INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL UNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA EN INGENIER~AY TECNOLOG~ASAVANZADAS

"DISENO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA MÁQUINA PARA CRIBAR SEMILLAS DE FRIJOL" Trabajo Terminal Para obtener el título de

"Ingeniero en Mecatrónica"

Presenta

Amy Sue Agüero Almanza Asesores

Dr. en C. Rafael Trovamala Landa M. en C. Alfonso Campos Vázquez

/ a iIng. Emilio Nicéforo Brito Martínez

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México D.F. Junio 2010.

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL UNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA EN INGENIER~AY TECNOLOG~ASAVANZADAS

UPllTA ''DISEÑO Y CONSTRUCCI~NDE UNA MÁQUINA PARA CRIBAR SEMILLAS DE FRIJOL" Trabajo Terminal

Para obtener el título de

"Ingeniero en Mecatrónica" Presenta

Amy Sue Agüero Almanza Asesores

vamala Landa

Campos Vázquez

Brito Martínez

Presidente Del Jurado

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M. en C. Cecilia ~krnandezNava

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México D.F. Junio 2010. Ing. Mecatrónica

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Dedicatoria

A mis padres y a Claudia

Ing. Mecatrónica

Agradecimientos

Al Instituto Politécnico Nacional

A mis asesores:

D. en C. Rafael Trovamala Landa

M. en C. Alfonso Campos Vázquez Ing. Emilio Brito Martínez.

A todos los maestros que tuve a lo largo de mi formación.

A mi familia.

Al Sr. David, Sra. Esther, Daniy Vale

A mis amigos: Hugo Eduardo (la wera, /Justin) Ale, Atole, Andrei

A los del grupo (estuvimosjuntos mucho tiempo los quiero) Ing. Mecatrónica

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Contenido ........................9 Resumen........................................................................................................................................... 9 Abstract............................................................................................................................................ 9 . . Objetrvo del trabajo terminal.....................................................................................................10 10 Prologo ........................................................................................................................................... 12 Capítulo IAntecedentes ............................................................................................................. "Diseño y construcción de una máquina para cribar semillas de frijol"

1.1 impurezas en los granos ..................................................................................................... 13 1.2.1 Zarandas manuales ........................................................................................................... 14 1.2.2 Limpieza con ventilador (Mesas de Gravedad) ......................................................... 15 1.2.3 Limpieza con mallas cilíndricas ....................................................................................16 1.2.4 Limpieza en máquinas con aire y zarandas ................................................................ 17

20 Capítulo II Diseño de la maquina Cribadora ......................................................................... 21 2.1 Caracterización de los granos ...........................................................................................

2.2 Diseño de las zarandas ........................................................................................................2 1

.

2.3 Tolva de alimentacion .......................................................................................................... 22 r

2.4 Diseño del Sistemas de vibración .................................................................................... 23 2.4.1 Calculo de masas ............................................................................................................... 24 2.4.1.1 Zarandas ........................................................................................................................... 24 2.4.1.2 Canaletas ....................................................................................................................... 25 2.4.1.3 Carcasa de la mesa vibradora ..................................................................................... 26 2.4.6 Análisis del Frijol con Fuerza Aplicada ........................................................................ 32 2.5.1 Condiciones estáticas del eje ......................................................................................... 33

Anexo I Propiedades de los materiales ..................................................................................87

. .

Anexo IIMasa Excentrica..................................................................................................... 90 Anexo III Radio de Vacio ........................................................................................................... 94 97 Anexo IV Manual de Diseño de Transportadores Helicoidales ........................................ 102 Anexo V Data sheet CNY .......................................................................................................... Anexo VI Programa Control de Motor...................................................................................104 Anexo VI1 Glosario ...................................................................................................................107 Anexo Vlll Dibujos...................................................................................................................... 109

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índice de Tablas Tabla 1. Características Mesa de gravedad Fehr (3) ........................................................................... 15 w Tabla 2 . Características Mesa de Gravedad Clipper lnternational (4) ................................................ 16 16 Tabla 3 . Características Mallas Cilíndricas (6) ..................................................................................... Tabla 4 . Características Mallas Cilíndricas Fehr (3) ............................................................................. 17 Tabla 5 . Especificaciones Cribadoras Fehr (3).....................................................................................17 Tabla 6 . Especificaciones Cribadora Clipper (4) ..................................................................................18 Tabla 7 . Especificaciones Cribadoras Felper (7) .................................................................................. 18 21 Tabla 8 . Características físicas de los granos ...................................................................................... 27 Tabla 9 . Propiedades del Resorte (13) .............................................................................................. Tabla 10. Rodamientos ....................................................................................................................... 38 Tabla 11.1Rodamientos (extracto manual SKF pág. 471 Rodarnientos de rodillos a rotula).............40 Tabla 12. CEMA ................................................................................................................................... 40 Tabla 13. Tornillo seleccionado .........................................................................................................4 1 Tabla 14. Estándares para Tornillo Helicoidal ..................................................................................... 43 Tabla 15. Medidas para el tornillo a utilizar ....................................................................................... 43 44 Tabla 16. Velocidad en motor CA ........................................................................................................ Tabla 17. Tiempo para obtención de Distancias ................................................................................. 69 73 Tabla 18. Diagrama de Procesos ........................................................................................................ 88 Tabla 20. Propiedades del Acero AISI-304 .......................................................................................... Tabla 2 1. Propiedades del Acero AISI-306 .......................................................................................... 88 Tabla 22 . Propiedades del Aluminio 3003 ......................................................................................... 89 Tabla 23 . Propiedades de la Madera .................................................................................................89 Tabla 24. Propiedades del Engranaje ..................................................................................................89 95 Tabla 25 . Pruebas de Radio de Vacio ................................................................................................. Tabla 26 . Radio de vacio

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..................................................................................................................... 95

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índice de Figuras

..

Ilustracion 1. Frijol.............................................................................................................................. 13 Ilustración 2.Zaranda Manual ............................................................................................................ 14 15 Ilustración 3. Mesa de Gravedad ........................................................................................................ Ilustración 4 . Limpieza por mallas Cilíndricas ..................................................................................... 16 . Ilustracion 5 Cribadora ....................................................................................................................... 17 Ilustración 6. Dibujo de la desbrozadora ............................................................................................ 21 22 Ilustración 7 Zaranda Clasificadora ....................................................................................................

. . .

.. Ilustracion 8. Dibujo de Tolva .............................................................................................................. 23 ..

Ilustracion 9. Modelo Masa excéntrica ............................................................................................... 23 Ilustración 10. Grafica de Factor de amortiguamiento ....................................................................... 24 . Ilustracion 11. Masa Descentrada...................................................................................................... 24 Ilustración 12. Configuración de Resortes en Paralelo ....................................................................... 27 Ilustración 13. Grafica de Esfuerzos y Momentos .............................................................................. 34

.

..

Ilustracion 14. Paso del tornillo a utilizar ............................................................................................ 40 Ilustración 15. Tornillo Helicoidal (16) ...............................................................................................43 47 Ilustración 16. Arrancador de motor Monofásico (17) ....................................................................... Ilustración 17. Especificacionesde arrancadores de CA (17) .............................................................47 Ilustración 18. Sección transversal de una banda en V y ranura de polea acanalada (17).................48 49 Ilustración 19. Coeficiente de Servicio (17) ........................................................................................ Ilustración 20. Grafica de selección para bandas en V industriales de sección estrecha (17)............50 51 Ilustración 21. Especificación de potencias Bandas 3V (17) ..............................................................

..

..

Ilustracion 22. Correccion de ángulo (17)........................................................................................... 53 Ilustración 23 Factor de corrección de la Banda (17) ........................................................................ 53 Ilustración 24. Fuerza en polea acanalada para banda o polea (17) ..................................................54 62 Ilustración 25 . Geometría de Engranes (19) .......................................................................................

.

62 Ilustración 26 . Fuerzas en Engranes Cónicos o Biselados (17)............................................................ 68 Ilustración 27. Diagrama esquemático de Control ............................................................................. . 6 8 Ilustracion 28 . Pinon Cremallera.......................................................................................................

. .. 69 Ilustracion 29 . Circuito Sensor ............................................................................................................ . . 70 Ilustracion 30. Estructura de Cribadora .............................................................................................. .e.

. .

72 Ilustración 31 Diagrama de Flujo ....................................................................................................... . Ilustracion 32. Mallas de la Cribadora................................................................................................ 74 Ilustración 33. Estructura de la Cribadora .......................................................................................... 74 Ilustración 34. Hule ......................................................................................................................... 7 5 Ilustración 35 Eje (Mesa vibradora) .................................................................................................. 75

..

.

Ilustracion 36. Masas descentradas .................................................................................................... 76 Ilustración 37. Tolva ............................................................................................................................ 76 Ilustración 38. Canaletas ..................................................................................................................... 77 Ilustración 39. Primer ensamble parcial ............................................................................................. 77 Ilustración 40. Motor y Moto-reductor .............................................................................................. 78

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Ilustración 4 1.Transmisión de Eje ......................................................................................................78

..

Ilustracion 42 .Transmisión del Tornillo .............................................................................................79

.. .. Ilustracion 44 . Tornillo alimentador..................................................................................................80 .. Ilustracion 45 . Tolva ............................................................................................................................ 80 Ilustracion 43 . Engranes cónicos......................................................................................................... 79

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INGENIERIA MECATRONICA "Diseño y construcción de una máquina para cribar semillas de frijol"

Palabras Clave

Cribadora, productiva, frijol, económica

Resumen

El presente trabajo consiste en el diseño y la construcción de una máquina para la criba de semillas de frijol, cribando un promedio de dos toneladas por día, con un mínimo de impurezas y cuidando las semillas para que no se maltraten. El usuario debe colocar las semillas de frijol a cribar en la tolva de la máquina, una vez que se encuentre llena, ó que el usuario así lo decida, podrá encender la máquina. La tolva dejará paso a las semillas de frijol para que puedan desplazarse por las zarandas, pasando por la desbrozadora, las semillas que caigan se deslizaran por la zaranda clasificadora, quedando en está las semillas de frijol. Una vez clasificada la semilla de frijol llegará a un embudo que estará conectado a un tornillo transportador, siendo está la etapa final, previa al almacenamiento. La máquina contará con una interfaz simple al usuario siendo dos los botones principales, botón de inicio y paro de emergencia, así mismo contará con tres botones para la selección del flujo a limpiar, botón que indica un 50%, 75% y 100%. Se hicieron los cálculos necesarios para ahorrar energía, cuidar la semilla y poder presentar una máquina que sea resistente a las condiciones de trabajo del campo, logrando un diseño eficiente.

A bstract. This work involves the machine's design for bean seed sieve, sifting through an average of two tons per day, with a minimum of impurities and caring the seeds that won't get mistreated. The user must place the bean seeds to be screened in the hopper of the machine, once it is full, or the user decides, may turn on the machine. The hopper will give way to bean seeds so they can move through the sheets, through the brushcutter, the seeds are falling by the slide sorter, staying in bean seeds. Once the bean Ing. Mecatrónica

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seeds classified into a drum that will be connected to a screw conveyor, where is the final stage prior to storage. The machine will feature a simple user interface by two main buttons, start and emergency stop button and it will have three buttons for selecting the flow to be cleaned, button indicating a 50%, 75% and 100%. The calculations were made to save energy, to care the seed and present a machine that is resistant to conditions of work in field, achieving an efficient design. Objetivo del trabajo terminal

Diseño y construcción de una máquina para cribar semillas de frijol, dirigida a hacer más eficiente la producción, reducir costos y evitar pérdidas del producto cuidando la semilla, así como a presentar una opción viable, económica y rentable para los agricultores. Prologo

El frijol es un cultivo tradicional en México el cual se siembra en todas las regiones agrícolas del país. En el estado de Zacatecas se siembran diferentes tipos de frijol, como son: Flor de mayo, Flor de junio, Negro, Bayo, Vaca, entre otros, la época de cosecha comprende los meses de Septiembre, Octubre y Noviembre, tiempo en el que es necesario tener la maquinaria suficiente para tener un buen producto. Actualmente empresas tanto nacionales como internacionales ofrecen a los campesinos opciones para poder trabajar de forma eficiente. Ellos ofrecen entre su gama de opciones, maquinas que ayudan a limpiar la semilla de frijol, utilizando despedradoras, cribadoras, mesas de gravedad y empaquetadoras. El tipo de cribadoras que ellos ofrecen son para una producción muy grande, por lo tanto cara e inaccesible para algunos campesinos. Los campesinos que no cuentan con los recursos suficientes para comprar una máquina como la citada, caen en la necesidad de rentar, sin opción a ser propietarios de una máquina propia ó de utilizar procesos manuales quienes toman mucho tiempo y para los cuales se necesita mucho esfuerzo físico. En el presente trabajo se busca realizar un sistema que les permita aumentar sus ingresos, trabajar de forma eficiente y utilizando maquinaria propia que pueda realizar todo el proceso de forma autómata. La máquina cribadora que se presenta en este trabajo está hecha por encargo de un grupo de agricultores del estado de Zacatecas, quienes están interesados en Ing. Mecatrónica

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tecnificar algunos de sus procesos, pero a la vez impedidos de pagar los altos costos como la de una maquinaria comercial agrícola. El diseño de la máquina cribadora de semillas de frijol se describe en el siguiente escrito comprendiendo cuatro capítulos. -

-

Capítulo I (Antecedentes); Este capítulo muestra el estado del arte de las maquinas cribadoras que ofrecen empresas nacionales como extranjeras, siendo estas maquinas la base del diseño y la construcción del proyecto propuesto. Capítulo II ("Diseño del prototipo"); Presenta el diseño y desarrollo de las diferentes etapas que componen la maquina.

- Capítulo 111 ("Construcción del prototipo"); Según la etapa de diseño se muestra de manera amplia como fue la construcción del prototipo.

- Capítulo IV ("Conclusiones"); Se detallan los objetivos cumplidos así como algunas observaciones.

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Capítulo I Antecedentes Ing. Mecatrónica

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1.lImpurezas en los granos Las impurezas que normalmente se encuentran en los granos de frijol, por lo general son fragmentos provenientes de la propia planta, como rastrojos, hojas, trozos de granos, ramas, etc. [Ver Ilustración 11. Asimismo, existen otras impurezas que no provienen de la propia planta, a las cuales se les denomina materias extrañas y que generalmente están constituidas por semillas silvestres, parte de otras plantas, además de terrones, arena, piedras, etc. Las impurezas presentes en las semillas de frijol son consecuencia del descuido durante el cultivo, principalmente en el control de malezas, y de los métodos utilizados para la cosecha.

Ilustración 1. Frijol

Los granos cosechados de forma manual o mecánico siempre contienen impurezas. Para la conservación de los granos durante el almacenamiento es necesario considerar dos aspectos importantes de las impurezas; uno de ellos es el hecho de que su presencia hace más difícil la conservación de los granos, y el otro se refiere a la dificultad que presentan para la buena operación de las unidades almacenadoras (1). El exceso de impurezas influye en forma negativa en la conservación de los productos almacenados, porque normalmente son higroscópicas y tienden a humedecer los granos, además de ser un medio favorable para el desarrollo de insectos y microorganismos.

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1.2 Sistemas y Equipo La -limpieza de los productos agrícolas es una práctica adoptada hace miles de años y que poco ha cambiado desde entonces, pues en la actualidad se utilizan los mismos principios mecánicos. No obstante siendo que las máquinas modernas permiten una buena limpieza de los productos, poseen un rendimiento bajo, lo que muchas veces limita la recepción de éstos en las grandes unidades de almacenamiento. En el medio rural, los sistemas de limpieza son bastante rudimentarios; por lo general, utilizan cernidores manuales; ocasionalmente equipos más complejos, como máquinas con sistemas de aspiración de aire y juego de mallas o zarandas. En las unidades almacenadoras o en las grandes propiedades agrícolas, donde se requiere limpiar grandes cantidades de granos, se utilizan máquinas de limpieza con sistemas de aspiración de aire y zarandas. Estas máquinas tienen una alta capacidad para una eficiente limpieza, pero su operación es relativamente compleja y el precio es alto. 1.2.1 Zarandas manuales La limpieza con zaranda manual es el método más utilizado por los pequeños agricultores. El método consiste en utilizar mallas o zarandas manuales y realizar un movimiento hacia arriba con la zaranda, lanzando el producto al encuentro de la corriente de aire; el viento se encarga de eliminar las impurezas más livianas. Enseguida se realiza un movimiento de vibración o vaivén de la zaranda, para propiciar que las impurezas menores pasen por los orificios. [Ver Ilustración 21

Ilustración 2. Zaranda Manual

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Las zarandas manuales son muy utilizadas aunque solo permiten la limpieza de pequeñas cantidades de productos, estas pueden ser construidas fácilmente por los -propios agricultores. La capacidad de limpieza con las zarandas manuales es del orden de 120 a 180 kg por hora de trabajo (2). Tiene la desventaja de ser una operación de bajo rendimiento y de exigir gran esfuerzo físico y habilidad. 1.2.2 Limpieza con ventilador (Mesas de Gravedad)

Consiste básicamente en un ventilador que produce un flujo de aire, el que realiza la separación de las impurezas del producto. Esta separación se efectúa a base de las diferencias de la velocidad terminal de las impurezas y de los granos. Este sistema de limpieza sirve para eliminar impurezas livianas, tales como polvo, hojas, tallos, ramillas, etc., y se recomienda para la limpieza de maíz, arroz y frijoles a nivel de pequeños productores. La limpieza se lleva a cabo haciendo pasar una corriente de aire por los granos; las impurezas más livianas son lanzadas fuera de la máquina por la acción del aire del ventilador. Cuando el producto contiene muchas impurezas pesadas, como terrones y arena, no es posible con este método realizar una buena limpieza [Ver Ilustración 31.

Ilustración 3. Mesa de Gravedad

Especificaciones * R6

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Enerc Moto Tabla 1. Características Mesa de gravedad Fehr (3)

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Modelo

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Tabla 2. Características Mesa de Gravedad Clipper International(4)

1.2.3 Limpieza con mallas cilíndricas Las máquinas de limpieza con mallas cilíndricas rotativas son muy utilizadas para altos volúmenes, debido a su gran capacidad para limpiar y porque requieren baja potencia para su funcionamiento. Están constituidas básicamente por dos mallas cilíndricas, colocadas una dentro de otra. La malla interior tiene forma de cono, para que los granos se deslicen cuando se opera el equipo a una velocidad más baja ver Ilustración 41, sin embargo este tipo de limpieza daña de forma considerable la semilla ya que se quiebra en el intento de ser limpiado (5).

Ilustración 4. Limpieza por mallas Cilíndricas

Se documento una cribadora propiedad de un campesino del estado de Zacatecas, este es el tipo de máquinas que tienen a mano y a precios accesibles, la otra es una cribadora de mallas cilíndricas comercial.

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Tabla 4. Características Mallas Cilíndricas Fehr (3)

1.2.4 Limpieza en máquinas con aire y zarandas

Las máquinas de limpieza con ventilador y zarandas se utilizan cuando se requiere una limpieza más eficiente del producto [Ver Ilustración 51.

Ilustración 5. Cribadora

Estas máquinas pueden ser utilizadas en la operación de pro-limpieza para eliminar parte de las impurezas de los granos, o en la operación de limpieza, después del secado (2). La diferencia entre máquinas de limpieza y pro-limpieza está determinada básicamente por la eficiencia de la separación. Las máquinas de limpieza tienen ventiladores más potentes, o un mayor número de zarandas con orificios, cuya dimensión se aproxima más al tamaño de los granos, permite realizar una limpieza más eficiente. Por lo general, las máquinas con ventilador y zarandas están constituidas por un depósito o alimentador, un sistema de aspiración de polvo (que se encuentra a la entrada o salida del producto) un conjunto de zarandas intercambiables y un dispositivo para producir la vibración u oscilación del conjunto de zarandas.

Capacidad (kglh) -%4vT%- -7?p -T

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Especificaciones Características Principales i o eléctrica (m Cfi Tensión 11 Con band2 7 Siri banda Ten: ;ión 11í u*u *---"I?"I?:-

Tabla 5. EspecificacionesCribadoras Fehr (3)

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Especificaciones Capacidad r,

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Requisitos Eléctricos otor de-n¡r"dTrTf Motor excéntrico vibratorio 5HP Motor de alimentación W HP Motor de ventilador 10 Motor excéntrico vibratorio 2HP Motor de alimentación W HP

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Anexo VI Tabla 3 Coeficiente CF, Hélice del Tornillo

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Anexo VI Tabla 4 Coeficiente CF, Remos del Tornillo

Anexo VI Tabla 5 Capacidad de Carga

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Anexo VI Tabla 10 Coeficiente del factor de remos Ff

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Anexo VI Tabla 11Coeficiente del factor de potencia F,

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Anexo VI Tabla 12 Coeficiente del factor de eficiencia e

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Anexo V Data sheet CNY Ing. Mecatrónica

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Reflective Optical Sensor with Transistor Output FEATURES Package type: leaded

Marking arsa ,'

Detector type: .. .phototransistor Dimensions(LxWxHinmrn):7~7~6 Peak operating dislance: < 0.5 rnm OperaUng range withln > 20 % rdative mllector RoHs WLlF'LlAIlT currenl: O mm lo 5 rnm Typical output current under test: Ic = 1 mA Emiiier wavelength: 950 nm Daylight blocklng íilter Lead (Pb)-free solderlng released Compllant to RoHS dlrective 20021951EC and in accordance to WEEE 2002/96/EC

DESCRIPTION The CNY70 is a reflective censor that includes an lnfrared emitler and phototransistor in a leaded package which blocks vlslble liqht.

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PARAMETER

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TEST CONDlTlON

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Collector current Cross talk cunetit Colector emitter caturalion voitage

d = 0.3 mm (figure 1) VCE = 5 V, IF= 20 mA, (figure 2) IF = 20 mA. lc = 0.1 mA, d = 0.3 mm (figure 1)

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