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.

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Page 1: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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.

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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.

Page 3: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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

Page 4: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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

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la que se saca harina alimenticia.

Zapa Pala con un corte acerado.

Page 6: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

Page 13: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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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.

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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

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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

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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

Page 17: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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.

Page 18: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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

Page 19: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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

Page 20: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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.

Page 21: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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

Page 22: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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.

Page 23: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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.

Page 24: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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

Page 25: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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.

Page 26: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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

Page 27: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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.

Page 28: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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

Page 29: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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

Page 30: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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

Page 31: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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

Page 32: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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

Page 33: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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

Page 34: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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

Page 35: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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

Page 36: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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

Page 37: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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.

Page 38: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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.

Page 39: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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.

Page 40: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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.

Page 41: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

CAPÍTULO I ______________________________________________________________________

5

Fig. 3 Localización geográfica de Tabasco

1.2 El achiote.

1.2.1 Historia.

Page 42: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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.

Page 43: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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

Page 44: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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

Page 45: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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

Page 46: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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.

Page 47: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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.

Page 48: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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.

Page 49: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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 }

Page 50: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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.

Page 51: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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.

Page 52: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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

Page 53: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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.

Page 54: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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.

Page 55: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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

Page 56: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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.

Page 57: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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

Page 58: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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.

Page 59: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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

Page 60: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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

Page 61: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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.

Page 62: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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.

Page 63: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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.

Page 64: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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.

Page 65: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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

Page 66: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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.

Page 67: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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

Page 68: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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

Page 69: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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.

Page 70: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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.

Page 71: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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

Page 72: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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.

Page 73: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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.

Page 74: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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.

Page 75: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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

Page 76: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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.

Page 77: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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.

Page 78: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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

Page 79: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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.

Page 80: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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.

Page 81: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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

Page 82: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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

Page 83: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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.

Page 84: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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.

Page 85: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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.

Page 86: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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 )

Page 87: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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.

Page 88: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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.

Page 89: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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.

Page 90: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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:

Page 91: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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.

Page 92: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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

Page 93: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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:

Page 94: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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.

Page 95: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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

Page 96: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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.

Page 97: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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, .

Page 98: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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

Page 99: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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 )

Page 100: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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

Page 101: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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 )

Page 102: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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.

Page 103: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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

=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”.

Page 104: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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

Page 105: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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

Page 106: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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 )

Page 107: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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

Page 108: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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

Page 109: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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

Page 110: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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.

Page 111: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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.

Page 112: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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

Page 113: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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:

Page 114: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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”

Page 115: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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 )

Page 116: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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.

Page 117: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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:

Page 118: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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 )

Page 119: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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

Page 120: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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..

.

Page 121: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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 ).

Page 122: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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.

Page 123: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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

Page 124: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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.

Page 125: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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.

Page 126: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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 )

Page 127: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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.

Page 128: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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

Page 129: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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

Page 130: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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.

Page 131: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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

Page 132: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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 )

Page 133: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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

Page 134: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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

Page 135: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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

Page 136: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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 )

Page 137: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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:

Page 138: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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.

Page 139: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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

Page 140: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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

Page 141: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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:

Page 142: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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:

Page 143: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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

Page 144: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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.

Page 145: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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.

Page 146: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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 )

Page 147: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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

Page 148: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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:

Page 149: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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 )

Page 150: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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

Page 151: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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 )

Page 152: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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:

Page 153: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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:

Page 154: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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

Page 155: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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

Page 156: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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:

Page 157: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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.

Page 158: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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:

Page 159: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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

Page 160: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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 ).

Page 161: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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:

Page 162: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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.

Page 163: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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:

Page 164: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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.

Page 165: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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

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.

Page 166: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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.

Page 167: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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

Page 168: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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.

Page 169: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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

Page 170: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

CAPÍTULO IV ____________________________________________________________________ 156

Page 171: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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.

Page 172: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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

Page 173: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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.

Page 174: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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.

Page 175: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

CAPÍTULO IV ____________________________________________________________________ 75

M

Figura 28. Modelo conceptual del equipo.

Page 176: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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.

Page 177: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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.

Page 178: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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

Page 179: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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.

Page 180: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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.

Page 181: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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.

Page 182: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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.

Page 183: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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.

Page 184: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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

Page 185: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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

Page 186: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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

Page 187: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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

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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.

Page 189: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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.

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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.

Page 191: DISEÑO DE COLECTOR DE SEMILLAS DE ACHIOTE PARA LOS

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.