DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA MÁQUINA PARA MOLER AGAVE COCIDO

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1 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA MÁQUINA PARA MOLER AGAVE COCIDO Caballeo Caballeo Magdaleno 1, Silva Sanos Luis 1, López Henández Isaí 2, José José Amando 2, Coés Maínez Calos I 2. Mones Benabé J. Luis 2, Gacía Méndez Rey 2. Ceno Inedisciplinaio de Invesigación paa el Desaollo Inegal Regional Unidad Oaxaca del Insiuo Poliécnico Nacional Honos No. 1003, Sana Cuz Xoxocolán, C. P Oaxaca, México. Tel. y fax: (951) y (951) mcaballeo@ipn.mx, luis63ss@yahoo.com.mx, isai_lh@yahoo.com.mx, jozoyno@homail.com, solemia7@homail.com, jlmbena66@yahoo.com.mx, eyklel@homail.com RESUMEN Ese abajo pesena el diseño y consucción de una máquina expeimenal paa exae jugos de agave cocido Angusifolia Haw. La máquina inicia su opeación con el accionamieno de un en laminado de es odillos adialmene denados y colocados en foma de iángulo, con un sepaado colocado ene los odillos infeioes paa ecibi la maeia pima hoizonalmene. Debido a que los odillos infeioes gian en senido de las manecillas del eloj y el odillo supeio en senido conaio, la maeia pima es ecibida en un exemo y los desechos colecados en la pae poseio. La poencia se genea empleando un moo elécico de 2.23 kw (3 hp) acoplado con dos bandas a un educo de velocidad mecánico, y con la ayuda de una cadena ansmie la fueza moiz y la velocidad equeida hacia un sisema de es enganes. En las puebas de evaluación se obuvo un endimieno de 54 kg/h. ABSTRACT This pape pesens he design and consucion of an expeimenal machine o exac juice fom baked Angusifolia Haw agave. The machine begins he opeaion wih he acion of a olling mill wih hee adially oohed olles, se in he fom of a iangle, wih a sepaao placed wihin he lowe olles o eceive he aw maeial hoizonally. Due o he fac ha he lowe olles spin in a clockwise diecion and he uppe olle in an aniclockwise diecion, he aw maeial enes a one end and he wase is colleced a he back. A 2.23 kw (3 hp) elecic moo geneaes he powe and is coupled by wo bels o a speed educion mechanism, and wih he aid of a chain, ansmis he foce of he moo and he equied velociy o a sysem of hee geas. In evaluaive ess a pefomance of 54 kg/h was obained. NOMENCLATURA Y-Z Plano Y-Z Z-X Plano Z-X d Diámeo del eje, mm Ø Diámeo exeno de los discos de coe, mm θ Diámeo de la sección del eje paa el monaje de discos, mm π Consane, adimensional x, y y z Ejes caesianos i Subíndice (1, 2, n) Caga ansmiida W T R AY y R CY M A..E T MAX ueza adial ueza angencial Momeno de osión Reacciones Momenos flexionanes Esfuezo coane máximo 1 Invesigado del CIIDIR IPN Unidad Oaxaca. 2 Esudiane de la Maesía en Consevación y Apovechamieno de Recusos Nauales del CIIDIR IPN Unidad Oaxaca. 266

2 INTRODUCCIÓN México es uno de los países poducoes de agave ene los que se encuena el Agave angusifolia Haw que se uiliza paa elaboa el mezcal. El Esado de Oaxaca es el mayo poduco de agave mezcaleo con una supeficie sembada de hecáeas [1]. Los poducoes de agave del Esado de Oaxaca han uilizado pocesos adicionales paa elaboa el mezcal, peo debido al incemeno de la compeencia ene los mismos poducoes, se han viso en la necesidad de ecnifica sus pocesos y divesifica el apovechamieno de sus poducos [2]. Un poduco que se puede obene a pai de los jugos del agave es el jaabe o miel de agave, el cual es un edulcoane con caaceísicas especiales que apoan cieos beneficios a la salud. Paa deemina el poencial del Agave angusifolia Haw y pode elaboa jaabe de agave, se equiee obene jugo de agave en esado cocido y poseiomene analiza sus popiedades. Po ello, el objeivo de ese abajo se enfocó a aplica una meodología paa diseña y consui un pooipo de molino expeimenal paa obene jugo de agave en esado cocido. DESARROLLO La meodología que se empleó en el poceso de diseño, fue popuesa po Yousef Haik, el cual concibe un diseño a pai de una lisa de exigencias y una esucua de funciones que desciban al equipo [3]. Las eapas fueon: 1. Planeamieno del poblema. Exae po un lado la mayo canidad de jugo del agave en esado cocido y obene po oa pae el bagazo o desecho. 2. Invesigación de mecado. Se ealizó una búsqueda en el mecado sobe algún equipo que esolviea saisfacoiamene el poblema planeado y no se enconó ningún equipo ipo expeimenal paa exae jugo de Agave angusifolia Haw. 3. Consideaciones de desempeño: Los aibuos se clasificaon en: i) Pimaios: que cumplen con la función pincipal de la máquina. ii) Secundaios: que se enfocan a la elación hombe-máquina. iii) Teciaios: que le agegan un valo aacivo a la máquina peo no son necesaios paa su funcionamieno. En la abla 1, se pesenan los aibuos paa el caso de esudio. Tabla 1. Aibuos PRIMARIOS SECUNDARIOS TERCIARIOS Seguidad del opeado Poducción inemedia Obene jugo del agave Opeación sencilla Bajo consumo de enegía elécica cocido ácil manenimieno Uiliza elemenos de máquina Uiliza enegía elécica disponibles en el mecado No conamina el poduco Sepaa el jugo del desecho o Condiciones de insalación mínimas bagazo Coloes aacivos al usuaio Después de idenifica los aibuos, se consuyó el ábol de objeivos, con la finalidad de analiza y desplega los paámeos de diseño, a avés de una epesenación esquemáica, como se muesa en la figua

3 MOLINO EXPERIMENTAL PARA JUGO DE AGAVE uncionalidad Seguidad Eficiencia ácil opeación Opeación Poduco Exae la mayo canidad de jugo ácil manenimieno Sepaación de jugo y desecho Elemenos elécicos aislados Egonomía Elemenos de ansmisión poegidos No conamina el poduco po paículas meálicas Evia la oxidación y coosión del sisema de molienda Poencia necesaia paa evia que el poduco se aasque Poducción inemedia ig. 1 Ábol de objeivos. 4. Análisis de funciones: Se uilizó un diagama, el cual se epesena como un cuado que muesa las enadas y salidas del sisema, descibiendo el poblema y dividiéndolo en funciones, de manea que se disminuyan los niveles de complejidad y sea más fácil de diseña, como se indica en la figua ENTRADA TROZOS DE AGAVE EN ESTADO COCIDO 2 5 SALIDA JUGO DE AGAVE DESECHOS (BAGAZO) Enada o alimenación del agave cocido. 2. Tanspoe hacia el sisema de molienda. 3. Obención de jugos en el sisema de molienda. 4. Tanspoe de jugos. 5. Tanspoe de desechos. 6. Sepaación de jugos y desecho (bagazos). ig. 2 Análisis de funciones. 5. Caa mofológica: Cada función se puede loga de difeenes fomas, una heamiena impoane que puede se úil es un caálogo de diseño o caa mofológica paa su selección. En la abla 2, se pesena la caa mofológica de los sisemas que inevienen en el funcionamieno de la máquina y se poponen difeenes soluciones paa cada función. 268

4 Tabla 2. Caa mofológica SOLUCIONES Solución 1 Solución 2 UNCIONES Encendido y apagado Alimenación Molienda Salida del poduco Tansmisión Después de planea la caa mofológica, se evalúo cada solución en base a su facibilidad, disponibilidad de maeiales, coso y asimilación po pae del usuaio. Poseiomene se geneaon difeenes diseños concepuales a pai de las soluciones popuesas paa cada función. Esos diseños concepuales fueon evaluados paa selecciona el más adecuado. 6.-Análisis y selección: Paa evalua los concepos geneados, se uilizó la heamiena de la casa de calidad, como pime paso se analizaon los aibuos y especificaciones en un sisema ideal, abla 3. Poseiomene se evaluaon las casas de calidad de cada uno de los concepos y los esulados se compaaon con el diseño ideal y se seleccionó el diseño ópimo cuyo esulado fue más cecano al ideal. ESPECIICACIONES Calificación del diseñado Movimienos del opeado < 5 Tabla 3. Casa de calidad ideal. Poducción < 15 Kg/h Ruido < 20 Db Consumo de enegía elécica Dimensiones de la máquina Tiempo de molienda Poencia del moo ATRIBUTOS ácil de opea Pecio < Calidad de los maeiales Seguo paa el usuaio Poduco higiénico ácil manenimieno ácil insalación Poco uido Baja emisiones de conaminanes uncionalidad Eficiencia enegéica Egonomía Coso de la máquina accesible Toal Punuación asignada: 1. No cumple; 3. Medianamene cumple; 9. Si cumple. 7. Análisis écnico. Después de ealiza la evaluación, se seleccionó el diseño de la figua 3: SUMA PRODUCTO 269

5 ig. 3 Diseño concepual del equipo. La poencia del moo se deeminó a avés de una seie de puebas y dado lo exenso del abajo, la exposición se va a enfoca a la pae cíica de la máquina que es el sisema de molienda; paa ello se ealizó un análisis écnico sobe el diseño a dealle del eje del odillo que se localiza en la pae supeio, ya que ése se encaga de ecibi y ansmii la poencia al sisema de enganes, además de esa someido a la fueza de compesión povocada po la exacción de jugos del agave cocido. En la figua 4, se epesena el diagama de cuepo libe de las fuezas que inevienen en el sisema. Los elemenos 2, 3 y 4 coesponden a los enganes y el elemeno 5 a la caaina. La fueza geneada po la ansmisión sobe el elemeno 5 se epesena como T, las fuezas geneadas en los enganes son: la fueza Y Z X A B 2 C C D n n 4 G n 5 n 3 E T ig. 4 Diagama de cuepo libe de las fuezas que acúan en el sisema. 270

6 angencial y la fueza adial. La fueza de compesión que ejece el agave cocido paa exae el jugo se epesena como c. La fueza de compesión fue obenida expeimenalmene [4] y se elacionó con la canidad de maeial que ena al sisema de molienda. El diseño del eje se inició con el cálculo de las fueza en el sisema de enganes 2, 3, 4 y 5, paa calcula la caga ansmiida en los enganes se uilizó la ecuación 1, en donde se elaciona la poencia del moo exisene H = 2.23 kw, diámeo del engane d = 0.11 m y una velocidad n = 5.7 pm. 3 60(10) H W = π d n Ecuación. 1. Una vez calculadas las fuezas: angencial, adial y de ansmisión T, en los elemenos 2, 3, 4 y 5, se ealizó la sumaoia sobe los ejes Y y Z y se asladaon las fuezas esulanes al ceno del eje, como se muesa en la figua 5. Paa poseiomene calcula las eacciones en los punos A y C, aplicando las ecuaciones de equilibio en el plano ZY. Y R AY T A B C D G c R CY y Z 0,101 m 0,101 m 0,021 m 0,075 m ig. 5 Diagama paa el cálculo de eacciones. En seguida se calculaon los momenos flexionanes paa cada uno de los punos en donde acúan las fuezas, como se indica en la figua 6. 9,37 kn A 1,26 kn B C D G Z -2,62 kn 0,101 m 0,101 m 0,021 m 0,075 m ig. 6 Diagama de momenos flexionanes. inalmene se ealizó el análisis paa deemina el diámeo del eje, uilizando la eoía del esfuezo coane máximo [5], empleando la ecuación 2. d 2 2 ( M + ) 32n = T πsy 1/ 2 1/ 3 Ecuación 2. El diámeo esulane de acuedo a la ecuación 2 es d = m (2.83 pulg). 8. Consucción del pooipo y descipción de sus sisemas: El molino pooipo expeimenal se dividió en los siguienes sisemas: 271

7 a) Alimenación. El agave cocido se faccionó en ozos de 0.1 m x 0.02 m, enseguida se deposiaon en una olva paa diigilos al sisema de molienda. La olva se consuyó de aceo inoxidable T 304 y se colocó a un ángulo de inclinación de 45º especo al sisema de molienda, figua 7. ig. 7 Tolva de alimenación. b) Molienda. El sisema de exacción de jugos, esá compueso po un sisema laminado de es odillos, cada uno con un diámeo de 0.1 m y una longiud de m, un ayado adial de 54 hilos y su eje de ansmisión. Paa el maquinado de esos odillos se uilizaon baas de aceo inoxidable T 304. Paa ajusa la disancia veical ene el odillo supeio y los infeioes, se colocó un esoe de compesión ene el basido y los odamienos del eje del odillo supeio, poseiomene se colocó oo esoe de compesión ene la pae supeio de los odamienos y una base que se acopla al basido. En el ceno de la base se coloca un onillo y un volane paa ejece pesión sobe los esoes y pode ajusa la disancia veical ene los odillos, figua 8. ig. 8 Ajuse veical. c) Salida de poducos. El bagazo se colecó en una base de lámina de aceo inoxidable ipo T 304 que se colocó juso a la miad del odillo infeio con un ángulo de inclinación de 15º especo al sisema de molienda. El jugo de agave cayó diecamene a una olva de lámina de aceo inoxidable ipo T 304 que se posicionó debajo del sisema de molienda con un ángulo de inclinación de 10º, el jugo se asladó sobe el conenedo y se diigió hacia un oificio paa cae sobe el depósio de almacenamieno, figua 9. ig. 9 Salida del jugo de agave. 272

8 d) Geneación y ansmisión de poencia. La poencia del sisema se geneó po medio de un moo elécico con las siguienes caaceísicas: poencia 2.23 kw (3 hp), fecuencia 60 Hz y 1675 pm. Paa disminui la velocidad se uilizó un vaiado de fecuencia y un educo de velocidad mecánico obeniendo una velocidad de 5.8 pm. Paa ansmii la poencia del moo elécico al educo de velocidad se uilizaon 2 bandas No. II A31 V80 y se uilizó una cadena de paso 5/8 y No. 50 paa ansmii el movimieno del educo de velocidad mecánico hacia una caaina de 40 dienes que se encuena unida al eje del odillo supeio, figua 10. ig. 10 Sisema de ansmisión. RESULTADOS Después de consuido el pooipo de molino expeimenal, se ealizaon algunas puebas paa evalua el funcionamieno del equipo y la calidad del poduco obenido. Los esulados se muesan en la abla 4. Tabla 4. Evaluación del molino. Caaceísicas Resulados Canidad de agave cocido 54 kg Tiempo de molienda 1 h pm de los odillos 5.8 pm Obsevaciones Se ajusó el odillo supeio compimiendo el esoe 6 mm uene: Daos expeimenales. En la abla 5, se pesenan las caaceísicas evaluadas del jugo de agave obenido con el pooipo molino. Tabla 5. Evaluación del jugo. Caaceísicas Resulados Volumen de jugo obenido 36 L Poencial de hidógeno 4.66 Gados Bix 32.9 uene: Daos de puebas expeimenales. CONCLUSIONES Empleando las eapas del poceso de diseño popueso po Haik, se alcanzó el objeivo de diseña y consui un pooipo molino expeimenal paa obene jugo de agave en esado cocido. Paa la consucción del equipo se uilizaon maeiales de calidad, en los odillos y olvas se uilizó aceo inoxidable T304 con la finalidad de evia la conaminación del poduco. Se uilizaon elemenos mecánicos que se encuenan disponibles en el mecado como: enganes, bandas, poleas, cadenas, odamienos simples (bujes), esoes y educo de velocidad mecánico. 273

9 Los esulados de las puebas expeimenales, muesan que el endimieno del equipo es de 54 Kg/h de agave cocido. En lo efeene a la calidad del poduco final se puede conclui que el jugo del Agave angusifolia Haw, que se obuvo po medio del pooipo molino expeimenal, eúne las condiciones paa elaboa jaabe de agave. Po oa pae, como se mencionó en el apaado de desaollo, en el mecado no exise un equipo simila paa ealiza puebas expeimenales, lo que consiuye en sí una venaja. También debe mencionase que en el esado de Oaxaca se esá iniciando la fabicación de jaabe de agave, que en oos esados esán avanzados peo uilizando como maeia pima la especie Tequilana Webe, cuyas caaceísicas son disinas a la especie Angusifolia haw, paa la cual fue diseñado ese pooipo único en su géneo, lo que significa un avance sobe la ecnología exisene. REERENCIAS [1] SAGARPA. (2007). Sevicio de Infomación Agoalimenaia y Pesquea. Obenida el 12 de agoso de 2007, de hp:// [2] Silva, S. L., Y Caballeo, C. M (2001). Infome écnico del poceso de fabicación del mezcal de Oaxaca. México: IPN-CIIDIR Oaxaca. [3] Haik, Y. (2003). Engineeing Design Pocess. E.U.A.: Thomson. [4] Pozos, O. J. (2001). Deeminación de las popiedades físico mecánicas del agave angusifolia haw (espadín azul), uilizado en la fabicación de mezcal. Tesis de maesía. México: ESIME-IPN. [5] Shigley, J. E. (2002). Diseño en ingenieía mecánica. E.U.A.: Mc Gaw Hill. 274