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UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA

Facultad de Ingeniera

Departamento de Ingeniera Mecnica y Mecatrnica

Diseo de una conchadora para la produccin de chocolate

artesanal

Presentado por:

Jos Israel Correa: jicorreac@unal.edu.co

Julin Giraldo Ospina: juagiraldoos@unal.edu.co

Juan Pablo Rincn: jprincon@unal.edu.co

Con la colaboracin de:

Andrs Bernal Dueas: anmbernaldu@unal.edu.co

Catalina Rincn Plazas: crinconp@unal.edu.co

Jos David Trillos: jdtrilloss@unal.edu.co

Presentado a:

Carlos Alberto Narvez Tovar: canarvaez@unal.edu.co

Juan Edilberto Rincn Pardo: jerinconp@unal.edu.co

Bogot, Colombia. Junio del 2012

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Contenido

I. Introduccin .............................................................................................................................. 4

II. Objetivos del proyecto .............................................................................................................. 4

III. Marco terico ........................................................................................................................ 5

IV. Estado Arte ............................................................................................................................ 5

A. Conche: .................................................................................................................................. 7

B. Sistemas de conchado actualmente existentes ...................................................................... 7

1) Conchado por tandas ......................................................................................................... 7

2) Conchado continuo ............................................................................................................ 8

V. Definicin de la Necesidad.................................................................................................... 8

VI. Planteamiento del Problema .................................................................................................. 9

A. A quin? ............................................................................................................................... 9

B. Qu y para qu? ................................................................................................................... 9

C. Por qu? ............................................................................................................................... 9

D. Dnde y cundo? ............................................................................................................... 10

E. Costos? .............................................................................................................................. 10

F. Sub-problemas de diseo asociados .................................................................................... 10

VII. Requerimientos del Cliente ................................................................................................. 10

VIII. Especificaciones de Ingeniera ............................................................................................ 11

IX. Requerimientos .................................................................................................................... 12

X. Parmetros de Diseo .............................................................................................................. 12

XI. Muestra de Clculos ............................................................................................................ 14

A. Engranajes: .......................................................................................................................... 17

1) Reduccin Engranajes Rectos: ........................................................................................ 17

2) Reduccin Engranajes cnicos (parte inferior del eje principal): .................................... 17

3) Reduccin Engranajes cnicos (parte superior eje principal): ........................................ 18

B. Ejes: ..................................................................................................................................... 18

1) Eje transmisin: ............................................................................................................... 18

2) Eje rodillo: ....................................................................................................................... 18

3) Eje Principal: ................................................................................................................... 18

C. Rodamientos: ....................................................................................................................... 19

D. Estructuras: .......................................................................................................................... 20

1) Nivelador: ........................................................................................................................ 20

2) Columnas laterales: .......................................................................................................... 23

E. Cuas: .................................................................................................................................. 25

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F. Elementos de unin: ............................................................................................................ 25

1) Tornillos: ......................................................................................................................... 25

2) Tornillo de Potencia ......................................................................................................... 26

3) Soldaduras: ...................................................................................................................... 28

G. Elementos calculados con ANSYS: .................................................................................... 28

1) Tambor: ........................................................................................................................... 28

Ver las carpetas Tambor y Tambor_Ansys. ............................................................................ 28

2) Varilla soporte: ................................................................................................................ 29

Ver carpeta Varilla soporte ...................................................................................................... 29

3) Mesa soporte: ................................................................................................................... 29

Ver carpeta Mesa soporte ........................................................................................................ 29

4) Rodillo: ............................................................................................................................ 30

Ver carpeta Simulacin Rodillo .............................................................................................. 30

H. Clculo de la Potencia real: ................................................................................................. 32

XII. Manual de Operacin de la Mquina .................................................................................. 32

XIII. Mantenimiento de los Componentes De La Mquina ......................................................... 33

XIV. Hojas Tecnolgicas ............................................................................................................. 34

XV. Conclusiones ....................................................................................................................... 34

Bibliografa ..................................................................................................................................... 36

Resumen- En el siguiente documento se explica de manera general el procedimiento que se llev

a cabo durante el presente semestre en la asignatura de Diseo de elementos de mquinas II para

el desarrollo del respectivo proyecto, el cual contempla el clculo y diseo de los elementos de

mquinas que componen una conchadora para la produccin de chocolate.

Este proyecto se realiz dentro del proyecto de grado de otros compaeros de la carrera de

Ingeniera mecnica, quienes supervisaron y colaboraron en el desarrollo del mismo.

ndice de Trminos- Cacao, Conching, Mezcla, Diseo de elementos,

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I. INTRODUCCIN

El grano de cacao proviene de una planta llamada Theobroma Cacao L. la cual es cultivada en las

zonas tropicales del planeta. Este grano forma parte de la materia prima para la produccin del

chocolate el cual es altamente consumido en gran parte del mundo, ya sea como confitera o

como chocolate de mesa, aunque este no es el nico uso que se le puede dar al cacao, ya que

tambin tiene una gran variedad de usos mdicos y de belleza.

El conching o conchado es un proceso de refinacin de la pasta bsica de chocolate por medio del

cual se mejora y armoniza su sabor y se hace posible su fluidez.

II. OBJETIVOS DEL PROYECTO

Objetivo general:

Como objetivo general del proyecto se propone el clculo y diseo de los elementos que

componen una conchadora de chocolate.

Objetivos especficos:

- Desarrollar capacidades de trabajo en equipo y de direccin, trabajando en forma integrada tanto con los compaeros de la tesis como con los compaeros de la asignatura

de dibujo de mquinas.

- Aplicar la metodologa de diseo de mquinas y los conceptos de diseo y clculo de elementos de mquinas realizando el diseo de una mquina en un proyecto de aplicacin.

- Aprender a definir parmetros de diseo de mquinas.

- Aprender a seleccionar elementos de transmisin de potencia comerciales, utilizados en transmisiones mecnicas (correas, cadenas, cojinetes)

- Aprender a calcular, dimensionar y/o seleccionar cojinetes de rodamientos y de deslizamiento.

- Aprender a disear y calcular engranajes de diferentes caractersticas.

- Propiciar al estudiante la capacidad de comunicacin oral y escrita en el rea.

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III. MARCO TERICO

Un conche es un mezclador y agitador que distribuye uniformemente la manteca de cacao en el

chocolate, y puede actuar como pulidor de partculas, adems promueve el desarrollo del sabor a

travs del calor creado por la friccin.

Existen numerosos diseos de conchas y los cientficos de alimentos estn estudiando

precisamente lo que sucede durante el conchado. El nombre de conchado deriva directamente de

la forma de los recipientes donde era realizado este proceso inicialmente cuando fue creado.

Cuando los ingredientes son mezclados en el conching, el proceso puede llegar a durar hasta 78

horas, dado que el proceso es tan importante para la textural final y el sabor del chocolate, los

fabricantes procuran mantener el proceso controlado.

Durante el proceso del conchado el chocolate pasa a travs de tres fases. En la fase de secado, el

material que est en forma de polvo se mezcla con la manteca de cacao. El movimiento del aire a

travs de la conchadora elimina algunas sustancias de humedad y algunas sustancias, que pueden

dar un sabor acido al chocolate.

En la fase pastosa, se agregan otros productos junto a la manteca de cacao y la potencia requerida

en este proceso para hacer mover los ejes del conche aumenta.

La fase lquida final permite una pequea modificacin de la viscosidad del producto acabado,

que puede ser ajustado en funcin del uso previsto del chocolate. Los diferentes productos

terminan por ser agregados para ajustar la viscosidad y se mezcla completamente.

IV. ESTADO ARTE

En el proceso de conchado, la manteca de cacao y las grasas de los productos, que funden a

determinada temperatura, son las responsables de dar la textura cremosa al chocolate

(generalmente representan cerca de 1/3 de las recetas); en el conchado lo que sucede es que se

rompen las partculas slidas y se recubren con estas grasas, de manera que se presente mejor

fluidizacin. Tradicionalmente, se encuentran tres fases de conchado:

- Fase seca: en esta fase la mezcla es grumosa, y se retira la mayor parte de la humedad. En esta

etapa la potencia consumida por el conche aumenta a medida que se aaden los ingredientes.

- Fase pastosa: En esta etapa, el chocolate es una masa pastosa, y en la interface con la fase seca

se presentan altas temperaturas que ayudan a esta transformacin. La viscosidad comienza a

bajar, y ya que sta depende de la cantidad de esfuerzo cortante dado a la mezcla, dependiendo de

la viscosidad deseada para el chocolate y el sabor deseado, se debe controlar la velocidad, la

potencia otorgada a los elementos que revuelven y el tiempo de mezclado.

- Fase lquida: ya durante esta fase el chocolate se ve como un fluido uniforme, y en sta se

aaden los ltimos ingredientes de la receta. Se debe dar el suficiente tiempo para permitir una

viscosidad equilibrada.

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El funcionamiento del conching se basa en el esfuerzo cortante que se le imprime al fluido. Segn

[2] la intensidad de la mezcla puede ser cuantificada por un factor denominado tasa de cortante

(shear rate), dado por la ecuacin:

Donde h es la distancia entre el elemento mezclador y la pared del mezclador; v1 y v2 son las

velocidades del mezclador y la pared, respectivamente.

Figura 1. Representaciones de cortante (a) y de flujo elongacional (b). Tomado y modificado de

[2]

Si la mezcla se realiza a una tasa pequea por bastante tiempo, la viscosidad alcanza un punto de

equilibrio del cual no tiende a cambiar; slo cambian los sabores del chocolate. A medida que

aumenta la tasa de cortante, el punto de equilibrio se da a una viscosidad menor, y llega a ser

alcanzado ms rpidamente; es decir, entre ms rpida sea la velocidad o menor la distancia entre

mezclador y pared, se produce un chocolate ms suave. Estas caractersticas influyen entonces en

los tiempos estipulados, la potencia necesaria, la geometra de la mquina y el control de la

temperatura debido al rozamiento, entre otros factores.

Tambin existe otro tipo de flujo, llamado elongacional, en el cual las partculas no se tratan de la

misma forma; en este tipo de flujo se procura que la forma de cua rompa las partculas slidas y

las unte en la pared de la mquina; posteriormente se invierte el sentido del rotor para que el material lquido produzca ms esfuerzo sobre las partculas de la pared y se mezclen mejor.

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Los mtodos de efectuar el conching son muy variados, y hay miles de mquinas con diseos

diferentes. No obstante, hay diseos que dominan el mercado mundial. En este sentido la

referencia [1] ha sido de gran ayuda, puesto que contiene los elementos necesarios a saber sobre

un tema muy desconocido en el pas y sobre el cual a nivel nacional no se encuentra mucha

informacin. Los diseos, patentados por empresas especficas, pueden observarse mejor en el

captulo sobre el benchmarking del producto, o acudiendo a la referencia.

A. Conche:

El conche, tambin conocido como Melnger, es una mquina cuya funcin es mantener

mezclando el chocolate junto a otros ingredientes durante un tiempo largo. La primera tecnologa

mecnica utilizada fue creada por Ruidi Lindt en 1878, y consista en un rodillo de granito que se

mova a lo largo de un contenedor.

B. Sistemas de conchado actualmente existentes

1) Conchado por tandas

Consiste en un sistema al cual se le efecta una carga de ingredientes y efecta el conchado por

lotes. En general estos sistemas se componen de una o varias cmaras, las cuales se llenan

parcialmente de chocolate y se efecta el vaciado. Pueden existir de dos tipos:

a) Conche rotatorio horizontal

Si bien existen varios sistemas, el principio de funcionamiento (simulando el actuar del conche

lineal) es el de hacer rodar paletas o ruedas mediante el giro de un eje vertical. El que usa rodillos

es el tipo de conche ms utilizado alrededor del mundo en las industrias medianas, y el cual es

reconocible como el clsico Melnger.

Figura 2. Conche lineal. Tomado de [2]

Los diseos basados en sta tecnologa son muy variados, dependiendo del tipo de mezcla que se

le quiera dar al chocolate.

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b) Conche rotatorio vertical

En contraposicin al anterior, este conche revuelve la mezcla de manera vertical mediante paletas

generalmente, movidas por un eje horizontal. Hace subir la mezcla de manera que esta vuelve a

caer al fondo de la mquina; este movimiento favorece el aireado de la mezcla; sin embargo, hace

ms crtico el comienzo de la fase seca del conchado.

2) Conchado continuo

Estos sistemas se basan en los procesos de molienda por rodillos o martillos, que pueden ser

adaptados a procesos continuos. El chocolate se hace pasar de un contenedor a otro, cada uno con

una capacidad mayor de mezclado que el anterior. En un tipo de sistema se manejan grandes

cantidades por cmara; debido a que manejan grandes volmenes es preferible usarlo para un

solo tipo de receta en elaboracin. En el otro tipo se efecta un mezclado de poco chocolate pero

con un mezclado ms intenso y con menos tiempo.

Figura 3. Conche Rotatorio horizontal.

V. DEFINICIN DE LA NECESIDAD

En concordancia con la descripcin de la necesidad de las pequeas empresas agroindustriales del

pas que deseen dedicarse al procesamiento y obtencin de productos finales de buena calidad de

chocolate como valor agregado, el diseo de una mquina conchadora se hace necesario, puesto

que es un eslabn vital en la industria, uniendo al cacao con el resto de ingredientes y dndole las

propiedades caractersticas a lo comnmente denominado "chocolate".

Se requiere entonces una mquina verstil, que si bien no se encuentre al nivel de sofisticacin de

una mquina de industria internacional ni en su nivel de capacidad de procesamiento, sea capaz

de efectuar el trabajo de conchado del chocolate en lo que se refiere a la mezcla y otorgue de

cuerpo, aroma y sabor.

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Tambin es importante identificar el mercado objetivo, porque por pequeo que parezca es

necesario estudiarlo para definir que esperan como producto final y qu hay en el mercado

actualmente, para finalmente poder hacer un estudio de competencia.

Inicialmente, se podra hablar que el mercado es el GIDMAQ, Grupo de Investigacin en Diseo

de Mquinas en la Universidad Nacional de Colombia, pues su objetivo principal es satisfacer y

suplir todas las necesidades e inconsistencias presentadas en el proceso pos-cosecha de diferentes

productos alimenticios.

Igualmente, un segundo mercado, seran todas las familias cacaoteras que aunque no cuentan con

un gran nmero de hectreas cultivadas, si logran asociarse entre s estaran en capacidad de

adquirir la lnea de procesamiento. Luego, para estar seguros de desarrollar un producto

realmente atractivo y de ayuda, es necesario conocer los pensamientos, dificultades y

aspiraciones del cacaotero en cuanto a su crecimiento en la industria.

Del mismo modo, otro tipo de mercado objetivo seran las pequeas y medianas empresas

procesadoras de cacao, pues si es posible desarrollar una mquina de menor costo, y mayor o

igual calidad de procesamiento, es factible pensar en una reestructuracin de planta, implicando

una inversin con una recuperacin a mediano plazo.

VI. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

A. A quin?

La pregunta de a quin va dirigido el producto tiene dos implicaciones: quin solicita el montaje

de la lnea de procesamiento de cacao y hacia quin va dirigido su uso. El diseo de la lnea fue

requerida por el grupo de investigacin en diseo de mquinas de la Universidad Nacional

(GIDMAQ) debido al conocimiento de las condiciones de la produccin de cacao de los

pequeos productores en el pas. En cuanto al usuario final, se define el uso por parte de

microempresas y productores pequeos de las zonas cacaoteras, con conocimiento de las

condiciones ptimas para el procesamiento del cacao pero sin capacitacin para el manejo de

maquinaria compleja para el procesamiento del cacao.

B. Qu y para qu?

Para el conching, la definicin de para qu se necesita la mquina surge del estudio de la

industria del chocolate a nivel mundial. Debido a este estudio es que se ha determinado la

necesidad de la existencia de esta mquina, la cual es la encargada de efectuar la mezcla del

chocolate con los dems ingredientes en una receta de confites: bombones, trufas, pastillas, etc.

C. Por qu?

Como se ha explicado antes, la razn de ser del proyecto es dar la posibilidad de efectuar

procesamiento de cacao en una escala pequea, en favor de los productores pequeos. La

maquinaria que puede conseguirse para el procesamiento, la cual debe ser importada, trabaja en

rangos de 500 kg/hora. El procesamiento de cacao por parte de la lnea implica un rango de

trabajo para la mquina conchadora; si bien es opcional su uso por parte del empresario segn la

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clase de producto que desee tener, la mquina debe estar en capacidad de procesar el cacao

procedente de la prensa en un proceso de manufactura relativamente continuo.

D. Dnde y cundo?

Para la lnea se ha determinado la ubicacin en plantas de produccin con condiciones tales como

suministro de energa elctrica y proteccin de elementos ambientales. El espacio requerido para

el montaje de la misma depende tambin del resultado del proceso de diseo, ya que la necesidad

no define un espacio existente donde se pueda montar la planta.

E. Costos?

Segn el estudio del estado del arte, la mquina conchadora tiende a ser bastante costosa debido a

la naturaleza de los elementos que necesita para realizar su funcin. Por ello se le ha asignado un

rango de precios superior al del resto de las mquinas de la lnea. Sin embargo, sigue en pie la

importancia de su desarrollo y su competitividad frente a mquinas extranjeras, las cuales debido

a su elevado costo y capacidad de procesamiento slo pueden ser tradas por grandes productores

de chocolate del pas.

F. Sub-problemas de diseo asociados

- El principal problema identificado en la mquina relaciona el costo de la misma con la

versatilidad y calidad del producto deseado, ya que segn los estudios realizados esta mquina

tiende a ser bastante costosa, sea cual sea el sistema empleado para el conchado.

- Otro aspecto a tener en cuenta es el enfrentamiento entre el tamao de la mquina y su

capacidad de procesamiento. La naturaleza del proceso de conchado exige unos tiempos de

procesamiento de tanda bastante elevados (8 horas como mnimo), por lo cual debe manejar

grandes volmenes de material, que obviamente van a ocupar bastante espacio.

- Igualmente es un aspecto crtico la versatilidad para efectuar cambios en la mquina (en la

altura y la velocidad de conchado) con la sencillez del diseo requerida y el requerimiento de

piezas que se puedan conseguir en el mercado nacional.

VII. REQUERIMIENTOS DEL CLIENTE

Para la conchadora de chocolate pueden establecerse los siguientes requerimientos, segn la

situacin actual de un cliente potencial para la mquina:

1) Que sea capaz de procesar todo el grano del resto de la lnea de manera eficiente

2) Fabricado con piezas de fcil obtencin y reemplazo.

3) Que sea capaz de funcionar durante todo el proceso de mezclado sin interrupcin.

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4) Que permita ser lo suficientemente verstil para ajustar el sabor del chocolate y obtener un

buen producto.

5) Que permita una salida fcil del chocolate tras el mezclado.

6) Que no sea demasiado grande.

7) Que sea bastante esttico.

8) Seguro para el operario.

9) Mantenimiento sencillo.

A continuacin se presenta la comparacin dos a dos, para determinar el nivel de importancia:

Figura 4. Comparacin dos a dos de los requerimientos de la conchadora.

VIII. ESPECIFICACIONES DE INGENIERA

Se pueden citar como especificaciones para la mquina de conching:

- Dimensiones mximas: 2m x2m x 2m

- Capacidad de procesamiento: 50kg por hora de trabajo mnimo, para cumplir con

requerimientos de lnea

- Porcentaje de componentes estandarizados: 70%

- Porcentaje de aprovechamiento de materia prima: 80%

- Periodo entre inspeccin y mantenimiento: 6 meses

- Vida til: 10 aos

Total Porcentaje

Capacidad de procesamiento 1 0 0 1 1 1 0 0 4 11,1%

Facilidad de adquisicin de piezas 0 0 0 1 1 1 0 1 4 11,1%

Continuidad de trabajo 1 1 0 1 1 1 0 1 6 16,7%

Versatilidad para calidad 1 1 1 1 1 1 0 1 7 19,4%

Salida del chocolate 0 0 0 0 1 1 0 0 2 5,6%

Tamao minimo 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0,0%

Esteticamente agradable 0 0 0 0 0 1 0 0 1 2,8%

Seguridad industrial 1 1 1 1 1 1 1 1 8 22,2%

Facil mantenimiento 1 0 0 0 1 1 1 0 4 11,1%

36 100,0%

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IX. REQUERIMIENTOS

El proyecto que plantearon los compaeros del trabajo de grado contemplaba la lnea de

produccin de Cacao. El conching o conchado es la ltima etapa de este proceso, razn por la

cual los requerimientos de la mquina se deban adaptar a las condiciones que implicaba el

mismo.

Un requerimiento importante fue la capacidad de chocolate a conchar, que es de 400 Kg de

chocolate. Con esta capacidad y conociendo la densidad del chocolate, se calcul el volumen que

deba tener el tambor para que cumpliera con este requerimiento.

Para ver informacin detallada de este clculo remitirse a la hoja de clculo Volumen y geometra

tambor rodillo en la carpeta principal.

Como se est tratando con un producto alimenticio, es muy importante la seleccin de materiales

para los elementos que estn en contacto con el chocolate. Estos elementos son principalmente el

tambor y los rodillos de conchado, los cuales se elaboran en Acero Inoxidable AISI-304.

Otro requerimiento importante era el de las dimensiones de la mquina, ya que esta debe ser

operada por una persona (en cuanto al suministro y retiro de la materia prima se refiere). La

altura del tambor no debe ser demasiado grande, con el fin de que la persona pueda llevar

adecuadamente estas actividades.

Para la construccin de la mquina se propone trabajar en lo posible con elementos

estandarizados, que se encuentren en el mercado nacional. Si hay elementos que no se

encuentran, deben ser importados y/o fabricados.

X. PARMETROS DE DISEO

Con los requerimientos que se tenan, y conociendo ms a fondo el proceso de conchado, se

establecieron los parmetros de diseo.

Gran parte de estos parmetros se pudieron obtener gracias a la elaboracin del proyecto de

investigacin, el cual se explic en un documento anterior. Parmetros como el shear rate, la

fuerza de conchado se involucran como parmetros de diseo.

La mquina para conchado, debe tener el mismo shear rate que se obtuvo en el proyecto de

investigacin, que fue de 5,14 [1/s], con el fin de obtener un chocolate con buenas caractersticas

de calidad (Ver Proyecto de Investigacin). Para obtener este shear rate, se debe obtener una

relacin adecuada entre la altura de separacin del rodillo con el tambor y las velocidades tanto

del rodillo como del tambor, como se ilustra en la siguiente frmula:

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Por razones de capacidad de la mquina, y observando mquinas en el mercado, se eligi una

altura de separacin de 5 cm. A partir de esta altura se calcularon las velocidades angulares tanto

del tambor como de los rodillos, para que la velocidad relativa cumpliera con el shear rate

deseado.

Es importante resaltar que un parmetro de diseo era que la velocidad angular del tambor fuera

la mnima posible, ya que la velocidad linear vara con el radio del mismo, y si la variacin era

demasiado grande, el shear rate lo hara de la misma manera. Para tratar de disminuir este

impacto se tomaron dos medidas:

- Utilizacin de engranajes cnicos, para aumentar la velocidad de los rodillos a 6 rpm,

partiendo de una velocidad baja en el tambor (2 rpm).

- Colocacin de una pared en el tambor, para que el conchado se d solamente en una zona

del radio, y disminuir la variacin del shear rate.

Luego de tomar estas medidas, la variacin del shear rate est en un intervalo de +- 0,7 [1/s].

Como se dijo anteriormente, otro parmetro de diseo era la longitud del rodillo, ya que no poda

ser muy largo, por la variacin del shear rate. Adems se deba cumplir con la capacidad

requerida de chocolate a procesar.

Para solucionar esto el rodillo se ubica a una distancia de separacin adecuada del eje principal, y

se elige una longitud similar a las mquinas actualmente existentes (325 mm).

El radio del rodillo es otro parmetro de diseo importante, ya que se recomienda que el

chocolate cubra mximo 1/3 del mismo. En la mquina, el chocolate cubre aproximadamente

0,32*Rrodillo. El radio del rodillo tiene una longitud de 450 mm.

Para la determinacin de estos parmetros se elabor una hoja dinmica en Excel, en la cual se

jugaba con las diferentes variables, teniendo en cuenta la capacidad a conchar, y se buscaban

celdas objetivo. Para ver informacin detallada, favor dirigirse a la hoja de clculo Volumen y

geometra del Rodillo.

En esta misma hoja se puede observar el clculo de la fuerza de conchado, que se obtuvo a partir

del proyecto de investigacin. Para los clculos de la mquina se toma el valor de esta fuerza

aumentado 5 veces.

Conociendo el valor de esta fuerza, se procede a obtener la potencia necesaria que el motor deba

tener para que la mquina funcionara correctamente. Para este clculo se deba tener en cuenta la

respectiva energa cintica de los elementos rotativos, para los cuales se calcularon Inercias

mayores a sus valores reales, con el fin de obtener un valor de potencia para as elegir el

respectivo motor. La potencia calculada fue de 0,4 hp.

Hay que resaltar que esta potencia es mayor a la potencia que la mquina requiere. Para ver

informacin detallada de este clculo, dirigirse a la hoja de Excel Clculo Potencia en la carpeta

Potencias.

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XI. MUESTRA DE CLCULOS

Con los parmetros de diseo una vez especificados, se dio paso al clculo de cada uno de los

elementos que compone la mquina.

Informacin Importante: Se debe resaltar que en esta seccin no se realiza el desarrollo de

cada una de las ecuaciones que implica cada clculo, ya que las frmulas y los procedimientos

detallados se presentan en las respectivas HOJAS DE CLCULO, y no vale la pena volver a

reescribir lo que all se hizo. Esta seccin se presenta para que el lector tenga conocimiento del

procedimiento general, y en qu hoja de clculo o carpeta encuentra la informacin detallada.

Todos los clculos de los elementos se basan en la informacin de las presentaciones del curso, y

en las fuentes [6, 7, 8].

Al inicio se plante una reduccin como la que se muestra en la figura 5. Como se puede

apreciar, la reduccin consista primero en una reduccin con poleas y correas en V, seguida de

un sin-fin corona y luego la potencia se transmita al eje principal, el cual divida su potencia en

dos por medio de un engrane cnico y la transmita a los rodillos, para obtener la potencia y

velocidad deseadas. Esta transmisin parta de un motor de 1hp cuyo eje giraba a 900 rpm.

Figura 5. Primera propuesta transmisin para la mquina.

Para la eleccin del motor-reductor era necesario conocer la potencia que la mquina necesitaba,

para que esta operara correctamente. Como no se conocan las inercias de los elementos, estas se

supusieron, pero dndoles un valor mayor a su valor real, y teniendo en cuenta las velocidades

angulares de cada elemento.

Este clculo se puede observar en la tabla 1.

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Tabla 1. Clculo de la potencia aproximada

Inercia Vel_angular

Energa

cintica de

Rotacin

Tiempo de

arranque Pot

Kg m^2 [rpm] [rad/seg] [Nm] [s] [W] kW hp

chocolate y

tambor 280 2 0,20943951 6,14108718 1,2 5,11757265 0,00511757 0,0038

E_rodillo 3 6 0,62831853 0,59217626 1,2 0,49348022 0,00049348 0,0004

E_Principal 3 2 0,20943951 0,06579736 1,2 0,05483114 5,4831E-05 0,0000

E_sinfin 1 100 10,4719755 54,8311356 1,2 45,692613 0,04569261 0,0340

E_poleas 0,5 300 31,4159265 246,74011 1,2 205,616758 0,20561676 0,1532

E_motor 0,06 900 94,2477796 266,479319 1,2 222,066099 0,2220661 0,1654

Potencia de conchado x 5 0,0640

Pot_total 0,4209

Luego de conocer la potencia necesaria para que la mquina operara con esta reduccin, de

calcular la reduccin con poleas, la del sinfn corona, y de averiguar varios catlogos de motor-

reductores disponibles en Colombia, se opt por tomar un motor-reductor de Industrias Ramf

Ltda., ya que el rango de potencia y velocidad estaba dentro del rango ofrecido por sta.

Este motor-reductor, entrega una potencia de salida de 0,458 hp y su eje gira a 24,260 rpm, lo que

nos hizo cambiar el sistema de reduccin, como se muestra en la figura 6.

El catlogo del motor-reductor se encuentra en la carpeta bibliografa, y la verificacin de la

potencia se muestra en la hoja de clculo Potencias con motor-reductor en la carpeta Potencias.

Los clculos de la primera reduccin propuesta se encuentran en la carpeta con nombre

Obsoletos.

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Figura 6. Sistema de reduccin definitivo de la mquina.

Un parmetro de diseo importante para la conchadora era garantizar la velocidad de rotacin

exacta de los componentes (tanto de los rodillos como del tambor). Con la nueva velocidad de

rotacin del eje de salida, y conociendo que la velocidad que se necesitaba en el eje principal era

de 2 rpm, se opt por utilizar reducciones con engranajes, las cuales permiten relaciones de

transmisin exactas, y no se tienen prdidas como es el caso con las poleas.

La informacin respectiva en cuanto a velocidad y torque de cada elemento de transmisin, se

muestra en la figura 7, en esta figura se detalla la referencia del motor-reductor que se escogi.

Figura 7. Velocidades y torques elementos de transmisin

17

A. Engranajes:

Las reducciones que se plantearon fueron:

- Reduccin con engranajes rectos 4:1.

- Reduccin con engranajes cnicos 3:1: la eleccin de este tipo de engranajes se justifica

porque se debe transmitir potencia entre dos ejes cruzados que se cortan a 90.

- Reduccin con engranajes cnicos 1:3: La decisin de esta reduccin se explic en la

seccin de parmetros de diseo, ya que se pretende aumentar la velocidad en los rodillos.

1) Reduccin Engranajes Rectos:

Conociendo la relacin de transmisin y el torque de entrada, se calcula el torque de salida. Con

estos datos se calcula detalladamente tanto el engrane como el pin, y se garantiza que estos

elementos tengan un factor de seguridad superior a 2 tanto a fatiga como a desgaste superficial.

En el clculo se incluyen todos los respectivos coeficientes. Para ver el clculo detallado

remitirse a la hoja de clculo Engranes Rectos, ubicada en la carpeta Calculo Reduccin

Engranajes rectos.

Nota: El clculo de todos los engranajes (rectos y cnicos) se realiza con la

consideracin que la mquina opera durante 24 horas diarias, 365 das a la semana, por

5 aos. Los engranajes se han diseado usando el sistema de mdulo (sistema

Internacional). Los respectivos valores de mdulo, dimetros, ngulos, se presentan en

las hojas de clculo y planos respectivos.

2) Reduccin Engranajes cnicos (parte inferior del eje principal):

El clculo se hace teniendo en cuenta las consideraciones enunciadas anteriormente, y calculando

los respectivos factores que incluye el procedimiento.

Para conocer informacin detallada de los clculos, favor remitirse a la hoja de clculo Clculo

Engranes cnicos Inferior y observar los respectivos planos.

En el clculo del engrane cnico inferior, se hizo uso de splines ya que el dimetro del eje

principal en esta seccin era muy pequeo y el clculo de la respectiva cua dio una longitud

apoximada de 23 cm, que es muy grande. El clculo de los splines se realiza basndose en el libro

de Mott, y se presenta en la seccin de cuas.

18

3) Reduccin Engranajes cnicos (parte superior eje principal):

El clculo de los engranes es muy similar al anterior, y se presenta en la hoja de clculos Clculo

Engranes cnicos que se encuentra en la carpeta Reduccin Engranajes.

B. Ejes:

La mquina cuenta con tres ejes, los cuales se calcularon debidamente a fatiga, deflexin, y

velocidad crtica. A continuacin se muestra una lista de los ejes, detallando la ubicacin de las

respectivas hojas de clculo:

- Eje Transmisin. Archivo Clculo Eje transmisin, carpeta Eje Transmisin.

- Eje Principal. Archivo Clculo Eje Principal, carpeta Eje Principal.

- Eje Rodillo. Archivo Momentos y fatiga, carpeta Eje Rodillo.

En la carpeta de cada eje se encuentra el clculo a deflexin y velocidad critica.

1) Eje transmisin:

Se denomina eje transmisin al eje que comunica el motor con el eje principal o eje vertical que

se encuentra en el centro de la mquina. Este eje se fabrica con acero AISI SAE-1020. Para el

diseo se realizaron los clculos para fatiga, deflexin y velocidad crtica. Este eje ir soportado

por dos apoyos (rodamientos de bolas), los cuales estn sujetos por chumaceras fijas sobre la

estructura. La entrada de potencia se realiza mediante un engrane recto y la salida de potencia se

efecta mediante un pin cnico.

2) Eje rodillo:

Se denomina eje rodillo al eje que se encuentra dentro del tambor y soporta el rodillo de

conchado. Este eje se fabrica con AISI 304 (Acero inoxidable), ya que estar en contacto con

chocolate en todo el tiempo del proceso. El eje rodillo soporta los tornillos prisioneros que

sostienen los rodillos en la mquina. Adems esta soportado por dos chumaceras que estn

atornilladas a la estructura superior de la misma. La entrada de potencia se efecta en un extremo

del eje mediante el accionamiento de un pin cnico. La salida de potencia se efecta para

generar el movimiento del chocolate. Para el diseo de este eje se tuvo en cuenta clculos a

fatiga, deflexin y velocidad crtica.

3) Eje Principal:

El eje principal es el eje que se encuentra ubicado en el centro de la mquina y transmite la

potencia del eje transmisin. Este eje se fabrica con AISI SAE 1020 y se encuentra apoyado

19

sobre dos chumaceras con sendos rodamientos. El eje soporta el tambor que contiene el chocolate

a travs de una manzana ajustable. La entrada de potencia se realiza mediante un engrane cnico

y la salida de la misma est dada mediante el movimiento del tambor solidario al eje y la accin

del engrane cnico superior. Para el diseo del eje se tuvo en cuenta los clculos de fatiga,

deflexin y pandeo.

Todos los ejes se calcularon con un factor de seguridad superior a 2. En todas las secciones en

las cuales la influencia de esfuerzos y la geometra del eje podran generar falla. Los clculos a

fatiga se realizaron siguiendo el modelo de Goodman y adems se realiz comprobacin con

esfuerzo de fluencia.

Los clculos de deflexin se realizan con el programa ANSYS haciendo uso del mdulo

Mechanical APDL. Para demostrar el correcto uso del programa, se desarrolla un ejemplo en el

cual se calculan las deflexiones con las ecuaciones de singularidad, las cuales se programan en

Excel, y posteriormente se simula con ANSYS, para realizar la comparacin respectiva.

La siguiente tabla muestra la respectiva comparacin de resultados:

Tabla 2. Verificacin clculos deflexin Ansys.

Para ver este clculo detalladamente, se puede remitir a la hoja de clculo Clculo Deflexin

plano xy Eje Parcial, que se encuentra en la carpeta Verificacion_Ansys.

C. Rodamientos:

Los rodamientos se seleccionaron para cada eje segn las fuerzas radiales y axiales encontradas.

En casi todos los casos slo fue necesaria la seleccin de rodamientos rgidos de bolas de una

sola hilera. Segn la recomendacin de SKF se seleccionaron los rodamientos con una vida

estimada de 44000 horas de funcionamiento las 24 horas al da. El factor fundamental para la

seleccin fue las cargas dinmicas aplicadas para cada condicin de carga en los apoyos. Se hizo

el montaje de cada eje y se disearon las chumaceras de modo que existiera un rodamiento libre y

el otro fijo. En cada caso se sigui las recomendaciones del catlogo en ajustes y tolerancias

permisibles para obtencin del montaje deseado. En la siguiente tabla se enuncian los

rodamientos que se seleccionaron segn el clculo y el tipo de montaje que se dise.

20

Tabla 3. Seleccin de rodamientos.

Rodamientos SKF

Libre Fijo

Eje rodillo 16012 61812

Eje principal 61815 3222A

Eje transmisin 61818 61912

Rodamiento tornillo de potencia 7209 BECBP

Rodamiento soporte engrane 61806

D. Estructuras:

1) Nivelador:

El nivelador, adems de permitir que la distancia entre tambor y rodillo pueda cambiar, debe

garantizar que no haya una deflexin excesiva en los extremos de los perfiles de soporte del eje

del rodillo. Esta deflexin afectara directamente la posicin del pin cnico de la transmisin y

ocasionara mayor desgaste y problemas de funcionamiento en el mismo.

El anlisis de la deflexin en los extremos de los perfiles de soporte, se hace primero de manera

analtica usando el mtodo de deflexin de vigas por integracin. Las fuerzas aplicadas en los

extremos de los perfiles son iguales y contrarias a las fuerzas en los apoyos del eje del rodillo. A

continuacin se encuentra un esquema de las fuerzas con una lista de sus valores.

21

Figura 8. Condicin de carga en Ansys Workbench

Fuerza sobre el miembro exterior:

Fuerza sobre el miembro interior:

Fuerza sobre el soporte del engrane cnico de la transmisin:

Sobre la parte superior central de la estructura, el eje principal ejerce una fuerza. Esta fuerza

tambin se tiene en cuenta y se expresa como .

Estos valores se llevan a una tabla de Excel, que contiene tambin informacin sobre la

geometra del perfil y propiedades del material. Informacin sobre la deflexin en el extremo se

encuentra en el archivo Varilla soporte interior y Varilla soporte exterior de la carpeta Varilla

soporte.

22

Ax -38,88 N * 0 mm

Ay 1649,69 N * 0 m

Az 439,35 N * 345 mm

0,345 m

Bx 0 N * 0 mm

0 m

Cx 38,8814839 N

Cy -1649,68582 N E 2,00E+11 N/m2

Cz -439,346661 N

My 151,574598 Nm 5 mm

Mz -569,141607 Nm 0,005 m

160 mm

0,16 m

80 mm

0,08 m

150 mm

0,15 m

0,073 70 mmmm 0,07 m

Iy 7,62E-06 m4

Iz 2,54E-06 m4

d3

d4Deflexion maxima

L1

L2

L3

e

d1

d2

Figura 9. Deflexin varilla soporte interior

Adicionalmente y tambin con el fin de obtener las fuerzas en las reacciones (extremos de la

barra superior), se modela la estructura en Ansys Workbench.

Figura 11. Deflexin del nivelador en Ansys Workbench

Este modelo nos permite obtener mayor exactitud, ya que en el mismo s se puede considerar el

movimiento relativo que ocurre entre los perfiles de soporte (vertical) y la barra de soporte

(horizontal). La deformacin mxima ocurre en el extremo del eje soporte del engrane cnico y

tiene un valor de . La deformacin en los extremos inferiores de los perfiles es de aproximadamente , valor que es muy parecido al obtenido por el mtodo analtico.

Ax -511,01 N 0 mm

Ay 0 N 0 m

Az 5374,54 N 345 mm

0,345 m

Bx 548,89 N 120 mm

0,12 m

Cx 1059,9 N

Cy 0 N E 2,00E+11 N/m2

Cz -5374,54 N

My 1854,2163 Nm 5 mm

Mz -65,8668 Nm 0,005 m

160 mm

0,16 m

80 mm

0,08 m

150 mm

0,15 m

0,079 70 mmmm 0,07 m

Iy 7,62E-06 m4

Iz 2,54E-06 m4

d3

d4Deflexion maxima

L1

L2

L3

e

d1

d2

Figura 10. Deflexin varilla soporte exterior

23

El esfuerzo equivalente de von Misses mximo, se localiza en los extremos de la barra soporte y

tiene un valor de , valor que est muy por debajo de la resistencia a la fluencia del acero estructural ( ).

Figura 12. Esfuerzo equivalente de von Misses en el nivelador.

2) Columnas laterales:

Mtodo del esfuerzo admisible:

Para determinar la mayor carga que puede ser soportada por la columna, se usa el mtodo del

esfuerzo admisible. La condicin de carga sobre la viga se obtiene de la modelacin en Ansys ya

que su obtencin por mtodo analtico resulta imposible, ya que se trata de una estructura

hiperesttica.

Todos los clculos se encuentran en el archivo Columna dentro de la carpeta Estructura.

En un principio se escogi una viga W250X80. Un perfil cuyo patn coincide con el ancho de la

barra soporte. Obtenida toda la informacin sobre la geometra, momentos de inercia y dems, se

procede con el clculo.

Primero se evala el tipo de columna segn la relacin:

Donde k es un factor que obedece al tipo de apoyo (para nuestro caso es 1,2). Este valor se

compara con la esbeltez crtica

24

De esta forma, si la relacin es menor que se dice que la viga es corta, de lo contrario la viga es larga. En nuestro caso se trata de una viga corta.

Determinado esto se emplea las ecuaciones del mtodo de esfuerzo admisible para el factor de

seguridad y el esfuerzo admisible.

(

)

[

(

)

]

Con la condicin de carga se halla la condicin de esfuerzos en la fibra crtica, que para este caso

es la que soporta dos momentos y una fuerza a compresin. La expresin para estos esfuerzos es:

El esfuerzo sobre la fibra critica (ver hoja de clculo) es mucho menor que el esfuerzo admisible,

por lo tanto la columna soportara eficientemente la carga.

Fluencia de la seccin transversal:

La siguiente expresin se usa para determinar si hay falla por fluencia de la seccin transversal.

Donde es el rea transversal de la columna.

Deformacin:

Para hallar la deformacin de la columna en su extremo se utiliza el mtodo de deflexin de vigas

por integracin. Despus de obtener las fuerzas y momentos en las reacciones, se hallan las

ecuaciones de singularidad para la condicin de cargas en cada plano y se obtiene la deformacin

en el extremo de la columna. Esta deformacin se compara con la siguiente expresin que

determina la deflexin mxima.

Para el caso de estudio, se encuentra que la deformacin mxima es de 0.25 mm, que es mucho

menor a , (4.5 mm).

25

E. Cuas:

Por lo general estos elementos se mandan a fabricar, pero para el clculo de estas, nos basamos

en el catlogo de Opac. En este muestran cmo seleccionar una cua de acuerdo al tamao del

eje, as como las respectivas tolerancias que deben tener tanto el cuero como la cua.

El procedimiento detallado se describe en la hoja de clculo cuas cuadradas, que se encuentra

en la carpeta Cuas,Tornillos.

Cabe resaltar que el material de la cua debe ser menos resistente que el del eje, ya que estos

elementos deben funcionar como fusibles en caso de algn evento inesperado. Es decir, estos se

rompern, y no lo harn los elementos principales de la mquina.

En esta hoja de clculo se muestran detalladamente las medidas para los cueros, y se presenta el

clculo de las splines, que se mencion anteriormente en la seccin de los engranajes.

F. Elementos de unin:

1) Tornillos:

Las cargas sobre los tornillos se analizan para dos condiciones de carga: Tensin y cortante. En el

archivo Tornillos en la carpeta Tornillos, se encuentra informacin exhaustiva sobre el clculo de

cada grupo de tornillo, tuerca y arandela en la mquina. El procedimiento de clculo se explica a

continuacin.

Anlisis a tensin:

Conocida la condicin de cargas sobre el elemento, as como la geometra, se propone un

dimetro inicial para el tornillo o el grupo de tornillos. Inicialmente y con base en este dimetro

se busca la geometra general del tornillo (hilos por pulgada, rea de esfuerzo, distancia entre

caras, altura de la cabeza, longitud total y roscada), de la tuerca y de la arandela en el catlogo de

Gutemberto. Adicionalmente se necesita saber las longitudes y propiedades (mdulo de

elasticidad) de los materiales que estn entre la unin.

Con la informacin anterior se procede a calcular las constantes de rigidez tanto para el perno

(compuesto por parte plana y parte roscada) como para los materiales que une (se generan 3

conos distintos). Con estas dos constantes de rigidez, se obtiene , que indica que parte de la carga es absorbida por el tornillo, este valor debe ser en la medida de lo posible bajo, es decir, la

mayor cantidad de carga debe ser absorbida por el material y no por el tornillo.

Del catlogo es posible obtener tambin la carga de prueba, la resistencia a la traccin del

tornillo. Que junto a la resistencia corregida [6] permiten obtener un valor para el factor de

seguridad.

26

Anlisis a cortante:

Con la informacin sobre las cargas y la geometra de los tornillos, se hallan los cortantes

primarios (ocasionados por dos fuerzas en x y en y) y el cortante secundario (ocasionado por el

momento resultante de trasladar la fuerza al centro). Despus se suman vectorialmente los

mismos y el anlisis contina en aquel tornillo que soporte la mayor carga cortante.

Para obtener el factor de seguridad se utiliza la siguiente expresin:

En trminos generales se obtienen siempre valores para el factor de seguridad siempre mayores a

26.

2) Tornillo de Potencia

Para calcular el tornillo de potencia es necesario tener en cuenta dos factores: Autobloqueo y

Carga Critica.

Autobloqueo:

Los siguientes son los datos generales del tornillo de potencia:

Tabla 4. Datos del tornillo de potencia

Dimetro de paso 2.5 in

Hilos por pulgada 4

Capacidad de carga 100000 lb

Numero de inicios 1

Paso 0.25 in

Avance 0.25 in

La condicin de autobloqueo est dada por la siguiente expresin:

Donde:

es el coeficiente de friccin entre la tuerca y el tornillo L es el avance del tornillo

es el paso diametral del tornillo

El material de la tuerca escogido es de bronce, que en combinacin con el acero del tornillo,

tienen un coeficiente de friccin de 0,125.

Evaluando la anterior ecuacin se tiene

27

Es decir que con un tornillo de potencia de 2,5 in de dimetro de paso y un paso de 4, se garantiza

la condicin de autobloqueo necesaria para el nivelador.

Carga critica:

La carga crtica bajo la consideracin de pandeo se obtiene con la siguiente expresin:

Donde:

es la caga critica es el factor de columna, el cul cambia con la forma de apoyar el tornillo de potencia d dimetro de paso

L longitud entre la carga y el apoyo

28

El tornillo slo es apoyado en un extremo (en la parte de abajo) con un rodamiento doble, para

esta condicin de apoyo, toma un valor de 0.25. La distancia de la carga al apoyo mxima es de 20 in. Con esta informacin se obtiene un valor para la carga critica de

Este valor est muy por encima de la carga aplicada de 224 lb.

3) Soldaduras:

Toda la estructura en sus componentes principales se ensamblo mediante unin soldada. Se

utiliza el proceso SMAW (Soldadura manual con electrodo revestido) para todos los cordones.

Para los perfiles del nivelador y los dems elementos de acero estructural se utiliza electrodo

revestido E6013 para la los filetes y los depsitos de relleno. Para los mismos propsitos donde

el material base sea acero inoxidable se utiliza electrodo E308 de dimetro de 1/8. Las

soldaduras se calcularon nicamente a carga esttica de debido a que no existen fuerzas

fluctuantes. Las soldaduras dentro del tambor para unir las lminas del tambor se utilizan 3

cordones de llenado en las esquinas debido a que se necesita un perfil lo suficientemente alto en

los bordes para realizar la limpieza y desinfeccin.

En todos los filetes tiene de lado de 6 mm para cada pasada. Se recomienda utilizar y revisar las

especificaciones de los fabricantes para la utilizacin de corrientes y voltajes en los equipos en el

proceso. Se utiliz el cdigo estructural AISC para la determinacin de esfuerzo permisible

segn el estado de esfuerzo encontrado. Se hicieron los clculos en todas las reas de garganta de

los filetes de la soldadura.

Ver carpeta calculo soldaduras

G. Elementos calculados con ANSYS:

Hay varios elementos en la mquina cuyos clculos se simplifican al modelarlos en ANSYS. Este

es el caso de las estructuras, el tambor, los Rodillo, la varilla soporte.

Para estos clculos se utiliz el mdulo Workbench de ANSYS.

A continuacin se listan los elementos y las hojas de clculo en las que se puede encontrar la

informacin detallada de cada uno de los mismos:

1) Tambor:

Ver las carpetas Tambor y Tambor_Ansys.

Se realiz el clculo para ver que las deformaciones no fueran muy grandes, antes y despus de

colocar los refuerzos. Como se observa en la figura 13, con los refuerzos la deformacin es muy

pequea. El peso aplicado es de 1000 Kg, que es mayor al peso real de 400 Kg.

En la figura 14, se observan los esfuerzos equivalentes de Von Misses, que son aceptables.

29

Figura 13. Deformaciones en el tambor.

Figura 14. Esfuerzo equivalente de von Misses en el Tambor.

2) Varilla soporte:

Ver carpeta Varilla soporte

3) Mesa soporte:

Ver carpeta Mesa soporte

La mesa soporte se simul, para verificar que las deformaciones y los esfuerzos estuvieran en un

rango permisible. Ya que esta estructura soporta una chumacera. En la zona mostrada, se

aplicaron las respectivas reacciones de la chumacera.

30

Figura 15. Deformaciones para la mesa soporte.

Figura 16. Esfuerzos para la mesa soporte.

4) Rodillo:

Ver carpeta Simulacin Rodillo

El rodillo se simul, para verificar que las deformaciones y los esfuerzos estuvieran en un rango

permisible. Ya que esta estructura soporta una chumacera. La fuerza que se aplic fue 5 veces la

fuerza de conchado.

31

Figura 17. Deformaciones en el rodillo.

Figura 18. Esfuerzos sobre el rodillo, en el punto de aplicacin de la fuerza.

32

H. Clculo de la Potencia real:

Conociendo la geometra de los elementos, se realiza el clculo de la potencia real que necesita la

mquina. Estos resultados se pueden observar en la tabla 5.

Tabla 5. Potencia real necesaria para el funcionamiento de la mquina.

Inercia Vel_angular

Energa

cintica

de

Rotacin

Tiempo

de

arranque

Potencia

[kg m2]

[rpm] [rad/seg] [Nm] [s] [W] [kW] [hp]

Eje_rodillo 3,67 6,00 0,63 0,72 1,00 0,72 0,00 0,00

Eje Principal +

Chocolate 267,67 2,00 0,21 5,87 1,00 5,87 0,01 0,00

E_Transmisin 0,54 6,00 0,63 0,11 1,00 0,11 0,00 0,00

E_motoreductor 0,02 24,00 2,51 0,06 1,00 0,06 0,00 0,00

E_motor 0,05 1200,00 125,66 394,78 1,00 394,78 0,39 0,29

Como se aprecia, la potencia que la mquina necesita, tanto para su operacin como para vencer

las inercias de los elementos al arranque, es menor a la potencia que entrega el motor-reductor

(0,45 hp), por lo que se puede afirmar que la eleccin del motor-reductor fue adecuada.

XII. MANUAL DE OPERACIN DE LA MQUINA

Las siguientes son las recomendaciones para la operacin de la maquina:

Conecte los bornes del motor a una fuente de voltaje de 240 voltios. No sobrepase este

voltaje porque podra daar el motor

La capacidad de carga de mezcla para conchar es de 400 kg. No sobrepase este valor de

peso porque podra ocasionar daos en la transmisin.

Utilice agua potable y desinfectante para lavar los tambores y rodillos. Utilice agua a

presin mxima de 1 psi. Trate de que los ejes vertical y a la salida del motor entren en

contacto con el agua.

Revise cada 10000 horas de funcionamiento los rodamientos. Inspeccione la presencia

de agua o elementos extraos que puedan alterar el funcionamiento.

Revise la textura y la medida del aceite peridicamente. Siga las recomendaciones para el

cambio del aceite del motor.

No cubra ni coloque elementos en el motor-reductor porque podra daar los componentes

internos, debido a la falta de refrigeracin que se necesita para el correcto

funcionamiento.

Encienda el motor cuando se encuentre en vaco. Cargue la maquina paulatinamente hasta

alcanzar la cantidad deseada de mezcla a conchar.

33

Vierta homogneamente la mezcla a conchar dentro del tambor. Hgalo para asegurar un

correcto funcionamiento de la mquina y de esta manera obtener un producto de excelente

calidad.

Gire el tornillo de potencia para desplazar los rodillos a una altura deseada respecto al

tambor. Cuando ejecute este procedimiento verifique que los engranes queden acoplados

apropiadamente. Mueva el engrane del eje principal para asegurar una buena transmisin

de potencia.

Calcule la altura que necesite de los rodillos y el tiempo de conchado segn la receta de

chocolate a preparar. La mquina puede funcionar las 24 horas 7 das a la semana.

Revise peridicamente la mezcla dependiendo el tiempo de conchado. Revuelva

manualmente con una pala o cuchara el chocolate remanente ubicado en las paredes

laterales del tambor.

No coloque las manos o dedos en lugares en los ejes de transmisin, engranes o rodillos.

Por su seguridad evite el contacto con estos elementos cuando la maquina est en

funcionamiento.

Si la maquina se para, apague el motor. Revise que la mezcla este uniformemente

distribuida y fluida dentro del tambor. Si esto no fuera as distribuya la mezcla con una

pala o retire mezcla para conchar en el tambor.

Cuando termine el tiempo de conchado retire el chocolate en un recipiente con una pala.

Hgalo sin apagar el motor para que no se solidifique el chocolate.

Utilice agua potable y desinfectante para lavar los tambores y rodillos. Utilice agua a

presin mxima de 500 psi. Trate de que los ejes vertical y a la salida del motor entren en

contacto con el agua.

No mueva elementos de la transmisin como los engranes tornillos o chumaceras. Hgalo

nicamente bajo la inspeccin de un ingeniero o tcnico en mantenimiento.

XIII. MANTENIMIENTO DE LOS COMPONENTES DE LA MQUINA

Conecte apropiadamente y verifique que los bornes del motor estn con la polaridad

apropiada segn la indicacin de la carcasa. Evite el contacto de los cables con otros

elementos metlicos que puedan generar un corto circuito.

Limpie la carcasa del motor cada 10 procesos de conchado. Hgalo para asegurar una

adecuada refrigeracin del motor-reductor y preservar la vida til del aceite y de los

elementos internos del mismo.

Mida peridicamente el nivel del aceite en el motor-reductor. Este necesita un aceite

grado ISO 100 si no encuentra disponible consulte las recomendaciones del fabricante.

Si el motor-reductor presenta problemas en su funcionamiento. Remtase a la pgina del

fabricante y averige las condiciones de garanta o mantenimiento. Consulte en:

http://www.ramfe.com.co.

34

Revise cada 10000 horas de funcionamiento los rodamientos. Inspeccione

peridicamente tambin los rodamientos para evitar la presencia de agua o elementos

extraos que puedan alterar el funcionamiento.

Al desmontar los rodamientos utilice prensas hidrulicas o mordazas extractoras. Nunca

trate de forzarlos o golpearlos para ensamblarlos a los ejes. porque puede daar el

acabado superficial del eje o podra daar las pistas o los elementos rodantes de los

rodamientos.

Si desea hacerle mantenimiento a los rodamientos asegrese de que en el ensamble se

mantengan las condiciones de funcionamiento. Recuerde que los rodamientos se montan

para que exista uno fijo y uno libre en las chumaceras; esto es importante para asegurar la

vida til de la mquina.

Coloque las tapas de las chumaceras cada vez que haga el montaje. No olvide que estos

elementos preservan la vida til de los rodamientos.

Inspeccione y limpie peridicamente los ejes y los engranes. Revise la ausencia de

elementos extraos dentro de los dientes de los engranes.

Si la maquina se sobrecarga y deja de funcionar, apguela y revise que los engranes estn

funcionando correctamente. Si esto no sucede revise las cuas para intercambiarlas

porque posiblemente ya estn daadas.

Utilice escobas o escobillas para limpiar los elementos de difcil acceso en los rodillos

como las chumaceras o los perfiles. La presencia de estos residuos podran perjudicar la

calidad del chocolate que esta refinando.

Utilice superficies abrasivas para limpiar los rodillos y el tambor. Haga una limpieza

exhaustiva cada 20 procesos de conchado.

Si necesita desmontar ejes o engranes tenga cuidado. Utilice tcnicas o mecanismos para

desmontarlos ya que son muy pesados y podra ocasionar lesiones fsicas al manipularlos.

Si necesita informacin acerca de los componentes de la maquina comunquese con los

fabricantes: grupo de investigacin en diseo de mquinas de la Universidad Nacional

(GIDMAQ) en la Universidad nacional de Colombia:

http://www.ing.unal.edu.co/vcdinv/gidmaq.html.

XIV. HOJAS TECNOLGICAS

Las cartas tecnolgicas se encuentran en la carpeta archivos finales dibujo/ cartas tecnolgica.

All se encontrar las presentaciones en power point donde se describe de forma detallada paso a

paso el proceso de obtencin de las piezas de la maquina como los engranes, ejes y rodamientos.

Tambin se enuncian los acabados superficiales y los ajustes necesarios para el ensamble.

35

XV. CONCLUSIONES

Se cumpli con el objetivo principal del proyecto, y se present una alternativa de diseo

viable para la conchadora de chocolate, cumpliendo con los requerimientos del cliente, y

con los parmetros de diseo que se establecieron.

Se logr el desarrollo de capacidades de trabajo en equipo tanto con los dibujantes, como

con los ingenieros del trabajo de grado, esto se vio reflejado con la aprobacin de los

planos, con el desarrollo del proyecto de investigacin y finalmente con la culminacin

del proyecto aplicado.

Para lograr el manejo de un grupo de trabajo (en este caso los dibujantes), se crearon

diferentes mecanismos de comunicacin como reuniones semanales, uso de cronogramas,

planes de trabajo entre otros, lo que permiti un trabajo en equipo adecuado y eficiente.

Con los ingenieros del trabajo de grado se establecieron reuniones semanales, y se trabaj

conjuntamente en el planteamiento de los objetivos.

En la conchadora de chocolate, se aplicaron los conceptos aprendidos en el curso, se

emple la teora aprendida en cuanto a sistemas de transmisin como engranajes, sinfn

corona, poleas, como en cuanto a sistemas de lubricacin, seleccin adecuada de

rodamientos. Tambin se reforzaron los conocimientos adquiridos en la asignatura

anterior (Diseo de elementos de mquinas I), con el clculo correspondiente de ejes,

elementos de unin, cuas, entre otros.

Mediante las diferentes exposiciones y sustentaciones tanto de planos, como de los

proyectos, se fortalecieron las capacidades en cuanto a expresin oral se refiere, y por

medio de los informes se hizo en lo que concierne con la parte escrita.

36

BIBLIOGRAFA

[1] Wikipedia. conche. [En lnea] [Citado el: 12 de Enero de 2013.] http://en.wikipedia.org/wiki/Conche

[2] S. Beckett, Industrial Manufacture Chocolate and Use. Fourth Edition, 2009. Wiley-

Blackwell.

[3] A. F. Mendez-Sanchez. Determinacin de la viscosidad de fluidos newtonianos y no

newtonianos, 2009. Instituto Politcnico Nacional, Mxico.

[4] WikiHow. hacer chocolate. [En lnea] [Citado el: 8 de marzo del 2013.] http://es.wikihow.com/hacer-chocolate/

[5] Alibaba.com. mquinas para conche. [En lnea] [Citado el: 23 de marzo de 2013.] http://spanish.alibaba.com/product-gs/chocolate-conche-machine-402741586.html

[6] Budynas Nisbett, Diseo de Elementos de mquinas. Octava Edicin, Mc Graw Hill.

[7] Norton Robert, Diseo de mquinas. Pearson.

[8] Mott, Diseo de Elementos de mquinas. Segunda Edicin, Pearson.