5 1037
42.5 mm 60 60 47.5 Acción de las barras
superiores sobre el
soporte.
Efecto del peine de
trilla sobre el
soporte.
Por la diferencia entre las cargas aplicadas y la longitud de las barras y el peine, se genera
un momento torsionante en la pieza que tiene por valor:
T = Σ T s + Σ T i = ( 3468 + 2677.5 + 1037 ) + ( - 980 ) = 6202.5 …………….( 61 )
El momento flexionante y la resultante en la base se obtienen:
Mf
42.5 60 60 47.5
40.8 Kg 31.5 12.2 Acción de las barras superiores.
ΣV = 0 = -40.8 -31.5 - 12.2 +R
R = 84.5 Kg ………..( 62 )
ΣM = 0 = -(40.8)167.5 - (31.5)107.5 -
(12.2)47.5 + M
M = 7552.5 Kg mm…( 63 )
Acción del peine de trilla
ΣM = 0 = 28 ( 104 ) = 2926 Kg mm
M = 2926 Kg mm ….( 64 )
R
R
Mf
28 Kg
Superponiendo efectos de las ecuaciones 62, 63 y 64:
CAPÍTULO IV ____________________________________________________________________ 100
V total = 84.5 +28 = 112.5 Kg ………………………………………………… ( 65 )
MF total = 7552.5 + 2926 = 10 478.5 Kg mm …………………………………….( 66 )
Mf = 10 478.5 Kg mm
T = 6202.5 Kg mm
Los momentos flexionantes y torsor
a que se somete la pieza se ilustran
en el diagrama, para su fabricación
puede ser utilizado perfil comercial
en canal o construir un perfil en U a
base de solera y ángulo soldados.
Fig. 45 Cargas actuantes sobre el brazo soporte.
Al revisar las medidas comerciales de los perfiles en canal se observó que la dimensión
mínima de base es 3 pulgadas ( 76.2 mm ), que resulta demasiado elevada, pues se
incurriría en la generación de piezas demasiado pesadas.
A fin de lograr un diseño mas eficiente se construyó un perfil por soldadura a través del uso
de dos ángulos y solera, como se presenta en la figura de la siguiente página.
Nota.- Se debe destacar que previamente se analizó la posibilidad de usar ángulo más
ligero ( 1/8” x 1” ), no obstante, se encontró no satisfactorio para soportar los
esfuerzos inducidos y las condiciones de fatiga, por lo que no se presenta su análisis en
este trabajo. Se aclara que el desarrollo de comprobación seguido en ambos casos fue
el mismo que el que a continuación se presenta.
Ángulos de ¼” x 1”
Solera de ¼” x 2”
CAPÍTULO IV ____________________________________________________________________ 101
Fig. 46 Conformación del brazo soporte
El siguiente punto en el análisis es el de corroborar si el perfil propuesto es capaz de
trabajar sin riesgo bajo las condiciones citadas anteriormente.
Y YB
h
b
C´ CH
T MF MFMAX= 10478.5X
Tmax = 6202.5
Mfm = 5239.25 Tm = 3101.25
X
Fig. 47 Ejes principales de la sección y momentos actuantes
Para acero de bajo carbono σc = 22.49 Kg / mm2 y σu = 40.77 Kg / mm2 ….… ( 67 )
El perfil se evaluará con un procedimiento análogo al de las barras rompedoras.
La distancia al centroide c se determina por la ecuación:
( )[ ]( )( )[ ]c
Bh H h b
Bh b H h=
+ −
+ −
2 2 2 2
2 2 …………………………………………….……..……… ( 68 )
c´ = H - c ………………………………………………………………….…………( 69 )
El momento de inercia de la sección alrededor del eje X se define:
( )( )Ix
Bh b H hBh C
hb H h
H hh C=
+ −⎛
⎝⎜
⎞
⎠⎟ + −
⎛⎝⎜
⎞⎠⎟ + −
−⎛⎝⎜
⎞⎠⎟ + −
⎡
⎣⎢
⎤
⎦⎥
3 3 2 2212 2
22
….. ( 70 )
CAPÍTULO IV ____________________________________________________________________ 102
Para la flexión empleamos la ecuación 15 bajo la forma: σ vfM cI
=( )
Para evaluar el esfuerzo debido a la torsión que experimenta la pieza se emplean
nuevamente las ecuaciones 6 y 7
ταxy
Tbh
= 2
τ γαxy
Tbh
= 2
Al proponerse dos ángulos de ¼” x 1” y solera de ¼” x 2”, los valores de B y H en la
ecuación del momento de inercia ( 70 ) y los de b y h en las ecuaciones de esfuerzo
cortante (6,7) son respectivamente:
B = 50.798 mm
H = 31.748 mm
b = 6.34 mm
h = 12.69 mm
Por lo que al sustituir en la ecuación del centroide ( 68 ) tenemos:
c = 10.6732 mm
Y sustituyendo en 69
c´ = 21.0748 mm
De igual forma al sustituir en la ecuación de momentos de inercia Ixx ( 70 ).
Ixx =64262.2350 mm4
En la ecuación de σv ( 15 ) se sustituyen los valores de Mf, Ixx, con los valores de c para la
compresión y c´ para la tensión.
σv = ( 10478.5 )( 21.0748 ) / 64262.235 = 3.4364 Kg / mm2 Esfuerzo a tensión.
σv = ( 10478.5 )( 10.6732 ) / 64262.235 = 1.7403 Kg / mm2 Esfuerzo de compresión.
CAPÍTULO IV ____________________________________________________________________ 103
Rige el esfuerzo a tensión por lo tanto el esfuerzo variable y el esfuerzo medio son:
σv = 3.4364 Kg / mm2 ; σm = 1.7182 Kg / mm2
A fin de poder aplicar las ecuaciones del esfuerzo cortante en secciones de pared delgada
abiertas, es necesario primero transformar la geometría en una sección rectangular
equivalente.
t
⇒
H
B
c
beq
Fig. 48 Sección rectangular equivalente
c = 2 t ……………………………………………………………………….. ( 71 )
c = 2 ( 6.345 ) = 12.69 mm
beq = 2H + B - 2t ………………………………………………………………. ( 72 )
beq = 2 ( 31.748 ) + 50.798 - 2 ( 6.34 )
beq = 101.614 mm
b / c = 101.614 / 12.69 = 8
De la tabla del anexo 4 tabla A 27 tenemos que para b/c = 8 ⇒ α = 0.307
Sustituyendo en la ecuación 6:
( )( )τv = =6202 50 307 101 614 12 69 2
.. . . 1.2346 Kg / mm2
τm = 0.6173 Kg / mm2
Para llevar a cabo las evaluaciones por fatiga:
CAPÍTULO IV ____________________________________________________________________ 104
σσ σ
τ1 2
22
2 2, = +⎛⎝⎜
⎞⎠⎟ +
⎛
⎝⎜
⎞
⎠⎟x x …………………………………………………….. ( 73 )
τσ
τmaxx=
⎛⎝⎜
⎞⎠⎟ +
⎛
⎝⎜
⎞
⎠⎟
2
22 ………………………………………………….. ( 74 )
Para las condiciones de fatiga los esfuerzos normales se consideran equivalentes a una
condición de ciclo repetido.
σσ σ
τmaxeq eq
eq= +⎛⎝⎜
⎞⎠⎟ +
⎛
⎝⎜⎜
⎞
⎠⎟⎟2 2
22 …………………………………………………… ( 75 )
τσ
τmaxeq
eq=⎛⎝⎜
⎞⎠⎟ +
⎛
⎝⎜⎜
⎞
⎠⎟⎟2
22 …………………………………………………….. ( 76 )
Para obtener los esfuerzos equivalentes:
σ σv
f
m
R F S R′= −
1. . c
( Esfuerzo normal equivalente ) ………………………………… ( 77 )
τ τv
f
m
R F S R′= −
1. . c
( Esfuerzo cortante equivalente ) ………………………………… ( 78 )
Multiplicando las ecuaciones 77 y 78 por Rc.
( ) ( )σv
f
mRcR
RcF S
RcRc′
= −. .
σ …………………………………………………………….. ( 79 )
( ) ( )τ τv
f
mRcR
RcF S
RcRc′
= −. .
………………………………………………………….. ( 80 )
Y además:
σeq = Rc / F.S. τeq = Rc / F.S. …………..……………………………. ( 90 )
Tenemos :
( )σ
σσeq
v
fm
Rc
R=
′+
12 ……………………………………………………………… ( 91 )
CAPÍTULO IV ____________________________________________________________________ 105
( )τ
ττeq
v
fm
Rc
R=
′+
12
……………………………………………………………… ( 92 )
Para determinar el valor de la resistencia a la fatiga real kf se emplean las ec. 45, 53 y 54:
′ =× × × ×
RR Cv Cr Cs C
Kff
f
c
Kf = 1 + q ( Kt - 1 )
q ar
=+
1
1
En la pieza se tienen dos principales concentradores de esfuerzos; los barrenos que se
deben practicar para alojar los tornillos para las barras rompedoras, y la concentración que
se genera en las esquinas de los ángulos.
Fig. 49 Identificación de los concentradores de esfuerzo
Calculando Kf para los barrenos
El valor de a se identifica de la tabla A7 de los anexos.
Ru a Interpolando entre los valores anteriores a = 0.3349 ……………….. ( 93 )
l d
CAPÍTULO IV ____________________________________________________________________ 106
35 0.375
53 0.250
q =+
=1
10 33494 76
0 9342..
.
De los anexos en el cuadro A 21{B-29},para dA= =
9 5250 798
0187..
. y de= =
9 5212 7
0 7496..
.
e
K t =2.1 0.75
0.187
Tenemos Kt = 2.1, y sustituyendo en 53:
Kf = 1 + 0.9342 ( 2.1 - 1 ) = 2.0276 …………………………………………………. ( 94 )
Analizando la concentración de esfuerzos en las esquinas:
a = 0.3349; r = 0.5
Sustituyendo en 54
q =+
=1
10 3349
05
05988..
. …………………………………………………………. ( 95 )
De la tabla A 19 de los anexos para re= =
0512 7
0 03937..
. y De= =
25 412 7
2 0..
.
CAPÍTULO IV ____________________________________________________________________ 107
e
Tenemos un valor de Kt = 2.6
Kf = 1 + 0.5988 ( 2.6 - 1 ) = 1.95808 ……………………………………………. ( 96 )
Por lo tanto el valor de Kf que rige para diseño es 2.0276.
Para el caso de torsión y flexión:
Rf = 0.58 x 0.5 Ru = 0.58 x 0.5 ( 40.77 ) = 11.8233 …………………………… ( 97 )
Del anexo 2 obtenemos cada uno de los valores de los coeficientes a usarse en la tabla 45
Cv = 0.85
Cr = 0.76
Cc = 1
Cs = 0.833
( )( )( )′ =Rf
11823 085 0 76 08332 0276
313778. . . .
..= Kg / mm2 ……………………………. ( 98 )
Una vez obtenidos los valores de las variables, sustituimos en las ecuaciones del esfuerzo
equivalente ( 91 y 92 ).
CAPÍTULO IV ____________________________________________________________________ 108
( )( )σeq = +
12
22 49 3 4364
3137717182 14 033
. .
.. = . Kg / mm2 ……………………………. ( 99 )
( )( )τeq = +
12
22 49 12346
313770 6173 5 0419
. .
.. .= Kg / mm2 ………………………….. ( 100 )
Por lo tanto, al evaluar las ecuaciones 75 y 76 con los resultados de 99 y 100:
σ1 2
22
1 214 033
214 033
250419,
/. .
.= +⎛⎝⎜
⎞⎠⎟ +
⎡
⎣⎢
⎤
⎦⎥ = 15.6566 Kg / mm2
τ = ⎛⎝⎜
⎞⎠⎟ +
⎡
⎣⎢
⎤
⎦⎥
14 0332
5 04192
2
1 2.
./
= 8.6401 Kg / mm2
Como puede apreciarse los valores de los esfuerzos no sobrepasan a los permitidos
por el esfuerzo a cedencia, por lo que el perfil se acepta.
El factor de seguridad involucrado es :
F.S. = 22.49 / 15.6566 = 1.43 Factor de seguridad aceptable.
El plano correspondiente al estudio es el C2
4.4 Diseño de la placa central de apoyo.
CAPÍTULO IV ____________________________________________________________________ 109
Eje principal de trilla
Barras rompedoras
Brazo soporte
37 mm
Fig. 50 Identificación de la placa central de apoyo
Material propuesto: Nylamid M ( Fácil mecanizado, resistencia a la degradación por el
medio ambiente y ligereza )
Resistencia a la tensión = σt = 7.2 Kg/ mm2
Resistencia a la compresión = σc = 8.5 Kg / mm2
CAPÍTULO IV ____________________________________________________________________ 110
Resistencia última σu = 12 Kg / mm2
Los puntos críticos de la pieza son las entradas de alojamiento de los brazos soporte, la
placa está sometida a condiciones combinadas de torsión, flexión y esfuerzo normal.
En el caso de la torsión, esta es soportada por los flancos de las entradas y, dado el espesor
de la placa (37 mm) se tienen condiciones de resistencia muy favorables, por lo que no se
analizará por éste concepto.
La acción de los brazos soporte sobre la placa central tiene una magnitud de 112.5 kg
(véanse páginas 109 y 110 y ecuación 65), que genera un esfuerzo normal y un momento
flexionante, como puede apreciarse en la siguiente figura.
112.5 Kg
112.5 Kg
112.5 Kg
d
h
37
M
50
Z
Z
Fig. 51 Acción del brazo soporte sobre las entradas de la placa.
El valor de 50 mm, es una proposición hecha tomando en cuenta la necesidad de soportar
con tornillos los barras soportes, con el suficiente espacio para evitar la formación de
fisuras.
CAPÍTULO IV ____________________________________________________________________ 111
El objetivo del análisis es encontrar la sección resistente h, que va desde la base del
alojamiento de las barras soporte al alojamiento para el eje, considerando al elemento
como una pieza sometida al caso combinado de flexión y esfuerzo normal.
Para el caso combinado de flexión y esfuerzo normal:
( )σ = +
PA
M cIz
…………………………………………………………………. ( 101 )
El área de un rectángulo; A = b x h = 37 h ………………………………………. ( 102 )
El momento flexionante tiene por expresión:
M = P x d = 112.5 ( 50 + ½ h ) = 5625 + 56.25 h ………………………………… ( 103 )
c = 50 Para el esfuerzo de tensión.
c = 50 + h Para el esfuerzo a compresión
El momento de inercia alrededor del eje z para una sección rectangular:
( ) ( )I
b h hhz = = =
3 33
1237
123 0833. ………………..………………………. ( 104 )
Determinación de la longitud h por fatiga.
Sustituyendo el área, el momento flexionante y de inercia y la distancia al centroide en 101:
Para la tensión
( )( )σv h
hh
= ++112 5
375625 56 25 50
30833 3
. .. ……………………….……………………….. ( 105 )
Resolviendo:
El esfuerzo variable:
σv h h h= + +
30405 912172 91217 22
. .3
. …………………………………………………… ( 106 )
El esfuerzo medio
σ σm v h h h= = + +
12
152025 456 086 45608 62
. .3
. ……………………………………….. ( 107 )
Para la compresión.
CAPÍTULO IV ____________________________________________________________________ 112
( )( )σv h
hh
= −+112 5
375625 56 25 50
30833 3
. ..
+ ………………………………………………….. ( 108 )
Resolviendo el sistema entre paréntesis:
σv h hhh
hh
hh
= − + + +⎡
⎣⎢
⎤
⎦⎥
30405 28125030833
562530833
2812 530833
56 25308333 3 3
2
3
.. .
..
..
……………………. ( 109 )
Los esfuerzos variable y medio para la compresión resultan:
σ v h h h= − − −
15 2029 273651 91217 22
. .3
. ……………………………………………. ( 110 )
σ σm v h h h= = − − −
12
7 60145 1368 25 45608 62
. .3
. …………………………………… ( 111 )
Nuevamente se utilizan las ecuaciones 45, 53 y 54 para el análisis de fatiga.
a = 0.625 ………………………………………………………………………….. ( 112 )
q ar
=+
=+
=1
1
1
10 6256 34
0 9102..
. ………………………………………………… ( 113 )
Kt = 2.2 ………………………………………………………………………… ( 114 )
Kf = 1+0.9102 ( 2.2 - 1 ) = 2.0922 ……………………………………………… ( 115 )
Rr = 0.85 x 0.5 Ru = 0.85 x 0.5 ( 12 ) = 5.1 Kg / mm2 …………………………. ( 116 )
′ = =Rx x x x Kg
mmf
51 1 0 95 0897 12 0922
2 0772 2
. . ..
. ………………………………… ( 117 )
El esfuerzo equivalente: σeq
RcF S
=. . ……………………………………. ( 118 )
Rc.- Resistencia a la cedencia.
F.S. Factor de seguridad
Evaluando el esfuerzo equivalente a tensión y compresión en base a la ecuación 118 con
los datos de resistencia indicados para el Nylamid:
σeq = ( 7.2 ) / 1.3 = 5.5384 Kg/mm2 Para la tensión ………………….. ( 119 )
CAPÍTULO IV ____________________________________________________________________ 113
σeq = ( 8.5 ) / 1.3 = 6.5384 Kg/mm2 Para la compresión ………………( 120 )
Analizando las condiciones de tensión, sustituimos en la ecuación 91 los datos de 106, 107,
117 e igualando a 119.
55384
12
7 230405 912172 91217 2
2 077215202 456 086 45608 62 3
2..
. . .
.. .
=+ +
⎡⎣⎢
⎤⎦⎥ + + +
h h hh h h 3
.……. ( 121 )
Resolviendo el término entre paréntesis y agrupando por exponentes de igual base:
5538412 05919 3617 856 361786 06
2.. .
= + +h h h3
. ………………………………….. ( 122 )
Resolviendo el sistema tenemos h = 46.5 mm
Analizando las condiciones de compresión se aplican en la ecuación 91 los resultados de
110, 111, 117; siendo a su vez igualados con 120:
− =− − −⎡⎣⎢
⎤⎦⎥ − + +
⎡⎣⎢
⎤⎦⎥
6538485
152029 273651 91217 2
2 07727 60145 1368 25 45608 62 3
2 3..
. . .
.. .h h h
h h h. ………… ( 123 )
Operando los términos entre paréntesis
− = − − −6538469 8124 125661775 4188736684
2.. .h h h3
. ……………………………… ( 124 )
Resolviendo el sistema tenemos por valor de h = 60 mm.
∴El valor de h que satisface las necesidades de resistencia es h = 60 mm
usando como material Nylamid M.
Nota.- Las dimensiones obtenidas anteriormente son aceptables desde el punto de vista
mecánico, sin embargo sería necesario construir la pieza a partir de una barra de 25 cm de
diámetro, lo que involucra un elevado costo, no obstante la ventajas de resistencia, ligereza
y resistencia a la acción del medio ambiente.
CAPÍTULO IV ____________________________________________________________________ 114
Por lo anterior se analiza la posibilidad de fabricar el componente a partir de placa de
acero, con Rc = 22.49 Kg / mm2 y Ru = 40.77 Kg / mm2.
Siguiendo un procedimiento análogo al anterior obtenemos un valor de: h = 43 mm
para el acero de bajo carbono.
El plano de construcción que define las características finales de la pieza
es el designado C3
CAPÍTULO IV ____________________________________________________________________ 121
4.6 Diseño del árbol de transmisión.
Barras rompedoras y brazo soporte Árbol de transmisión
del conjunto de trilla
Fig. 54 Identificación del árbol de transmisión del conjunto de trilla
El árbol de transmisión del sistema de trilla se verá sometido a una combinación de cargas
simultánea:
1.- Momentos torsor y flector debidos a la transmisión de potencia del motor.
2.- Momentos torsor y flector debidos a las barras rompedoras.
Los momentos torsionantes en los árboles A y B estarán definidos por la ecuación:
Tt = Ttpol. Motriz x i x η …………………………………………………..…………. ( 133 )
Tt.- Momento torsionante en el árbol conducido.
Ttpol Motriz.- Momento torsor en el árbol motriz
CAPÍTULO IV ____________________________________________________________________ 122
i.- Relación de transmisión entre árboles.
η.- Eficiencia de la transmisión.
El par torsor a la salida del motor es:
T = 716 200 ( N/n ) …………………………………………………………………. ( 134 )
T.- Par torsor
N.- Potencia del motor en HP.
n.- Velocidad angular del motor en rpm.
Por lo que si sustituimos una potencia de 3 HP y 1750 rpm en 134:
T = 716 200 ( 3/1750 ) = 1227.77 Kg mm …………………………………………. ( 135 )
Al sustituir 135 y 132 en 133, se calcula el par actuante en el árbol intermedio ( B ):
TB = 1227.77 ( 3.81 ) ( 0.85 ) = 3976.1331 Kg mm ………………………………. ( 136 )
Nuevamente, sustituyendo 136 y 132 en 133 determinamos el momento en el árbol A:
TA = 3976.1331 ( 3.81 ) ( 0.99 ) = 14997.57 Kg mm ………………………………. ( 137 )
4.6.1 Análisis de cargas en el árbol de transmisión A.
La transmisión de movimiento y potencia al árbol induce en el mismo un esfuerzo
combinado, la torsión se evalúa en los pasos anteriores, mientras que la flexión se lleva a
cabo en dos ejes y son debidos a las fuerzas tangencial y flexionante .
Ft
Ff
Ff = Fuerza flexionante Ft = Fuerza tangencial.
Ff = C Ft ; donde para el caso C = 2* …………………………………………. ( 138 )
Ft = ( )2 TD
…………………………………………………………………………. ( 139 )
* El valor de 2 es dato indicado en los textos de diseño.
CAPÍTULO IV ____________________________________________________________________ 123
Primeros se calcula la fuerza tangencial empleando en la ecuación de la fuerza tangencial
(139) la torsión obtenida en 137 y el diámetro aproximado de la catarina.
( ) ( )Ft
TD
Kg KgA
A= = = ≅
2 2 14997 57300
99 98 100.
. …………………………………….. ( 140 )
Ff = 2 ( 100 ) = 200 Kg …………………………………………………………… ( 150 )
Ft = 100 Kg
d
a b
c
Ff = 200 Kg
Y
X
Z
Fig. 55 Dimensionamiento aproximado del árbol.
Análisis de cargas en el eje X.
Actuando en la dirección X se encuentra tan solo la fuerza flexionante, que al actuar con
los apoyos que las chumaceras brindan generan el siguiente diagrama.
Ff = 200 Kg
b
dc
a
522.4
71.5
Rbx
Rdx
CAPÍTULO IV ____________________________________________________________________ 124
+ Σ Mb = 0 = (200) (71.5) - Rdx (522.4) = 14 300 - 522.4 Rdx ⇒ Rdx = 27.37 Kg ……………………………(151) + Σ Fx = 0 = 200 +27.37 - Rbx ⇒ Rbx = 227.37 Kg ……………………………(152)
Los diagramas de cortantes y momentos flexionantes correspondientes son:
200 227.37
71.5 522.4
Mf max = 14 300 Kg mm en b ….. ( 153 )
14 300 Kg mm
27.37 Kg
200 Kg
27.37
Análisis de cargas en el eje z.
Rdz
319.9
c
d202.5
6202.5 Kg mm
Rbz
Ft = 100 Kg a
71.5b
+ Σ Mb = 0 = (100) (71.5) - Rdz (522.4) - 6202.5 = 7150 - 522.4 Rdz - 6202.5 ⇒ Rdz = 1.8137 Kg ………………… ( 154 ) + Σ Fx = 0 = 100 + 1.8137 - Rbz ⇒ Rbx = 98.186 Kg ………………… ( 155 )
CAPÍTULO IV ____________________________________________________________________ 125
Para el diseño de esta pieza se considera el uso de acero 4140
Resistencia al punto de cedencia σc = 44.289 Kg / mm2 ……………………….. ( 157 )
Resistencia última σu = 66.785 Kg / mm2 ……………………….…………. ( 158 )
4.6.1.1 Dimensionamiento del alojamiento de la catarina.
Los mayores esfuerzos ocurren en la transición del alojamiento de la catarina al punto
donde se apoya la chumacera, ubicándose éste a 32 mm del extremo.
14 300 → 71.5
X → 32.0
X = 6 400 Kg mm ……………………( 159 )
X
71.5
ax bx
32
14 300 Kg mm
Mf max = 7150 Kg mm en b …. ( 156 )
7 150 → 71.5
X → 32.0
X = 3 200 Kg mm …………………….( 160 )
367.29 Kg mm
6569.79 Kg mm 7150 Kg mm
32
100 Kg 1.8137 Kg
100 98.186
71.5 319.9 202.5
X
7150 Kg mm
6202.5 1.8137
CAPÍTULO IV ____________________________________________________________________ 126
az bz
El momento flexionante total que actúa en la zona es:
[ ]M f = + =6400 3200 71552 2 1 2/ Kg mm ………………………………….. ( 161 )
El criterio a utilizar para el dimensionamiento de la sección es el del esfuerzo cortante
máximo ( ec. 14 )
( )τσ
τmaxx
xy=⎛⎝⎜
⎞⎠⎟ +
⎡
⎣⎢
⎤
⎦⎥2
22
1 2/
Los esfuerzos normal y cortante son:
( )σxfM
D=
01 3. ………………………………………………………………………..( 162 )
( )τxy
TD
=0 2 3.
…………………………………………………………………………. ( 163 )
σx.- Esfuerzo normal
τxy.- Esfuerzo cortante
Mf.- Momento flexionante en la sección
T.- Momento torsor en el árbol.
D.- Diámetro de la sección del árbol.
Ahora se aplican los resultados de 137 y 161 en las ecuaciones 162 y 163 , obteniendo:
( )σ x D D
= =7155
0171550
3. 3 …………………………………………………………. ( 164 )
( )τ xy D D
= =15000
0 275000
3. 3 ………………………………………………………….( 165 )
Ahora podemos obtener el valor del esfuerzo cortante máximo con lo obtenido en 164 y
165
CAPÍTULO IV ____________________________________________________________________ 127
τmax D D D=
⎛⎝⎜
⎞⎠⎟ +
⎛⎝⎜
⎞⎠⎟
⎡
⎣⎢
⎤
⎦⎥ =
715502
75000 83095433
2
3
2 1 2
3
/.
…………………………………. ( 166 )
Wöler propone para el caso de árboles de transmisión el esfuerzo cortante máximo está
expresado por la ecuación:
τmáx = Cvc ( Rc / F.S. ) ……………………………………………………………... ( 167 )
Cvc = 2/3 Carga variable en un sentido.
Cvc = 1/3 Carga variable en 2 sentidos
Por lo tanto, y dado que el árbol esta sometido a carga variable en dos sentidos:
τmax
RcF S
Kgmm
=⎛⎝⎜
⎞⎠⎟ =
⎛⎝⎜
⎞⎠⎟ =
13
13
44 2892
7 3825 2. ..
. ……………………………………. ( 168 )
Igualando las ecuaciones 166 y 168 obtenemos por despeje el diámetro tentativo de la
sección:
7 38158309543 83095 43
7 381533.
. ..
= ⇒ =D
D D = 22.41 mm
4.6.1.2 Cálculo por fatiga del alojamiento de la catarina.
Para diseñar el árbol se deben encontrar los valores de los esfuerzos equivalentes, (véanse
ecuaciones 44, 45, 53 y 54).
( )σ
σσeq
v
fm
RcR
=′
+ ; ( )
ττ
τeq
v
fm
Rc
R=
′+
12
′ =RR xCvxCrxCcxCs
Kff
f
Kf = 1 + q ( Kt - 1 ) q ar
=+
1
1
Determinamos primero el coeficiente de sensibilidad a la entalla ( ec. 54 ) con el valor del
esfuerzo último y el correspondiente de “a” en la tabla A-7 del anexo
CAPÍTULO IV ____________________________________________________________________ 128
Para σu = 66.78 Kg / mm2 , a = 0.1892
q =+
1
101892
05.
.
= 0.7254 …………………………………….…………………….. ( 169 )
A fin de especificar el coeficiente teórico de concentración de esfuerzos se emplea la figura
A-13 del anexo 2. { B-29 }. 0.5
Para r/d = 0.5 / 22.41 = 0.02231 D/d = 32 / 22.41 = 1.4279
0.02
Kt = 2.1 …………………………………………………………………………. ( 170 )
El coeficiente real de concentración de esfuerzos resulta:
Kf = 1 + 0.7254 ( 2.1 - 1 ) = 1.7979 …………………………………………….…. ( 171 )
CAPÍTULO IV ____________________________________________________________________ 129
Para aplicar la ecuación de Joseph Marin se identifican los valores correspondientes a los
coeficientes de corrección a través de las tablas de los apartados A. 2.2 a A.2.6 del anexo 2,
obteniéndose los siguientes resultados:
Cv = 0.85 , Cr = 0.73 , Cc = 1 , Cs = 1 ……………………………..………………. ( 172 )
Para el caso sobre el ensayo a probetas de acero pulido y sin muescas, sujetas a esfuerzos
de torsión invertida, la relación con el esfuerzo último por flexión invertida estará en
función de la siguiente proporción.
Rf = 0.5 x 0.58 Ru …………………………………………………………………… ( 173 )
Donde Ru = 66.78 Kg/mm2
Rf = 0.5 x 0.58 ( 66.78 ) = 19.3662 Kg / mm2 ………………………………………. ( 174 )
Una vez completados los datos es posible calcular la resistencia a la fatiga del material.
R´f = ( 19.3662 x 0.85 x 0.73 ) / 1.7979 = 6.6837 Kg / mm2 ……………………….. ( 175 )
Aplicando el resultado 175 en las ecuaciones de los esfuerzos equivalentes, tenemos:
( )σeq D D
= =44 28 71550
6 6837474019 91
3
..
.3 ………………………………………………….. ( 176 )
( )τeq D D
= =
12
44 28 75000
6 6837248440 23
3
.
..
3 ………………………………………………. ( 177 )
Finalmente, solo es necesario sustituir 176 y 177 en la ecuación del esfuerzo cortante
máximo ( ecuación 14 ).
∴τmax D D=
⎛⎝⎜
⎞⎠⎟ +
⎛⎝⎜
⎞⎠⎟
⎡
⎣⎢
⎤
⎦⎥
474019 912
248440 233
2
3
212. .
= 343360.26 / D3 …………………. ( 178 )
De 178 despejamos el diámetro :
Dmax
=343360 26
3.
τ ……………………………………………………………………. ( 179 )
Si τmax = Rc / F.S. = 44.28 / 2.5 = 17.71 Kg / mm2 ………………………………….( 180 )
El diámetro del árbol en el alojamiento de la catarina (sprocket) será entonces:
CAPÍTULO IV ____________________________________________________________________ 130
∴D =343360 26
17 713
..
= 26.86 mm ⇒ D = 28 mm
El valor de los diámetros del alojamiento de la chumacera ( punto b ), y de la placa central
de apoyo se obtuvieron por procedimientos completamente análogos al anterior, por lo que
solo se indicarán los resultados obtenidos.
En el punto b ( apoyo con chumacera ) tenemos:
[ ]Mf = + =14300 7150 15987 882 212 . Kg mm ……………………………………( 181 )
T = 15 000 Kg mm
Con lo que se obtiene un diámetro = 33.13 mm
Diámetro de chumacera comercial = 1 3/8” ⇒ Db = 34.92 mm ≅ 35 mm
Para la sección C ( alojamiento de la placa central de apoyo ) :
14 300 Kg mm
Mc - 202.5 14 300 - 522.4 Mc = 5543.16 kg mm
b 319.9 c 202.5 d
Mf = +6569 79 5543262. 2. = 8595.85 Kg mm………………..………………… ( 182 )
T = 15 000 Kg mm
De donde el mínimo diámetro es Dc = 27.87 mm Se aprecia notoriamente que las necesidades de resistencia disminuyen conforme se alejan
del punto b, no sería práctico maquinar el alojamiento de la placa central de apoyo a 28
mm, dejando la sección de soporte de la chumacera a 34.92 mm.
CAPÍTULO IV ____________________________________________________________________ 131
28 35 27.87
No recomendable
Por lo que a partir de una barra de sección redonda de 38.1 mm ( 1 ½ “ ) se maquinará el
árbol de transmisión con una forma similar a la siguiente. ( Véase plano C4 )
28 35 38.1 19
Fig. 56 Geometría del árbol de transmisión A
4.6.2 Diseño del árbol B
El árbol B tiene como función el alojar polea y catarina de la primer reducción de
velocidad, como se explicó, el motor transmitirá en primer lugar a una polea de 15 pulg.
reduciendo la velocidad a 450 rpm aprox. La segunda reducción se llevará a cabo por
medio de cadena, con el objetivo de no incrementar notoriamente el largo de los árboles,
dado el ancho mayor de una polea.
En el caso del árbol B. éste se
encuentra sometido a un mayor número
de cargas:
• Una fuerza flexionante y tangencial
generadas por la acción de las
bandas sobre la polea.
• Una fuerza flexionante y tangencial
perpendiculares en dirección a las
primeras, ocasionadas por la cadena
Polea 15 2 RA
Árbol A Cadena
Banda
Salida del
Árbol B
Fig. 57 Identificación del árbol B
CAPÍTULO IV ____________________________________________________________________ 132
A fin de soportar dichas fuerzas y el momento torsor, se propone un árbol de 43 milímetros
de longitud, esto con objeto de contrarrestar el momento flexionante inducido sobre el
material del árbol B.
Catarina Polea 15 2 RA
Árbol B
Chumacera
Fig. 58 Detalle de conjunto del árbol B
Tomando como base el procedimiento utilizado en las páginas 131 y 132, se determinan el
valor de las fuerzas que sobre la polea y catarina se presentan, y que a su vez inciden sobre
el árbol de transmisión, con los siguientes resultados.
Y
a b c
CAPÍTULO IV ____________________________________________________________________ 133
Apoyo de la chumacera
Apoyo de la chumacera
251.26 Kg
Z
Efecto de la catarina 200 Kg
X Fig. 59 Cargas actuantes en el árbol B.
Análisis de fuerzas en x:
20.87 ∑Ma = 0 = (20.87x18) + (200x9) - Rbx(25)
Rbx = 87.02 Kg …………..………………… ( 183 )
∑Fx = 0 = 20.87 + 200 - Rax + 87.02
Rax = 307.8964 Kg …………………..…….. ( 184 )
Rbx
9 200
9
Rax 25
41
Rbz
Análisis de fuerzas en z. 9
251.26 ∑ Ma = 0 = -41(18) + (251.26)9 - Rbz ( 25 )
Rbz = 60.9336 Kg ……………….…….. ( 185 )
∑ Fz = 0 = 41 - 251.26 - 60.9336 + Raz
Raz = 271.18 Kg. ………………………. ( 186 )
9 Raz
25
Los diagramas de cargas, cortantes y momentos flexionantes resultan:
CAPÍTULO IV ____________________________________________________________________ 134
20.87 200 307.89 87.02 41 251.26 271.18 60.9336
60.93
210.26
41 87.02
220.87
20.87
Momentos 369
1523.34
187.83
2175.66
Los momentos flexionantes máximos se localizan en el inicio del apoyo de la chumacera
superior, es necesario encontrar el momento total máximo actuante en el punto
considerado:
a) Momentos actuantes en el eje X b) Momentos actuantes en el eje Z
( )Mfa = + =217566 152334 2655952 2. . . Kg mm …………………………………. ( 187 )
Se aplican las ecuaciones 162 y 163 a fin de estimar el valor del esfuerzo cortante y normal
en la sección:
σ = = =M
D D Df
0126559501
26559 53 3.
..
.3 …………………………………..……...….………. ( 188 )
τ = =TD D0 2
19880 653 3.
. …………………………..………………………...………….. ( 189 )
Por la ecuación del esfuerzo cortante máximo:
CAPÍTULO IV ____________________________________________________________________ 135
τmax D D D=
⎛⎝⎜
⎞⎠⎟ +
⎛⎝⎜
⎞⎠⎟ =
26559 52
19880 65 23907 983
2
3
2
3
. . . ………………….………..………….. ( 190 )
Finalmente, aplicando el criterio de Wöler para condiciones de carga variable:
τmax
RcFS
Kgmm
= =⎛⎝⎜
⎞⎠⎟ =
13
13
44 282
7 38 2
.. ………………………………..…………… ( 191 )
Igualando 190 y 191:
D = 239087 38
14 793.
.⎛⎝⎜
⎞⎠⎟ = mm ………………………………………………………… ( 192 )
Éste el valor del diámetro en la zona de transición entre la catarina y la chumacera en
condiciones estáticas.
Al evaluar el árbol por condiciones de fatiga considerando el factor de concentración de
esfuerzos generado por el chavetero se obtiene un valor del diámetro igual a:
Diámetro en la zona crítica C = 18.59 mm
El valor comercial de chumacera mas próximo es ¾” = 19 mm ( Véase
plano C5 )
4. 6.3 Dimensionamiento del alojamiento de las cuñas. { B - 21 }
Las dimensiones de la cuña y por ende del alojamiento están en función del diámetro del
árbol; basado en la tabla A 2.9 del anexo 2 se tiene:
Para un diámetro del árbol = 35 mm
Base b= 10 mm ; Altura h = 8 mm ( min.)
La longitud de la chaveta se determina por la ecuación
CAPÍTULO IV ____________________________________________________________________ 136
( )τ =
⎛⎝⎜
⎞⎠⎟
T FSh
lr2
…………………………………………………………………………... ( 193 )
τ = 0.5777 σc ( Energía de distorsión ) ……………………………………………. ( 194 )
h = Altura de la cuña
l = Largo de la cuña
r = Radio del árbol
σc = 22.49 Kg / mm2 ( Cuña de acero al carbono 1018 )
τ = 0.577 ( 22.49 ) = 12.9767 Kg / mm2
( ) ( )
( )l
T FSh
r=⎛⎝⎜
⎞⎠⎟
=⎛⎝⎜
⎞⎠⎟
=
2
129334 1382
17 5 12 9767185
τ
. .
. ..
El largo de la cuña en el árbol A = 18.5 mm
Para la chaveta a utilizar en el árbol B se sigue un procedimiento totalmente análogo
teniéndose:
Base b = 6 mm
Altura h = 6 mm
En éste caso el largo de la cuña dependerá del valor de los cubos de la catarina y de la
polea alojados en el árbol.
CAPÍTULO IV _____________________________________________________________________ 137
4.7 Soportes superiores del armazón.*
La función de estos soportes es, además de proveer rigidez al equipo, servir de apoyo para
las barras rompedoras superiores.
Barras rompedoras superiores
Soporte
Conjunto giratorio
Fig. 60 Identificación de las barras en la estructura.
Perfil PTR
Ángulo
Figura 61 Disposición de la barra superior.
* Los criterios para el cálculo de la soldadura fueron tomados del manual de diseño mecánico, Tomo II, pag. 445, editorial Mc. Graw Hill.
CAPÍTULO IV _____________________________________________________________________ 138
Para el caso de las figuras anteriores se hace notar que el perfil en ángulo no será
considerado un elemento que deba soportar los esfuerzos inducidos por la torsión de las
barras, pues es solamente un medio para evitar el giro de la barra rompedora y con ello la
posibilidad de golpes. De esta forma, el componente tiene que soportar cargas similares al
del brazo del conjunto móvil, constituyéndose estas por un momento torsor y uno flector.
170 190 216 mm
121 mm
Fig. 62 Dimensionamiento preliminar del soporte y barras rompedoras superiores.
Si recordamos las condiciones de trabajo del equipo que se ilustran en la página 108,
encontraremos que los mismos criterios se aplican al dimensionamiento del soporte
superior y por ser piezas que interactuan bajo la misma condición, las cargas son idénticas,
solo que de sentido contrario.
95 60 60 60 20
12.2 31.5 40.8 40.8
493 1476.2 kg mm 4933811.
Fig. 63 Cargas actuantes sobre el soporte superior.
Momento torsor T = 1476.2 + 3811.5 + (4937 x 2 ) = 15161.7 kg mm ………..…. ( 195 )
CAPÍTULO IV _____________________________________________________________________ 139
Momento flector M = ( 12.2 x 200 ) + ( 31.5 x 140 ) + ( 40.8 x 80 ) + ( 40.8 x 20 )
M = 10930 kg mm ……………………………………..…..…… ( 196 )
Para el elemento, se propone utilizar perfil PTR de alta resistencia ( espesor de pared 3.175
mm; “1/8” ). El trabajo de diseño en éste caso consistirá en determinar el valor de la
dimensión “a” capaz de soportar los esfuerzos inducidos por las condiciones de carga
marcadas en 195 y 196.
Por estar la pieza ante una combinación de
esfuerzos de torsión y flexión en un perfil
de sección no circular {B - 22 }:
σx
M cI
=×
…………..…. ( ecuación 15 )
( )( )τxy
Tt a t a t
=− −2
…..…………. ( 197 )
t
a
a b
Fig. 64 Dimensiones básicas del perfil
Los datos de cálculo para aplicar las ecuaciones de los esfuerzos normal y cortante son:
La distancia al centroide de la sección c = ½ a …………………………………….. ( 198 )
I = ( 2/3 ) a3 t ……………………………………………………………………….. ( 199 )
I = ( 2 / 3 ) a3 ( 3.175 ) = 2.1165 a3
Calculando los esfuerzos normal y cortante:
10930 Kg M T
15161.7 Kg
Fig. 65 Comportamiento del momento flexor y torsor
Como la evaluación consiste en determinar si el elemento mecánico es capaz de soportar
las cargas a que está sometido, no se calcula por carga estática, pues no es esta la principal
CAPÍTULO IV _____________________________________________________________________ 140
causa de una posible falla; el elemento debe ser entonces evaluado por fatiga directamente
calculando en primer lugar los esfuerzos variable y medio que serán aplicados en la
obtención de los esfuerzos equivalentes:
( )σ
σσeq
v
fm
Rc
R=
′+
12 ;
( )τ
ττeq
v
fm
Rc
R=
′+
12
Sustituyendo la ecuación 15 con 196, 198 y 199 y considerándola como el valor del
esfuerzo variable:
σv
a
a a=
⎛⎝⎜
⎞⎠⎟=
1093012
211652582 09
3 2..
……………………………………………………… ( 200 )
Por lo que el esfuerzo medio será:
σm a=
12912 ………………………………………………………………………… ( 201 )
Empleando la ecuación 197 para calcular el esfuerzo cortante en la sección:
( )( )( )τxy a a=
− −15161 7
2 31748 31748 31748.
. . .
Resolviendo el denominador:
( )τxy a a=
− +151617
6 3496 6 3496 10 072
.. . .
τxy a a=
− +151617
6 3496 40 3174 63942
.. . .
Por lo que finalmente la ecuación del esfuerzo cortante resulta:
τxy va a= − +
2387 82 376 05823712382
. .. τ= ………………………………………….. ( 202 )
Como se consideró el resultado de 202 como el esfuerzo cortante variable, el esfuerzo
cortante medio es por lo tanto:
τm a a= − +
119391 188 02911856192
. .. ……………………………………………….. ( 203 )
El perfil PTR está hecho de un acero de bajo carbono para el cual los límites de resistencia
a la cedencia y resistencia última son:
CAPÍTULO IV _____________________________________________________________________ 141
Rc = σc = 22.49 kg / mm2
Ru = σc = 40.77 kg / mm2
El coeficiente real de concentración de esfuerzos es:
Kf = 1.84 …………………………………………………………………………... ( 204 )
( Para un coeficiente teórico de concentración de esfuerzos Kt = 1.9 y una sensibilidad a la
entalla q = 0.9342 )
Para materiales sujetos a esfuerzos que alternan a esfuerzos de torsión, la relación con la
resistencia última estará en función del esfuerzo último en flexión de acuerdo a la
proporción:
Rf = 0.58 x 0.5 Ru
Rf = 11.8233 ……………………………………………………………………….. ( 205 )
La resistencia real a la fatiga se obtiene empleando la ec. 45:
R´f = ( Rf x Cv x Cr x Cc x Cs ) / Kf
Consultando los anexos A.2.2 a A.2.5, se identifican los valores aplicables de los
coeficientes de corrección por volumen, rugosidad, confiabilidad y soldadura.
Cv = 0.85 ( Para una dimensión tentativa a 50 mm “2 pulgadas”).
Cr = 0.7 ( Por ser un producto laminado en caliente )
Cc = 1 ( Por no tratarse de fabricación en serie )
Cs = 0.5 ( Por estar soldado en ángulo en su extremo )
La resistencia real a la fatiga es por lo tanto:
R´f = ( 11.8233 x 0.85 x 0.7 x 0.5 ) / 1.84 = 1.9116 ………………………..……… ( 206 )
Por lo que la ecuaciones del esfuerzo equivalente resultan:
σeqa
a a=
⎛⎝⎜
⎞⎠⎟+ =
22 492582 09
191161291 32960 322
2 2
..
..
………………………………………… ( 207 )
CAPÍTULO IV _____________________________________________________________________ 142
τeq a=
15240 272
. ……………………………………………………………………… ( 208 )
El esfuerzo admisible es también:
σadm = Rc / FS = 22.49 / 2.0 = 11.245………………………………………………… (209 )
Aplicando la ecuación del estado general de esfuerzos:
( )σσ σ
τ1 2
22
2 2, = +⎛⎝⎜
⎞⎠⎟ +
⎛
⎝⎜
⎞
⎠⎟x x
xy …………………………………………………..…( 210 )
Sustituimos 207 y 208 en 210, quedando finalmente la ecuación:
11 24532960 32
232960 32
215240 27
2 2
2
2
212
... . .
= +⎛⎝⎜
⎞⎠⎟ +
⎛⎝⎜
⎞⎠⎟
⎡
⎣⎢
⎤
⎦⎥a a a
Resolviendo:
11.245 = 25565.34 / a2
Despejando a:
a =2556534
11245.
.……………………………………………………………………… ( 211 )
Por lo tanto, resolviendo 211 tenemos a = 51.12
El perfil comercial a utilizar será PTR 3.175 mm espesor x 50.8 mm de
lado (1/8” x 2”).
4.7.1 Análisis de la soldadura en el extremo { B-9 }, { B-13}.
Para la soldadura 6013 Rc =35.10 kg/mm2
Ru = 43.53 kg/mm2
CAPÍTULO IV _____________________________________________________________________ 143
h
Área de la garganta
Fig. 66 Identificación del área de la garganta del cordón
• Primer alternativa; soldar únicamente alrededor del perfil PTR.
Determinar la longitud necesaria del cordón de soldadura, si el alma h = 4.76 mm
La longitud del cordón de soldadura es: L= 2b +2d …………………………………………. ( 212 ) El esfuerzo cortante primario es :
τ 1 =VA
……………………………………………………. ( 213 )
b
d
V.- Carga cortante actuando sobre el elemento soldado.
A.- Área de la garganta
El área total resistente de soldadura esta en relación directa con el alma y la longitud de
cordón:
A= 1.414h (b+d) …………………………………………………………………….. ( 214 )
A = 1.414(4.76)(2b) …………….. ( por ser sección cuadrada podemos decir b = d )
Por lo que el área de la garganta en función de b resulta: A = 13.46128b ………………………………………………………………………. ( 215 ) Por lo tanto el esfuerzo cortante primario resulta:
τ 1 12531346428
9 308.
.. /
bb= ………………………….…………………………….…... ( 216 )
CAPÍTULO IV _____________________________________________________________________ 144
Por la forma en la que es soportada la carga correspondiente al peso del conjunto de trilla,
se genera un esfuerzo cortante denominado secundario y el cual está definido por el par
torsor y el momento polar de inercia:
τ τxII IIy
TcJ
= = ………………………………….………………………………….. ( 217 )
T = 15161.7 kg/mm
c= ½ b ………………………………………….………………………………...… ( 218 )
El momento polar de inercia a su vez se define por el momento polar de inercia unitario:
J = 0.707 h Ju …………………………………….……………………………..….. ( 219 )
El momento polar unitario para un cordón de soldadura cuadrado o rectangular es:
Ju = (b+d)3/6 …………………………………………………………………..…… ( 220 )
Y si recordamos que b = d
( )Ju
b b= = =
26
86
43
3 3 3b …………………………………………………………….. ( 221 )
Resolviendo 219 aplicando 221:
( )J b=⎛⎝⎜
⎞⎠⎟ =0 707 4 76
43
4 48703. . . b3 ……………………………………….………….. ( 222 )
Una vez calculado el momento polar, podemos encontrar el valor del esfuerzo cortante
secundario ( ec. 217 ):
( )τx
II bb b
= =151617 05
4 48701689 5141
3 2
. ..
. …………………………………………………… ( 223 )
El esfuerzo cortante total actuante en la soldadura es entonces:
τ =⎛⎝⎜
⎞⎠⎟ +
⎛⎝⎜
⎞⎠⎟
⎡
⎣⎢
⎤
⎦⎥
9 308 1689 51412
2
2 1 2. .
/
b b………………………………………………….. ( 224 )
En la soldadura no solo se presentan esfuerzos de corte, sino también de flexión:
CAPÍTULO IV _____________________________________________________________________ 145
( )σ = =
⎛⎝⎜
⎞⎠⎟
+⎡
⎣⎢
⎤
⎦⎥
McI
Mb
hb
b b
2
0 7076
32
. …………………………………………………….. ( 225 )
Dado que el momento de inercia (I hb
b d=⎡
⎣⎢
⎤
⎦⎥0707
63
2
. )+ ……………………….. ( 226 )
Por lo que el esfuerzo normal debido a la flexión es:
( )
( ) ( )σ =
⎛⎝⎜
⎞⎠⎟=
10930 05
0 707 4 766
4
54652 24352 3
.
. ..
bb
b
bb
Resolviendo:
σ =243587
2
.b
………………………………………………………..……………… ( 227 )
Dado que la primer alternativa es soldar alrededor del perfil PTR, sustituimos el valor de
b=50.8 mm que corresponden al largo de los lados de la sección transversal y los
resultados serán comparados con las especificaciones del AISC ( American Institute of
Steel Contruction ).
De la ecuación 224
∴ ( )τ =⎛⎝⎜
⎞⎠⎟ +
⎛⎝⎜
⎞⎠⎟
⎡
⎣⎢⎢
⎤
⎦⎥⎥
9 308508
1689 5141508
2
2
2 1 2.
...
/
τ = 0.6798 kg/mm2 ………………………………………………………………… ( 228 )
De 227 obtenemos:
( )σ = =243587
5080 9439012
2..
. /kg mm …………………………………………………. ( 229 )
Por lo tanto los esfuerzos medios y variables:
τv = 0.6798 kg/mm2 , τm = 0.3399 kg/mm2 …………………………………( 230 )
σv = 0.943901 kg/mm2, σm = 0.4719 kg/mm2 ………………………………….( 231 )
El esfuerzo admisible según AISC para corte:
CAPÍTULO IV _____________________________________________________________________ 146
( )σadm
cRF S
kg mm= = =0 4 0 4 3510
1678 4167 2.
. .. .
.. / …………………….…………. ( 232 )
Es imprescindible que la soldadura resista la carga variable a la que estará sometida. El
procedimiento para análisis de fatiga se ha ilustrado plenamente en los apartados anteriores,
por lo que solo se remitirán los resultados de los esfuerzos equivalentes.
σσ
σeqc v
m
RR f
= + = +1
3510 0 9439175
0 4719. ( . )
.. …………..………………………….… ( 233 )
( )( )τ
ττeq
c v
I m
R
R f= + = +
12
12
3510 0 6798
1750 3399
. .
.. …………………….……………… ( 234 )
Resultando finalmente los esfuerzos normal y de corte equivalentes:
σeq = 19.4 kg/mm2 τeq = 7.1573 kg / mm2
Como puede apreciarse por los esfuerzos equivalentes obtenidos a partir de 233 y 234, la
sección de soldadura no soporta bajo condiciones de fatiga los requisitos de AISC, por lo
que se procura aumentar el valor de I y J ; y aumentar el tamaño de la soldadura
Se propone cambiar la soldadura a 6.35 mm = ¼” y adicionar un refuerzo con una placa
de 6.35 mm.
Sección resistente de soldadura
Placa de refuerzo del perfil.
Fig. 67 Segunda alternativa de construcción y región resistente
CAPÍTULO IV _____________________________________________________________________ 147
Este nuevo modelo de construcción requiere de un análisis similar al anterior; no obstante,
como la configuración de la sección resistente ha sido modificada es necesario obtener por
separado los momentos de inercia y polares de las formas conocidas y luego sumarlas.
Para el cordón de soldadura que se genera en la placa de refuerzo se tiene la siguiente
sección.
b
Para éste caso, los momento polar y de inercia unitarios son: d
………….…………………………………………………… ( 235 )
( )Ju
d b d=
+36
2 2
Iudb
=2
2 ……………………………………………………………………..……… ( 236 )
Si d= 25mm y b= 6.35 mm
( ) ( )[ ]Ju =
+=
25 3 6 35 256
310819792 2.
.
( )Iu = =
25 6 352
504 032.
.
A = 1.414 h x b = 1.414 ( 6.35) 25 = 224.47 mm2
Los correspondientes momentos de inercia para la sección cuadrada se calculan
nuevamente a partir de 220 y 226.
b
d
( ) ( )Ju
b d x=
+= =
3 3
62 508
617479534
..
( ) ( )[ ]Iud
b d= + = + =2
63
5086
3 508 508 87397 67.
. . . d
A= 1.414 h ( b+d) = 1.414 (6.35)(50.8+50.8)=912.25
b
CAPÍTULO IV _____________________________________________________________________ 148
El momento de inercia de la sección de soldadura se encuentra aplicando el teorema de ejes
paralelos:
I = Σ Iu + A d2 ……………………………………………………………….……… ( 237 )
d.- Distancia intercentroidal
A.- Área de la sección
Como en la página anterior se obtuvieron los momentos unitarios y las áreas, es factible
resolver la ecuación 273.
I = 87397.67 + 2 ( 504.03 +224.47 (44.45)2)
I = 87397.67 + 888024.83
I = 975422.5 mm4 …………………………………………………………………… ( 238 )
El esfuerzo cortante primario:
τ´= 125.3 / ( 224.47 + 912.25 ) = 0.11 kg / mm2 ……………………………….… ( 239 )
Por su parte el esfuerzo cortante secundario resulta:
τII = TcJ
kg mm=+
=151617 05 8
0 707 6 35 310819 174795350 482174 2. ( . )(50. )
. ( . )( . . ). / ……..………… ( 240 )
Con ambos datos, el esfuerzo cortante es:
τ = ( 0.112 + 0.482172 ) ½ = 0.4946 kg / mm2 ……………………………………… ( 241 )
El esfuerzo cortante medio:
τm = 0.2473 kg/mm2 ………………………………………………………………… ( 242
)
El esfuerzo normal debido a la flexión que actúa en la soldadura:
σv
McI
xkg mm= = =
10930 05 5080 707 6 35 975422 5
0 06339 2( . . ). ( . )( . )
. / ………….…………………. ( 243 )
σm = 0.03169 kg/mm2 …………………………………………………………………( 244 )
Nuevamente se evalúan los esfuerzos equivalentes para compararlos con las condiciones
del AISC, si los esfuerzos equivalentes son de menor intensidad que lo marcado, el perfil
será aceptado.
El esfuerzo normal equivalente:
CAPÍTULO IV _____________________________________________________________________ 149
( )σeq kg mm= + =
3510 006339175
003169 1303 2. ..
. . / …………….………………………. (245)
El esfuerzo cortante equivalente
τeq kg mm= + =3510
12
0 4946
1750 2473 52074 2
. ( . )
.. . / ……………………………..……. ( 246 )
Por la ecuación del estado general de esfuerzos ( ecuación 210 ).
σ1 2
2 2 1 21303
21303
250766
1,
/. . .
= +⎛⎝⎜
⎞⎠⎟ +
⎛⎝⎜
⎞⎠⎟
⎡
⎣⎢
⎤
⎦⎥
σ1,2 = 5.7697 kg/mm2 ………………………………………………..………………. ( 247 )
Por ser 8.4167 > 5.7697 Kg/mm2, los esfuerzos permitidos por el criterio de la AISC no
se rebasan y por lo tanto la disposición de la geometría se considera válida.
4.7.2Dimensionamiento de la placa de apoyo
Para poder determinar el valor del espesor de la placa primero se debe conocer el diámetro
de los tornillos.
Fig. 68 Cargas actuantes sobre la sección e identificación de orificios para tornillería.
5757
10930 kg mm1516.7 50.8
Los tornillos están sometidos a corte y tensión.
CAPÍTULO IV _____________________________________________________________________ 150
B A
RA 10930 Kg/mm2
Corresponde al momento flector generado por el achiote al momento de ser trillado, consúltese página 149
Fig. 69 Ación del proceso de trilla sobre la placa.
RB
Las reacciones de los tornillos son iguales en magnitud por lo tanto:
RA = RB = 10930 / 114 = 95.87 ≅ 96 kg…………………………………………… ( 248 )
Usando tornillo grado 5 con las siguientes resistencias:
σc = 52.02 kg/mm2
σV = 64.64 kg7mm2
El esfuerzo variable y medio que actúan sobre los tornillos:
σπv
PA D D
= = =96
4
122 232 2
. …………………………………………………………… ( 249 )
Como el tornillo sufre una tensión al momento de ser apretado el esfuerzo medio no es
simplemente la mitad del esfuerzo variable teniendo como dato:
σm D=
84 672
. ………………………………………………………………………….. ( 250 )
Como los esfuerzos alternan en tensión, la resistencia a la fatiga es:
Rf = 0.85 x 0.5 Ru = 0.85 x 0.5 ( 64.64) = 27.472 kg7mm2 ……………………… ( 251 )
Después de haber calculado todos los parámetros para el análisis por fatiga:
CAPÍTULO IV _____________________________________________________________________ 151
R kf 1
27 472 0 5702 0 8973
4 6836 2= =. ( . )( .
. /g mm …………….…………………. ( 252 )
Sustituyendo el esfuerzo de cedencia, los esfuerzos actuantes y la resistencia a la fatiga en
la ecuación del esfuerzo normal equivalente:
σeqD
D D=
⎛⎝⎜
⎞⎠⎟+ =
52 02122 23
4 683684 67 1442 272
2
..
.. .
2 ………………………………………… ( 253 )
σσ
eqc
F S= = =
. ...
.52 02
2 026 01 ………………………….……………………………… ( 254 )
∴ =⎡⎣⎢
⎤⎦⎥
=D m1442 27
26 017 4465
1 2..
./
m
La medida de tornillo a usar es 7.93 mm ( 5/16” ) o como alternativa dos tornillos de
6.35 mm ( ¼” ).
4.7.3 Evaluación del espesor de la placa
Por aplastamiento
σ =PA
………………..… ( 255 )
A= d x e ………………… ( 256 )
d.- Diámetro del tornillo
e.- Espesor de la placa
M
RA = RB = 15161.7/ 114 = 133 kg. …………. ( 257 )
σ = =133
689153
. ( ).
e e …………………………. ( 258 )
Si σ σ= = = =admjcR
F Skg mm
. ...
/22 49
2 59 2
e = = =133
8 69 9153
917
. ( ).
. mm ; La medida comercial de solera más próxima es 6.35 mm
4.8 Dimensionamiento de los soportes
CAPÍTULO IV _____________________________________________________________________ 152
Peso del conjunto 110 kg
Peso a cargar en cada soporte =27.5 kg
Par torsor generado = 27.5 ( 380) =10450
Fig. 70 Identificación de los soportes.
Fig. 71 Cargas actuantes sobre los soportes
10 450 kg/mm
27.5 kg.
15161 kg mm
10930 kg mm
550
A
1200
C
B
De la figura anterior notamos que el punto B es crítico pues en esa región se lleva a cabo la
carga directa del peso del conjunto de trilla, además de estar también afectado por los
momentos torsor y flector que se generan en el punto A como resultado directo de resistir la
deformación inducida por la trilla, ( véase página 149 ).
CAPÍTULO IV _____________________________________________________________________ 153
Primero se determina el momento flexionante que actúa en la sección B.
( )[ ]M = + =10450 15161 18413532 2 1 2( ) .
/kgmm ……………………………………..( 259 )
El par torsor que afecta el soporte es:
T = 10930 kg mm …………………………………………………………………… ( 260 )
P = 27.5 kg.
Se propone utilizar perfil PTR 50.8 x 50.8 con espesor = 3.175 mm ( 2” x 2” x 1/8” )
Comprobar si soporta las cargas.
Por estar sometido a torsión, flexión y esfuerzo normal
σx = σ´x + σ´´x ………………….…………………………………………….…… ( 261 )
El esfuerzo debido al peso del conjunto:
σ´x = P / A …………………………………………………………………..…….. ( 262 )
Por estar sujeto a flexión, el esfuerzo normal está definido por la ecuación 15:
σ´´x = Mc / I
De igual forma la torsión genera un esfuerzo cortante que también define la ecuación 197.
τ = ( )( )T
t a t a t2 − −
Resolviendo las tres ecuaciones anteriores:
σ´x = 27 5
508 44 450 045462 2
.. .
.−
=kg
mm2 ……………………………………………….. ( 263 )
( )σx
kgmm
/ / . ..
.= =1841353 25 4
229647 232 03661 2 …………………………………………….…. ( 264 )
( )( )τ =−
=10930
2 3175 508 31750 75882 2. . ..
kgmm
…………………………………………. ( 265 )
Sumando 263 y 264
σx = σv = 0.04546 + 2.03661 = 2.082 kg / mm2 …………………………………... ( 266 )
σm = 1.041 kg / mm2 ……………………………………………………………… ( 267 )
Al aplicar la ecuación 44 con los datos registrados en 266 y 267:
CAPÍTULO IV _____________________________________________________________________ 154
σeq = ( )22 49 2 082
191161041 2553 2
. ..
. .+ =kg
mm …………………………………………. ( 268 )
El valor obtenido para el esfuerzo equivalente es superior a del esfuerzo de cedencia el
material ( 22.49 kg / mm2 ), por lo que no se acepta el perfil propuesto.
Usando perfil PTR de 2 ½” x 2 ½” ( 50.8 x 50.8 mm ).
A = 63.52 - 57.152 = 766.12 mm2 …………………………………………………… ( 269 )
I = ( 63.54 - 57.154 ) / 12 = 465956.98 = 456957 mm4 ……….…………..……….. ( 270 )
Utilizando un procedimiento análogo al de la página 163 se obtienen los siguientes valores:
σeq = ( )22 49 12882
191160 6441 15799
. ..
. .+ = ……………………………………………… ( 271 )
( )( )τeq
kgmm
= + =0 5 22 49 0 4729
191160 2364 3 018 2
. . ..
. . …………………………………… ( 272 )
Los esfuerzos equivalentes no rebasan el valor del esfuerzo a cedencia.
Los esfuerzos principales
σ1 2
22
1 215799
215799
23018− = +
⎛⎝⎜
⎞⎠⎟ +
⎡
⎣⎢
⎤
⎦⎥
. ..
/
…………………………………………… ( 273 )
σ1-2 = 16.35 kg / mm2 < 22.49 kg / mm2 ……………………………..….……….. ( 274 )
Se evalúa el factor de seguridad:
F.S. = 22.49 / 16.35 = 1.3755
El factor de seguridad es aceptable y por lo tanto el perfil se acepta. Véase
plano de construcción C7.
CAPÍTULO IV ____________________________________________________________________ 155
4.9 Consideraciones para el túnel de viento.
4.9.1 Resistencia de los fluidos al movimiento de los cuerpos. { B - 19 }
Cuando un cuerpo sólido se mueve en un fluido, se originan una serie de fuerzas que
pueden afectar su condición de movimiento, dirección y velocidad. Cuando la resultante de
estas fuerzas es en dirección opuesta al sentido del movimiento se denomina resistencia o
arrastre.
4.9.1.1 Capa límite: Resistencia de superficie.
La teoría de la capa límite, formulada por Prandtl, postula que cuando un fluido real entra
en contacto con la superficie de un cuerpo ( por ejemplo en una tubería ), la viscosidad del
fluido frena progresivamente la velocidad del mismo, presentándose un máximo de
velocidad en el punto mas alejado del cuerpo y un límite igual a cero correspondiente al
punto de contacto con las paredes del cuerpo. Esto se observa claramente en los ríos, en los
cuales la velocidad de la corriente es mayor al centro y menor en las orillas.
Región de máxima velocidad
Punto de velocidad cero
Fig. 72 Comportamiento de los fluidos ante un sólido
La noción de capa límite, condujo al concepto de resistencia de superficie, el cual se
origina por el desprendimiento de la capa límite como se explica a continuación:
CAPÍTULO IV ____________________________________________________________________ 156
Cuando un fluido en movimiento choca contra un cuerpo romo, como el caso de una placa
plana o un cilindro, experimenta una aceleración en las capas mas cercanas a las paredes
del cuerpo para mantener el caudal constante; sin embargo, cuando estas capas atraviesan el
contorno se exige una disminución súbita de la velocidad; pero como esto es imposible, el
flujo se separa del contorno al mismo tiempo que se produce un contraflujo producido por
el gradiente de presiones adverso, creándose por debajo de la línea de desprendimiento una
zona de baja presión. Frontera de la capa límite
Línea de separación
Zona de baja presión
CONTORNO
Fig. 73 Capa límite y desprendimiento de la corriente.
Antes de chocar con el contorno del cuerpo la presión será mayor que al final. El cuerpo
sumergido en el fluido experimentará una fuerza debida a ésta diferencia de presiones y que
actuará en sentido contrario al desplazamiento del cuerpo.
Ahora bien, el desprendimiento de la capa límite depende en gran medida de la forma del
cuerpo; geometrías como las placas planas, cilindros o esferas son aerodinámicamente
hablando formas romas, ya que surge un rápido desprendimiento de la capa límite, mientras
que cuerpos de tipo lenticular, como el ala de un avión, presentan una menor tendencia a la
separación de la capa límite y por lo tanto menor resistencia al fluido.
Si observamos el producto resultante del proceso de trituración encontraremos que están
presentes trozos de ramas, pedazos de la cáscara y semillas enteras, los cuales presentarían
formas similares a las siguientes.
CAPÍTULO IV ____________________________________________________________________ 157
Fig. 74 Formas típicas de material trillado
Que ante el flujo de aire presentarían un comportamiento similar al de un cilindro y una
placa plana, y en el caso de la semilla se tendría una resistencia variable dependiendo de la
zona expuesta a la corriente.
Fig. 75 Comportamiento del flujo ante el contorno de los trozos de rama.
Zona de baja presión
Zona de baja presión
Fig. 76 Comportamiento del flujo ante los trozos de cápsula después de la trilla.
Zona de alta
ió
Debido a la alta dificultad para establecer una corriente de aire que asegure la separación
exclusiva de semilla, se dispondrá de un medio para regular el caudal de aire emitido por el
ventilador.
CAPÍTULO IV ____________________________________________________________________ 158
Al terminar el proceso de
trilla, el material cae por
gravedad a un túnel de aire
Ante la fuerza generada
por la corriente de aire, la
paja es expulsada hacia el
frente del túnel.
La semilla más pesada
cae al fondo donde
puede ser colectada.
Fig. 77 Concepción del túnel de viento para separación de semilla
La construcción física de este conjunto no está regida por consideraciones estrictas de
resistencia de materiales o la mecánica de fluidos, puede ser utilizado una estructura base
de madera y paredes para el túnel fabricadas inclusive con cartón.
En el caso del ventilador puede recomendarse un extractor de aire, con objeto de soportar
las condiciones continuas de trabajo, sin embargo, esto no es condición obligatoria,
pudiendo utilizarse inclusive un ventilador doméstico con la salvedad de reducir
notoriamente su vida útil.
TABLA DE RESULTADOS DE CÁLCULOS.
CAPÍTULO IV ____________________________________________________________________ 159
• Capacidad de procesamiento 43.75 Kg / hora
• Potencia del motor 3 HP
• Número de bandas 2 Bandas
• Tipo de sección de banda Sección A
• Longitud de bandas 75 Pulg. ( 1904.9 mm )
• Paso de cadena Paso 50
• Sección de las barras rompedoras
12.7
25
20 Material.- Acero 1018
Tratamientos.- Ninguno
Recubrimientos.- Ninguno.
50.8
• Sección de los brazos soporte
57.1
Solera rolada en frío de 6.35 x 50.8 mm
Material.- Acero 1018 Ángulo de 6.35 x 25.4 mm
Tratamientos.- Ninguno
Recubrimientos.- Pavonado
• Placa central de apoyo
Distancia del extremo del alojamiento al orificio del eje 43
Material .- Acero 1018
Tratamientos.- Ninguno
Recubrimientos.- Pavonado
Espesor.- 37 mm
• Árbol de transmisión Diámetro de las secciones
28 35 38.1 19
CAPÍTULO IV ____________________________________________________________________
160
Material.- Acero 4140
Tratamiento.- Ninguno
Recubrimiento.- Pavonado
• Árbol de transmisión B
Material.- Acero 4140
Tratamiento.- Ninguno
Recubrimiento.- Pavonado
Diámetro de la zona crítica.- 19 mm
• Brazos soporte
Material.- Perfil PTR de 3.175 mm de espesor x 50.8 mm de lado ( 1/8” x ½” )
Recubrimiento.- Pavonado
• Soportes de la estructura
Material.- Perfil PTR de 3.175 mm de espesor x 50.8 mm de lado ( 1/8” x ½” )
Recubrimiento.- Pintura anticorrosiva
• Ventilador
Capacidad 750 m3/hora
Con los análisis desarrollados en apartados anteriores se definen las dimensiones mínimas
necesarias de las principales piezas que conforman la estructura, la totalidad de los
componentes no se calcula pues muchos de ellos son exclusivamente elementos de apoyo, o
dependen, como en el caso de las guardas de los aspectos geométricos, de las piezas con las
cuales interactuan. De esta forma, es posible concebir plenamente las características finales
del colector, el cual se ilustra en la siguiente página.
CAPÍTULO IV ____________________________________________________________________ 155
Modelo conceptual de la máquina trilladora de achiote
1
4
2
5
3
1. Cámara superior de trilla 3. Ventilador centrífugo
4. Sistema de transmisión por motor y poleas
5. Segunda reducción de velocidad a través de cadena y catarina (transmisión
a 90ª de la salida del motor )
2. Cámara inferior de trilla
CAPÍTULO IV ____________________________________________________________________ 156
CAPÍTULO IV ____________________________________________________________________ 71
4.1.3 Evaluación de las propuestas con los requerimientos del cliente
Las alternativas presentadas anteriormente cumplen con una función en particular, ahora es
necesario llevar a cabo un análisis que permita decidir sobre cual de ellas es la más idónea
para responder satisfactoriamente a las expectativas de los múltiples clientes.
Para ello se confrontarán cada una de las ideas conceptuales contra los requerimientos a fin
de generar una evaluación absoluta, sobre la cual se asignarán calificaciones a cada una de
ellas de acuerdo al grado de relación que guardan con las bases de diseño.
La relación a seguir será:
5 Alta relación.- La idea satisface y se apega eficientemente a las necesidades establecidas.
3 Mediana relación.- La idea si bien es susceptible de aplicarse no es idónea.
1 Baja relación.- Su implementación requerirá un estudio mas minucioso a fin de aceptar
la propuesta, se aleja notoriamente de los requerimientos estipulados.
0 Relación nula.- El concepto no se vincula con el requisito establecido, al estar
determinada su eficiencia por otros parámetros.
4.1.3.1 Matriz de ponderación de conceptos.
CAPÍTULO IV ____________________________________________________________________ 72
REQUERIMIENTO S1 S2 S3 A1 A2 A3 R1 R2 R3 R4 R5 L1 L2 L3 L4Trabajo en humedad de 90% y 45º C.
5 5 5 3 5 5 5 5 5 5 5 5 5 3 5
Trabajo dentro de áreas rurales en condiciones rústicas.
3 5 5 5 3 3 5 5 5 5 5 5 5 3 5
Protección contra insectos y reptiles
5 5 3 3 3 3 5 5 5 5 5 5 5 5 5
Capacidad de procesamiento de 350 kg diarios.
0 0 0 3 5 5 5 5 3 5 3 5 5 3 5
Sencillez de operación. 0 0 0 1 3 5 5 5 1 5 3 3 5 3 5 Obtención de semilla seca y limpia
0 0 0 0 0 0 5 5 5 5 5 0 0 0 0
Bajo nivel de daño a la semilla.
0 0 0 5 3 1 5 5 1 5 5 5 5 3 1
Intercambiabilidad de las piezas
1 3 5 5 3 1 5 5 5 5 5 5 5 5 3
Fabricación de componentes por maquinado y pailería
1 5 5 0 3 3 3 5 5 3 5 5 5 5 3
Uso de materiales comerciales para fabricación
1 3 5 0 0 0 5 5 5 5 5 0 0 0 0
Operación segura 5 5 5 3 1 5 5 5 3 5 5 5 5 3 5 Medidas contra la corrosión
3 3 5 5 3 1 5 5 5 5 5 5 5 5 3
Nula presencia de grasas, aceites o pinturas en la semilla.
0 0 0 5 3 3 5 3 5 5 5 5 5 3 3
Adaptación a otros cultivos
0 0 0 5 3 3 5 5 3 5 3 5 5 5 5
Interfaces hombre - máquina ergonóm.
0 0 0 1 3 5 3 3 5 3 5 5 5 3 5
Ensamble modular 1 3 5 0 0 0 5 5 5 5 5 5 5 3 5 Nivel de emisión de ruidos 40 db.
0 0 0 5 1 3 5 5 1 5 5 5 5 5 3
Regulación de caudal. 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 3 5 1 5 Recuperación de colorante.
3 3 5 1 1 1 3 5 5 1 3 3 3 3 1
Protección contra inundaciones
1 3 5 5 0 0 3 5 5 3 5 5 5 5 0
Total 34 48 58 60 48 52 92 96 82 90 92 84 88 61 67 REQUERIMIENTO M M M M E1 E2 E3 E4 T1 I1 I2 P1 P2 C1 C2 C3
CAPÍTULO IV ____________________________________________________________________ 73
1 2 3 4 Trabajo en humedad de 90% y 45º C.
1 3 5 5 5 5 5 3 5 5 3 5 5 5 5 5
Trabajo dentro de áreas rurales en condiciones rústicas.
5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 3 5 5 1 5 5
Protección contra insectos y reptiles
3 3 5 5 5 5 5 3 5 5 5 5 5 1 3 5
Capacidad de procesamiento de 350 kg diarios
1 3 5 5 0 0 0 0 5 5 5 5 5 5 5 5
Sencillez de operación. 1 1 5 3 5 5 5 3 5 3 5 3 5 1 3 5 Obtención de semilla seca y limpia
0 0 0 0 0 0 0 0 5 5 5 1 5 1 5 5
Bajo nivel de daño a la semilla.
0 0 0 0 0 0 0 0 5 5 5 3 5 1 5 3
Intercambiabilidad de las piezas
0 0 0 0 3 3 3 5 5 3 5 3 5 5 5 3
Fabricación de componentes por maquinado y pailería
0 0 0 0 0 0 0 0 5 5 5 5 5 5 3 1
Uso de materiales comerciales para fabricación.
5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5
Operación segura 1 1 3 3 5 5 3 1 5 5 5 5 5 3 3 5 Medidas contra la corrosión
5 5 3 1 5 5 3 3 1 5 5 5 5 5 5 3
Nula presencia de grasas, aceites o pinturas en la semilla.
0 0 0 0 0 0 0 0 5 3 5 3 5 1 5 3
Nivel de adaptación a otros cultivos
5 5 5 5 0 0 0 0 5 5 1 5 3 5 5 5
Interfaces hombre - máquina ergonóm.
1 1 5 3 5 3 3 1 1 5 5 5 5 1 3 5
Ensamble modular 5 5 5 5 5 5 5 3 3 5 5 5 5 3 5 3 Nivel de emisión de ruidos.
5 5 3 1 0 0 0 0 5 3 3 3 5 5 5 5
Regulación de caudal 3 3 3 3 0 0 0 0 5 5 5 3 5 3 3 3 Recuperación de colorante
3 3 3 3 0 0 0 0 5 3 5 3 5 1 3 5
Protección contra inundaciones.
5 5 3 3 5 3 1 1 5 5 3 5 3 1 5 3
Total. 49 53 63 58 53 49 43 33 90 90 88 82 96 58 86 82
Tabla 10. Evaluación de conceptos. 4.1.3.2 Definición final del equipo de trilla.
CAPÍTULO IV ____________________________________________________________________ 74
A través del desarrollo de la tabla anterior es posible definir que conceptos se apegan en
mayor medida a las necesidades del cliente; de cada uno de los grupos de conceptos, se
eligen tan solo aquellos que hayan obtenido las mas altas puntuaciones; esto nos dará por
resultado la generación de una máquina de trilla mas eficiente y apegada a las exigencias de
los diversos grupos involucrados.
El modelo a seguir estará conformado por los conceptos:
S3.- Construcción de la estructura a través de perfiles estructurales.
A1.- Alimentación manual.
R2.- Barras rompedoras en eje vertical.
L2.- Transporte del trillador al limpiador por embudo.
M3.- Uso de motor eléctrico.
E1.- Accionamiento por botón interruptor.
I1.- Eliminación de fragmentos grandes por cernido.
P2.- Eliminación de impurezas y fragmentos pequeños por ventilado.
C2.- Colección de semillas en cajas.
T1.- Eliminación de impurezas y fragmentos grandes por cribado.
CAPÍTULO IV ____________________________________________________________________ 75
M
Figura 28. Modelo conceptual del equipo.
CAPÍTULO IV ___________________________________________________________________ 63
4.1 Diseño conceptual.
El proceso creativo del diseño comienza con la necesidad, transcurre a través de las ideas y
concluye con la concepción de formas. En éste contexto, el diseño conceptual corresponde
a la segunda fase, es decir a la de las ideas.
Si se recurre al razonamiento heurístico, se puede decir que el producto sigue a la forma,
esta sigue al concepto, éste a la función y esta última, a la necesidad.
Necesidad → Función → Concepto → Forma → Producto
Determinación de los requerimientos → Diseño conceptual → Diseño de detalle
Fig. 25. Transición de la necesidad al producto
Al diseño conceptual corresponde el desarrollo de las ideas fundamentales del objeto; es
decir, es en esta fase donde se decide sobre que principios físicos se basará la solución del
problema, la disposición constructiva o arquitectura del objeto y la idea general de la
apariencia que tendrá el producto terminado.
Diseño conceptual
Principios de funcionamiento
Arquitectura
Apariencia general
Fig. 26 Objetivos del diseño conceptual.
CAPÍTULO IV ___________________________________________________________________ 64
En virtud de lo anterior , un nuevo concepto de diseño se puede basar en una propuesta que
sea distinta a lo existente, en alguno o más de los tres enfoques citados como principio de
funcionamiento, arquitectura o apariencia general. Un concepto innovador de un producto
es aquel que se basa en un nuevo principio de funcionamiento. Cuando los conceptos se
fundamentan en una disposición arquitectónica diferente o en una nueva apariencia general,
se dice que se trata de un desarrollo evolutivo.
Con el conocimiento previo de los requerimientos del producto, que de hecho son
restricciones de diseño, la fase conceptual se divide en dos partes; generación de conceptos
y evaluación de conceptos. La primera se desarrolla a partir de la función y la segunda en
base a los requerimientos del producto.
4.1.1 Descomposición funcional.
El diseño de todo sistema mecánico obedece a la satisfacción de una necesidad, por lo cual
una vez diseñado y fabricado tendrá un uso principal. Es decir, servirá para algo y se
caracterizará por una función de uso o función global. En mecánica las acciones
corresponden a actividades muy específicas ( transportar, conducir, unir, posicionar, etc. ),
y la función global puede requerir de otras funciones precursoras y cada una de estas de
otras que les precedan. Por lo tanto, para generar conceptos se requiere identificar la
función global y cada una de sus precursoras. A éste proceso se le denomina
descomposición funcional y consiste en la aplicación del razonamiento que los griegos
denominaban heurística.
Es conveniente que durante la generación de conceptos, se proceda de lo general a lo
particular. Es decir, en primer lugar se generan y evalúan conceptos a nivel de funciones
primarias, después para las funciones secundarias, y así sucesivamente, hasta llegar a las
funciones más elementales. Esto permite que la generación de los conceptos se haga dentro
de un contexto homogéneo del proyecto.
CAPÍTULO IV ___________________________________________________________________ 65
Fig27 Descomposición funcional del equipo
Obtenersemillas deachiote libresdeimpurezas
Introducir elmaterial alequipo
Trillar losracimos yfrutos
Limpiarsemillas
Colectarsemillaslimpias
Soportar el conjunto
Alimentar fruto
Proteger contraaccidentes
Dotar de mecanismode ruptura
Especificar nivelde trilla
Mover mecanismo
Controlar encendido yapagado
Transportar alimpiador
Eliminar impurezas
Eliminar impurezas y fragmentosgrandes
Eliminar impurezas y fragmentospequeños
CAPÍTULO IV ___________________________________________________________________ 66
4.1.2 Generación de conceptos.
Tomando como base la descomposición funcional desarrollada anteriormente, se procede a
generar alternativas de solución capaces de cumplir con la función descrita.
Soportar el conjunto
Designación Concepto Croquis Comentarios
S1 Estructura vaciada Bancada y cuerpo de la
máquina hecha por
vaciado
S2 Placas soldadas Construcción de la
estructura por placas
soldadas.
S3 Conjunto estructural Construcción a través de
perfiles estructurales.
Alimentar el equipo
A1 Alimentación
manual
La alimentación manual
requerirá de colocar el
achiote en cajas o costales
para alimentar la
máquina.
A2 Cangilones
En caso de aceptación,
necesidad de fabricación
a la medida.
A3 Tornillos
alimentadores.
Identificar en caso de
aprobación el equipo
comercial existente.
CAPÍTULO IV ___________________________________________________________________ 67
Dotar de mecanismo de ruptura.
Designación Concepto Croquis Comentarios
R1 Barras rompedoras
en eje horizontal.
Se pueden presentar
dificultades para la
construcción del cóncavo.
R2 Barras rompedoras
en eje vertical.
El material caerá por
gravedad. Es necesario
controlar la caída.
R3 Martillos.
Si la velocidad se eleva
considerablemente, se
corre el riesgo de romper
las semillas.
R4 Tambor cónico
Necesidad de construir un
eje robusto para alojar las
barras, dificultad para el
cono.
R5 Plato desgranador La capacidad de trilla no
se considera muy elevada.
CAPÍTULO IV ___________________________________________________________________ 68
Especificar nivel de trillado.
T1 Tamiz El tamiz permitirá pasar
el material trillado sólo
hasta que haya alcanzado
una dimensión específica.
Mover mecanismo
M1 Manualmente Necesidad de una
continua rotación del
operario.
M2 Por pedal
Aunque de capacidad de
trabajo mayor, el clima
cálido, dificultaría el
trabajo prolongado.
M3 Motor eléctrico M
Necesidad de motores
bifásicos.
M4 Motor a gasolina
Elevado costo de
adquisición.
CAPÍTULO IV _____________________________________________________________________ 69
Controlar encendido y apagado.
E1 Botón interruptor.
E2 Perilla
E3 Palanca
Posibilidad de encendido
accidental.
E4 Cuchilla
Riesgo de choque
eléctrico.
Eliminar impurezas y fragmentos grandes.
I1 Cernido
La actividad puede
realizarse manualmente.
I2 Ventilado
Disminuye tiempos,
incrementando costos.
Eliminar impurezas y fragmentos pequeños
P1 Cernido
La criba solo debe
permitir el paso de
material de desecho.
P2 Ventilado
Se debe controlar el
caudal de aire.
CAPÍTULO IV _____________________________________________________________________ 70
Transportar a limpiador
L1 Caída libre Trillador
Limpiador
Posibilidad de pérdida de
material durante la caída.
L2 Embudo. Trillador
Limpiador
Necesidad de construir el
embudo.
L3 Por pala y
carretilla
L4 Tornillo
Elevado costo de
adquisición.
Colectar semillas limpias
C1 Depositar sobre el
suelo
Se debe tener una
superficie liza y de color
claro.
C2 Colectar en caja Caja de tamaño acorde a
la capacidad física del
trabajador.
C3 Uso de tolva
La tolva descargaría
directamente a los
costales.
Tabla 9 Generación de conceptos.
CAPÍTULO V ______________________________________________________________________ 162
Vinculación con el medio productivo
Como ha sido expuesto a lo largo del desarrollo de la presente tesis, el nivel de rezago
económico y social que presentan muchas de las comunidades agrícolas del sur y sureste
del país es realmente alarmante.
Las razones son muchas y por ende, las acciones a emprender deben ser también variadas;
no basta con tecnificar las actividades agrícolas, si finalmente no se cuenta con los canales
de comercialización para colocar en el mercado los productos generados; de igual forma,
poco beneficio aporta el que se tenga gran demanda de un artículo, si no se dispone de la
tecnología y los procesos adecuados para obtenerlo en las cantidades solicitadas y con una
calidad uniforme.
Fig. 75 Cultivo de achiote
No se trata de introducir complejos sistemas de fabricación, plantas automatizadas, o
modernos centros de acopio, puesto que finalmente la mayor ganancia incidiría tan solo en
un pequeño grupo de inversionistas; la razón fundamental por la que existen
investigaciones similares a esta, radica en la necesidad de brindar apoyo a los pequeños
CAPÍTULO V ______________________________________________________________________ 163
campesinos, los que tradicionalmente no están en posibilidades de acceder a los beneficios
de la modernidad
La máquina trilladora por si sola no resolverá todos los problemas que aquejan al sector;
sin embargo, permite elevar la eficiencia y productividad del proceso de trilla de la semilla,
que como se ya mencionó, es primordial para continuar con el proceso de obtención de
colorante de la semilla.
Aspecto social.
Una proporción significativa de los campesinos dedicados al cultivo del achiote está
conformada por indígenas mayas, tzotziles, choles y chontales quienes conservan gran
parte de sus tradiciones, lengua y estructuras sociales.
Fig. 76 Productor chol de achiote
CAPÍTULO V ______________________________________________________________________ 164
Por mucho tiempo estos grupos se han visto manipulados por intereses económicos y
políticos; han sido muchas las ocasiones en las que se les ha prometido mejoras en su nivel
de vida, múltiples proyectos se han generado en muy diversas áreas, que van desde la
agronomía hasta el turismo; e inclusive, como en el caso del achiote, han reemplazado casi
en su totalidad cultivos tradicionales por algún otro ante el cual no estén plenamente
preparados, aunado a lo anterior, es muy común encontrar una tendencia por parte de los
habitantes a que cualquier insumo, maquinaria o equipo, debe ser donado y mantenido por
parte del gobierno.
Otro factor a vencer es la desilusión de algunos grupos ante el beneficio de la tecnología; se
tiene referencia de acciones populistas en las que se ha donado maquinaria como tractores
de origen chino, los cuales por la naturaleza de sus piezas no fueron susceptibles de ser
reparados ni siquiera en los estados de Veracruz o Puebla. Se conoce también, el caso de
máquinas dragadoras que una vez utilizadas fueron abandonadas en los pantanos sin
posibilidad de aprovechamiento, esto trajo como consecuencia una merma en la confianza
de las personas por el uso de maquinaria, pues consideran que es difícil reparar cualquier
máquina.
Por lo anterior, se debe demostrar que la máquina trilladora no es algo que se pueda
desechar en breve tiempo, debemos garantizar a las comunidades la facilidad de
construcción y el beneficio que aportará a su economía; por ende, deben entender la
necesidad de dar mantenimiento continuo al conjunto; además, se debe tener especial
cuidado para que las personas entiendan la importancia de conservar íntegro el equipo y no
se vean tentados a vender alguna pieza “por kilo”.
Aspectos educativos y culturales.
Éste resulta ser un factor vital al momento de diseñar la máquina de trilla, no podemos
esperar que los productores entiendan la concepción mecánica de un equipo complejo, ni
la respuesta de cada pieza ante las cargas a que se ve sometida. Si recordamos que son las
mujeres dentro de los grupos tzotziles quienes se encargan del jornal en el campo, o que
CAPÍTULO V ______________________________________________________________________ 165
dentro de los chontales existen pocas personas familiarizadas con las máquinas y que no
hablan el español; es fácil comprender el por que la trilladora debe presentarse ante ellos
como un “algo simple”, “algo fácil de hacer” y por supuesto “ algo que se puede usar”.
Si revisamos cada uno de los componentes que integran la máquina pueden resultarnos
exageradamente simples; no encontramos piezas de forma compleja que solo puedan ser
obtenidas por inyección de plásticos o por procesos de vaciado, tampoco están diseñadas
bajo tolerancias tan cerradas que obliguen a procesos de fabricación especiales, o niveles
de acabado que hagan necesarios procesos de pulido; además, no son relevantes formas
suaves o colores que la hagan verse más llamativa, en todo ello radica básicamente la
bondad de la máquina, pues el entendimiento de su operación será más fácil si hombres y
mujeres observan piezas sencillas de fabricar inclusive por ellos mismos.
Fig. 77 Vista frontal de la máquina
No hay que olvidar las interfaces hombre - máquina; para alguien que ha vivido rodeado de
controles ( un control remoto para controlar las funciones de su televisión o videocasetera,
los programas internos de una lavadora o la definición de operación de un horno de micro
ondas, etc.), puede ser factible involucrarlo en la operación de una máquina que requiera
CAPÍTULO V ______________________________________________________________________ 166
múltiples órganos de control; sin embargo, para la gran mayoría de los indígenas que
usarán la trilladora, una situación similar solo repercutiría en un prolongado periodo de
capacitación y una visión del equipo como algo complejo.
Es obvio que se requiere de una capacitación previa para el uso de la trilladora, pero debe
tenerse cuidado en la forma de hacer llegar el mensaje a las personas, si se manifestó el que
las lenguas indígenas están aún muy vigentes y que muchas personas no hablan el español,
la colaboración de un intérprete es tan importante como el entendimiento de la operación.
Aspectos económicos.
Dado el bajo nivel económico de las personas dedicadas a cultivar el achiote, es imposible
pensar que pueden disponer de 20 mil pesos para comprar una máquina, lo cual por cierto
es un costo razonablemente bajo si comparamos los precios que en el mercado tienen los
accesorios e implementos agrícolas. Por ello, el sistema de créditos para el campo y la
cooperación de los ejidos pueden resultar una salida ventajosa.
Es posible que la gran mayoría de las piezas que integran la máquina sean fabricadas por
herreros; de hecho, solo cinco de los componentes requieren procesos de torneado y
fresadora, que son los árboles de transmisión, la placa central de apoyo y el maquinado de
los alojamientos de cuña para las poleas y catarina. Esto representa una notable ventaja
económica e inclusive social; los costos de maquinado son elevados en un taller
metalmecánico, mientras que el trabajo de un herrero es mas económico y fácil de acceder
para las personas que viven en comunidades aisladas.
CAPÍTULO V ______________________________________________________________________ 167
Fig. 78 Prototipo de máquina construida en herrería.
Por otra parte, desde el inicio del proyecto se ha mantenido una continua comunicación con
la Secretaria de comercio del Estado de Tabasco, quienes manifiestan un notable interés por
producir las máquinas, no se ha definido hasta el momento si la secretaría patrocinará la
fabricación de la totalidad de los equipos, una parte de ellos o tan solo de algunas piezas.
Fig. 79 Armado de los soportes superiores.
CAPÍTULO V ______________________________________________________________________ 168
Influencia del medio ambiente.
Tabasco es un Estado cuyas características climatológicas resultan adversas a cualquier
mecanismo, la elevada humedad presente en el medio ambiente es una causa común de
corrosión en las máquinas; por otra parte, el riesgo de inundaciones está siempre presente
en cualquiera de las comunidades de la entidad.
Resultaría obvio pensar que la mejor solución ante tales situaciones, es el empleo de aceros
inoxidables, nylamid o acrílicos para construir la mayoría de las piezas que integran la
maquina de trilla; no obstante, el costo por metro o por kilogramo de estos materiales es
considerablemente superior ( Hasta un 400% ), lo que encarecería de forma alarmante el
costo de la trilladora, por lo cual no son recomendables.
Un proceso de recubrimiento con pintura resulta ser una mejor alternativa, pero antes se
debe hacer hincapié en que no todas las piezas pueden ser protegidas por éste medio, pues
existe riesgo de contaminar con plomo las semillas si las barras rompedoras, los peines
inferiores o la criba son pintados; para estas piezas el pavonado es una mejor opción pues
aún en el caso de desprendimientos de la superficie protectora, no representa riesgo para la
salud pues la separación del colorante se realiza precisamente con sosa cáustica, que como
bien se sabe es la base del pavonado, y la cual es posteriormente neutralizada con ácido
clorhídrico.
En caso de que no se utilicen recubrimientos para los componentes que están en contacto
con el achiote, debe indicársele al productor la forma en que mejor puede proteger su
máquina durante los periodos en que no se produce achiote.
Contra las inundaciones se tomaron medidas, todos los sistemas de ruptura de material y
transmisión de movimiento se encuentran a una altura mayor a 1 metro lo que los protege
en el caso de una crecida de quedar inundados e inutilizados.
CAPÍTULO V ______________________________________________________________________ 169
Se puede agregar finalmente, que un primer prototipo de la máquina fue construido,
planteando las condiciones señaladas en el capítulo tres; es decir, se utilizaron
exclusivamente materiales que se comercializan en la región, cinco de las piezas fueron
fabricadas en un taller mecánico, mientras que el resto de los componentes fueron
encargados a un herrero.
Los resultados con respecto a la fabricación fueron aceptables, el herrero logró generar las
piezas dentro de los márgenes de calidad y precisión solicitados, aunque, un problema
notable es la dificultad que éste encontró para interpretar los planos de ingeniería, por lo
que tuvieron que presentarse gráficos más simples y participar continuamente en la
supervisión.
La máquina fue presentada a representantes del Instituto Nacional Indigenista y la
Secretaria de Comercio de Tabasco, por parte de la Secretaría se expuso su interés por
adquirir un paquete tecnológico integral que no solo abarcara la colección de semilla sino
que inclusive, definiera las características de una planta de procesamiento.
Para el Instituto Nacional Indigenista, la máquina satisface sus necesidades, pues ellos
requieren optimizar los niveles de producción en dos comunidades del municipio de
Tenosique, Tab. “Ranchería Niños Héroes e Ignacio Allende”, considerando la posibilidad
de incorporar una máquina en cada uno de dichos lugares para el próximo ciclo productivo.