felipe augusto muÑoz bayona - uniandes

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DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN MOLINO PARA EL RECICLAJE DE LLANTAS RADIALES

FELIPE AUGUSTO MUÑOZ BAYONA

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTA D.C.

JULIO 11 DE 2008

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DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN MOLINO PARA EL RECICLAJE DE LLANTAS RADIALES

FELIPE AUGUSTO MUÑOZ BAYONA

Proyecto de grado para optar por el titulo de

Ingeniero Mecánico

Profesor Asesor WILSON HORMAZA Dr. Ing.

Profesor Co-asesor LUÍS MARIO MATEUS MS.C

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTA D.C.

JULIO 11 DE 2008

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AGRADECIMIENTOS

A mi padre, pero sobre todo a mi madre que siempre estuvo a mi lado

apoyándome en cada momento difícil sin bajar la guardia, sin desfallecer,

llenándome con toda su energía positiva y siempre resaltando lo mejor de mi, a

ella, por que hizo de mi una gran persona y en estos momentos un profesional.

A mi hermano Camilo que fue mi amigo y confidente durante todo este proceso, y

soporto con paciencia, todos mis malos momentos y mis desahogos, haciéndome

ver con claridad las situaciones adversas, sacando de ellas el mejor provecho.

A mi tía Fanny Graciela que me abrió la puertas de su casa y trato desde allí

brindarme el calor de hogar que me sirvió de apoyo moral, cuando debí ajearme

de mi casa para iniciar mis estudios que hoy concluyen.

A mi novia Diana Márquez que con su amor, dedicación y apoyo constante

especialmente en la última etapa de mi carrera, me impulsaron a continuar cuando

las fuerzas me faltaban y hoy gracias a su acompañamiento estoy terminando una

de las etapas más importantes de mi vida.

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A mi profesor Wilson Hormaza, mis más sinceros agradecimientos, quien con su

paciente acompañamiento, sus valiosas enseñanzas hicieron posible la conclusión

del presente trabajo, y las demás personas que me colaboraron como al equipo

del laboratorio de manufactura, gracias..

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TABLA DE CONTENIDO

1.1 OBJETIVO GENERAL................................................................................................12

1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ................................................................................12

2. INTRODUCCIÓN...........................................................................................................13

3. FUNCIONES Y PARTES DE UNA LLANTA............................................................14

4. DIFERENCIAS ENTRE UNA LLANTA CONVENCIONAL Y UNA RADIAL.........16

4.1 LLANTA CONVENCIONAL ...................................................................................16

4.2 LLANTA RADIAL .....................................................................................................17

5. RESUMEN DE LOS DIFERENTES TIPOS DE MOLINOS QUE PUEDEN SER

RELEVANTES PARA ESTE PROYECTO.....................................................................18

5.1 MOLINO DE MARTILLOS: ....................................................................................18

5.2 MOLINOS DE RODADURA: .................................................................................20

5.3 MOLINOS QUE UTILIZAN LA ENERGÍA DE UN FLUIDO: .............................21

5.4 MOLINO DE BOLAS [8]: ........................................................................................22

5.5 MOLINO DE DISCOS ABRASIVOS: ...................................................................23

6. SELECCIÓN DEL MOLINO: ........................................................................................24

6.1. FUNCIÓN DE CALIDAD .......................................................................................24

6.2. VALIDACIÓN DEL MOLINO SELECCIONADO................................................29

7. PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS MATERIALES QUE COMPONEN LA

LLANTA RADIAL. .............................................................................................................29

7.1. COMPOSICIÓN QUÍMICA: ..................................................................................30

7.1.1. RESULTADOS ....................................................................................................31

7.2. ANÁLISIS METALOGRÁFICO............................................................................32

7.2.1. RESULTADOS ....................................................................................................33

7.3. ENSAYO DE TENSIÓN ........................................................................................36

Ç .......................................................................................................................................36

7.3.1. RESULTADOS DEL ENSAYO DE TENSIÓN................................................37

7.4. ENSAYO DE COMPRESIÓN AL CAUCHO......................................................38

7.4.1. RESULTADOS ....................................................................................................38

8. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO DE MOLIENDA ...................................................39

8.1. ALIMENTACIÓN ...................................................................................................40

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9. DISEÑO DEL MOLINO.................................................................................................41

9.1. CALCULO DEL DIÁMETRO DE LOS RODILLOS ...........................................41

9.2. SIMULACIONES REALIZADAS EN ANSYS .....................................................46

9.3. SELECCIÓN DE LOS RODAMIENTOS............................................................48

9.4. CÁLCULO DE LA POTENCIA .............................................................................48

9.5. CÁLCULOS DE LOS CUÑEROS........................................................................51

9.6. ALOJAMIENTO PARA LOS RODILLOS............................................................52

10. CONSTRUCCIÓN.......................................................................................................53

11. PROTOTIPO................................................................................................................53

11.1 MONTAJE DEL PROTOTIPO.............................................................................55

11.2 RESULTADOS OBTENIDOS DE LAS PRUEBAS REALIZADAS CON EL

PROTOTIPO...................................................................................................................56

12. CONCLUSIONES........................................................................................................60

13. RECOMENDACIONES ..............................................................................................62

ANEXO A. PROPIEDADES DE LOS ACEROS UTILIZADOS PARA LA

CONSTRUCCIÓN DEL MOLINO....................................................................................63

ANEXO B. DIAGRAMAS DE CORTANTE Y MOMENTO PARA LOS RODILLOS 65

ANEXO C. CÁLCULOS REALIZADOS EN LOS RODILLOS .....................................69

ANEXO D. DIAGRAMA DE LOS RODAMIENTOS UTILIZADOS. ............................70

ANEXO E. ESFUERZOS QUE SE PRODUCEN EN LA MAQUINA DEBIDO A LAS

FUERZAS APLICADAS ....................................................................................................71

ANEXO F. PROCESO DE CONSTRUCCIÓN DE LA MAQUINA..............................73

ANEXO G. PLANOS..........................................................................................................74

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ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1. Partes y funciones de una llanta REF [1]……...……..….…………………..14 Tabla 2. Cuadro comparativo…….....…...………………...……….…………………...27 Tabla 3. Datos obtenidos del ensayo de fluorescencia.………….……….………....31 Tabla 4. Resultados del ensayo de tensión.............................................................36 Tabla 5. Tamaño de los rodillos...............................................................................44 Tabla 6. Iteraciones realizas para obtener el diámetro de los extremos para los rodillos principales...................................................................................................45 Tabla 7. Cálculos de las potencias para cada par de rodillos……...……………....49 Tabla 8. Dimensiones de los cuñeros según los diámetros del eje.......................50 Tabla 9. Propiedades mecánicas del acero AISI 4140...........................................53 Tabla 10. Propiedades mecánicas del acero AISI 1040.........................................54 Tabla 11. Propiedades mecánicas del acero A36..................................................54 Tabla 12. Iteraciones realizas para obtener el diámetro de los extremos para los rodillos medios........................................................................................................59 Tabla 13. Iteraciones realizas para obtener el diámetro de los extremos para los rodillos secundarios................................................................................................59

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ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1. Componentes de la llanta REF [1] .................................................................12

Figura 2. Partes internas de una llanta radial REF [1].................................................14

Figura 3. Partes internas de una llanta REF [1]............................................................14

Figura 4. Llanta convencional REF [1] ...........................................................................16

Figura 5. Partes internas de una llanta convencional REF [1] ...................................16

Figura 6. Partes de una llanta radial REF [1] ................................................................17

Figura 7.Partes internas de una llanta radial REF [1]..................................................17

Figura 8. Molino de martillos REF [2] .............................................................................18

Figura 9. Corte transversal de un molino de martillos REF [4]...................................19

Figura 10. Molino de rodadura REF [3]..........................................................................20

Figura 11. Molino que utilizan la energía de un fluido REF [3]...................................21

Figura 12. Molino de Bolas REF [5]................................................................................22

Figura 13. Molino de Bolas REF[6].................................................................................22

Figura 14. Molino de discos abrasivos REF [7].............................................................23

Figura 15. Función de calidad..........................................................................................26

Figura 16. Esquema de un espectrómetro REF [10]....................................................30

Figura 17. Preparación de la Muestra............................................................................31

Figura 18. Preparación de la Muestra............................................................................31

Figura 19. Espectrómetro de fluorescencia...................................................................31

Figura 20. Espectrómetro de fluorescencia...................................................................31

Figura 21. Metalografía sin ataque de Nital, transversal 200X..................................33

Figura 22. Metalografía sin ataque de Nital, transversal 500X..................................33

Figura 23. Metalografía con ataque de Nital 3%, transversal obtenida con

Nitrógeno líquido 100X......................................................................................................34

Figura 24. Metalografía con ataque de Nital 3%, transversal obtenida por quema

100X.....................................................................................................................................34

Figura 25. Metalografía con ataque de Nital 3%, transversal obtenida con

Nitrógeno líquido 1000X...................................................................................................34

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Figura 26. Metalografía con ataque de Nital 3%, transversal obtenida por quema

1000X...................................................................................................................................34

Figura 27. Metalografía con ataque de Nital 3%, longitudinal obtenida por quema

100X.....................................................................................................................................35


100X.....................................................................................................................................35


200X.....................................................................................................................................35


200X.....................................................................................................................................35


500X.....................................................................................................................................36


500X.....................................................................................................................................36

Figura 33. Montaje del ensayo de tensión.....................................................................36

Figura 34. Montaje del ensayo de tensión....................................................................36

Figura 35. Alimentación de la maquina..........................................................................40

Figura 36. Alimentación de la maquina..........................................................................40

Figura 37. Estructura del molino......................................................................................42

Figura 38. Esquema frontal de los rodillos.....................................................................42

Figura 39. Diagrama de cuerpo libre..............................................................................42

Figura 40. Diagrama de cortante y momento de los rodillos principales en los ejes

XY.........................................................................................................................................43

Figura 41. Diagrama de cortante y momento de los rodillos principales en los ejes

XY.........................................................................................................................................44

Figura 42. Esfuerzos (MPa) que se producen en la placa en la ubicación de los

rodillos principales.............................................................................................................47

Figura 43. Deformaciones (mm) que se producen en la placa en la ubicación de

los rodillos principales.......................................................................................................47

Figura 44. Esfuerzos (MPa) que se producen en los rodillos principales. ..............47

Figura 45. Deformaciones (mm) que se producen en los rodillos principales.........47

Figura 46. Diagrama de fuerzas para la laminación [11].............................................49

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Figura 47. Rodillo dentado...............................................................................................53

Figura 48. Rodillos dentados ..........................................................................................54

Figura 49. Esfuerzos (MPa) producidos en el diente...................................................54

Figura 50. Esfuerzos (MPa) producidos en el diente...................................................54

Figura 51. Deformaciones (mm) Producidas en el diente...........................................55

Figura 52. Montaje del prototipo......................................................................................55

Figura 53. Montaje del prototipo......................................................................................56

Figura 54 Acero obtenido del proceso de molienda.....................................................57

Figura 55. Acero obtenido del proceso de molienda 2x..............................................57

Figura 56. Muestras obtenidas ........................................................................................57

Figura 57. Muestra 1 partículas obtenidas de las pruebas con el prototipo 1x.......58






Figura 63. Diagrama de cortante y momento de los rodillos medios en los ejes XY

..............................................................................................................................................65

Figura 64. Diagrama de cortante y momento de los rodillos medios en los ejes XZ

..............................................................................................................................................66

Figura 65. Diagrama de cortante y momento de los rodillos secundarios en los ejes

XY.........................................................................................................................................67

Figura 66. Diagrama de cortante y momento de los rodillos secundarios en los ejes

XZ .........................................................................................................................................68

Figura 67.Rodamientos utilizados para los rodillos medios y secundarios [12]......70

Figura 68. Rodamientos utilizados para los rodillos principales [12].........................70


rodillos secundarios...........................................................................................................71


los rodillos secundarios.....................................................................................................71

Figura 71. Esfuerzos (MPa) que se producen en los rodillos medios.......................71

Figura 72. Deformaciones (mm) que se producen en los rodillos medios...............71

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rodillos secundarios...........................................................................................................72


los rodillos secundarios.....................................................................................................72

Figura 75. Esfuerzos (MPa) que se producen en los rodillos secundarios..............72

Figura 76. Deformaciones (mm) que se producen en los rodillos secundarios.......72

Figura 77. Placas ...............................................................................................................77

Figura 78. Placas maquinadas ........................................................................................77

Figura 79. Placas maquinadas en detalle......................................................................77

Figura 80. Soportes de la mesa.......................................................................................77

Figura 81. Mesa de la maquina.......................................................................................77

Figura 82. Estructura.........................................................................................................77

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1. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN MOLINO PARA EL RECICLAJE DE LLANTAS RADIALES

1.1 OBJETIVO GENERAL Diseñar y construir un molino mecánico el cual sea capaz de moler el borde interno de una llanta radial (cejas)como se muestra en la figura 1, buscando un tamaño crítico de partícula.

1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

• Realizar una búsqueda bibliográfica para obtener un mayor conocimiento sobre los procesos de molienda.

• Caracterizar los materiales que componen una llanta radial para establecer

sus propiedades mecánicas.

Figura 1. Componentes de la llanta REF [1]

• Determinar los materiales utilizados para la construcción del molino teniendo en cuenta el proceso de molienda que se va a llevar acabo.

• Establecer el diseño del molino.

• Realizar una simulación por el método de elementos finitos con ayuda del

software Ansys.

• Validación del diseño.

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2. INTRODUCCIÓN El reciclaje de llantas se ha convertido en los últimos años en un problema para muchas empresas productoras de las mismas, dado que genera no solo inconvenientes de tipo económico sino también del tipo ambiental. Por largo tiempo se ha buscado que este producto, luego de cumplir su vida útil, genere el menor daño posible, puesto que se trata de un material no biodegradable. Sin embargo, no se ha logrado encontrar un método eficiente, que permita recuperar los principales materiales que componen una llanta sin generar al mismo tiempo algún daño al medio ambiente. Ejemplos de los usos que se dan a las llantas son:

• Generación de corales, el cual tuvo un impacto de tipo ambiental debido a que la interacción de las llantas con el agua de mar generaba la degradación de la llanta, que terminó por destruir estos seres marinos.

• Barreras para impedir deslizamientos, la cual al no ser una solución masiva, generaba mayores gastos económicos sin acercarse a una solución completamente eficiente.

• Los materiales de las llantas son utilizados como modificadores de ciertas propiedades de los asfaltos; estos materiales mejoran las propiedades reológicas en los asfaltos. Sin embargo esta solución no es aplicada actualmente en nuestro país y requiere de una molienda fina para que el caucho pueda ser utilizado como un modificador.

• El proceso que más ha tenido acogida dentro de la disposición de llantas ha sido la quema de las mismas; aunque este proceso permite solucionar en cierta medida el problema, ya que genera energía que puede utilizarse en otros procesos y facilita la extracción del acero, pero al mismo tiempo genera un altísimo impacto ambiental, al producir compuestos tóxicos que son resultados de la combustión.

Teniendo en cuenta los problemas que han surgido al intentar manejar apropiadamente este recurso, bastante común en la sociedad, y basados en que las llantas no pueden dejarse por mucho tiempo en el medio ambiente (son hábitat para muchos tipos de microorganismos perjudiciales), se plantea como una alternativa de solución el reciclaje de este componente. El proyecto, planteado por Bridgestone Firestone, consiste en utilizar algún tipo de molienda para recuperar los principales materiales de las llantas (acero y caucho) y reutilizarlos. Las principales ventajas que se presentan con esta nueva alternativa es no generar contaminación al medio ambiente y recuperar los materiales base para luego procesarlos.

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3. FUNCIONES Y PARTES DE UNA LLANTA La función principal de una llanta es permitir un adecuado contacto por adherencia y fricción con el pavimento, transmitiendo las fuerzas de tracción y frenado que permiten el manejo de los vehículos que las usan. En general las llantas están hechas por caucho natural en un 70% y caucho sintético en un 30%, aunque dependiendo del fabricante y de su uso estos porcentajes pueden ser variados para obtener mejores propiedades. La llanta es una pieza toroidal que se coloca en las ruedas de diversos vehículos y máquinas, y se encuentra reforzada por diversos materiales como acero y nylon que les permite mantener su forma y aumentar ciertas propiedades como su resistencia y tenacidad [1] (ver figuras 2,3).

Figura 2. Partes internas de una llanta radial REF [1]

Figura 3. Partes internas de una llanta radial REF [1]

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Tabla 1. Partes y funciones de una llanta

PARTE FUNCIÓN MATERIALES

CarcasaLa carcasa debe resistir la presión del aire,peso del vehículo e irregularidades delcamino.

Nylon o acero espaciados por caucho.

CostadosSon las paredes laterales de la carcasacubiertas por compuestos de caucho con unaalta resistencia a la fatiga por flexión.

En llantas radiales están compuestaspor acero y espaciado por caucho paradar adherencia y evitar la fricción.

Sellante El sellante es el revestimiento de la carcasaen la parte interna de la llanta y su función esla retención de aire.

El sellante tiene un compuesto decaucho llamado halobutilo.

Cejas La ceja une la llanta al rin Está formada por alambres de acerorevestidos por cobre para evitar laoxidación.

Cinturones estabilizadores

La función principal del paquete de cinturonesestabilizadores es proveer estabilidad yuniformidad a la banda de rodamiento a altasvelocidades, lo cual contribuye a laresistencia, al desgaste, a la tracción y elmanejo de la llanta.

Está compuesta por acero.

Ranuras Las ranuras son diseñadas para evitardeslizamientos laterales, escurrir el agua,residuos, enfriar la llanta y generar tracción.

Caucho natural y caucho sintético.

Hombros

En el diseño de los hombros se debe tener encuenta la flexión de los costados y dar comoresultado un perfecto asentamiento de labanda de rodamiento sobre el pavimento.

Estrías Diseñadas para aumentar la refrigeración dela llanta y contribuir en su capacidad detracción.

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4. DIFERENCIAS ENTRE UNA LLANTA CONVENCIONAL Y UNA LLANTA RADIAL

4.1 LLANTA CONVENCIONAL Las llantas convencionales básicamente se diferencian de las radiales en sus materiales y en la disposición de estos. Las llantas convencionales poseen lonas estabilizadoras hechas de nylon que mantiene la forma y la presión del aire ante las irregularidades que se puedan encontrar en el camino. Estas lonas se encuentran cruzadas entre si, diagonalmente y se presentan en pares (ver figura 4).

Las llantas convencionales no presentan diferencia en el ancho entre la banda de rodamiento y laterales (ver figura 5).

Figura 4. Llanta conv encional REF [1]

Figura 5. Partes internas de una llanta convencional REF [1]

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4.2 LLANTA RADIAL Las llantas radiales poseen una gran diferencia con respecto a las llantas convencionales, éstas no poseen lonas pero su carcasa esta hecha de cinturones de acero y su costado posee acero trefilado dispuesto de forma radial, espaciado por 2mm de caucho (ver figura 6).

Figura 6. Partes de una llanta radial REF [1]

Las llantas radiales poseen otra diferencia importante, que se presenta entre el ancho de la banda de rodadura y el costado. Esta diferencia se explica por la presencia de los cinturones de acero que ayudan a que la llanta soporte cargas elevadas (ver figura 7).

Figura 7.Partes internas de una llanta radial REF [1]

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5. RESUMEN DE LOS DIFERENTES TIPOS DE MOLINOS QUE PUEDEN SER RELEVANTES PARA ESTE PROYECTO Dado que el caucho es un elastómero, es relevante tener en cuenta las posibles dificultades que se pueden presentar en un proceso de molienda. Al someterse a un aumento de temperatura (condición que se presenta en la molienda), los polímeros se vuelven visco elásticos, característica bajo la cual el proceso de trituración se dificulta, por las fuerzas viscosas que se presentan debido a la disipación de energía, llegando a generar durante el proceso de molienda y trituración un mayor consumo de energía para triturar las partículas. La molienda hace referencia a la pulverización y desintegración de un material sólido. La desintegración es la reducción del tamaño de agregados de partículas blandas débilmente ligadas, de tal manera que no se produce ningún cambio en el tamaño de las partículas fundamentales de la mezcla. La pulverización, por su parte, implica la reducción del tamaño de las partículas fundamentales de las sustancias.

5.1 MOLINO DE MARTILLOS:

Figura 8. Molino de martillos REF [2]

Este molino contiene un rotor que gira entre 1500 y 5000 revoluciones por minuto, en el interior de una carcasa cilíndrica, la alimentación es por la parte superior de la carcasa y cae de una manera controlada a la cámara de molienda. En este tipo de molino de martillos, las partículas se rompen por una serie de martillos giratorios acoplados a un disco rotor (ver figura 9). El material se fractura en pedazos y se proyecta contra la placa estacionaria de la carcasa. Los martillos pueden ser barras rectas de metal con los extremos planos, alargados o afilados para generar un borde cortante.

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Este molino se puede modificar para que trabaje con fluidos refrigerantes tal como nitrógeno liquido, a esto se le conoce con el nombre de criogénesis, la cual busca que el polímero se comporte de una manera frágil, facilitando la operación de molienda. Desde el punto de vista económico esta solución aumenta el costo del molino debido a los materiales que se deben utilizar para su construcción. Así puede llegar a ser la opción mas costosa ya que los accesorios adicionales pueden aumentar el costo de la maquina entre un 15% y un 30% y los costos variables desde un 30% a un 50% [3].

Figura 9. Corte transversal de un molino de martillos REF [4]

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5.2 MOLINOS DE RODADURA: En este tipo de molinos las partículas sólidas son recibidas y trituradas por un medio rodante y la superficie de un anillo o carcasa. Los más frecuentes son los pulverizadores de rodadura- anillo. En estos molinos los rodillos centroidales presionan con una gran fuerza hacia el exterior, específicamente contra un anillo haciendo que las partículas se pulvericen.

Figura 10. Molino de rodadura REF [3]

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5.3 MOLINOS QUE UTILIZAN LA ENERGÍA DE UN FLUIDO: En este molino las partículas sólidas se encuentran suspendidas en una corriente gaseosa y son transportadas a altas velocidades siguiendo un camino circular o elíptico. Parte de la reducción de tamaño se producen cuando las partículas colisionan o friccionan contra las paredes de la cámara, pero la mayor parte de la reducción tiene lugar como consecuencia de la fricción.

Figura 11. Molino que utilizan la energía de un fluido REF [3]

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5.4 MOLINO DE BOLAS:

Es un cilindro metálico cuyas paredes están reforzadas con un material fabricado en aleaciones de acero al manganeso. Estas molduras van sujetadas al casco del molino y se sustituyen cuando se gastan. El molino gira y la molienda se realiza por efecto de la bolas de acero al cromo o manganeso que, al girar con el molino, son retenidas por las ondulaciones de las molduras a una altura determinada, de donde caen pulverizando por efecto del impacto, el material mineralizado mezclado con agua (ver figura 13).

Figura 13. Molino de Bolas REF[6]

Figura 12. Molino de Bolas REF [5]

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5.5 MOLINO DE DISCOS ABRASIVOS: Estos molinos funcionan con discos abrasivos compuestos de oxido de silicio que desgastan el material hasta obtener un tamaño de partícula deseado debido a la fricción que se genera entre los materiales.

Figura 14. Molino de discos abrasiv os REF [7]

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6. SELECCIÓN DEL MOLINO:

6.1. FUNCIÓN DE CALIDAD

Antes de llevar acabo un proyecto, es necesario tener bien definido el problema delimitando sus alcances y restricciones. La función de calidad es una herramienta de planeación y solución de problemas, utilizada para determinar y traducir los requerimientos del cliente a características ingenieriles. Es un método gráfico y sistemático que mira todos los elementos que están dentro de la definición de un producto como un esfuerzo grupal. Basado en este tipo de ejercicio se analizan características relevantes dentro del proyecto, buscando reducir el espectro de molinos existentes y posteriormente elaborar un cuadro comparativo, seleccionando el que mejor se ajuste a las necesidades planteadas. La selección de los molinos se realizará teniendo en cuenta sólo aquellos que presentan un mejor desempeño. La función de calidad se realiza teniendo en cuenta dos secciones importantes que están ubicadas en la parte superior del diagrama (ver Figura 15). La sección azul corresponde a las propiedades y características de ingeniería más importantes del producto a diseñar y la sección amarilla hace referencia a los parámetros de evaluación determinados principalmente por el consumidor y el mercado al que se enfrentará el producto a diseñar. Por otra parte, la sección verde establece características basadas en estudios que reflejan los requerimientos mínimos del producto por parte del consumidor. En este orden de ideas, el principal objetivo de la función de calidad es desarrollar una lista de todos los requerimientos que podrían afectar el diseño y determinar posteriormente el nivel de importancia de los mismos. En este punto resulta importante transformar los requerimientos del consumidor a requerimientos de ingeniería. Es por esto, que existe una región dentro del diagrama que relaciona las características de ingeniería con los requerimientos del consumidor, denominada matriz de correlación (sección gris). Cada una de las celdas dentro de esta matriz representa como cada requerimiento de ingeniería se relaciona con cada requerimiento del consumidor. Los valores típicos que se utilizan para establecer esta relación son los siguientes: 9 = Fuertemente relacionadas 3 = Medianamente relacionadas 1 = Poca relación 0 = No tienen ninguna relación Estos valores son dados por el ejercicio y se encuentran en la correspondiente referencia. [8]

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La matriz que está ubicada a la derecha de la matriz de correlación (sección gris), se denomina prueba de referencia de competencia (sección amarilla) y el objetivo de ésta es determinar como el consumidor percibe el comportamiento del producto en el mercado, para encontrar cada uno de los requerimientos más relevantes. Para cada uno de los requerimientos del consumidor la escala asignada se encuentra entre 1 y 5, y cada uno de los valores se asigna de la siguiente forma: 1 = El diseño no encuentra los requerimientos 2 = El diseño encuentra los requerimientos ligeramente 3 = El diseño encuentra los requerimientos algunas veces 4 = El diseño encuentra los requerimientos muchas veces 5 = El diseño fija los requerimientos completamente. Estos parámetros de evaluación se encuentran citados en el ejercicio y son dados por el evaluador. [9] La última columna (sección naranja) corresponde a la probabilidad de los requerimientos del consumidor, y constituye una herramienta que establece la importancia de los mismos. Estos valores son determinados a partir de una encuesta realizada.

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Figura 15. Función de calidad

La casa de la calidad es utilizada para establecer cuales características son de mayor importancia dentro del diseño de nuevos productos. Esta importancia (sección blanca) es el resultado de la multiplicación de cada columna de requerimientos de ingeniería por el peso relativo y la posterior adición de estos valores. Por ejemplo, para la correlación de tenacidad de los materiales a baja temperatura y diseño, su importancia absoluta es: 9*0.15. Así, para toda la columna de tenacidad la importancia absoluta corresponde a: 9*0.15+0*0.05+9*0.25+9*0.2+0*0.1+9*0.25=7.6. De esta forma, con los valores obtenidos se puede determinar que molinos cumplen con las características deseadas y pueden llegar a ser escogidos para cumplir con la tarea requerida.

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Para este ejercicio en particular, los valores de importancia absoluta e importancia relativa evidencian cuales son las características más relevantes: las tenacidades de los materiales involucrados, los materiales de la llanta, los materiales con los cuales se fabricará el molino, las fuerzas de operación del molino, potencia consumida y eficiencia, diseño de las cuchillas o martillos que se utilizarán en el molino. Teniendo en cuenta las anteriores características y analizando cuales molinos entregan un mayor desempeño, el espectro se reduce a 3 molinos que son: el molino de bolas, el molino de martillos y el molino de discos abrasivos. Estos se comparan para analizar cuál cumple con los requerimientos del cliente y del usuario final. Las trituradoras se descartan debido a que el tamaño de partícula obtenido es muy grande; además, debido a que estas máquinas utilizan cuchillas para llevar a cabo la reducción de tamaño del material, se aumenta la temperatura del material por fricción, generando así una adherencia del caucho a las mismas, haciendo ineficiente el proceso. Al mismo tiempo, si desea refrigerar la cámara, se necesita de mucha energía, haciendo inviable el proyecto. A lo largo del tiempo se han utilizado diferentes clases de molinos para la obtención de partículas poliméricas como lo son: los molinos de discos abrasivos vertical, molinos de discos abrasivos horizontal, molinos que utilizan la energía de un fluido, molino de bolas y el molino de martillos. Teniendo en cuenta que en este proyecto no solo se van a obtener partículas de caucho sino también de acero se realizará un cuadro comparativo, el cual nos ayudará a establecer cual de estos molinos tienen las características necesarias para desempeñar los requerimientos de este proyecto.

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Tabla 2. Cuadro comparativ o. Características Molino de bolas Molino de martillos Molino de discos

abrasivos Costo Este molino en particular

es bastante costoso debido a las bolas que se utilizan para pulverizar los materiales. Si se contempla la posibilidad de usar criogenia para este molino se debe cambiar el material de cada bola por acero inoxidable austenít ico de la serie 300 lo que cambiar ía el costo del molino aumentando los costos variables entre 60% y un 80% y los costos de la maquina hasta casi en un 100%.

En particular este molino es barato debido a su principio de funcionamiento antes mencionado. Si modif icamos este molino para utilizar criogenia seria factible mantener la cámara refrigerada debido a su tamaño; los costos variables de esta cambiar ían al molino entre un 30% y un 40% y los costos del molino entre un 15% y un 30% lo cual lo hace una opción bastante factible para este proyecto

Esta opción utiliza discos abrasivos, pero en particular esta solución genera demasiado calor, provocando un comportamiento viscoelastico del caucho lo que generaría una adherencia a los discos y un posterior daño a los mismos; por este motivo esta opción es una de las menos rentables y eficientes que podemos tomar. Por otro lado si implementamos la criogenia en este t ipo de molinos no estaríamos aprovechando esta energía.

Eficiencia De algunos datos obtenidos de las tablas anteriormente mencionadas podemos ver que por cada 20hp utilizados obtenemos mas o menos 0.278kg/s lo que muestra que es uno de los molinos mas eficientes aquí comparados.

En el caso del molino de martillos por cada 20hp utilizados se obtiene 0.1522kg/s esto quiere decir que es el segundo en la lista en términos de producción

Estos molinos por lo general son utilizados para muy bajas producciones debido al enorme desgaste sufrido por los discos

Forma de la partícula obtenida

Se obtiene una partícula irregular lo que es poco conveniente para algunos procesos posteriores.

Se obtiene una forma de partícula redonda lo cual lo hace mas apropiado para algunas aplicaciones del caucho con tamaño uniforme

El tamaño y la forma de partícula es aleatoria

29

Después de analizar todas las posibles características y usos de estos tres molinos se puede observar que el molino de martillos cubre apropiadamente con estos aspectos. Así, el molino de martillos se escoge como la mejor opción por flexibilidad, eficiencia, bajo costo relativo, tiempo de uso y fácil mantenimiento, haciéndolo ideal para esta aplicación.

6.2. VALIDACIÓN DEL MOLINO SELECCIONADO Resulta interesante, realizar un análisis detallado del molino seleccionado y validar el mismo. En este orden de ideas, y luego de realizar el procedimiento antes descrito, se comprobó que el diseño del molino de martillos tenía ciertas falencias importantes que conllevan a que éste fuera cambiado por un molino de rodillos. El molino de martillos tenía problemas dinámicos, asociados a la entrada de la alimentación; esta podría acumularse sobre los martillos y nunca descender a la cámara de molienda. Por otra parte, el caucho en estado de transición vítrea necesita una cantidad considerable de energía para ser molido y los martillos al estar girando libres en el rotor no garantizan la energía necesaria para poder realizar la molienda. Además, los valores de potencia se elevan de manera considerable lo que conlleva a descartar este modelo. Se pensó inicialmente que los martillos deberían estar fijos para obtener la energía necesaria para moler dicha alimentación, y de esta forma romper el caucho contra las paredes de la carcasa. Esta idea fue errónea, debido a que el tamaño de partícula que se requiere debe ser pequeño y no se estaría cumpliendo con el objetivo fijado. Como consecuencia de estos problemas que se presentan en el molino de martillos se cambia el tipo de molino, para obtener un adecuado tamaño crítico de partícula y una mejor separación entre los materiales de la llanta radial (acero y caucho).

7. PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS MATERIALES QUE COMPONEN LA LLANTA RADIAL. Las propiedades de los materiales de las llantas afectan directamente el diseño de la maquina y por tal motivo resulta importante caracterizar estos componentes. Por esta razón se realizaron ensayos de composición química sobre el acero, ensayos de compresión sobre el caucho a temperaturas por debajo de la temperatura de transición vítrea, ensayos de tensión sobre los alambres de acero y un análisis metalográfico sobre el acero.

30

7.1. COMPOSICIÓN QUÍMICA: El análisis de composición química se desarrollo mediante la técnica de espectrometría de rayos x, que permite detectar y cuantificar la composición química de una muestra del material desconocido. Si es identificada la longitud de onda o energía de cada una de estas radiaciones características, se puede conocer los elementos que componen la muestra, y si se miden sus intensidades, es posible conocer sus respectivas concentraciones [9]. El análisis de la longitud de onda permite conocer la composición cualitativa de la muestra, mientras que la medida de la intensidad determina la composición cuantitativa. [9] El espectrómetro funciona mediante la radiación de rayos x. Esta radiación incide sobre la muestra generando una interacción con los átomos, dando como resultado una segunda irradiación que se denomina fluorescencia, que es difractada a un cristal analizador, esta radiación es descompuesta en sus componentes monocromáticas en función de sus longitudes de onda. El haz difractado para cada posición angular del monocristal, incide sobre un detector de gas proporcional de flujo o de centelleo, que convierte los fotones en impulsos eléctricos [9]. El esquema del funcionamiento de un espectrómetro se ilustra en la figura 16. El análisis semicuantitativo se realizó con el software IQ, haciendo 11 barridos con el fin de detectar todos los elementos presentes en la muestra, excluyendo Hidrogeno (H), Carbono (C), Litio (Li), Berilio (Be), Boro (B), Nitrógeno (N), Oxigeno (O) y los elementos transuránicos. Se utilizó un espectrómetro de fluorescencia de rayos X MagixPro PW-2440 Philips equipado con un tubo de rodio, con una potencia máxima de 4KW (ver figuras 17 a la 20). Este equipo posee una sensibilidad de 200ppm

Figura 16. Esquema de un espectrómetro REF [9]

31

7.1.1. RESULTADOS Los resultados entregados por este ensayo mostraron que el acero presente en las llantas radiales está recubierto de Cobre (Cu) y Zinc (Zn), elementos que hacen parte de una galvanización, evitando la corrosión del material. La galvanización se realiza teniendo en cuenta que el caucho que recubre al acero es un material poroso que estará en contacto con el agua. El acero también contiene manganeso (Mn), elemento utilizado como aleante para aumentar la resistencia a la tensión, además de contener Silicio (Si) Fosforo (P) y azufre (S) que se consideran como impurezas.

Figura 20. Espectrómetro de fluorescencia Figura 19. Espectrómetro de fluorescencia

Figura 17. Preparación de la Muestra Figura 18. Preparación de la Muestra

32

Los valores que se muestran a continuación (tabla 3), obtenidos de la espectrometría, no se encuentran normalizados ya que el ensayo no detecta el contenido de carbono dentro de la muestra. Por esta razón, y teniendo en cuenta que la estequiometria no está completa, el porcentaje de los elementos detectados dentro de la muestra no representan los valores reales.

Tabla 3. Datos obtenidos del ensayo de fluorescencia de rayos x

Elementos %

Si 0.039

P 0.005

S 0.056

Mn 0.207

Fe 31.320

Cu 1.114

Zn 0.288

Estos datos, complementados con el ensayo de tensión, proporcionan una idea clara del tipo de acero que contienen las llantas radiales.

7.2. ANÁLISIS METALOGRÁFICO Las muestras metalográficas fueron preparadas de acuerdo a la Norma ASTM E3[10]. Para realizar el análisis se hizo un corte transversal y axial para observar la estructura de los alambres de acero de la llanta. Es importante resaltar que los alambres se obtuvieron mediante dos procedimientos diferentes: quema de la llanta, y a través de nitrógeno líquido con posterior recuperación del alambre de acero. Esto se realizó con el fin de verificar que no haya cambios microestructurales que pueda alterar los resultados.

33

7.2.1. RESULTADOS Las micrografías muestran un elevado contenido de inclusiones, compuestas por óxidos de silicio, óxidos de hierro y en menor medida óxidos de manganeso. Dentro de la muestra estas inclusiones se presentan en forma de nódulos con un efecto lumínico (ver figuras 21 y 22).

Figura 21. Metalografía sin ataque de Nital, transversal.

Se pueden observar inclusiones nodulares 200X

Figura 22. Metalografía sin ataque de Nital, transversal.

Se observan inclusiones de óxidos de manganeso Los cuales presentan un efecto lumínico 500X Las siguientes metalografías revelan la microestructura del alambre y se puede notar que los métodos de obtención utilizados no generaron cambios en la microestructura del acero (figuras 23 y 24).

34

Después del ataque químico se puede observar, con gran claridad, que la microestructura presente es martensita del tipo revenida (ver figuras 25 y 26). Esto indica que el acero fue tratado térmicamente, puesto que la presencia de martensita en cualquier micrografía demuestra que el material fue endurecido, para aumentar sus propiedades mecánicas.

Figura 24. Metalografía con ataque deNital 3%, transversal muestra obtenidapor quema de cucho 100X

Figura 26. Metalografía con ataque de Nital 3%, transversal obtenida mediante la quema del caucho se observa una martensita rev enida un poco mas estresada 1000X

Figura 23. Metalografía con ataque de Nital 3%, transversal muestra obtenida con Nitrógeno líquido 100X

Figura 25. Metalografía con ataque de Nital 3%, transversal obtenida con Nitrógeno líquido. Se observa una martensita revenida. 1000X

35

Se realizaron metalografías que revelan la microestructura longitudinal del acero. En estas, se observa la microestructura de una martensita alargada, debido a que el corte realizado en éstas fue longitudinal (a lo largo del alambre de acero) como se puede observar en las siguientes figuras.

Figura 27. Metalografía con ataque de Nital 3%, longitudinal obtenida por quema, se observa el trabajo en frió. 100X


Figura 30. Metalografía con ataque de Nital 3%, longitudinal obtenida por quema, se observa el trabajo en frió.200X

Figura 29. Metalografía con ataque de Nital 3%, longitudinal obtenida mediante la quema del caucho, se observa el trabajo en frió. 200X

36

7.3. ENSAYO DE TENSIÓN Se realizaron seis ensayos de tensión sobre los alambres de acero siguiendo la norma ASTM A370[11] de tensión en guayas. El montaje realizado para este ensayo se ilustra en las figuras 33 y 34

Ç



Figura 33. Montaje del ensayo de tensión con el alambre de acero

Figura 34. Montaje del ensayo mordazas necesarias para fallar un alambre de acero

37

7.3.1. RESULTADOS DEL ENSAYO DE TENSIÓN Los resultados obtenidos del ensayo de tensión se presentan en la tabla 6, donde se observan los esfuerzos últimos. Esta fue la única propiedad mecánica obtenida de este ensayo, puesto que resulta bastante difícil fallar un acero de un diámetro tan pequeño, esto se debe a deslizamientos, producidos en el montaje. Adicionalmente el acero trenzado trae un problema debido a las irregularidades presentes y es casi imposible medir la deformación y la tenacidad.

Tabla 4 Resultados del ensayo de tensión sobre el acero

Probeta Esfuerzo Ultimo

Sut (MPa)

1 1753,37

2 1879,83

3 1540,01

4 1747,60

5 1786,28

6 1722,48

38

Grafica 1 ensayo de tensión

7.4. ENSAYO DE COMPRESIÓN AL CAUCHO El ensayo de compresión sobre el caucho siguió la norma ASTM C773 para compresión en cerámicos, debido a que el caucho se encuentra a una temperatura por debajo de los -700C que corresponde a una temperatura inferior a la temperatura de de transición vítrea, y por tanto puede ser tratado como un material cerámico. Este ensayo se realizó, dentro de la medida de las posibilidades, bajo todas las normas estandarizadas. Debido a que el tamaño de la probeta no presenta un tamaño uniforme y a que su espesor cambia en la medida que cambia su longitud, el ensayo se realizó sobre la parte más ancha de la probeta (ver figura 24).

7.4.1. RESULTADOS DEL ENSAYO DE COMPRESIÓN Los resultados mostraron que el máximo esfuerzo fue el realizado sobre la cara más ancha, donde el esfuerzo a compresión máximo obtenido fue de 30 MPa. Este ensayo se realizó cuando el caucho se encontraba a una temperatura por debajo de la temperatura de transición vítrea del mismo.

39

8. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO DE MOLIENDA El caucho es un elastómero que posee una excelente resistencia al desgaste y al impacto, haciéndolo ideal para aplicaciones en llantas. Las llantas están compuestas por un 70% de caucho natural y 30% de caucho sintético. El caucho natural es el poli-isopreno que ha sido utilizado desde la época de los mayas y aztecas. El poli-isopreno es un material que posee temperatura de transición vítrea, es decir que el material por debajo de cierta temperatura, para este caso de -700C, cambia su comportamiento y se asemeja al comportamiento frágil de un cerámico, disminuyendo su tenacidad. Es por esto que se decidió implementar un proceso que logre disminuir los costos de la máquina a diseñar. El proceso que se diseñó consiste en bajar la temperatura del caucho por debajo de la temperatura de transición vítrea -70ºC, con el fin de que el caucho se comporte como un material frágil y la energía necesaria para moler el caucho disminuya de manera sustancial. Para esto se utilizó el nitrógeno liquido que posee una temperatura de licuefacción de -195.80C, la cual es inferior a la temperatura de transición vítrea del caucho. Asi cuando el caucho es sumnergido en el nirogeno liquido éste, después de un tiempo, alcanzará casi la misma temperatura del nitrógeno. Esto hace que el caucho se comporte de una manera frágil para que la máquina tenga el tiempo suficiente de moler el caucho y exponer el acero contenido al interior de la llanta.

Grafica 2 Ensayo de compresión sobre el caucho

40

8.1. ALIMENTACIÓN Como se había mencionado anteriormente, las secciones de la llanta seleccionadas para la alimentación del molino, son sus costados. Esta parte está compuesta de caucho y acero trefilado espaciado por 2 mm de caucho para evitar la fricción entre los alambres de acero. La forma de la alimentación esta dada por la forma del costado de la llanta como se ha mencionado en anteriores secciones. La alimentación seleccionada como objetivo de este proyecto es de un corte del costado de la llanta con un ancho de 4 cm (Ver Figura 35 y 36).

Figura 35. Muestra de la alimentación objetiv o de la maquina

Figura 36. Alimentación de prueba que se utilizara en la maquina

41

9. DISEÑO DEL MOLINO Para iniciar los cálculos de diseño, en primer lugar, se asume la potencia del motor y el número de revoluciones por minuto de salida para obtener el torque producido por éste. En este orden de ideas se realizó una búsqueda en el mercado y se seleccionó un motor SUMIMOTO con una potencia de 1.864 Kw (2.5 hp), 90 RPM (9.424 rad/s) de salida y un torque de (197.803 Nm). Además, para el diseño resulta importante tener en cuenta la gran variabilidad de los cortes de la alimentación a utilizar.

9.1. CALCULO DEL DIÁMETRO DE LOS RODILLOS Conociendo el esfuerzo necesario para causar la fractura del caucho cuando está por debajo de la temperatura de transición vítrea, 30 MPa (anteriores ensayos), y conociendo el área que posee la alimentación, se determina la carga. Por tanto se debe tener en cuenta, que la fuerza presenta variaciones a medida que la alimentación pasa por cada par de rodillos. Esta fuerza se determinó teniendo en cuenta que los cortes producidos por cizallas hidráulicas, para obtener las probetas utilizadas, tienen una variabilidad bastante grande (puede variar desde 2 cm hasta 4 cm). De esta manera, se decidió utilizar el tamaño más grande que se puede obtener del costado de las llantas radiales, que es de aproximadamente 4 cm de ancho por 4 cm de espesor para el caso de los rodillos principales (ver figuras 35, 36, 37, 38). Para los rodillos secundarios y medios se asumió, por seguridad, que el tamaño permisible máximo fuera de 3 cm de espesor por 4 cm de ancho.

undariosrodillosdeparelparaNFmediosrodillosdeparelparaNF

sprincipalerodillosdeparelparaNFAF

sec360003600048000

*

==

== σ

42

Se asume que la fuerza es puntual, teniendo en cuenta que este sería el estado más crítico de los rodillos y que por geometría los rodillos tienen una longitud de 400 mm. Por medio de esta información se determinan los diagramas de cortante y momento.

Como se observa en el anterior diagrama de cargas (ver figura 39), las fuerzas existentes actúan en diferentes planos. Es por esto que los diagramas de cortante y momento se desarrollan en los planos xy y xz.

Figura 37. Estructura del molino

Figura 39. Diagrama de cuerpo libre

Figura 38. Esquema frontal de los rodillos

43

Para el anterior diagrama de cuerpo libre y para los rodillos principales tenemos los siguientes diagramas de cortante y momento, según los ejes que se están analizando. Así para los rodillos principales y en los ejes xy tenemos:

Figura 40. Diagrama de cortante y momento de los rodillos principales en los ejes XY

44

Y para los ejes xz de los rodillos principales tenemos:

Figura 41. Diagrama de cortante y momento de los rodillos principales en los ejes XZ Con estos valores de momento obtenidos y con la torsión previamente establecida se puede obtener el diámetro necesario para que los rodillos puedan cumplir con el objetivo de moler el caucho, como sigue a continuación:

45

Primero, mediante una suma vectorial de los momentos en el punto de interés, que es en 150 mm (ver figuras 40 y 41), se obtuvo el momento máximo ejercido por las cargas que actúan sobre el rodillo. Con este valor y el torque conocidos se utiliza el criterio de la ASME (American Society of Mechanicals Engineers) para fatiga; mediante este criterio y conociendo el proceso que realiza este tipo de máquinas, llamado impacto por fatiga, se tiene una aproximación al factor de seguridad. Para esta clase de aplicaciones como mínimo se utiliza un factor de seguridad de 6 y el material escogido para realizar esta tarea fue el AISI/SAE 4140 debido a sus excelentes propiedades mecánicas tales como dureza y tenacidad (ver anexo A). En este orden de ideas, los rodillos fueron calculados de la siguiente manera:

31

21

22 *3*4*16

⎪⎭

⎪⎬

⎫

⎪⎩

⎪⎨

⎧

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟⎠⎞⎜

⎝⎛⎟

⎠⎞⎜

⎝⎛=

SyTmKfs

SeMaKfnd

π Ec. 2 [12]

Siguiendo el mismo proceso también se obtienen los diámetros de los rodillos medios y secundarios (ver anexo B y tabla 5).

Tabla 5. Tamaño de los rodillos Rodillos d(m) d(mm) d(in)

Principales 0,08 80,62 3,17

Medios 0,07 73,3 2,89

Secundarios 0,07 73,3 2,89

Se debe tener en cuenta que los ejes reciben una reducción, debido a que éstos deben girar en los rodamientos. Por tal motivo, se eligió una geometría específica y se asumieron unos diámetros iníciales conociendo las cargas generadas. Con esta información y conociendo las expresiones para los concentradores de esfuerzo estáticos y a fatiga, y teniendo las respectivas constantes, se realizaron las iteraciones necesarias para obtener el diámetro mínimo necesario para los rodillos (ver tabla 6).

46

De la misma manera se calculan los diámetros de los extremos para los rodillos medios y secundarios (ver anexo A, B y C). Tabla 6. Iteración realizada para hallar el diámetro de los extremos de los rodillos principales

Por ciertos ajustes económicos, los rodillos después de ser diseñados fueron reducidos en longitud, de 400 a 300mm. Consecuentemente se eleva el factor de seguridad y bajan los costos. Finalmente, realizado este cambio, se hallaron los esfuerzos a soportar por estos rodillos (ver Anexo E y G).

9.2. SIMULACIONES REALIZADAS EN ANSYS Estas simulaciones se realizaron para verificar que los componentes que conforman la máquina no posean esfuerzos mayores a los permitidos. De tal manera se escogió un enmallado tetraédrico y se refinó hasta tener un enmallado de tamaño tres en la opción enmallado inteligente. Los resultados mostraron que los esfuerzos encontrados en los rodillos principales y en las placas son bastante bajos debido al elevado factor de seguridad utilizado, como es de esperar, estos esfuerzos y deformaciones se localizaron en los lugares donde se encuentran aplicadas las cargas y reacciones como se puede (ver las figuras 42, 43, 44 y 45). Las simulaciones para los rodillos medios y secundarios se encuentran en el anexo E.

47

Figura 45. Deformaciones (mm) que seproducen en los rodillos principales.

Figura 44. Esfuerzos (MPa) que se producen en los rodillos principales.

Figura 42. Esfuerzos (MPa) que se producen en la placa en la ubicación de los rodillos principales.

Figura 43. Deformaciones (mm) que se producen en la placa en la ubicación de los rodillos principales.

48

9.3. SELECCIÓN DE LOS RODAMIENTOS Como las cargas a transmitir son netamente radiales, se escogieron rodamientos de rodillos de hileras sencillas, los cuales son capaces de soportar grandes cargas radiales sin deformación alguna. Conociendo las fuerzas (ver Anexo B) y siguiendo las expresiones como se muestran a continuación, se puede buscar en tablas y escoger los rodamientos mas idóneos para soportar las cargas a los cuales van hacer expuestas.

rpmnhLnL

DnDLDFRnRLC

D

DrR

905001060**

)3/10/(1)60**(*)3/10/(1)60**(*10

6

===

=

LbfNDF 7424.725996.32292264082240003.1 ==+=

Ec. 4 [12]

kNlbfrpmh

LbfC 80.8629.195133.0

610

60*90*5000*7424.725910 ==⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

Con este valor de C10 se puede realizar una búsqueda en las respectivas tablas del catalogo, para conocer cuales son los rodamientos que mejor se adaptan a estas condiciones. Es así como se escogen los rodamientos ZVL NJ2208E y ZVL NJ2210, que cumplen con los requerimientos en cargas y vida infinita para esta clase de aplicaciones. El número total de rodamientos es de doce, cuatro de la referencia NJ2210 para los rodillos principales y ocho de la referencia NJ2208 para los rodillos secundarios y medios (ver Anexo D).

9.4. CÁLCULO DE LA POTENCIA La potencia se determinó mediante una aproximación al modelo de laminación debido a la similitud con el proceso que sigue la máquina. Sin embargo en el modelo de la laminación se necesita el esfuerzo de cedencia del material a laminar, pero en este modelo se cambiara por el esfuerzo de ruptura del caucho a compresión cuando el caucho se encuentra por debajo de la temperatura de transición vítrea. Debido a que se cuenta con el tamaño de los rodillos, se puede

Ec. 3 [12]

49

KwNLFP

WLFhihoRL

60000****2

**)(

πσ

=

=

−=

calcular la potencia necesaria por cada par de rodillos siguiendo el modelo de la laminación (ver figura 46).

Donde:

L =Longitud de contacto de los rodillos con la alimentación R =Radio del rodillo h0= Espesor de inicial de la alimentación hi =Espesor final de la alimentación w =Ancho de la alimentación σ = Esfuerzo de ruptura del caucho cuando se encuentra a temperaturas por debajo de la temperatura de transición vítrea

Con estos datos y las propiedades antes obtenidas, se puede calcular la potencia necesaria para los tres pares de rodillos, como se observa continuación:

Figura 46. Diagrama de fuerzas para la laminación [12]

Ec. 5 [13]

Ec. 7 [13]

Ec. 6 [13]

50

Tabla 7. Cálculos de las potencias para cada par de rodillos

R (m) ho (m) hi (m) L (m) fuerza rodil los

(N) potencia (W) N

(RPM) T (Nm)

0,04 0,03 0,02 0,01788854 10733,12629 1809,55737 90 192

esfuerzo (Pa) w (m) A HP

30000000 0,02 0,0009 2,42665642

Rodillos principales Kw

1,80955737


(N) potencia (W) N

(RPM) T (Nm)

0,0381 0,02 0,01 0,01745852 10475,11336 1723,60339 90 182,88

esfuerzo (Pa) w (m) A HP

30000000 0,02 0,0009 2,31139024

Rodillos medios Kw

1,72


(N) potencia (W) N

(RPM) T (Nm)

0,038 0,01 0,005 0,0138 8281,30 1077,25 90 114,3

esfuerzo (Pa) w (m) A(m2) HP

30000000 0,02 0,0009 1,44

Rodillos secundarios Kw

1,077

51

De esta manera la suposición sobre la potencia, que se había mencionado anteriormente, para calcular los rodillos queda validada y soportada por los anteriores cálculos.

9.5. CÁLCULOS DE LOS CUÑEROS Conociendo el torque producido por el motorreductor y el tamaño de los rodillos, se puede hallar el tamaño mínimo necesario para evitar el aplastamiento de los cuñeros de la siguiente forma:

inlb

RPMHP

T 69.175090

)5.2(*63025== Ec. 8 [12]

lbinlbin

Fs 161.1779984.0

69.1750== Ec. 9 [12]

Con un tamaño de ejes, de 50 mm (1.968 in) y 40 mm (1.574 in) como ya se había mencionado anteriormente, y observando la tabla 8, se obtiene que para los rodillos principales con un diámetro de 1.968 in, el tamaño estándar de la cuña cuadrada es de ½ pulgada y para los rodillos medios y secundarios el tamaño estándar de la cuña cuadrada es de 3/8 pulgadas.

Tabla 8. Dimensiones de los cuñeros según los diámetros del eje[12]

Conociendo ya el tamaño de los cuñeros, ahora debemos hallar la longitud mínima necesaria de las cuñas para evitar el aplastamiento como sigue: La falla

52

se produce por cortante a lo largo de la cara de la chaveta y se creará un esfuerzo cortante β, donde t es el ancho de la chaveta y L la longitud de la misma. Se sustituye τ es el esfuerzo de cedencia dividido por el factor de seguridad, que para este caso es de 2.8, y para resistir el aplastamiento, se utiliza el área de la mitad de la cara de la chaveta, y de esta forma se obtienen las siguientes expresiones:

2* ltF

=β Ec. 10 [12]

β Esfuerzo cortante F Carga l Longitud de la cuña

2* lt

FnS y = Ec. 11[12]

Así, para los rodillos principales la longitud mínima permisible para las chavetas es de l= 0.249in . Para los rodillos medios y secundarios se tiene que la fuerza es un poco mayor, debido a que el tamaño del diámetro disminuye; además el tamaño de la cuña disminuye por la misma razón. Así se obtiene:

inlbRPM

HPT 69.175090

)5.2(*63025== lb

inlbinFs 51.2224

787.069.1750

==

2*ltF

=τ 2* lt

FnS y =

La longitud mínima requerida por los rodillos medios y secundarios es de 0.416 in

9.6. ALOJAMIENTO PARA LOS RODILLOS Estas placas son las encargadas de mantener los rodamientos, y por tal motivo deben de resistir las reacciones que se producen en el momento de la molienda y garantizar que el alojamiento de los rodamientos no se vea deformado por estas cargas. Al mismo tiempo estas placas están expuestas a fatiga y por esto fueron diseñadas con un factor de seguridad de 6. Así, el espesor de estas placas es de una pulgada.

53

El material seleccionado para estas placas fue de un acero A36, debido a sus propiedades mecánicas y su fácil consecución en el mercado para esta clase de espesores y su bajo costo en el mercado (ver anexo A y F).

10. CONSTRUCCIÓN La construcción se dividió en tres etapas. La primera etapa constó de la fabricación de la estructura: maquinado para el alojamiento de los rodillos, las boquillas que llevan al material de alimentación hasta la mitad de los rodillos, y la mesa donde estará soportado (ver anexo F). La segunda etapa se dividió en: maquinado de los rodillos, recubrimiento de cromo duro y ensamble con las partes eléctricas como el motorreductor, los interruptores y la transmisión de potencia, además de las protecciones eléctricas. La tercera etapa conlleva la construcción de todos los elementos de protección necesarios que aseguren la integridad del operario, como son los guarda polvos, los cuales cubrirán y protegerán el sistema de transmisión de potencia.

11. PROTOTIPO Atendiendo a la falta de tiempo con que se disponía se decidió fabricar un prototipo mucho más practico que el planteado anteriormente, y que lograra demostrar el proceso que se ha desarrollado a lo largo de este proyecto. Es así como se decidió diseñar unos rodillos que amplificaran el efecto sobre la separación de los materiales de la llanta (acero y caucho) sacrificando un poco el tamaño de partícula que se pudiera obtener. En este orden de ideas se desarrollo un par de rodillos dentados de acero 4140 (ver figuras 47 y 48), los cuales fueron construidos basados en los cálculos anteriormente obtenidos y con ciertas partes ya construidas (ver figura 79 y 78), a partir de esto se verificaron los cálculos mediante ansys como se puede ver en las figuras 49, 50 y 51.

Figura 47. Rodillo dentado

54

Figura 48. Rodillos dentados Se puede observar que los esfuerzos y las deformaciones obtenidos (ver figuras 49, 50 y 51) son bajos debido al factor de seguridad que se utilizo durante el diseño, estos esfuerzos se ven representados por el color rojo en las figuras donde el esfuerzo máximo obtenido fue 92.8 MPa

Figura 49. Esfuerzos (MPa) producidos en el diente las zonas rojas marcan los esfuerzos de mayor intensidad donde el máximo esfuerzo obtenido fue de 92.86 MPa.

Figura 50. Esfuerzos (MPa) se pueden observar como influyen en la geometría de la pieza.

55

11.1 MONTAJE DEL PROTOTIPO Para realizar este montaje se utilizo algunos elementos encontrados en la UNIVERSIDAD DE LOS ANDES como lo fue el motor (Siemens de 5 hp y una salida de 1800 rpm) y el reductor (Franco hermanos con una reducción 1/40) los cuales se acoplaron a los elementos que ya habían sido fabricados anteriormente (ver anexo H) como se puede ver en las figuras 52 y 53

Figura 52. Montaje del prototipo

Figura 51. Deformaciones (mm) producidas en el dientelas zonas rojas marcan las seccionas mas afectadaspor los esfuerzos

56

Figura 53. Montaje del prototipo se puede observar los rodillos dentados y las placas donde se encuentran alojados los rodamientos.

11.2 RESULTADOS OBTENIDOS DE LAS PRUEBAS REALIZADAS CON EL PROTOTIPO Los resultados fueron satisfactorios ya que la separación de los materiales de la llanta fue completa, aunque en ciertos hilos de acero se puede apreciar partículas de caucho como se pueden ver en las figuras 54 y 55.

57

A través de las pruebas hechas se separaron tres muestras que se consideraron relevantes para este proyecto, debido al tamaño de partícula (0,1mm) y la geometría que presentaron, como se pueden apreciar en la figura 56.

De la muestra 1 obtuvimos un tamaño de partícula fino (0,1mm) y una geometría de la partícula irregular, este patrón se repite en todas las partículas observadas ver figuras 57 y 58

Figura 55. Acero obtenido del proceso de molienda, se puede observar ciertos residuos de caucho. Aumento 2X

Figura 54 Acero obtenido del proceso de molienda. Sin aumento

Figura 56. Muestras obtenidas

58

De la muestra 2 podemos decir que el tamaño es mucho más grande, la geometrías de las partículas son irregulares y muestra ciertos pedazos de hilo de acero que deben ser retirados por un proceso posterior, además no se observa ningún patrón geométrico en las ver figuras 59 y 60.

Figura 58. Muestra 1 partículas obtenidas de las pruebas realizadas con el prototipo, se puede observar una geometría irregular de la particular pero un tamaño uniforme. Aumento 2X

Figura 57. Muestra 1 partículasobtenidas de las pruebas realizadas conel prototipo, aumento 1X

Figura 59. Muestra 2 partículas obtenidas de las pruebas con el prototipo, aumento 1X

Figura 60. Muestra 2 partículas obtenidas de las pruebas con el prototipo, aumento 2X

59

Como se puede observar la muestra 3 presentan partículas con forma irregular sin presentarse un patrón geométrico. Se puede apreciar como el acero ha sido retirado del caucho mediante el proceso de molienda ver figuras 61 y 62

Figura 62. Muestra 3 partículas obtenidas de las pruebas con el prototipo aumento 2X

Figura 61. Muestra 2 partículas obtenidas de las pruebas con el prototipo aumento 1X

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12. CONCLUSIONES

• Las curvas obtenidas del ensayo de tensión solo evidenciaron el esfuerzo

último, debido a que fallar un acero de un diámetro tan pequeño presenta problemas de deslizamientos producidos en el montaje. Adicionalmente el acero trenzado trae otro problema, debido a las irregularidades presentes que hace imposible medir la deformación y la tenacidad.

• Los porcentajes obtenidos en el ensayo de composición química a través de la técnica de fluorescencia de rayos x, muestran los elementos que contiene el acero, pero los valores obtenidos no se encuentran normalizados debido a que la técnica utilizada no detecta el carbono, por esto los valores obtenidos no equivalen al porcentaje en peso real del acero.

• Los resultados de las simulaciones realizadas en ansys arrojaron esfuerzos bajos, debido al elevado factor de seguridad que se utilizó para el diseño de la máquina, esto se debe al proceso que la máquina lleva a cabo, el cual esta categorizado como impacto por fatiga, que tiene valores típicos de factores de seguridad de 6.

• En general los esfuerzos máximos en las simulaciones se encontraron en donde están los concentradores de esfuerzo, que fueron localizados en donde hay cambios de sección importantes, como la reducción que reciben los rodillos para ubicar los rodamientos.

• El proceso diseñado para llevar acabo la molienda a través del nitrógeno liquido mostró su efectividad al bajar los costos de la maquina, en aspectos como la reducción en la potencia necesaria, y en el tamaño de los rodillos utilizados.

• Gracias a las pruebas realizadas se puede concluir que el prototipo escogido y construido fue suficiente para moler el caucho, como se puede evidenciar en las secciones anteriores, donde observamos el acero que pertenece a las llantas después de la molienda, que muestra un porcentaje muy bajo de caucho adherido a su superficie, el cual se puede retirar por procesos químicos posteriores sin realizar un daño significativo al medio.

• Las partículas obtenidas mostraron diferentes clases de tamaño, desde

partículas finas (0,1mm) hasta gruesas (3mm), las cuales podrían ser usadas para cambiar la reología de los asfaltos.

• En las muestras obtenidas se pudo identificar que algunas de estas contenían pequeños pedazos de acero, que deberán ser retirados por

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procesos posteriores para que el caucho obtenido de la molienda pueda ser utilizado en otras aplicaciones.

• En el momento de las pruebas con el prototipo se hizo evidente la necesidad de un recubrimiento superficial o un endurecimiento mediante un tratamiento térmico, ya que se podía observar a simple vista como el acero contenido en la llanta desgasto los rodillos dentados, esto se debe a que el acero de la llanta posee una dureza significativamente mayor a la del material utilizado para la fabricación de los rodillos (acero ASI/SAE 4140)

• Se hace evidente a través de las partículas obtenidas de los diferentes ensayos realizados con el prototipo, que a medida que se encontraban partículas de tamaño más grande (3mm) la geometría presente en estas era mucho más irregular, sin presentar un patrón establecido.

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13. RECOMENDACIONES

• Se puede aumentar el tamaño de los dientes del rodillo obteniendo mejores resultados en cuanto al tamaño de partículas que se desean.

• Para mejorar la eficiencia del molino se podría combinar distintas clases de rodillos, dentados y lisos con el fin de obtener partículas más homogéneas y un tamaño uniforme en ellas.

• Los rodillos fabricados de 4140 poseen una dureza más baja que la que

posee el acero encontrado en las llantas radiales, es por eso que se recomienda un recubrimiento de cromo duro o un tratamiento térmico que aumente esta propiedad, para que en el momento de la molienda los rodillos no se desgasten.

• Colocar una serie de tamices para que ayuden a realizar una clasificación de las partículas obtenidas de una manera eficiente.

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ANEXO A. PROPIEDADES DE LOS ACEROS UTILIZADOS PARA LA CONSTRUCCIÓN DEL MOLINO. Tabla 9. Propiedades mecánicas del acero AISI 4140 [14]

Recuperado de www.matweb.com

64

Tabla 10. Propiedades mecánicas del acero AISI 1040 [14]


Tabla 11. Propiedades mecánicas de acero A36 [14]


65

ANEXO B. DIAGRAMAS DE CORTANTE Y MOMENTO PARA LOS RODILLOS

Figura 63. Diagrama de cortante y momento de los rodillos medios en los ejes XY

66

Figura 64. Diagrama de cortante y momento de los rodillos medios en los ejes XZ

67

Figura 65. Diagrama de cortante y momento de los rodillos secundarios en los ejes XY

68

Figura 66. Diagrama de cortante y momento de los rodillos secundarios en los ejes XZ

69

ANEXO C. CÁLCULOS REALIZADOS EN LOS RODILLOS Tabla 12. Iteraciones realizas para obtener el diámetro de los extremos para los rodillos medios

Tabla 13. Iteraciones realizas para obtener el diámetro de los extremos para los rodillos secundarios

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ANEXO D. DIAGRAMA DE LOS RODAMIENTOS UTILIZADOS.

Figura 67. Rodamientos utilizados para los rodillos medios y secundarios [15]

Figura 68. Rodamientos utilizados para los rodillos principales [15]

71

ANEXO E. ESFUERZOS QUE SE PRODUCEN EN LA MAQUINA DEBIDO A LAS CARGAS APLICADAS.

Figura 69. Esfuerzos (MPa) que se producen en la placa en la ubicación de los rodillos secundarios.

Figura 72. Deformaciones (mm) que se producen en los rodillos medios.

Figura 70. Deformaciones (mm) que se producen en la placa en la ubicación de los rodillos secundarios.

Figura 71. Esfuerzos (MPa) que se producen en los rodillos medios.

72

Figura 74. Deformaciones (mm) que seproducen en la placa en la ubicación de losrodillos secundarios.

Figura 76. Deformaciones (mm) que se producen en los rodillos secundarios.

Figura 73. Esfuerzos (MPa) que se producen en la placa en la ubicación de los rodillos secundarios.

Figura 75. Esfuerzos (MPa) que se producen en los rodillos secundarios.

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ANEXO F. PROCESO DE CONSTRUCCIÓN DE LA MAQUINA

Figura 78. Placas maquinadas Figura 77. Placas

Figura 79. Placas maquinadas en detalle Figura 80. Soportes de la mesa

Figura 81. Mesa de la maquina Figura 82. Estructura

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ANEXO G. PLANOS

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REFERENCIAS

[1] proporcionado por Bridgestone Firestone Colombia. [2] molino de martillos. Recuperado de http://www.andritzsproutbauer.com/images/hammermill_med.jpg, el 10 de Marzo de 2007. [3] Vargas Colorado, Julián. Obtención por molienda mecánica de polvos Poliméricos. Bogotá, 2004 Tesis (proyecto de grado). Universidad de los Andes. Facultad de Ingeniería. Departamento Ingeniería Mecánica. [4] Corte transversal de un Molino de martillos, Recuperado de http://.www.geocities.com/lebr7/molinosmartillo.htm, el 20 de Mayo de 2008. [5] funcionamiento de un molino de bolas recuperado de www.86371.cn/Ball%20mill.htm el 8 de marzo de 2007. [6] funcionamiento de un molino de bolas recuperado de http://www.gpag.com/index.php?id=146&l=3 el 20 de mayo de 2008. [7] Funcionamiento de un Molino de discos abrasivos Pulverisette 13. Laboratory Disk Mill. Fritsch GmbH [8] Ullman, D.G. The mechanical Design Process, Mc Graw Hill, 1992. pg. 112-125. [9] Recuperado de http://www.uned.es/cristamine/mineral/minbas_mrc.htm, el 25 de Noviembre de 2007 [10] E3 Standard Guide for Preparation of Metallographic Specimens [11] A370 Standard Test Methods and Definitions for Mechanical Testing of Steel Products [12] SHIGLEY E. Joseph Diseño en ingeniería mecánica (6ed),Mc Graw Hill

81

[13] Hoff, Hubert Laminación, (1ed), Editorial Dossat, 1965 [14] Propiedades mecánicas de los aceros, recuperado de www.matweb.com, el 14 de Mayo de 2008. [15] Recuperado de www.skf.com el 5 de Mayo de 2008.

felipe augusto muÑoz bayona - uniandes

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