8º CONGRESO IBEROAMERICANO DE INGENIERIA MECANICA Cusco, 23 al 25 de Octubre de 2007

MÁQUINA TRITURADORA PULVERIZADORA DE FIBRA DE COCO SECO López Luiz N., Verduzco Figueroa H., Pérez González M. A. Pacheco Barriga S., Santana Guerrero A. J., Núñez Medrano F. J., Cartas Navarro J. R, Cerón López U. C., Castillo Martínez R. Universidad de Colima, Facultad de Ingeniería Electromecánica Carretera Manzanillo. – Barra de Navidad km 20 C.P. 28860 Manzanillo, Colima; México. Teléfono y fax (314) 331 12 07 Email: [email protected], [email protected], [email protected] [email protected], [email protected], [email protected] [email protected], [email protected], [email protected]

RESUMEN El objetivo de este artículo es presentar el Diseño de un prototipo de máquina para la obtención de polvo de coco seco, para su uso como sustrato. La máquina trituradora pulverizadora de fibra de coco seco, emplea dos etapas integradas en su funcionamiento que le permiten cumplir de manera satisfactoria las necesidades requeridas por el sector productivo, tanto en lo económico como en lo productivo. El triturado se realiza a través de cuchillas fijas y móviles, y la pulverización se logra a partir de la implementación de un sistema de martillos fijos y móviles. La holgura entre elementos fijos y móviles es regulada a través de mecanismos de tornillo y resorte, lo que permite llevar acabo una buena pulverización por cada revolución de la máquina, realizando un trabajo eficiente. Se tienen los resultados de las pruebas realizadas a la máquina, verificando de esta forma su funcionamiento, producción y energía requerida. Este trabajo de diseño es el resultado del convenio de colaboración llevado a cabo con el Consejo Estatal de Coco de Colima “COECOCO”, cuya necesidad era contar con una máquina de este tipo, para aprovechar la fibra de coco seco y producir polvo para su uso como sustrato, el cual se vende como fertilizante orgánico y es ampliamente demandado por viveristas tanto a nivel nacional como internacional.

PALABRAS CLAVE: máquina pulverizadora, máquina trituradora, fibra de coco y sustrato de coco.

INTRODUCCIÓN En México [1], los estados productores de coco son Campeche, Colima, Guerrero, Jalisco, Michoacán, Oaxaca, Tabasco, Nayarit, Sinaloa, Quintana Roo y Yucatán. Los cocotales en el país suman 162 mil 224 hectáreas. De ese territorio, sólo 12.4 mil hectáreas se destinan a la producción de la fruta, que es de donde se desprende la fibra o borra, así como el polvillo de la cáscara, que ofrece buenas oportunidades de negocio. El resto de los cocotales se emplea para la copra (elaboración de aceites). La carne de coco deshidratada se utiliza para elaborar harinas y dulces. El jugo del fruto (agua de coco) se bebe de forma natural. También sirve como base para elaborar alcoholes, vinagres, dulces, helados y refrescos. La cáscara se emplea, fundamentalmente, como fibra para diversas aplicaciones industriales. Si se pulveriza, se aplica como fertilizante en el campo. El tallo del cocotero se ocupa como sustituto de madera. La industria textil utiliza fibra de coco para elaborar hilos, redes de pesca, así como relleno para colchones y sillones. Es posible hacer una industria artesanal basada en la cáscara y fibra del coco para elaborar vajillas completas, botones, tapetes, jardineras y canastos. La fibra de coco es de origen natural, ligera, de color marrón dorado, muy parecida a la turba de musgo, resistente y biodegradable. Posee las siguientes características: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

Su alta porosidad le permite absorber ocho veces su peso en agua, conservando su estructura con todos los poros llenos de aire. Se descompone más lentamente que la turba. Su estructura esponjosa aumenta un 30% la capacidad de retención de humedad, permitiendo a las raíces un desarrollo 20% mayor. Su pH natural está entre 5.8 y 6.4. La capacidad de intercambio catódico es excelente. La posible salinidad desaparece por lavado. Ideal para cultivos de larga duración. Al tratarse de un producto 100% natural puede presentar variaciones en su presentación.

Del coco se obtiene un sustrato natural 100% ecológico, a partir del reciclaje y tratamiento de los frutos. Es de fácil manejo y transporte, sin semillas parasitarias, ni contaminaciones fito patógenas. La porosidad, ligereza, su poder de absorción y retención de la humedad garantiza un inmejorable enraizamiento y posterior desarrollo de las plantas. Puede utilizarse en todo tipo de macetas, jardineras o terrenos, solo o con otro tipo de turbas o tierras, mejorando éstas. Ideal para cultivos ornamentales de interior y exterior, flores, hortalizas, césped, aromáticas, semilleros, etc. En México, se comercializa el polvillo como sustrato para plantas, se vende a productores de plantas de ornato, champiñones u otro tipo de hongos, así como a quienes se dedican a mejorar las cualidades del suelo. El Consejo Estatal de Coco de Colima, un organismo creado para ayudar a la comercialización y aprovechamiento del coco; considerando la gran variedad de productos derivados de esta fruta que se pueden obtener mediante distintos procesos, para posteriormente ser comercializados, siendo el polvo para sustratos uno de ellos. Tiene entre sus objetivos primordiales aprovechar la fibra de coco y elaborar el polvo para sustrato, motivo por el cual se planteó la idea de diseñar y fabricar una máquina que realice dicha tarea de manera eficiente y con un costo accesible; ya que en la actualidad existen en el mercado máquinas cuyas características las hacen ser de un costo muy elevado. A través de la vinculación entre la Universidad de Colima con el sector productivo, la Facultad de Ingeniería Electromecánica Campus El Naranjo; planteo la propuesta de “Diseñar y Construir una Máquina Trituradora y Pulverizadora” que permita obtener polvo para sustrato a partir de la fibra de coco seco, contando así con un sistema que cumpla los siguientes objetivos: 1. 2. 3. 4. 5. 6.

Eficiente De un costo accesible comparado con los que se encuentran en el mercado Fácil de transportar Fácil de manejar (funcionamiento) Fácil mantenimiento Materiales accesibles en el mercado

La propuesta de diseño pretende resolver la necesidad y el problema planteado, con el objetivo de ayudar al sector productivo de la región.

El diseñar y construir una máquina de este tipo vendrá a resolver un problema de espacio, imagen, rentabilidad y aprovechamiento, en el proceso y tratamiento del coco. Así mismo fomentará el interés por desarrollar tecnología que incida en el aprovechamiento de cada uno de los productos derivados del coco. ANTECEDENTES Máquinas trituradoras y pulverizadoras Se encuentran varias patentes que hacen referencia a la forma en que se puede realizar la pulverización y otras que se refieren a la trituración [2], como por ejemplo: la shredding machine for fibrous materials (número de patente: GB1530606, fecha de publicación: 1978-11-01), esta máquina lleva a cabo la desfibración de piezas de madera, troncos, tablas y materiales similares, a través de un sistema llamado cinturón de carga; consta de cadenas en cuyos eslabones se tiene una terminal excavadora, las cuales forman una profunda cavidad en el material a desfibrar. Dicho cinturón gira sobre un eje y de igual forma lo hace un rodillo localizado por encima de él, los cuales al hacer pasar la fibra entre ellos, estos por compresión realizan el desfibrado. La rotary crusher of soil improving machine (número de patente: JP2005238079, fecha de publicación: 2005-0908), es una máquina que realiza la pulverización a través de dos rodillos dentados los cuales giran en sentidos contrarios y al engranar comprimen el material sólido y lo pulveriza, además cuenta con una hilera de dientes fijos, los cuales sirven como elementos de raspado para retirar el material que es adherido a las paredes de los rodillos pulverizadores. El crusher and crushing method (número de patente: JP2005324097, fecha de publicación: 2005-11-24), es una maquina que realiza la pulverización de materiales sólidos a través de rodillos; al girar en sentido contrario, uno respecto al otro, comprimen el material y lo pulveriza, empleando el método tradicional de pulverización. Existen otras patentes de máquinas que realizan la trituración y pulverización de materiales sólidos o fibras, como son: toroidal flow pulper for difficult materials, número de patente: 6053441, pulp machine for defibering raw materials such as paper, cardboard or cellulose, número de patente: WO0138631, rotary crusher for rubble and similar, número de patente: WO2006040641, crusher, número de patente: JP2005342610, rotary crusher, número de patente: UA8816U. Existen distintas formas de realizar la trituración y pulverización de la fibra de coco seco, algunas máquinas únicamente desfibran y de ahí se obtiene el polvo como residuo, otras requieren de dos máquinas separadas, la primera desfibra y posteriormente se transfiere a la segunda máquina para obtener el polvo, lo cual representa mayor tiempo y mayor costo. DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO El proyecto se desarrolló en dos etapas, la primera, el diseño conceptual, en la cual se soportan técnicamente los mecanismos y elementos que forman parte de la máquina con la finalidad de tener una alta eficiencia del material a triturar y pulverizar, así como las dimensiones correctas. La segunda consistió en la fabricación de la máquina trituradora pulverizadora de fibra de coco; en el laboratorio de mecánica de la Facultad, se maquinaron las partes y componentes requeridos para construir la máquina, en función de los resultados obtenidos en la primera etapa. Una vez ensamblada y terminada la máquina se realizaron las pruebas, lo cual permitió verificar y comprobar el diseño realizado, así como las posibles mejoras. Diseño de la máquina Se realizó un diagrama funcional en donde se determinaron cada una de las funciones requeridas para cumplir la función principal: trituración y pulverización de la fibra de coco seco. En la Tabla 1, se presentan los pasos que se siguieron para la solución de diseño [3-5].

Tabla 1. Metodología del diseño.

Paso 1

Clarificación de la tarea y elaboración de la especificación total perseguida tanto para el polvo, como para el prototipo y la limitación de presupuesto. En este punto se describen las formas y principios de operación de máquinas que realizan triturado y pulverizado, con el fin de entender los problemas que presentan.

Paso 2

Abstracción para identificar los problemas esenciales. Caracterización del coco seco para conocer su constitución y como lograr su pulverización.

Paso 3

Establecimiento de las estructuras funcionales. Se analizan las teorías de trituración y pulverización, y su aplicación en distintos campos.

Paso 4

Búsqueda de los principios de solución para satisfacer las funciones. Tomando en cuenta la experiencia en el diseño de una máquina trituradora de plásticos [6], se realizan modelos sólidos que permitan corroborar la teoría y metodología aplicada.

Paso 5

Combinación de los principios de solución para satisfacer la función total. Una vez definido el proceso de fabricación y el procedimiento a seguir se establecen las distintas posibilidades o principios de solución para el prototipo y garantizar que se logren los resultados que se persiguen.

Paso 6

Selección de las combinaciones adecuadas. Por medio de la combinación de principios de solución se busca satisfacer la función total.

Paso 7 Paso 8 Paso 9

Establecimiento de las variantes de concepto mediante bosquejos. Evaluación de las variantes de concepto. Resultado. Propuesta de solución del prototipo de la máquina trituradora pulverizadora de fibra de coco seco y su fabricación.

Definición del prototipo Se realizaron distintos modelos sólidos con ayuda del software SolidWorks, con los cuales fue posible visualizar y establecer adecuaciones al modelo planteado. A partir de los principios básicos de trituración y pulverización, del funcionamiento de máquinas comerciales, de la investigación de campo realizada y de los modelos seleccionados, se toma como solución para la máquina trituradora pulverizadora, el uso de cuchillas para la fase de trituración y el empleo de martillos para la pulverización. En el proceso de diseño y fabricación de la máquina se visualizó la importancia en el ángulo de corte de las cuchillas, para tener una buena trituración y evitar el rápido desgate de los mismos. Para lograr la pulverización deseada de la fibra, se implementó el uso de martillos fijos y móviles, lo que permite llevar acabo una buena pulverización por cada revolución de la máquina, realizando un trabajo eficiente. Se determinaron configuraciones de las tolvas de entrada y salida de manera que permitieran una buena función de la máquina, asimismo, debido a la acumulación de fibra y polvo que se genera, obstaculizando el movimiento de los ejes, se seleccionaron las cribas a utilizar en cada una de las máquinas, considerando la dimensión del tejido de malla, número de malla, calibre del alambre y abertura de malla. La holgura entre elementos fijos y móviles es regulada a través de mecanismos de tornillo y resorte, lo que permite llevar acabo una buena pulverización por cada revolución de la máquina, realizando un trabajo eficiente.

De manera importante se realizó la selección de materiales adecuados para el buen funcionamiento de la máquina debido a las características abrasivas de la fibra de coco. Se realizaron pruebas para verificar el funcionamiento y producción de la máquina, observando lo siguiente: ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾

El funcionamiento de arranque y paro es sencillo, sin embargo, se deben tomar las precauciones debidas de acuerdo al manual de uso y mantenimiento de la máquina. La materia prima (coco), debe estar completamente seca. La importancia de mantener una holgura adecuada entre elementos fijos y móviles, así como la implementación de dispositivos que faciliten el ajuste de las partes de acuerdo al desgaste. El volumen de producción aproximado es de 30 kg/hr de polvo de coco seco. Después de una jornada de trabajo entre 5 y 8 hrs, por la mañana, al final, se deben limpiar cada una de las cajas de trituración y pulverización respectivamente, para evitar que al iniciar nuevamente el ciclo de arranque de la máquina ocurra un atascamiento. La corriente eléctrica consumida en una jornada de 8 hrs para la etapa de trituración es de 25.5 Amperes, para la etapa de pulverización es de 13 Amperes.

Para el diseño y fabricación de la máquina se tomaron en cuenta los procesos de manufactura existentes en el mercado, materiales adecuados acorde a su aplicación, y de manera primordial la metodología establecida previamente en la Tabla 1. Para el desarrollo de los cálculos se han empleado catálogos de fabricantes, la teoría de rigidez, los principios de mecánica, el dibujo técnico, así como las normas para acero y manual de motores. [7-10] Se realizó un manual de instalación, uso y mantenimiento de la máquina para prevenir a los usuarios y tomar las medidas de seguridad correspondientes. En forma concentrada se presenta la Tabla 2, donde se establecen las características de la máquina.

Tabla 2. Especificaciones de la máquina. Partes Tolva de entrada Tolva de salida Caja de trituración Caja de pulverización Cuchillas fijas, ajustables. Cuchillas móviles Martillos fijos, ajustables. Martillos móviles Guías porta martillos Criba para trituración Criba para pulverización Motor para triturar, 5 HP Motor para pulverizar, 7 HP Poleas en V Bandas en V Control electromecánico, encendido/apagado. Sistema mecánico de regulación y ajuste para pulverización. Estructura Eje de trituración Eje de pulverización Capacidad de producción Carga total conectada a 220 V, 60 Hz

Cantidad 1 1 1 1 2 3 24 48 4 1 1 1 1 4 6 2 2 1 1 1 30 kg/hr 19 Amperes

El prototipo realizado de la máquina trituradora pulverizadora, se muestra en la figura 1, la figura 2 muestra dos fotografías de la máquina fabricada.

Figura 1. Prototipo en CAD.

Figura 2. Fotos de la máquina trituradora pulverizadora de fibra de coco seco. a) Estación de control, tolva de entrada, b) Caja de trituración, caja de pulverización y tolva de salida.

CONCLUSIONES Se diseñó y fabricó un prototipo de máquina trituradora pulverizadora capaz de convertir en polvo la fibra de coco seco. La opción escogida de diseño consiste en trituración mediante cuchillas y pulverización a través de martillos, con sistemas regulables a la holgura requerida para cumplir con el fin deseado en cuanto a las características del polvo requerido. La propuesta de diseño resuelve la necesidad y el problema planteado. El trabajo fue desarrollado en el marco del convenio de vinculación con el sector productivo de la región, entre el Consejo Estatal de Coco de Colima “COECOCO” y la Universidad de Colima, a través de la Facultad de Ingeniería Electromecánica, Campus El Naranjo, Manzanillo, Colima. Se encuentra en proceso la patente de la máquina trituradora pulverizadora de fibra de coco seco. Este trabajo corresponde a la línea de investigación sobre diseño de elementos mecánicos y maquinaria, que se realiza en el cuerpo académico UCOL CA 22, entre los aspectos principales que se deben seguir desarrollando en este tema se encuentran los siguientes: 1. 2. 3. 4. 5.

Rediseño de la máquina empleando otro sistemas para triturar y pulverizar. Realizar optimización en el diseño. Disminuir los costos de fabricación sin sacrificar la funcionalidad. Implementar un sistema de alimentación automatizado en la tolva de suministro. Investigar y profundizar en los aspectos de la calidad del polvo para su uso como sustrato, con el fin de mejorar el uso de la máquina.

REFERENCIAS 1. Instituto Nacional de Investigaciones Forestales, Agrícolas y Pecuarias, http://www.inifap.conacyt.mx 2. Direcciones de base de datos de patentes, http://ep.espacenet.com, http://www.ipdl.ncipi.go.jp/homepg_e.ipdl, http://www.impi.gob.mx/banapanet/index.jsp, www.wipo.int/ipdl/en/. 3. Cross Nigel, Métodos de diseño – estrategias para el diseño de productos, Limusa Wiley, 1999. 4. Paul G & Beitz W, Engineering Design, Springer Verlag, Londres, 1984. 5. Mendoza Razo J. A, Pérez Villegas A. A, Diseño de un prototipo para fabricación de glóbulo homeopático, XI Congreso Internacional Anual SOMIM, Morelia, Mich. México, pp 343 – 348, Septiembre 2005. 6. Hilario Verduzco Figueroa, Memoria de trabajo “Diseño y construcción de una máquina trituradora de plásticos PET”, Facultad de Ingeniería Electromecánica, Universidad de Colima, Agosto 2001. 7. Normas Oficiales Mexicanas para dibujo técnico. 8. Juvinall & Marshek, Fundamentals of Machine Component Design, John Wiley & Sons, 2000. 9. Manual para construcción en acero, Cía. Siderúrgica de Guadalajara, S.A. de C.V. 10. Catálogo de motores SD03 2005, SIEMENS, S.A.