DISEÑO DE UN TRITURADOR DE CARNE CONGELADA

PARA LA EMPRESA E.S.A. INGENIERÍA SAS

AUTORES

ALEJANDRA GUAYACÁN MELO

JEISON JIMÉNEZ BLANCO

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE

CALDAS

FACULTAD – TECNOLÓGICA

BOGOTÁ D.C. 2016

DISEÑO DE UN TRITURADOR DE CARNE CONGELADA

PARA LA EMPRESA E.S.A. INGENIERÍA SAS

AUTORES

Alejandra Guayacán Melo

Jeison Jiménez Blanco

TUTOR DE PROYECTO

Ingeniero Oswaldo Pastrán Beltrán

TRABAJO DE GRADO PARA OPTAR POR EL TÍTULO DE

TECNÓLOGO MECÁNICO

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE

CALDAS

FACULTAD – TECNOLÓGICA

BOGOTÁ D.C. 2016

DISEÑO DE UNA TRITURADORA DE CARNE

CONGELADA PARA LA EMPRESA ESA

INGENIERÍA S.A.S.

Alejandra Guayacán Melo

aleja.zeppelin@gmail.com

Jeison Jiménez Blanco

jeajimenezb@gmail.com

Resumen: Actualmente en Colombia existe una mayor demanda de carne en la industria de

los embutidos, razón por la cual las importaciones de productos cárnicos provenientes

principalmente de EEUU han ido en aumento en la última década. Como consecuencia de

esto se ha generado una necesidad para las empresas productoras de embutidos de

procesar los bloques de carne congelados en el menor tiempo posible. En Colombia aún no

hay empresas que fabriquen esta tecnología, y la importación de estas trituradoras es muy

costosa.

A continuación se diseñará una trituradora de carne, para la empresa ESA ingenierías S.A.

Que brinde mejores resultados, tales como: menores tiempos de flaking y mayores

cantidades de producto triturado; además, esta máquina debe ser funcional y cumpla con las

estipulaciones mínimas de procesado de carne y salubridad.

Palabras clave:

Embutidos, diseño, Flaker.

ABSTRACT: Currently in Colombia there is a greater demand for meat in the sausage

industry, why meat imports, mainly from the US have been increasing in the last decade.

As a consequence of this has generated a need for manufacturers to process sausage meat

blocks frozen in the shortest time possible. In Colombia there is still no technology

companies that manufacture and import of these crushers is very expensive, which is why

the use of machines that perform this work is required.

Below is a meat grinder is designed for ESA INGENIERÍA SAS To provide better results,

such as flaking and minor times larger quantities of crushed product; moreover, this

machine must be functional and meets the minimum stipulations meat processing and

health.

Key words:

Sausages, design, Flaker.

1. INTRODUCCIÓN

En Colombia la ganadería es una de las actividades agropecuarias más importantes, ya que

incide en aproximadamente el 20% del producto interno bruto agropecuario, y en el 53%

del PIB pecuario [1]. La ganadería que es fuente de sustento en la mayoría de los

departamentos del país, se encuentra en una crisis debida a tanto políticas internas como

por la implementación del TLC (Tratado de Libre Comercio). Por causa de dicho tratado,

la dificultad y la alta competencia que reciben la industria Ganadera del país ha provocado

que los precios de sus productos hayan ido incrementando, lo que ha generado un repunte

en las importaciones del producto.

Los bloques de carne que se importan llegan congelados, y la necesidad de muchas

empresas que fabrican embutidos es de triturar el producto en el estado de llegada, para

reducir el tiempo elaboración y evitar el deterioro del producto. En general las empresas

colombianas no cuentan con ésta maquinaria, puesto que la maquinaria que se encuentra en

el mercado no se ajusta a dichas necesidades, produciendo demoras o dificultades en la

manipulación de tales equipos. Por consiguiente, esta propuesta es una alternativa para

mejorar la producción de embutidos en el país.

El producto cárnico es importado viene a temperaturas que se oscilan en un rango de entre -

5°C a 1°, mientras que la carne Colombiana que se halla entre 2°C a 5°C, lo cual afecta la

maquinaria empleada en la industria que contenga dicho producto, es allí donde la empresa

ESA Ingeniería S. A. S. pretende construir un FLAKER netamente colombiano, que triture

bloques de carne de 600x800x400mm o menores, de buena calidad y que cumpla con los

requerimientos ya nombrados.

En primer lugar, se procedió a seleccionar las cuchillas, el motorreductor, el sistema de

transmisión de potencia, el sistema neumático, se diseñó el eje, se escogió los rodamientos

y sus soportes y se modeló la estructura de la máquina hecha de tubos de sección cuadrada

calibre. Por último, se hicieron los planos de los componentes que constituyen la máquina.

Al final, los resultados nos muestran que el diseño es económicamente rentable y la

maquina es funcional con un rendimiento esperado.

2. OBJETIVOS

2.1 OBJETIVO GENERAL

Realizar el diseño mecánico de una trituradora de bloques de carne congelada, que procese

bloques con dimensiones 800x600x400 mm o menores, para la empresa ESA

INGENIERÍA S.A.S.

2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Diseñar el eje triturador

Seleccionar el motorreductor y el equipo de transmisión de potencia requerido

Escoger las cuchillas que trituraran los bloques

Analizar y seleccionar el tipo de sistema (ya sea neumático, mecánico o hidráulico) que sea más afín para empujar el bloque de carne hacia el eje triturador

Realizar los planos de despiece, explosión y ensamble del flaker

Realizar una animación donde se vea el funcionamiento de la máquina.

Generar una tabla de costos donde se incluya el valor de los materiales a usar, mano

de obra, equipos requeridos, precio tentativo a la venta y capital necesario para la

fabricación de la máquina.

3. METODOLOGÍA

Para el desarrollo del diseño de la trituradora de carne fue necesario revisar los diferentes

tipos de maquinaria que realizan este trabajo en la industria, con la mayor efectividad y que

se adecuará a las condiciones especificadas por la empresa ESA Ingeniería S.A. En la

investigación se encontró varias tipos de maquinaria que realizan este trabajo. Entre las más

comunes se encuentran la trituradora tipo Flaker, y la trituradora de husillo. La trituradora

tipo Flaker son las más comunes en la industria, y se caracterizan por realizar el

faenamiento de carne mediante cuchillas fabricadas en acero inoxidable. Para realizar el

proyecto se decidió basar el diseño en una trituradora tipo Flaker debido a que pueden

llegar a procesar una mayor cantidad de carne en lapsos de tiempo muy cortos, además,

debido a los requerimientos pedidos por la empresa y teniendo en cuenta las dimensiones

de los bloques de carne ya mencionados.

En esta sección se calculó la fuerza necesaria para romper el bloque de carne congelada de

manera experimental, con una prueba de impacto tipo charpy, usando 5 probetas hechas de

hielo y huesos de pollo de 12,7mm de diámetro y 50mm de largo. En esta prueba, se colocó

el martillo en la posición más elevada, acto seguido éste se libera para que golpee la

probeta, y el péndulo nos da el cambio de la energía entre el momento antes del impacto.

Después se calculó la potencia mínima que se necesita para vencer la inercia del eje y las

cuchillas con lo cual se seleccionó un motorreductor que cumple con la potencia requerida,

y se escogió como transmisor de potencia catarinas con cadenas comerciales.

Se procedió a seleccionar las cuchillas, se analizaron varios tipos de cuchillas en la

industria entre las cuales se encontraban cuchillas tipo Cutter, Unger y Chuleteras. Sin

embargo, según la descripción del proveedor, las cuchillas tipo Unger son las más aptas

para cortar carne congelada. Éstas son hechas de acero inoxidable al carbón AISI 440

QT600, adecuada para todo tipo de carnes, incluso duras o congeladas. En la tabla 1 se

encuentra la variedad de cuchillas de este tipo cada una con sus especificaciones.

Para nuestro diseño decidimos escoger la cuchilla Unger tipo U-200, debido a que,

considerando los esfuerzos a los cuales estará sometido el eje su diámetro será

considerable, por tanto necesitamos que el diámetro del agujero central de la placa sea el

mayor posible. Luego, debido a la implementación de estas cuchillas el diámetro del eje

queda restringido a 52 mm. Debido a que el diámetro externo de las cuchillas es de 200mm

y la dimensión mínima del bloque son 400mm se dispondrá de dos ejes para triturar dicha

altura [2].

Cuchillas tipo Unger

Referencia Diámetro de

placa [mm]

Diámetro de agujero

central placa [mm]

D-114 114 29

E-130 130 32

G-160 160 42

U-200 200 52

Tabla 1: Cuchilla Unger U200

Posteriormente se eligió el sistema que empujará el bloque hacia las cuchillas. Para tener

una elección objetiva, se contemplaron ventajas y desventajas de los tipos de sistemas que

podrían cumplir esta función, además se aplicó un modelo estadístico, y con el cual se

decidió optar por el sistema neumático. Entre los actuadores neumáticos de doble efecto

tenemos cilindros con vástago o sin vástago. Se seleccionó dos actuadores lineales

neumáticos magnéticos sin vástago, para asegurar que una vez llevado el bloque a las

cuchillas los actuadores retornen y realicen el proceso varias veces. Para seleccionar el

actuador neumático se consideraron factores como la fuerza necesaria por el actuador para

impulsar los bloques de carne, el diseño de la placa, y el consumo de aire.

Después se procedió a diseñar el eje teniendo en cuenta el limitante de dimensiones que

este tiene, como material se optó por acero inoxidable AISI 304 recocido debido sus buenas

propiedades mecánicas, es el más comercial entre los aceros inoxidables y cumple con el

Decreto 3075/19/1997 articulo 11 INVIMA. Se calcularon los esfuerzos a los que está

sometido el eje y se construyó los respectivos diagramas de fuerza cortante y momento

flector y con estos datos se determinó el diámetro de cada una de las secciones de éste.

A continuación se procedió a hacer la selección de cojinetes y soportes para rodamientos

adecuados. Teniendo en cuenta que el diámetro del eje está restringido a 52 mm, en el

proceso del diseño del eje, y debido a los esfuerzos de torsión y flexión fluctuantes

aplicados en él, la elección del material para el eje se hizo tal que se garantizará que el eje

no fallará por fatiga conservando el diámetro considerado.

Por último, se modeló la estructura del flaker en el software SOLIDWORKS que sea capaz

de soportar los componentes generales de la máquina. Para ésta se consideró hacerla de

tubos de sección cuadrada de calibre 16 y láminas calibre 14 todos hechos en acero

inoxidable 304 recocido. Una vez terminado este proceso se continuó a realizar el

levantamiento de planos de todas las piezas, el plano conjunto y la explosión, además de

presentar al final una animación en la que se muestre el funcionamiento del flaker.

4. RESULTADOS

4.1 CÁLCULO DE LA FUERZA NECESARIA PARA ROMPER LOS BLOQUES

DE CARNE CONGELADOS.

Una vez mencionado esto, se procedió a realizar el diseño de la máquina, para lo cual se

empezó por determinar la fuerza necesaria para romper el bloque de carne de forma

experimental. La prueba se realizó en el laboratorio de resistencia de materiales de la

Universidad Distrital Francisco José de Caldas Facultad-Tecnológica, usando el péndulo de

impacto, que consistió en dejar caer el martillo de 6.05 kg de masa sobre las probetas, de

huesos de pollo crudos congelados dentro de hielo para obtener las dimensiones necesarias

para el ensayo, de ½ pulgadas de diámetro y 50 mm de largo [3]. Con este experimento se

determinó la energía necesaria para romper un hueso de pollo congelado, se seleccionó éste

ya que el hueso es mas duro que la carne y se tono el caso extremo de q llegara a haber

algún pequeño hueso en el bloque de carne que se requiere triturar.

En promedio, la fuerza resultante para romper el bloque de carne congelada fue de

aproximadamente 120N, dicha fuerza se duplicó como factor de seguridad para garantizar

que puede triturar sin ningún contratiempo. (Para mayor información ver el anexo A)

4.2 CÁLCULO DEL NÚMERO DE CUCHILLAS.

Ya que los flakers en la industria usan velocidades angulares en un rango de 50-100 r.p.m.

se tomo una velocidad promedio de 75 r.p.m. y el tiempo de trituración estipulado por la

empresa de 15 segundos por bloque, asumiendo que cada cuchilla triturará 0,4 Kg/Rev., se

aplicó:

�̇� =𝑚

𝑡= 10,7 𝐾𝑔 𝑟𝑒𝑣⁄ (𝑒𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 1) [4]

Donde:

t: tiempo de trituración

n: número de revoluciones por minuto

m: masa del bloque

�̇�: Masa del bloque sobre el tiempo de trituración

#𝑐𝑢𝑐ℎ𝑖𝑙𝑙𝑎𝑠 = 10,7

𝑘𝑔𝑟𝑒𝑣

0,4𝑘𝑔𝑟𝑒𝑣

= 25 (𝑒𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 2) [4]

Luego tenemos que son necesarias aproximadamente 25 cuchillas para procesar el bloque,

como dispondrá de dos ejes, en uno ensamblaran 13 cuchillas y en el otro 12 para

completar las 25 cuchillas.

El montaje de las cuchillas será un ensamble de ajuste forzado, debido a que el agujero de

éstas no es circular, no permite el deslizamiento de las cuchillas a causa del impacto contra

el bloque de carne; además, el proveedor envía con las cuchillas una serie de platinas que

separan las cuchillas para q éstas no se corran paralelamente al eje.

4.3 CÁLCULO DE LA POTENCIA

Con el propósito de hallar la potencia necesitada para la máquina se usaron las siguientes

ecuaciones en primera instancia para determinar el torque y, luego, encontrar el valor de la

potencia. (Para ver en detalle el cálculo de potencia dirigirse al anexo B).

∑ 𝑀 = ∑ 𝐼 ∗ 𝛼 (ecuación 3) [5]

Donde: ∑ 𝑀 : Sumatoria de momentos 𝑁𝑚 ∑ 𝐼 : Sumatoria de momentos de inercia de masa 𝐾𝑔 𝑚2

𝛼: Aceleración angular 𝑟𝑎𝑑 𝑠2⁄

∑ 𝐼 = 𝐼𝑒𝑗𝑒 + 𝐼𝑐𝑢𝑐ℎ𝑖𝑙𝑙𝑎𝑠 = 2,42 𝐾𝑔𝑚2 (𝑒𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 4) [6]

𝐼𝑒𝑗𝑒 =1

4𝑚𝑒𝑟2 +

1

12𝑚𝑒𝑙2 (𝑒𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 5) [7]

𝐼𝑐𝑢𝑐ℎ𝑖𝑙𝑙𝑎𝑠 = #𝑐𝑢𝑐ℎ𝑖𝑙𝑙𝑎𝑠 (1

3𝑚𝑐(𝑎2 + 𝑏2)) = 1,23𝐸 − 5 (𝑒𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 6) [7]

Donde:

𝐼: Momento de inercia de masa 𝐾𝑔 𝑚2

𝑚𝑒: Masa del eje 𝐾𝑔

𝑚𝑐: Masa de las cuchillas 𝐾𝑔

𝑎: Ancho de la cuchilla 𝑚

𝑏: Largo de la cuchilla 𝑚

El cálculo de la inercia del eje se llevó a cabo con el diámetro interno de las cuchillas

(52mm), y se asumió que las cuchillas tenían perfil rectangular para facilitar los cálculos.

Remplazando en la ecuación 3:

∑ 𝑀 = ∑ 𝐼 ∗ 𝛼 = 7,46 𝑁𝑚

∑ 𝑀 = 𝑇 − 𝑀0 (𝑒𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 7) [5]

𝑀0: Momento inicial = 307,2 Nm

7,47 𝑁𝑚 = 𝑇 − 307,2 𝑁𝑚

𝑇 = 314,66 𝑁𝑚

Con este valor de T se calculó la potencia mínima requerida por el eje

𝑃 = 𝑇 ∗ 𝑛 (𝑒𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 8) [8]

Siendo:

𝑃 = 𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑊 𝑇 = 𝑡𝑜𝑟𝑞𝑢𝑒 𝑁𝑚 𝑛 = 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑎𝑛𝑔𝑢𝑙𝑎𝑟 𝑟𝑎𝑑 𝑠⁄

𝑃 = 2471 𝑊 = 3,4 ℎ𝑝

Se aproximo ese valor de potencia a 4 hp para seleccionar un motorreductor sin fin-corona

SITI MU-75-80B14 con dicha potencia de salida.

SISTEMA DE TRANSMISIÓN DE POTENCIA

Se optó un sistema de transmisión de potencia por cadenas ya que se tiene un limitante de

espacio, debido a que la distancia entre centros de los ejes es de 210 mm; además, éste

mecanismo de transmisión genera menor fuerza sobre en eje. (Proceso de selección ver

anexo C) [9].

Como resultado se tiene 3 catarinas iguales con las siguientes especificaciones:

No. dientes paso Diámetro

externo

Diámetro

nominal

No. hileras

17 80 (25,4mm) 151,12mm 137,45mm 2

Tabla 2: especificaciones de la Catarina

Imagen 1: Catarina

4.4 SELECCIÓN DEL SISTEMA DE EMPUJE

Se compararon tres diferentes tipos de sistemas, la banda transportadora, cilindros

hidráulicos y actuadores neumáticos, se optó por un sistema neumático debido a que es el

más afín (ver ANEXO C).

Entre los diferentes tipos de actuadores neumáticos existen cilindros de doble efecto,

cilindros sin vástago por cintas y por acoplamiento magnético, se prefirió el actuador por

acoplamiento magnético debido a que es más fácil el mantenimiento, el ensamble es

simple, se acopla a las necesidades de este diseño, es higiénico, tiene larga vida útil, ocupa

poco espacio y es estéticamente agradable.

El actuador neumático de acoplamiento magnético que se escogió es Actuador lineal

SLM-32-1200-KF-A-G-S-CV-H-PV-PH-E-2 de FESTO [10], esta fabricado en acero

inoxidable (vástago) y aluminio anodizado (el carro), el cual posee las siguientes

características:

Doble efecto

Transmisión magnética de la fuerza sin contacto mecánico

Protección del cilindro contra los danos mecánicos en caso de sobrecarga

Cámara del cilindro y embolo herméticos

Sistema cerrado a prueba de presión y sin fugas

Cierre seguro contra la penetración de polvo y suciedad

Amortiguación de fin de carrera neumática regulable a ambos lados

Giro libre del carro en 360°

Múltiples posibilidades de montaje

Para establecer la fuerza que el actuador debe realizar para mover el bloque de carne se

realizo el diagrama de cuerpo libre de dicho bloque, se calculó de forma experimental el

coeficiente de rozamiento entre la carne congelada y el acero. Se determinó la velocidad y

la aceleración que va a tener éste. (Más información anexo C) Se obtiene:

𝑣 = 0,08𝑚/𝑠

𝑎 = 0,0027 𝑚/𝑠2

Imagen 2: diagrama de cuerpo libre del bloque de carne congelada

∑ 𝐹𝑦 = 0 = 𝑁 − 𝑚𝑏𝑔 (𝑒𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 9)

∑ 𝐹𝑧 = 𝐹𝐴 − 𝐹𝑟 = 𝑚𝑏𝑎 (𝑒𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 10)

Donde:

𝑣: Velocidad del bloque

𝑎: Aceleración del bloque ∑ 𝐹𝑦: Sumatoria de las fuerzas en el eje vertical

𝑁: Fuerza normal a la superficie

𝑔: Gravedad (9,81 𝑚 𝑠2⁄ ) ∑ 𝐹𝑧 : Sumatoria de fuerzas en el eje de la profundidad

𝑚𝑏: Masa del bloque

𝐹𝑟: Fuerza de rozamiento

𝐹𝐴 = 867 𝑁; Se seleccionaron dos actuadores que realizarán una fuerza de 483N cada uno,

por lo cual la fuerza total del actuador es de 966N.

Para determinar las dimensiones de la placa que empujará el bloque, se tomo la fuerza del

bloque como una carga distribuida triangular, ya que la fuerza que realiza el cilindro estará

concentrada en la parte de debajo de la placa y va disminuyendo hasta la parte de arriba de

ésta. Primero se planteó la sumatoria de fuerzas y momentos para determinar la altura que

deberá tener, después se efectuaron los diagramas de fuerza cortante y momento flector,

para determinar el espesor de la placa.

Imagen 3: diagrama de cuerpo libre de la placa

∑ 𝐹𝑧 = 𝑅 −ℎ ∗ 𝐹𝑟

2= 0 (𝑒𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 11)

∑ 𝑀 = 0,075𝑅 =𝐹𝑟 ∗ ℎ2

6 (𝑒𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 12)

Donde:

𝑅: Reacción generada debido a 𝐹𝑟

ℎ: Altura de la placa

∑ 𝑀: Sumatoria de momentos en la base de la placa

𝑅 = 132 N

ℎ = 225mm; se tomó una altura estándar de 250mm

Para determinar el espesor de la placa calculó el esfuerzo de diseño con un factor de carga

estática de 2 (Tabla 3 del anexo C), a continuación se hicieron las siguientes operaciones

(diagramas de fuerza cortante y momento flector vea la imagen C-2 del anexo C):

𝑀𝑚á𝑥 = 132 𝑁𝑚

𝜎𝑑 =𝜎𝑦

𝐹𝐷= 120,5𝐺𝑃𝑎 (𝑒𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 13) [8]

𝑆 =𝑀𝑚á𝑥

𝜎𝑑 (𝑒𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 14) [8]

𝑎 =6 ∗ 𝑆

ℎ2= 0,73𝑚𝑚 (𝑒𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 15)

Donde:

𝑀𝑚á𝑥: Momento máximo que soporta la placa, tomado del diagrama de momento flector

𝜎𝑑: Esfuerzo de diseño

𝜎𝑦: Límite de fluencia del acero inox. 304

𝑆: Módulo de la sección

𝑎: Espesor de la placa

𝐹𝐷: Factor de diseño para carga estática

Aproximando el espesor a un valor normalizado de 1 8⁄ 𝑖𝑛

4.5. DISEÑO DEL EJE

El material con el que se diseñó el eje es acero inoxidable 304 recocido con las siguientes

características:

PROPIEDAD MECÁNICA VALOR

LIMITE DE FLUENCIA A LA TENSIÓN 241 MPa

ESFUERZO ÚLTIMO 586 MPa

MÓDULO DE ELASTICIDAD 188GPa

MÓDULO DE RIGIDEZ 70,3 GPa

DENSIDAD 7900 Kg/m^3

PORCENTAJE DE ELONGACIÓN 60

Tabla 3: propiedades mecánicas del acero inoxidable 304

Debido a que por fallas en el montaje los dos ejes no van a ser iguales, se diseñaron cada

uno por separado, tomando como guía el libro de diseño de elementos de máquinas de

Mott. Los datos comunes para ambos ejes son:

Potencia (W) 2983

w (rad/s) 8

Factor de la Catarina 1

Ángulo de montaje

(rad)

40

0,7

Diámetro de la Catarina

(m)

0,14

Torque de la Catarina 380 Nm

Torque de las cuchillas 32 Nm

Fuerza total de la

Catarina

5527N

Fuerza del actuador 1207N/m

Fuerza de impacto 3840 N/m

Tabla 4: datos comunes para ambos ejes

A. EJE SUPERIOR:

PLANO XY:

Este eje es de mayor longitud debido que en el ensamble se chocaban los soportes de los

rodamientos del punto A, así q se cambió la longitud del eje y la posición de esta

chumacera.

Longitud=1340 mm

Se planteó la sumatoria de fuerzas para determinar el valor de las reacciones donde irán

ubicados los rodamientos:

Imagen 4: diagrama de cuerpo libre plano xy

∑ 𝐹𝑦 = 𝐴𝑦 = 𝐵𝑦 − 𝐹𝐼 + 𝐹𝑐(𝑦) (𝑒𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 16)

∑ 𝑀𝐴 = 0,1𝐹𝑐(𝑧) + 0,45𝐹𝐼 − 0,9𝐵𝑦 = 0 (𝑒𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 17)

Ay 2411,7 N

By 1930,8 N

Reacciones plano XY

Donde:

𝐴𝑦: Reacción del rodamiento en la posición A en el eje y

𝐵𝑦: Reacción del rodamiento en la posición B en el eje y

𝐹𝐼: Fuerza de impacto, generada cuando las cuchillas entran en contacto con el bloque

𝐹𝑐(𝑦): Fuerza de la Catarina en el eje y

𝐹𝑐(𝑧): Fuerza de la Catarina en el eje z

PLANO YZ:

Imagen 5: diagrama de cuerpo libre del plano yz

∑ 𝐹𝑦 = 𝐴𝑧 − 𝐵𝑧 + 𝐹𝐴 − 𝐹𝑐(𝑧) (𝑒𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 18)

∑ 𝑀𝐴 = 0,1𝐹𝑐(𝑧) + 0,45𝐹𝐴 − 0,9𝐵𝑧 (𝑒𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 19)

Donde:

𝐴𝑧: Reacción del rodamiento A en el eje z

𝐵𝑧: Reacción del rodamiento B en el eje z

𝐹𝐴: Fuerza del actuador

Az 4221 N

Bz 953 N

Reacciones plano YZ

Momento xy 635 Nm

Momento yz 394 Nm

Momento resultante 747 Nm

Momento máximo en ambos planos y momento resultante

(Diagramas de fuerza cortante, momento flector, pendientes y deflexiones ver anexo D)

DIÁMETROS DE LAS SECCIONES DEL EJE SUPERIOR

Se calculo el diámetro de la sección con la ecuación de diseño de ejes, y se realizo 4

iteraciones (como se muestra en el ANEXO D), se obtuvo:

𝐷 = [32𝑁

𝜋∗ √(

𝐾𝑡 ∗ 𝑀

𝑆𝑁`)

2

+3

4∗ (

𝑇

𝑆𝑦)

22

]

13

(𝑒𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 20) [8]

Donde:

𝑁: Factor de diseño

𝐾𝑡: Concentrador de esfuerzos mas grande de la sección

𝑀: Momento máximo

𝑆𝑁`: Resistencia a la fatiga corregida

𝑇: Torque máximo

𝑆𝑦: limite de fluencia del acero inox. 304

Debido a que en la sección del eje del rodamiento B no se presenta, se empleó la siguiente

ecuación para determinar el diámetro:

𝐷 = √2,94 ∗ 𝐾𝑡 ∗ 𝑉𝑚á𝑥 ∗𝑁

𝑆𝑁`

2

(𝑒𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 21) [8]

Donde:

𝑉𝑚á𝑥: Carga cortante máxima del eje

RODAMIENTO A CATARINA CUCHILLAS RODAMIENTO B

DIÁMETRO 53mm 13mm 45mm 13mm

Tabla 5: diámetros de las secciones eje superior

B. EJE INFERIOR:

PLANO XY:

Imagen 6: diagrama de cuerpo libre plano xy

Se planteó la sumatoria de fuerzas para determinar el valor de las reacciones donde irán

ubicados los rodamientos:

∑ 𝐹𝑦 = 𝐴𝑦 = 𝐵𝑦 − 𝐹𝐼 + 𝐹𝑐(𝑧) (𝑒𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 22)

∑ 𝑀𝐴 = −0.07𝐹𝑐(𝑦) + 0,62𝐹𝐼 − 1,14𝐵𝑦 = 0 (𝑒𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 23)

Ay 1816 N

By 1335 N

Reacciones del plano xy

PLANO YZ:

Imagen 7: diagrama de cuerpo libre plano yz

∑ 𝐹𝑧 = 𝐴𝑧 − 𝐵𝑧 + 𝐹𝐴 − 𝐹𝑐(𝑧) = 0 (𝑒𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 24)

∑ 𝑀𝐴 = −0.07𝐹𝑐(𝑦) + 0,62𝐹𝐴 − 1,14𝐵𝑦 = 0 (𝑒𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 25)

Az 3512 N

Bz 244 N

Reacciones del plano yz

Momento max xy 473 Nm

Momento max yz 247 Nm

Momento resultante 534 Nm

Momento resultante

V. máxima xy 1896 N

V. máxima yz 3526 N

V. resultante 4004 N

Fuerza cortante resultante

DIÁMETROS DE LAS SECCIONES DEL EJE INFERIOR

Se obtuvo:

CATARINA RODAMIENTO A CUCHILLAS RODAMIENTO B

DIÁMETRO 60mm 50mm 52mm 16mm

Tabla 6: diámetro de las secciones del eje inferior

Imagen 8: FLAKER GM 192

5. TABLA DE COSTOS

SECCIÓN NEUMÁTICA

ÍTEM DESCRIPCIÓN CANT VALOR

UNIDAD

VALOR

TOTAL

1 ACTUADOR NEUMÁTICO DE

ACOPLAMIENTO MAGNÉTICO

MARCA FESTO, CON RIEL TIPO E

2 $ 2.000.000 $ 4.000.000

2 MANGUERAS X METRO 10 $ 2.500 $ 25.000

3 ACOPLAMIENTOS 2 $ 90.000 $ 180.000

4 UNIDAD DE NEUMÁTICA (incluida

mano de obra)

1 $ 2.000.000 $ 2.000.000

TOTAL $ 6.205.000

Tabla 7: Costos sección neumática

SECCIÓN ESTRUCTURA

ÍTEM DESCRIPCIÓN CANT VALOR

UNIDAD

VALOR

TOTAL

1 TUBO CUADRADO INOX 304 DE 2

PULG CAL 18 (LARGUERO X 5,8 MTS)

20 $ 180.000 $ 3.600.000

2 LAMINA 5X10 INOX 304 CAL 14 7 $ 750.000 $ 5.250.000

3 VARILLA INOX 304 DE DIAM 2 PUL

(METRO)

2 $ 25.000 $ 50.000

4 VARILLA INOX 304 DE DIAM 2,5 PUL

(METRO)

1 $ 27.500 $ 27.500

5 VARILLA INOX 304 DE DIAM 1,5 PUL

(METRO)

1 $ 20.000 $ 20.000

6 ANGULO INOX DE 1,5 PULG

(LARGUERO DE 6 MTS)

1 $ 11.000 $ 11.000

7 LAMINA DE ALFAJOR INOX (1,2 x 0,9) 2 $ 30.000 $ 60.000

TOTAL $ 9.018.500

Tabla 8: Costos de la estructura

SECCIÓN MECÁNICA

ÍTEM DESCRIPCIÓN CANT VALOR

UNIDAD

VALOR

TOTAL

1 CHUMACERA PASE 120 2 $ 75.000 $ 150.000

2 CHUMACERA PASE 60 2 $ 25.000 $ 50.000

3 RODAMIENTO 6214 2 $ 65.000 $ 130.000

4 RODAMIENTO 6306 1 $ 10.000 $ 10.000

5 MOTORREDUCTOR SITI MU 75 1 $ 1.000.000 $ 1.000.000

6 CATARINA DENTADA PASO 80

DIAM 5 PULG

3 $ 25.000 $ 75.000

7 CADENA PASO 80 (METROS) 2 $ 3.500 $ 7.000

8 CUCHILLAS UNGER U 200 (X 30

UNIDADES)

1 $ 3.500.000 $ 3.500.000

TOTAL $ 4.922.000

Tabla 9: Costos sección mecánica

SECCIÓN ACCESORIOS

ÍTEM DESCRIPCIÓN CANT VALOR UNIDAD VALOR

TOTAL

1 CHAPA RABBIT 2 PULG 2 $ 12.500 $ 25.000

2 MANIJA XY 4 $ 10.000 $ 40.000

3 NIVELADORES CON ACCESORIO

DE 2 PULG

14 $ 25.000 $ 350.000

4 BISAGRAS DE PIANO DE 3 PULG

INOX

6 $ 7.000 $ 42.000

5 TORNILLERÍA, TUERCAS Y

ARANDELAS

1 $ 50.000 $ 50.000

TOTAL $ 507.000

Tabla 10: Costos de accesorios

SECCIÓN MAQUINADOS Y ACABADOS

ÍTEM DESCRIPCIÓN CANT VALOR

UNIDAD

VALOR

TOTAL

1 SOLDADURA 1 $ 200.000 $ 200.000

2 CORTE LASER DE PLACAS 1 $ 5.000.000 $ 5.000.000

3 MAQUINADO EJES 3 $ 20.000 $ 60.000

4 ENSAMBLE 1 $ 800.000 $ 800.000

5 SANDBLASTING (m2) 5 $ 300.000 $ 1.500.000

TOTAL $ 7.560.000

Tabla 11: Costos de maquinados y acabados

SECCIÓN SEGURIDAD

ÍTEM DESCRIPCIÓN CANT VALOR

UNIDAD

VALOR

TOTAL

1 IMPREVISTOS 1 $ 2.500.000,0 $ 2.500.000

2 VALOR SALVAMENTO 1 $ 2.450.750 $ 2.450.750

Tabla 12: Costo de seguridad

Total costo de los materiales de la máquina TOTAL $ 24.507.500 COP

6. CONCLUSIONES

Se eligió el sistema neumático sobre el hidráulico y el mecánico (banda

transportadora) debido que es mas higiénico, soporta mayores fuerzas y facilidad de

ensamblaje

Se hizo un diseño con un material como el acero inoxidable A-304 y con esto se

cumplió el decreto 3075/ 1997 artículo 11 de INVIMA, donde especifica que se

deben usar materiales no corrosivos si ellos están en contacto con alimentos, y para

éste caso, productos cárnicos

Se diseñó el sistema de transmisión de potencia compuesto por catarinas puesto que

es el más adecuado por costos y facilidad de instalación, ocupa menos espacio y

soporta más el torque de la transmisión de la potencia.

El momento máximo del segundo eje, disminuyó, debido a que se modificó la

dimensión de 1200mm a 1350mm, lo que produjo que se distribuyeran mejor las

fuerzas, además que la reacción del rodamiento A contrarrestó la fuerza generada

por la Catarina.

Se determinó experimentalmente el coeficiente de fricción entre la carne y el acero,

y se obtuvo que es 0,47; así como una proyección de la fuerza necesaria para triturar

el bloque de carne, cuyo resultado fue aproximadamente 240N. Estos datos se

calcularon debido a que no se encontraban en textos.

Referencias

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http://www.dane.gov.co/files/investigaciones/agropecuario/sipsa/insumos_factores_de_produccion.pd

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