Desarrollo de un sistema de alimentación y picado de

1. Introducción

En concepto de la mayoría de científicos, la emisión de gases de efecto invernadero a la atmósfera es la causa principal del calentamiento global. En los últimos años algunos países han aprobado legislaciones que obligan a las empresas a reducir sus emisiones; una de estas legislaciones es el denominado Protocolo de Kioto el cual obliga a controlar las emisiones de gases contaminantes por debajo de un tope. Un concepto actualmente utilizado son los denominados “bonos de carbono”, un sistema internacional mediante el cual se premia a las empresas que reducen sus emisiones y se hace pagar a aquellas que las incrementan; estos bonos se pueden comprar u obtener a través de

proyectos certificados como reductores de emisiones. Básicamente, un bono de carbono es el derecho a enviar a la atmósfera una tonelada de CO2 (dióxido de carbono).

El Ingenio del Cauca firmó un acuerdo con el gobierno holandés, con el cual se busca la disminución de los niveles de CO2 arrojados a la atmósfera a cambio de una remuneración económica por cada tonelada de CO2 que se deje de producir. El ingenio desea disminuir la cantidad de carbón que se quema en las calderas al reemplazarlo por residuos de la cosecha; actualmente en Colombia es muy común la quema en campo de los residuos de la cosecha de la caña de azúcar (RAC), debido a que no se maneja un método de recolección y picado que sea viable económicamente, por eso es más sencillo quemarlos que utilizarlos como combustible para las calderas o como compostaje.

Vector 5 (2010) 103 - 114ISSN 1909 - 7891

Desarrollo de un sistema de alimentación y picado de residuos agrícolas visto desde su metodología de diseño

Giovanni Torres Ch.a*, Juan Pablo Prieto R.b

a Magíster en Ingeniería Mecánica. Profesor asistente, Ingeniería Mecánica, Universidad Tecnológica de Pereira, Pereira (Colombia).b Ingeniero Mecánico. Cali (Colombia).

Recibido: 7 de abril de 2011. Aprobado: 10 de octubre de 2011

* Autor de correspondencia. E-mail: [email protected] (G. Torres)

ResumenAunque tradicionalmente cuando se habla de diseño se piensa inmediatamente en algún artefacto físico, este es tan solo el resultado final del diseño; el diseño no se limita a realizar cálculos exhaustivos de resistencia o potencia, y al dimensionamiento y selección de elementos mecánicos. El diseño está centrado realmente en la generación de suficientes conceptos y de estos efectuar la selección del que mejor cumpla con la solución a las necesidades y restricciones de diseño establecidas. En este artículo se presenta una metodología de diseño y los resultados obtenidos al aplicarla al desarrollo de un sistema de alimentación y picado de residuos agrícolas de la cosecha de la caña de azúcar en el Ingenio del Cauca (Incauca). En general, la aplicación de una metodología de diseño estructurada permitirá obtener mejores resultados que los que se obtendrían con la aplicación informal de cálculos para ideas preconcebidas.

Palabras clave: Metodología de diseño, proceso de diseño, residuos agrícolas de la cosecha de caña de azúcar (RAC), picadoras.

Development of a system of feeding and chopping of agricultural residues, as seen from the design methodology

AbstractAlthough traditionally when people talk about design they think immediately of some physical artifact, this is just the final outcome of the design; the design is not limited to perform exhaustive calculations of resistance or power, and the sizing and selection of mechanical elements. The design is actually focused on the generation of sufficient concepts and make the selection of that best meets the solution to the needs and constraints of design laid down. In this document is presented a design methodology and the results obtained when it’s applied to the development of a system of feeding and chopping of agricultural residues of the harvest of sugar cane (RAC) in the Ingenio del Cauca (Incauca). In general, the implementation of a structured design methodology will get better results than those obtained with the informal application of calculations to preconceived ideas.

Key words: Design methodologies, design process, agricultural residues of the harvest of sugar cane (ACR), shredders, sugar mill.

Giovanni Torres Ch. y Juan Pablo Prieto R. / Vector 5 (2010) 103-114

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Resolver la dificultad de la recolección y el picado es de vital importancia para lograr el objetivo trazado en el ingenio; a pesar de que, previo a este trabajo, en el ingenio se habían hecho algunas aproximaciones a un sistema de picado de residuos, estos no han sido eficaces debido principalmente a que no se tuvieron en cuenta algunos factores tanto en la identificación de las necesidades, como en los conceptos desarrollados. En este artículo se presentan la metodología y los resultados obtenidos en el proceso de diseño de un sistema de alimentación y picado de residuos agrícolas de la cosecha de caña de azúcar (RAC) en el Ingenio del Cauca; cada uno de los pasos seguidos en el proceso es expuesto brevemente y desarrollado con la información relevante al proyecto para cada uno de ellos.

2.Diseño del sistema de alimentación y picado de RAC

El ejercicio del diseño no se limita a la realización de cálculos exhaustivos de resistencia y potencia, y al dimensionamiento y selección de elementos; el diseño está centrado realmente en la generación de conceptos

y en la selección del que mejor cumpla con la solución a las necesidades y restricciones de diseño establecidas. El grado en el que un producto satisface a los clientes y puede ser comercializado de manera exitosa depende, en gran medida, de la calidad y concepto subyacente. “Un buen concepto es en ocasiones mal interpretado en las fases de desarrollo posteriores, pero un concepto deficiente, en raras ocasiones se puede manipular para lograr el éxito operacional” (Dym y Little, 2002).

En la Figura 1 se presenta el modelo prescriptivo del proceso de diseño propuesto por Dym y Little (2002) y que fue tomado como base en la realización de este proyecto. Este modelo de proceso de diseño centra sus esfuerzos en la identificación de las necesidades de los clientes y en la generación de soluciones para estas necesidades; depuradas las soluciones y obtenida la mejor solución, el concepto es llevado a la fases de diseño preliminar y de detalle que incluyen entre otras cosas la realización de los cálculos de potencia y velocidades, la selección y dimensionamiento de los elementos y las evaluaciones y verificaciones estructurales y dinámicas; como fase final del proceso se hace la comunicación del diseño.

Def inición del problema1. Aclarar objetivos2. Establecer requerimientos del usuario3. Identificar restricciones4. Establecer funciones

Diseño conceptual

Diseño preliminar

Diseño detallado

Comunicación del diseño10. Documentar el diseñoEspecif icaciones

PlanteamientoDel cliente

5. Establecer especificaciones de diseño6. Generar alternativas

7. Modelar o analizar el diseño8. Probar y evaluar el diseño

9. Afinar y optimizar el diseño

Producto validación

verif icación

Figura 1. Modelo prescriptivo del proceso de diseño.


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Para el desarrollo del proyecto se conformó un equipo de diseño temporal en el que se incluyeron dos ingenieros de Incauca, que habían trabajado previamente con residuos agrícolas de la cosecha de la caña de azúcar (RAC).

2.1. Definición del problema – Descripción de la necesidad

La definición del problema dentro de un proceso de diseño debe permitir: aclarar los objetivos, establecer requerimientos del usuario, identificar restricciones y establecer funciones. Para el desarrollo del proyecto era de vital importancia conocer las características de los residuos de la cosecha en campo, los requerimientos para los residuos una vez picados, las cantidades de residuos a manejar, las limitaciones tecnológicas y de espacio que se tenían, así como cualquier antecedente que se tuviese en el manejo o picado de los residuos de la cosecha.

2.1.1. Substitución de carbón por residuos de cosecha como combustible en las calderas

En el acuerdo firmado por Incauca, el ingenio se compromete a disminuir en 14000 toneladas al año la cantidad de carbón usado como combustible en sus calderas. Una de las maneras de lograr este reemplazo de combustible es alimentar las calderas con otro tipo de combustible, que sea abundante, que no produzca mayores niveles de contaminación y que no represente costos superiores: los residuos agrícolas de la cosecha de la caña de azúcar (RAC).

Las variedades de caña cultivadas en Colombia son de alta producción de biomasa (RAC), que al cosecharlas en verde dejan en el campo una gran cantidad de residuos que pueden ser aprovechados para generar energía eléctrica. Cada hectárea de caña después de cortada deja en el terreno, entre hojas, cogollo y tallos descartados un promedio de 40 toneladas de residuos. Los volúmenes que están quedando diariamente en el terreno son de aproximadamente 4400 t/d/ha (Briceño, 1996).

2.1.2. Composición de los residuos agrícolas de la cosecha (RAC)

La composición de los residuos agrícolas es un parámetro de importancia en el diseño de una máquina que sea capaz de llevarlos a una granulometría adecuada para ser usados como combustible.

Las hojas secas son de forma alargada y estrecha, y su contenido de fibra se encuentra alrededor del 90%. Las hojas verdes tienen las mismas características

morfológicas de las hojas secas, pero su contenido de fibra se encuentra alrededor del 35% (Valdés, 2009). Los cogollos tienen longitudes que puede variar entre los 10 y 30 cm, con una constitución física similar al tallo de caña, estos se cortan de la planta durante la cosecha y podrían almacenarse para aprovechar mejor las grandes cantidades que se producen durante la temporada de cosecha. En la Tabla No. 1, se presentan los valores de proporción y composición del RAC (datos reportados por el Departamento de Cosecha de Incauca S.A.).

Tabla 1Composición típica del RAC

Composición del RAC Porcentaje (%)Caña 90Cogollo 6Paja 2Hierba 1Tierra 1

2.1.3. Características deseables en el material picado para ser utilizado como combustible

Ya que actualmente se utiliza bagazo como combustible en las calderas con buenos resultados, se desea que los residuos que sean utilizados para la producción de vapor tengan características físicas similares a las del bagazo que se utiliza actualmente. Para comparar el bagazo y los residuos de cosecha se utilizó el concepto de la superficie específica, empleado ampliamente en la industria azucarera para medir la granulometría del bagazo.

El método de la superficie específica permite conocer el cambio de la granulometría del bagazo en su paso por cada molino del tándem. En la Tabla No. 2, se presentan los rangos que relacionan la superficie específica con la calidad de preparación, esta escala es la utilizada por Cenicaña (Centro de Investigación de la Caña de Azúcar de Colombia) para realizar esta calificación.

Tabla 2 Rangos de relación entre superficie específica y calidad de preparación

Superficie específica (mm2/g)

Calidad de preparación de la caña

5500 Buena (fina)4250 Intermedia3000 Mala (gruesa)

Algunas consideraciones que se deben tener en cuenta son: a) Los RAC son más fáciles de manejar cuando

no están verdes porque se vuelven frágiles. La


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humedad en los RAC varía considerablemente según el tiempo que pasa después de cosechada la caña; se debe procurar procesar RAC con humedades inferiores al 50%.

b) La granulometría de los RAC no es constante, pero según el estudio mostrado por Cenicaña sobre la superficie específica del bagazo, el valor con el que conviene que salgan picados los RAC debe estar por debajo de los 3000 mm2/g; en este sentido un valor de 2700 mm2/g, similar a la de la caña antes de entrar al primer molino, parece apropiado.

2.1.4. Manejo de los residuos de la cosecha de caña

2.1.4.1. AntecedentesEn la industria azucarera colombiana se ha tratado

de encontrar la solución más efectiva para resolver el problema de los residuos agrícolas de caña de azúcar, para lo cual se ha estudiado a fondo la actividad de recolección y transporte de RAC (Briceño, 1996). En Incauca desde el año 2003 se ha venido adelantando un desarrollo logístico y tecnológico con el fin de dar utilización efectiva a estos residuos. Todas estas experiencias mostraron unos costos muy elevados en la recolección y transporte, ya que se hacían con la maquinaria diseñada para cosecha de caña que no era totalmente apropiada para el manejo de los residuos.

2.1.4.2. Problemas de los equipos de picado utilizados en los ensayos

El sistema implementado inicialmente en Incauca trató de aproximarse al mecanismo usualmente utilizado en el picado de la caña en el ingenio. Este sistema se proyectó para que los residuos picados fueran alimentados directamente a las calderas.

Figura 2. Unidad de picado de RAC del sistema inicial ensayado en Incauca.

En la configuración inicial ensayada (ver Figura 2), los problemas se debieron principalmente a la posición del yunque o contracuchilla que provocaba que algunos elementos, como los cogollos, caña y chulquines no fueran picados o fueran deficientemente picados. Por otro lado, cuando el equipo entraba en operación con carga, se apreciaba una mala dosificación y compresión de la carga; la causa de este problema fue hallada en el tambor alimentador, el cual debido al gran diámetro exterior que tenía estaba ubicado muy lejos del sistema picador lo que provocaba que la carga se descomprimiera en el trayecto entre el tambor alimentador y la picadora, lo que generaba atascamientos de material en la entrada del rotor, fricción entre el material y las cuchillas y atascamientos en el sistema. Para este sistema, los tamaños del residuo picado eran excesivamente largos comparados con el tamaño y forma del bagazo que entregan los molinos.

La segunda aproximación al sistema de alimentación y picado en Incauca, fue configurada de una mejor manera que la inicial, toda vez que se hicieron inversiones en la compra de los transportadores y de un equipo de picado. Este sistema se proyectó para que los residuos picados fueran utilizados en la planta de compostaje que venía adecuando el ingenio; el compostaje es el proceso biológico aeróbico, mediante el cual los microorganismos actúan sobre la materia rápidamente biodegradable (restos de cosecha, excrementos de animales y residuos urbanos), permitiendo obtener “compost”, abono excelente para la agricultura. El equipo de picado, provisto de un yunque garantizaba poca recirculación del material y varias áreas de corte entre los martillos y el residuo. Una vez fue implementado el sistema, el equipo pudo trabajar de manera continua, las partículas tenían un menor tamaño en comparación con el de la picadora del sistema inicial; esto posibilitaba su uso en las calderas combinado con el bagazo. Pese al mejor desempeño de este sistema, las características físicas del residuo picado no fueron del todo satisfactorias y en las pruebas realizadas se encontró que su combustión no era del todo eficiente

2.1.5. Requerimientos del usuario

Normalmente , an tes de ident i f i car los requerimientos, se deben identificar quiénes son los clientes o usuarios del sistema a diseñar. En este proyecto, Incauca lo hizo antes de iniciar el proceso de desarrollo, la compañía ya había identificado una oportunidad de mercado en particular y había planteado las restricciones y objetivos para el proyecto; esto determina la dirección hacia la que hay que orientarse pero no especifica un destino exacto o una


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forma particular para proceder. En este caso, el cliente (Incauca) suministró la siguiente lista de necesidades:

• El equipo debe ser capaz de entregar el material con una superficie específica mínima de 2700 mm2/g.

• El equipo debe ser capaz de manejar una capacidad mínima de molienda de 25 t/h de RAC.

• El equipo debe estar en capacidad de manejar material con 57% de humedad.

• El equipo debe presentar niveles de ruido acordes a las normas de salud ocupacional colombianas.

• Para los conductores de banda se tendrá una altura de material por picar máxima de 80 cm para garantizar un colchón de carga homogéneo de 40 cm dado por un nivelador de carga.

• En la entrada del sistema se debe garantizar homogeneidad de la carga para evitar atascamientos del equipo.

• La potencia instalada total no debe exceder la que van a generar los RAC en las calderas.

De igual manera el equipo de diseño estableció otras necesidades latentes en el proyecto.

2.1.6. Descomposición funcional

Muchos proyectos de diseño pueden ser muy complejos para ser resueltos como un solo problema, tácticamente es conveniente dividirlos en varios subproblemas más simples. La división de un problema en subproblemas más simples se denomina desarticulación del problema, no existe un esquema único por medio del cual se pueda descomponer un problema, en este proyecto se trabajó la desarticulación del tipo funcional.

El primer paso propuesto para realizar la descomposición funcional de un problema, es representarlo como una caja negra que opera en material, flujos de señal y energía. El siguiente paso en la descomposición funcional es dividir la caja negra en subfunciones, en otras palabras hacer transparente la caja para crear una descripción más específica de lo que deberían hacer los elementos del producto e implementar su función global. En la Figura 3 se presenta una “caja de cristal” resultado de la descomposición funcional; la idea de hacer transparente la caja es exponer las transformaciones de los flujos de entrada en flujos de salida.

Figura 3. Desarticulación funcional del proceso de alimentación y picado de RAC.

Para cada una de las funciones establecidas, se deberán determinar más adelante diferentes formas de lograr su objetivo; la combinación de cada una de las soluciones para cada función genera un amplio espectro de soluciones de las cuales se selecciona la mejor.

2.2. Diseño conceptual

La meta en esta fase es la generación de conceptos o esquemas de diseños alternativos; los cuales son presentados mediante diseños o esquemas conceptuales junto a las especificaciones de diseño establecidas. Con


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el resultado del proceso de descomposición funcional, el equipo de diseño decidió considerar al transporte, la separación de materia extraña y al picado del RAC, como las funciones más importantes del sistema; para cada una de estas funciones se establecieron diferentes soluciones.

En la Tabla 3, se presenta un subconjunto de las soluciones encontradas para las funciones principales del sistema, en la primera fila aparecen las funciones principales que deben cumplirse en el sistema, en las siguientes filas aparecen los descriptivos de algunas de las formas en las que esta función podría ser ejecutada en el sistema.

Tabla 3 Subconjunto de soluciones para las funciones principales del sistema

Transportar RAC Separar materia extraña mineral Picar RAC1. Conductor Tipo Table Top. 1. Doble banda transportadora en V

con vibración.1. Rotor de cuchillas de corte perpendicular a la entrada del material.

2. Conductor de banda. 2. Utilizar un rotor dentado. 2. Rotor de martillos basculantes.3. Transportador. neumático. 3. No separar materia extraña mineral. 3. Rotor de cuchillas radiales.

4. Serie de rodillos separados entre sí. 4. Moler RAC junto con la caña.

Entendidas cada una de las soluciones particulares, se combinaron todas las posibles soluciones de las funciones y se obtuvo así un conjunto de posibles soluciones para todo el sistema. Con el espectro de soluciones obtenido y las necesidades del cliente valoradas, el equipo de diseño calificó las posibles soluciones y seleccionó la más apropiada; es sobre esta solución que se llevará a cabo el diseño de detalle. Como resultado de esta etapa se obtuvo que la solución con mayor valor es la que está configurada por un transportador de banda para alimentar el RAC, doble banda transportadora en V con vibración para separar la materia extraña y un sistema de rotor de cuchillas de corte perpendicular a la entrada del material para picar el RAC. La ventaja de este tipo de configuración es el tipo de rotor por cuchillas junto a un sistema de separación de RAC de materia extraña mineral, las cuchillas garantizan una homogeneidad en el tamaño de partículas en el material. La desventaja de este sistema es la falta de pruebas del sistema de separación de RAC de materia extraña mineral, ya que no hay otro tipo de aplicaciones que utilicen una separación de este tipo.

2.3. Diseño preliminar y de detalle

En las fases de diseño preliminar y de detalle se llevan a cabo diferentes actividades que permiten trasladar el concepto en algo que puede ser construido físicamente; esto incluye entre otras cosas: el dimensionamiento de los diferentes elementos del sistema, la selección de las partes y equipos comerciales, la generación de planos y especificaciones de diseño, de construcción, de operación y de mantenimiento. Para algunas

actividades del diseño de detalle se utilizaron algunas herramientas de Diseño Asistido por Computador y de Ingeniería Asistida por Computador (CAD y CAE, por sus siglas en inglés, respectivamente). A continuación se presenta el resumen de algunas de las consideraciones y resultados obtenidos en esta etapa.

2.3.1. Cálculos de velocidades y potencia

Con las restricciones impuestas a la capacidad del equipo y a las alturas máximas de entrada y de salida, se definieron las velocidades de trabajo del equipo, siendo estas limitadas por la velocidad de los transportadores de alimentación del equipo y la longitud deseada en el residuo picado; una vez definido este parámetro, se continuó con el dimensionamiento de los demás elementos de la picadora, como son los rotores de alimentación, nivelación y corte, y el sistema de separación de materia extraña mineral.

2.3.1.1. Selección de transportadores de bandaComo se puede observar en el esquema mostrado

en la Figura 4, el sistema de transporte se configuró mediante tres transportadores de banda. El primer transportador es el encargado de recibir el RAC, este se ubicó por debajo del nivel donde se encuentra almacenado el RAC lo que facilitará su alimentación por empuje. En la parte superior del primer transportador se instala un nivelador, el cual es el encargado de organizar y distribuir el colchón de carga. Para el conductor 1 se seleccionó una banda corrugada con empujadores, para garantizar el no deslizamiento de la carga y una buena resistencia a la tensión.


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El segundo transportador se ubicó en un nivel inferior al primero de tal manera que al dejar caer el RAC sobre este transportador se precipite la materia extraña mineral que se encuentra mezclada con los RAC hacia la banda, para evitar fallos en el sistema de separación.

El tercer y último transportador es el encargado de alimentar los vagones que van a almacenar los RAC picados.

Para el segundo y tercer transportador se utilizará una banda lisa debido a que la carga ya ha sido nivelada en el conductor 1.

Para el cálculo de cada transportador se tuvieron en cuenta los siguientes parámetros: ancho de banda, ancho efectivo de banda, altura de colchón y la densidad del material.

2.3.1.2. Cantidad de material a transportarEn el ingenio solo la caldera No. 3 opera con carbón

y bagazo; como el objetivo es el reemplazo de carbón por RAC picados, se selecciona el consumo de esta

como el parámetro base para el cálculo de la cantidad de material a transportar.

Con relación al poder calorífico del carbón y de los RAC se sabe que existe una correspondencia de 4:1, es decir que se requieren 4 toneladas de RAC para reemplazar 1 tonelada de carbón en la caldera (González, 1995). La caldera No. 3 consume 150 t/d cuando funciona con carbón, por lo tanto se necesitan 600 t/d de RAC para obtener el mismo desempeño; llevando este valor a un flujo másico de por hora (Qm) se obtiene un valor de 25 t/h.

2.3.1.3. Potencia de accionamiento del sistema de transporte

La potencia de accionamiento (Pa) del sistema de transporte involucra el cálculo de la potencia en vacío (P1), potencia para levantar la carga (P2) y la potencia de rozamiento (Pf). La cuantificación de cada una de estos valores se hizo utilizando las ecuaciones reportadas por Martínez et al. (2004).

Figura 4. Esquema del sistema de transporte de RAC.

Tabla 4 Potencia de accionamiento del sistema de transporte

Transportador v (m/s) Potencia P1 (kW)

Qm (t/h)

Potencia P2 (kW) Potencia Pf (kW) Potencia Pa

(kW)Potencia Pa (hp)

1 0,203 0,355 25 0,347 2,355 3,059 4,1022 0,203 0,174 25 0,000 0,357 0,590 0,7913 0,203 0,287 25 0,443 6,691 8,245 11,056

2.3.2. Cálculo del sistema de picado de RAC

2.3.2.1. Cálculo de la velocidad de alimentaciónPara determinar las velocidades de los elementos

que componen el sistema de picado, se tuvo en cuenta que:

• La magnitud de las velocidades de alimentación depende de las rpm seleccionadas para el rotor picador y el tamaño de partículas de RAC deseado.

• Las velocidades lineales de los elementos que componen el sistema alimentador deben ser iguales para evitar atascamientos.


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Puesto que los rangos de funcionamiento de este tipo de máquinas oscila entre 210 y 1000 rpm, se elige un régimen de revoluciones para el rotor picador de 800 rpm. Para determinar la velocidad de alimentación de material al rotor picador se tiene en cuenta que la superficie específica del RAC, que está relacionada con su longitud, debe encontrarse en un rango aceptable para poder ser quemado en las calderas. Según la experiencia recolectada en Incauca se selecciona una longitud de partícula de 10 mm ya que partículas que tengan tamaños cercanos a este valor, son adecuadas para la alimentación de las calderas sin tener problemas de atascamiento.

Con la velocidad del rotor picador, la longitud requerida en el material picado y estableciendo que el rotor picador tendrá 6 hileras de cuchillas distribuidas uniformemente, 60° de separación entre hileras, se calcula la velocidad lineal (Vl) que debe tener el sistema de alimentación, Vl = 0,8 m/s.

2.3.2.2. Dimensionamiento del sistema de picadoTeniendo como base los mecanismos de operación

y las geometrías de los componentes de sistemas similares, se realizó un pre-dimensionamiento de las partes. Una vez realizado el pre-dimensionado se hicieron análisis de esfuerzos a los elementos más críticos y con los resultados obtenidos se efectuaron modificaciones para optimizar el factor peso/resistencia. Los componentes que se encargan de realizar los procesos de alimentación y corte son descritos a continuación:

Rolos alimentadores principales. Configuran la primera etapa del sistema de alimentación, poseen un perfil dentado ideal para sujetar el material que entra y a su vez se encarga de comprimirlo, con el fin de lograr una alimentación más homogénea.

Rotores alimentadores secundarios. Trabajan bajo el mismo principio que los rotores alimentadores principales, su diferencia reside en el diámetro, el cual es mucho menor con el fin de estar lo más cerca posible del rotor picador. Su función es la de comprimir y alimentar el material a picar; para lograr un buen funcionamiento del sistema, el rotor debe ser capaz de sujetar la carga firmemente mientras es picada. El rotor se diseña con un perfil dentado con el que se obtenga un comportamiento similar al de “morder” el material.

Rotor picador. Compuesto por cuchillas de corte y una contracuchilla o yunque, se encarga de picar la carga de RAC que le entregan los rotores alimentadores; la calidad en el picado se logra por la configuración de las hileras de cuchillas, las cuales se aproximan proveyendo un efecto de corte tijera, obteniendo así una excelente calidad de picado.

En esta fase del diseño se hizo uso extensivo de software tipo CAD con capacidades paramétricas que permitieron la realización de cambios sin mayores complicaciones. En la Figura 5, se muestra el rotor picador y el rolo alimentador.

En la Figura 6, se muestra el ensamble de todo el sistema de picado, en ella se puede apreciar la

Figura 5. Rotor picador – Rolo alimentador.


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disposición relativa de los diferentes componentes. La forma y dimensión final de cada uno de estos componentes se obtuvieron con la ayuda de

herramientas tipo CAD y CAE que permitieron el dimensionamiento paramétrico, y la verificación estructural y dinámica.

Figura No. 6. Sistema de picado de RAC.

2.3.2.3. Determinación de las cargas que actúan sobre las cuchillas de corte de RAC

Para la determinación de las cargas que el RAC ejerce sobre las cuchillas al ser picado, se utilizaron los resultados de un estudio de las propiedades físico-mecánicas de la caña de azúcar, realizado en Cuba (Valdés et al., 2008). En dicho estudio se desarrolló, además, un modelo matemático racional para el cálculo de la fuerza y la potencia consumida por la picadora. Como el RAC se compone en un alto porcentaje de caña, se consideró conservativo utilizar estos valores y relaciones para así eliminar la necesidad de hacer experimentos similares para el RAC.

2.3.2.4. Selección de materialesDeterminada la geometría de las partes, hecho

el pre-dimensionamiento de estas y determinada la magnitud de las fuerzas a las que están sometidas, se realizó la selección de los materiales.

Uno de los elementos más críticos, debido a su incidencia sobre el correcto funcionamiento de la máquina, es la cuchilla. El material seleccionado debe tener excelentes propiedades mecánicas al impacto y al desgaste para poder garantizar continuidad en el trabajo y bajos costos de mantenimiento (Valderrama et al., 2003). El costo del material a seleccionar también juega un papel importante debido a que son piezas de reemplazo constante. Para ello se pre-seleccionaron dos tipos de materiales: AISI 5160 y XW-10.

El AISI 5160 presenta bajo costo, excelentes

propiedades al impacto y es producido nacionalmente, sin embargo la ausencia de elementos aleantes que le den estabilidad en el proceso de corte y alta resistencia al desgaste, podría incidir en reemplazos de cuchillas prematuramente. El XW-10 o AISI A2 posee excelentes propiedades mecánicas al impacto y al desgaste; en aplicaciones de corte tiene excelente resistencia a que su filo se pique, sus elementos aleantes como el cromo, molibdeno, vanadio le dan excelente estabilidad después del temple, su principal desventaja es el alto costo. La decisión del tipo de cuchilla a utilizar se deja al usuario.

2.3.2.5. Optimización del diseño del rotor picador utilizando software CAE

El corte es la parte más crítica del sistema de procesamiento de RAC; determinadas las características de los RAC y la naturaleza de las cargas a las que está sometida en el proceso de corte, se analizó el pre-dimensionamiento hecho para determinar si los elementos tienen la capacidad de soportar las cargas a las que van a estar sometidas y analizar la posibilidad de disminuir las dimensiones de estos manteniendo factores de seguridad apropiados.

Para la simulación se utilizó la herramienta de análisis llamada SolidWorks Simulation incluida en el software SolidWorks. Los resultados obtenidos permitieron ajustar la geometría del sistema de tal manera que soportara adecuadamente las cargas y que además visualmente se apreciara seguro.


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Figura 7. Análisis estructural del rotor picador.

2.3.2.6. Potencia de accionamiento del picadorPara el picador, como en todas las máquinas, el

consumo de potencia puede expresarse como la suma de la potencia invertida en el proceso propiamente dicho y la potencia invertida en las pérdidas cuando esta trabaja en vacío (flujo nulo de masa).

En el caso de la picadora de RAC, el proceso involucra tres funciones:

• Picar la masa vegetal.• Impulsar la masa vegetal picada al exterior de la

máquina.• Succionar la masa alimentada hacia el órgano

picador.

Sobre la masa vegetal actúan la fuerza de corte (Pcor) y la reacción de la contracuchilla, descompuesta en una fuerza normal (N) y una de fricción (F). El trabajo que realiza la fuerza de corte se invierte en dos de las funciones del órgano de trabajo. El trabajo que ejecuta la componente vertical de esta fuerza se invierte en el proceso de corte, mientras que el trabajo de la componente horizontal acarrea una energía cinética a la masa alimentada (Martínez et al., 2004; Valdés et al., 2008).

Habiendo ya sido anteriormente determinada la fuerza de corte (Pcor), y conociendo que la velocidad de rotación del rotor se estableció en 800 rev/min con una velocidad lineal en el extremo de la cuchilla de 41,7 m/s y utilizando las relaciones establecidas por Martínez et al. (2004), se determinó la potencia de corte: 196 kW (263 hp). La potencia calculada se encuentra dentro del rango del consumo de potencia en este tipo de máquinas; también hay que mencionar que no se requiere implementar un volante ya que en este caso la alimentación de material es continua y en lo posible homogénea, por lo que siempre se tendrá aproximadamente el mismo requerimiento de potencia, es decir no hay picos diferenciables; como

consideración adicional, el momento de inercia del rotor ya es apropiado para tener una operación suave.2.3.2.7. Selección de los elementos de transmisiónTransmisión del rotor picador Teniendo la potencia requerida en el picador (263 hp), la transmisión se seleccionó como sistema poleas y correas en V, las razones principales fueron su gran capacidad de transmisión, capacidad para absorber vibraciones debido a la carga y la necesidad de poco mantenimiento lo que se refleja en una mayor durabilidad del motor.

Transmisión del sistema de levante y alimentación Este sistema consta de 3 pares de rotores ubicados de tal manera que separen la materia extraña mineral, compriman y alimenten los RAC al rotor picador. Para seleccionar el motor del sistema se calculó la potencia de arranque en vacío, en este sentido se utilizó la información de los momentos de inercia de los elementos reportada por el software CAD y el perfil de aceleración requerido; se determinó una potencia de 0,62 hp.

Para esta potencia y la velocidad de alimentación, se seleccionó la transmisión entre las siguientes alternativas:

• Transmisión por cadena.• Correas en V.• Correas dentadas.• Correas Twin Power (dentadas por ambas caras).

Para la selección del tipo de transmisión se tuvieron en cuenta el nivel de ruido generado, el tipo de mantenimiento requerido y la facilidad de instalación. La transmisión utilizará correas PowerGrip Twin Power, las razones para la selección de este tipo de sistema fueron: la facilidad de lograr el sentido de giro adecuado de todos los rotores con la misma correa, el bajo nivel de ruido que presentan las transmisiones por correas y el poco mantenimiento que se requiere.


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2.4. Comunicación del diseño

La comunicación de los resultados de todo proyecto es una parte esencial del mismo. Existen muchas maneras mediante las cuales los resultados del diseño final pueden ser comunicados, estas pueden incluir presentaciones orales, informes (que pueden contener planos de detalle, planos de ensamble y especificaciones de fabricación y desempeño), prototipos y modelos.

El propósito primordial de la comunicación es informar a los clientes los resultados obtenidos en el proceso de diseño.

En este proyecto, los resultados fueron comunicados mediante informe a la gerencia en el que se incluían

planos de detalle de cada una de las piezas diseñadas, planos de ensamble y despiece de cada uno de los sistemas y subsistemas que configuran la solución, especificaciones de manufactura y listado de partes comerciales. En la Figura 8 se muestra el despiece del sistema de picado.

Se incluyó además un manual de funcionamiento y de mantenimiento; la idea era lograr que los operarios comprendieran el proceso bajo el cual trabaja la máquina y los pasos que se deben seguir para prolongar la vida útil de todo el sistema, para ello se establecieron entre otras cosas, procedimientos de encendido, inspección y mantenimiento.

Figura 8. Despiece del sistema de picado de RAC.

3. Conclusiones

La aplicación de un proceso de diseño estructurado para resolver el problema del picado de residuos de cosecha de caña, permitió diseñar un sistema completo para el transporte, alimentación, picado y entrega de los residuos a las calderas. Entre los aspectos metodológicos que incidieron fuertemente en los resultados del proyecto, se resaltan:

• En la determinación de las necesidades se encontró que la falencia que presentan los equipos actuales de picado en Incauca reside en un deficiente sistema de alimentación y de picado no apto para este tipo de aplicación.

• La determinación de las necesidades de los clientes permitió conocer las características de los RAC antes de ser picados y establecer las que deberían tener una vez picados.

• La desarticulación funcional permitió afrontar el macro problema enfocándose en subproblemas específicos, facilitando su comprensión y solución.

• En el diseño preliminar y de detalle es importante el uso de herramientas tipo CAD y CAE que faciliten y hagan más eficiente la realización de cambios y ajustes al prototipo virtual del diseño.

• El diseño ha sido validado utilizando herramientas tipo CAE y de simulación dinámica; una vez construido se efectuarán las validaciones al equipo y se aplicarán las modificaciones a que haya lugar, si las hay.


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Referencias

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Desarrollo de un sistema de alimentación y picado de