Desgranadora de Maiz

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

ENERGÍA (CALOR, MECÁNICA, RUIDO,)

ENERGÍA

MATERIAL

DESGRANADORA DE MAÍZ

SEÑAL

GRANO DE

SEÑAL Figura 1. Caja Negra

5.3 CAJA GRIS

ENER MATE RIAL (MAÍZ

SEÑ AL

Convert ir energía Acepta r maíz

Detect ar

PERDID AS DE

Ubicar maíz Disparar herramie nta de Figura 2. Caja Gris

Aplicar energía cinética para

GRANO DE MAÍZ Y TUZA

SEÑAL (TERMINAD

5.4 DIAGRAMA DE FUNCIONES

Asegurar comodidad al operario Preparar el mecanismo de separación Asegurar seguridad al operario Cubrir las partes móviles Transmitir fuerza Alimentar los mecanísmos con energía (en caso que no se haga de manera manual)

Realizar el movimiento relativo entre los granos y los mecanismos que los separan

Expulsar los granos

Expulsar la tuza

Separar los granos de la tuza

Proceso de desgranado

Guiar el mecanismo de separación

Guiar el direccion adecuada

Ubicar el maíz

Generar movimiento

Detener movimiento

Resistir sobrecargas

Soportar el peso del maíz

Soportar elementos propios

Desgranar el maíz Soportar elementos auxiliares

Soportar cargas

Soportar cargas de la herramienta Soportar cargas del operario Proteger de lesiones

Guiar granos Descargar los granos Expulsar granos Descargar partes que han sido separadas Guiar tuzas Descargar tuzas Expulsar tuzas

Figura 3. Diagrama de funciones

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

   

Rapidez Simplicidad Poco mantenimiento Fácil limpieza de la cuchilla

Desventajas    

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 Rapidez Simplicidad Mayor producción

     

Desventajas 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 tuzagrano

Superficies irregulares (fuerzas sobre el grano)  Superficies cónicas (forma del maíz)  Un cuerpo en movimiento  Maíz en movimiento

Ventajas         

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

Desventajas  

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 Buena eficiencia en el proceso Sencillo Fácil limpieza Adaptabilidad a la forma de la maíz

   

Desventajas 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 Buena eficiencia en el proceso Sencillo Fácil limpieza

    

Desventajas 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 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

          

5.3.2

Desventajas 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

   

MOVIMIENTO  Rotacional

    

Ventajas 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

 

Desventajas Mayor tiempo Mayor consumo de potencia

 Lineal Ventajas   

Menor consumo de potencia El tiempo de desgrane es menor Alta eficiencia en el desgranado

Desventajas   

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

5.3.3

Dificultad en la aplicación de la fuerza El mecanismo es complejo



GUIAR EL MECANISMO DE SEPARACIÓN Guías (rieles)  Rotacional



Ventajas Permite un solo movimiento para el desgrane



Desventajas Mecanizado complejo

 Lineal Ventajas Es de fácil construcción Permite mantener el movimiento uniforme

 



Desventajas Se dificulta el movimiento rotacional

 Movimiento libre con restricciones en los limites Ventajas 

Es de fácil construcción

Desventajas 

Es difícil de controlar el movimiento

 Movimiento helicoidal Ventajas 

5.3.4

El movimiento es optimo para el desgrane

Desventajas 

Mecanismos complejos

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 No se requiere energía Es sencillo de diseñar Bajo costo

 

Desventajas 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 Es sencillo de diseñar Bajo costo

  

 

Desventajas 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  No se requiere energía  Es sencillo de diseñar  Bajo costo

 

Desventajas No se asegura que todos los granos salgan Se necesita un desnivel

 Por un mecanismo: se descarta por los costos  Desnivel:

  

Ventajas No se requiere energía Es sencillo de diseñar Bajo costo

 

Desventajas 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

 

 

5.3.6

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

DESCARGAR TUZAS  Gravedad:

  

Ventajas No se requiere energía Es sencillo de diseñar Bajo costo

Desventajas No se asegura que todos los granos salgan Se necesita un desnivel

 

 Por un mecanismo: se descarta por los costos  Desnivel:

  

Ventajas No se requiere energía Es sencillo de diseñar Bajo costo

 

Desventajas 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 Es sencillo de diseñar Bajo costo

 

Desventajas 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   

Sencilla Económica Flexible

  

Desventajas 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 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







Desventajas 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 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



 



 Pedales para manos:

Desventajas 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

    

Ventajas 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





 



Desventajas 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 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



 

 

Desventajas 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:

Fuerza de arranque de un grano de forma lateral Fuerza de arranque de un grano de forma tangencial hacia abajo

Newtons 4.5

Kilogramos 0.459

4

0.408

3.5 3.8 2.8

0.357 0.387 2.86

Figura 7. Pruebas con los dinamómetros sobre el maíz