desgranadora de maiz
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Desgranadora de Maíz Caro Diego Armando, Castillo Wilson Enrique, Espejo Omar Leonardo, Franco Villamizar Tatiana, Gómez
Germán Enrique y Piñeros Erick Libardo.
5. DESCOMPOSICIÓN FUNCIONAL
5.1 FUNCIÓN PRINCIPAL
Máquina de composición accionada de manera manual o por potencia eléctrica que sea capaz de desgranar maíz garantizando que:
El grano obtenido sea limpio y de corte uniforme. Los materiales utilizados sean de bajo costo. La maquina tenga un consumo de energía mínimo (en el caso que ésta
sea accionada de por potencia eléctrica) La maquina sea de fácil transporte y manipulación. La maquina tenga una operación segura para el operario.
Según la función principal anteriormente establecida, las sub-funciones que se
deben realizar durante el proceso son:
Acoplar la mazorca
Almacenar la tuza
Almacenar el grano
Almacenar el maíz
Conducir el maíz hacia el mecanismo de separación
Posicionar el maíz en el mecanismo de separación
Orientar el maíz en forma correcta hacia el mecanismo de separación
Asegurar el maíz en el mecanismo de separación
Suministrar el maíz en unidades hacia el mecanismo de separación
5.2 CAJA NEGRA
Figura 1. Caja Negra
5.3 CAJA GRIS
Figura 2. Caja Gris
DESGRANADORA DE MAÍZ
ENERGÍA
SEÑAL
MATERIAL
SEÑAL
GRANO DE
ENERGÍA (CALOR, MECÁNICA, RUIDO,)
ENER
SEÑAL
MATERIAL
(MAÍZ
SEÑAL
(TERMINAD
GRANO DE MAÍZ Y
TUZA
PERDIDAS DE
Convertir
energía
Aceptar maíz
Detectar
Disparar herramie
nta de
Ubicar maíz
Aplicar energía cinética
para
5.4 DIAGRAMA DE FUNCIONES
Figura 3. Diagrama de funciones
Proceso de desgranado
Preparar el mecanismo de separación
Asegurar comodidad al operario
Asegurar seguridad al operario
Cubrir las partes móviles
Alimentar los mecanísmos con
energía (en caso que no se haga de manera
manual)
Desgranar el maíz
Separar los granos de la tuza
Realizar el movimiento relativo entre los
granos y los mecanismos que los
separan
Transmitir fuerza
Guiar el mecanismo de separación
Expulsar los granos
Expulsar la tuza
Ubicar el maíz
Guiar el direccion adecuada
Generar movimiento
Detener movimiento
Soportar cargas
Soportar el peso del maíz
Resistir sobrecargas
Soportar elementos propios
Soportar elementos auxiliares
Soportar cargas del operario
Soportar cargas de la herramienta
Proteger de lesiones
Descargar partes que han sido separadas
Descargar los granos
Guiar granos
Expulsar granos
Descargar tuzas
Guiar tuzas
Expulsar tuzas
5.3 DESGLOSE DEL DIAGRAMA DE FUNCIONES Y DESCRIPCIÓN DETALLADA PARA CADA CASO
5.3.1 DESGRANAR
Corte
Cuchilla
Que tenga la forma de la maíz
Para corte tangencial
Para corte longitudinal
Varias cuchillas
Ventajas Desventajas
Rapidez
Simplicidad
Poco mantenimiento
Fácil limpieza de la cuchilla
Puede dañar el grano
Poco seguro para el operario
Corte no uniforme de granos
La cuchilla puede deformarse por el esfuerzo
Impacto
Un cuerpo en movimiento
Maíz en movimiento
Ventajas Desventajas
Rapidez
Simplicidad
Mayor producción
Puede dañar el grano
Poco seguro para el operario
Baja eficiencia en el proceso
Desgaste excesivo en comparación con los demás métodos
Puede dañar la tuza
Se produce una mezcla tuza-grano
Superficies irregulares (fuerzas sobre el grano)
Superficies cónicas (forma del maíz)
Un cuerpo en movimiento
Maíz en movimiento
Ventajas Desventajas
Se adapta mejor a la forma del maíz
Mejor eficiencia
Rapidez
Simplicidad
Mayor producción
Menores daños en el grano
poco mantenimiento
Fácil limpieza
Seguridad para el operario
Dificultad para sacar la tuza
Mayores requerimientos de fuerza
Rodillos
Varios en movimiento
Un rodillo en movimiento y la maíz fija
La maíz en movimiento y el rodillo fija
Ventajas Desventajas
Buena eficiencia en el proceso
Sencillo
Fácil limpieza
Adaptabilidad a la forma de la maíz
Es la dificultad en el control del proceso
Puede ser peligroso para el operario
Se necesita un movimiento de rotación para desgranar toda la maíz
Mayor desgaste
Superficies planas
Varias en movimiento
Una sola en movimiento la maíz fija
La maíz en movimiento y la superficie fija
Ventajas Desventajas
Buena eficiencia en el proceso
Sencillo
Fácil limpieza
Es la dificultad en el control del proceso
Puede ser peligroso para el operario
Se necesita varios movimiento de rotación para desgranar toda la maíz
Mayor desgaste
Mayor tiempo de desgrane
Cuerpo aplicando fuerza
Un cuerpo fijo y la maíz en movimiento
Varios cuerpos fijos y la maíz en movimiento
La maíz fija y un cuerpo en movimiento
La maíz fija y varios cuerpos en movimiento
Ventajas Desventajas
Se adapta mejor a la forma del maíz
Mejor eficiencia
Rapidez
Simplicidad
Mayor producción
Menores daños en el grano
poco mantenimiento
Fácil limpieza
Seguridad para el operario
Bajo requerimiento de potencia
Mejor calidad en el producto final
Es la dificultad en el control del proceso
Se necesita varios movimiento de rotación para desgranar toda la maíz
Mayor desgaste.
Mayor tiempo de desgrane
5.3.2 MOVIMIENTO Rotacional
Ventajas Desventajas
Si se adapta a la forma de la maíz
Desgranado en su totalidad Alta eficiencia en el desgranado Facilidad en la aplicación del
movimiento No se necesita la transformación
del movimiento
Mayor tiempo Mayor consumo de potencia
Lineal
Ventajas Desventajas
Menor consumo de potencia El tiempo de desgrane es menor Alta eficiencia en el desgranado
No se adapta a la forma de la maíz
Dificultad en la aplicación del movimiento
Se necesita la transformación del movimiento
Mixto (lineal y rotacional)
Ventajas Desventajas
Menor consumo de potencia El tiempo de desgrane es menor Alta eficiencia en el desgranado
Dificultad en la aplicación de la fuerza
El mecanismo es complejo
5.3.3 GUIAR EL MECANISMO DE SEPARACIÓN
Guías (rieles)
Rotacional
Ventajas Desventajas
Permite un solo movimiento para el desgrane
Mecanizado complejo
Lineal
Ventajas Desventajas
Es de fácil construcción
Permite mantener el movimiento uniforme
Se dificulta el movimiento rotacional
Movimiento libre con restricciones en los limites
Ventajas Desventajas
Es de fácil construcción Es difícil de controlar el movimiento
Movimiento helicoidal
Ventajas Desventajas
El movimiento es optimo para el desgrane
Mecanismos complejos
5.3.4 UBICAR EL MAÍZ
Guiar en dirección adecuada
Tubo:
Es difícil posicionar el maíz de manera adecuada para
que ingrese al equipo.
Tolva:
La capacidad de una tolva excede la cantidad de maíz
que se pueden procesar por el equipo a utilizar
Tornillo sin fin:
Para este sistema se necesita un costo adicional, ya
que es necesario realizar un mecanizado de las piezas
Rampla:
Es un buen complemento para el sistema de
alimentación por gravedad. Es sencillo y de fácil
implementación
Banda transportadora:
Requiere de una gran inversión, y excede los
requerimientos de la maquina
Elevadores de cangilones :
Requiere de una gran inversión, y excede los
requerimientos de la maquina
Mecanismo:
Para este sistema se necesita un costo adicional, ya
que es necesario realizar un mecanizado de las piezas
Manual:
Es peligroso para el operario, ya que está expuesto al
mecanismo de desgranado
Generar movimiento
Gravedad:
Ventajas Desventajas
No se requiere energía Es sencillo de diseñar Bajo costo
No se asegura que todos los granos salgan
Se necesita un desnivel
Por un mecanismo: se descarta por los costos
Desnivel:
Ventajas Desventajas
No se requiere energía Es sencillo de diseñar Bajo costo
No se asegura que todos los granos salgan
Se necesita un desnivel
Neumático: Se descarta por los costos, y se requiere de
alimentación externa de energía
Hidráulico: Se descarta por los costos, y se requiere de
alimentación externa de energía
Ventilador: Se descarta por los costos, y se requiere de
alimentación externa de energía
Manual:
Ventajas Desventajas
Es sencillo de diseñar Bajo costo
No se asegura que todos los granos salgan
Mayor tiempo requerido
El proceso no es continuo debido a que es necesario detener el proceso y retirar los granos
Se necesita un desnivel Se requiere la
intervención directa de un operario
Detener movimiento:
Tope:
Es sencillo. Bajo costo de producción. No se requiere la
intervención del operario.
Manual :
Es peligroso para el operario, ya que está expuesto al
mecanismo de desgranado.
Mecanismo:
Para este sistema se necesita un costo adicional, ya
que es necesario realizar un mecanizado de las piezas.
5.3.5 DESCARGAR PARTES QUE HAN SIDO SEPARADAS:
Guiar granos
Descargar los granos
Se va a realizar el mismo procedimiento realizado en
Ubicar el maíz.
Expulsar los granos
o Gravedad:
Ventajas Desventajas
No se requiere energía Es sencillo de diseñar Bajo costo
No se asegura que todos los granos salgan
Se necesita un desnivel
Por un mecanismo: se descarta por los costos
Desnivel:
Ventajas Desventajas
No se requiere energía Es sencillo de diseñar Bajo costo
No se asegura que todos los granos salgan
Se necesita un desnivel
Neumático: Se descarta por los costos, y se requiere de
alimentación externa de energía
Hidráulico: Se descarta por los costos, y se requiere de
alimentación externa de energía
Ventilador: Se descarta por los costos, y se requiere de
alimentación externa de energía
Manual:
Ventajas Desventajas
Es sencillo de diseñar Bajo costo
No se asegura que todos los granos salgan
Mayor tiempo requerido El proceso no es continuo
debido a que es necesario detener el proceso y retirar los granos
Se necesita un desnivel Se requiere la intervención
directa de un operario
5.3.6 DESCARGAR TUZAS Gravedad:
Ventajas Desventajas
No se requiere energía Es sencillo de diseñar Bajo costo
No se asegura que todos los granos salgan
Se necesita un desnivel
Por un mecanismo: se descarta por los costos
Desnivel:
Ventajas Desventajas
No se requiere energía Es sencillo de diseñar Bajo costo
No se asegura que todos los granos salgan
Se necesita un desnivel
Neumático: Se descarta por los costos, y se requiere de
alimentación externa de energía
Hidráulico: Se descarta por los costos, y se requiere de
alimentación externa de energía
Ventilador: Se descarta por los costos, y se requiere de
alimentación externa de energía
Manual:
Ventajas Desventajas
Es sencillo de diseñar Bajo costo
No se asegura que todos los granos salgan
Mayor tiempo requerido El proceso no es continuo
debido a que es necesario detener el proceso y retirar los granos
Se necesita un desnivel Se requiere la intervención
directa de un operario
5.3.7 TIPO DE ENERGÍA Eléctrico:
o Batería
o Motor
o Motor lineal
Se descartan por los altos costos de compra y
mantenimiento de los equipos.
Humana:
Ventajas Desventajas
Sencilla Económica Flexible
Riesgos de trabajo Económica Flexible
Químico
o Reacción química
Exotérmica
Endotérmica
Se descartan debido a que no hay reacciones presentes en el
sistema, todos los procedimientos son netamente físicos.
Mecánico
o Resorte:
Puede transformar la energía potencial en cinética.
Puede almacenar energía.
Se deteriora por la cantidad de ciclos que se realicen. La
entrega de energía no es constante
Neumático:
Se descartan por los altos costos de compra y mantenimiento de
los equipos.
Hidráulico
Se descartan por los altos costos de compra y mantenimiento de
los equipos.
5.3.8 CONVERSIÓN DE ENERGÍA BIOLOGÍA (HUMANA) EN ENERGÍA MECÁNICA Palanca oscilante:
Ventajas Desventajas
Es una manera sencilla de transformar la energía.
Utiliza piezas estandarizadas de fácil acceso.
Bajo costo Fácil producción en masa Brinda el movimiento adecuado
para el proceso Requiere de poco espacio Se puede transportar
Es una actividad repetitiva y por lo tanto desgastante para el operario
Necesita de un impulso inicial bastante alto para comenzar el movimiento.
No brinda una buena ergonomía.
Pedales para pies:
Ventajas Desventajas
Es una manera sencilla de transformar la energía.
Utiliza piezas estandarizadas de fácil acceso.
Bajo costo Fácil producción en masa Brinda el movimiento adecuado
para el proceso
Es una actividad repetitiva y por lo tanto desgastante para el operario
Altos requerimientos de espacio
Se necesita un mecanismo de transformación de potencia para su implementación
Se necesita un soporte para su utilización
Pedales para manos:
Ventajas Desventajas
Es una manera sencilla de transformar la energía.
Utiliza piezas estandarizadas de fácil acceso.
Bajo costo Fácil producción en masa Brinda el movimiento adecuado
para el proceso
Es una actividad repetitiva y por lo tanto desgastante para el operario
Para un mismo trabajo los brazos se desgastan más que las piernas
Tiene aun mayores requerimientos de espacio
Se necesita un mecanismo de transformación de potencia para su implementación
Se necesita un soporte para su utilización
Pedal oscilante:
Ventajas Desventajas
Es una manera sencilla de transformar la energía.
Utiliza piezas estandarizadas de fácil acceso.
Bajo costo Fácil producción en masa Brinda el movimiento adecuado
para el proceso Menores requerimientos de
energía
Es una actividad repetitiva y por lo tanto desgastante para el operario
Tiene requerimientos de espacio
Se necesita un mecanismo de transformación de potencia para su implementación
Se necesita un soporte para su utilización
Se necesita un mecanismo biela-manivela-pistón adicional a los elementos de la maquina
6. PRUEBAS
Para tener una mejor perspectiva de lo que se necesita para el desarrollo de la desgranadora se realizaron pruebas sobre el grano para determinar con qué fuerza y en qué dirección sería más conveniente realizar el corte.
6.1 PRUEBAS DE DESGRANE MANUAL
Como primera observación se puede ver que la forma tanto del grano como de la tuza mantiene un patrón muy definido el cual se debe tener en cuenta a la hora de diseñar el mecanismo de desgranado.
En primer lugar la forma de la tuza a es cónica, para hacer referencia correctamente llamaríamos a la base parte superior y a la punta parte inferior (si comparamos la forma de la tuza con un cono).
Figura 4. Forma del grano
El grano por su parte presente irregularidades en su base. Estas irregularidades se pueden catalogar como concentradores de esfuerzos generando un punto de mayor debilidad en la unión entre la tuza y el grano, de esta manera se encuentra que hay dos posesiones de la fuerza tangencial que se puede aplicar en las cuales debido a estos concentradores de esfuerzos se presenta una gran facilidad para fracturar esta unión y poder separar el grano de la tuza.
Haciendo una referencia a la forma de la tuza se podría decir que al aplicar una fuerza de la parte de abajo hacia la parte superior de la tuza se puede arrancar el grano con mayor facilidad, al igual que sucede si la fuerza aplicación se toma de derecha e izquierda.
De manera instintiva se podría dar como solución ideal que la fuerza para arrancar el grano sea dirigida en un vector de dirección que conviene estas dos direcciones mencionadas para conseguir el objetivo con la menor cantidad de fuerza aplicada, sin embargo aún no se puede asegurar que ésta sea la opción más viable para el proyecto ya que se desconocen los métodos de aplicación física para conseguir esta fuerza y poder aplicar la eficientemente durante el proceso propuesto.
Figura 5. Pruebas de desgrane manual
Considerando que la fuerza tendrá una dirección dirigida desde la parte de arriba hacia la de abajo hay que tener en cuenta la figura de la tuza. En la parte inferior la inclinación que presenta la tuza y el ángulo que forma el grano con respecto a esta hacen que la fuerza no trabaje en su totalidad sobre el grano sino que también realice una fuerza sobre la tuza la cual es innecesaria y elevaría el requerimiento en cuanto fuerza, a hay que añadirle el hecho de que el concentrador de esfuerzos no va a
ejercer un efecto completo y aumentará la resistencia que la unión entre el grano en la tuza.
Otra de las características que se puede encontrar en el maíz en que da una cierta ventaja al momento de diseñar un dispositivo que lo desgrane es el hecho de que los granos de maíz tienen una resistencia al impacto bastante buena lo cual nos permitirán enfrentar el problema del aplicación de fuerza de varias maneras.
Como particularidad, se encontró que la posición en la que se encuentran los granos unidos a la tuza dificulta aún más la remoción de dicho grano, esto sucede debido a que al momento de aplicar una fuerza tangencial sobre un grano este se desplaza en la misma dirección de la fuerza encontrando una oposición al momento de entrar en contacto con los granos adyacentes. Como resultado es notoria la diferencia entre la magnitud de la fuerza necesaria para arrancar un grano que se encuentra rodeado, a la magnitud de la fuerza para un grano que no estén restringido por granos contiguos. Esta característica debe tenerse muy presente al momento de diseñar el mecanismo ya que puede ser utilizado a favor y con esta reducir los requerimientos en fuerza y a su vez disminuir la cantidad de potencia que tiene la máquina.
6.2 PRUEBAS DE DESGRANE CON DIFERENTES OBJETOS
Ahora se buscó mirar con qué objetos o materiales suficientemente duros se podía desgranar el maíz pero que no dañaran el grano.
Para esta prueba se hizo uso de tres formas:
La primera fue poner la tuza contra una llanta de bicicleta mientras esta rodaba. El resultado fue exitoso pues desgrana rápidamente y no produce daños al grano.
Figura 6. Pruebas de desgrane con la llanta de una bicicleta
La segunda prueba que se realizó fue poner la tuza contra los radios de una bicicleta y los resultados fueron los mismos que en el caso anterior.
Figura 7. Pruebas de desgrane con la llanta de una bicicleta
La tercera prueba se realizó colocando la tuza dentro de una ranura diseñada para el desgrane la cual está hecha de madera y posee unas superficies que ayudan al raspado del maíz.
Figura 8. Ranura diseñada para el desgrane (en madera).
Al igual que en las anteriores pruebas los resultados fueron un buen desgrane y un buen estado del grano después de este.
Figura 9. Pruebas de desgrane con ranura de madera
6.3 PRUEBAS CON DINAMOMETRO
Después de haber caracterizado el maíz y haber determinado en qué sentido y bajo qué condiciones es más sencillo el desgrane se tomaron pruebas con dinamómetro para determinar la magnitud de las fuerzas que se necesitan.
Se trabajó con dos tipos de dinamómetros:
El primero mide máximo 3.5 N, con este se realizó el desgrane de la parte media de la mazorca ya que es mucho mas fácil el desgrane en este sector.
El segundo mide en kilogramos haciendo una fuerza mucho mayor y este fue usado en la punta que es donde se realiza el mayor esfuerzo.
Figura 6. Dinamómetros usados en las pruebas
Se obtuvieron los siguientes resultados:
Newtons Kilogramos
Fuerza de arranque de un grano de forma lateral
4.5 0.459
4 0.408
Fuerza de arranque de un grano de forma tangencial hacia abajo
3.5 0.357
3.8 0.387
2.8 2.86
Figura 7. Pruebas con los dinamómetros sobre el maíz