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UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E
INDUSTRIAS
CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UNA MÁQUINA
PROTOTIPO TRITURADORA DE NEUMÁTICOS PARA
CONTRIBUIR EN LA DISMINUCIÓN DE LA CONTAMINACIÓN
AMBIENTAL
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO
DE INGENIERO (A) AUTOMOTRIZ
JONATHAN GABRIEL FLORES VERGARA
DIRECTOR: ING. MARIO CARVAJAL
Quito, mayo 2017
© Universidad Tecnológica Equinoccial. 2017
Reservados todos los derechos de reproducción
FORMULARIO DE REGISTRO BIBLIOGRÁFICO
PROYECTO DE TITULACIÓN
DATOS DE CONTACTO
CÉDULA DE IDENTIDAD: 1719933010
APELLIDO Y NOMBRES: Flores Jonathan Gabriel
DIRECCIÓN: Guacamayos N57-80 y Leonardo
Murialdo
EMAIL: [email protected]
TELÉFONO FIJO: 023280537
TELÉFONO MOVIL: 0984166612
DATOS DE LA OBRA
TITULO: “Diseño e implementación de una máquina
prototipo trituradora de neumáticos para
contribuir en la disminución de la
contaminación ambiental”
AUTOR O AUTORES: Jonathan Gabriel Flores Vergara
FECHA DE ENTREGA DEL PROYECTO
DE TITULACIÓN:
23/12/2016
DIRECTOR DEL PROYECTO DE
TITULACIÓN:
Ing. Mario Carvajal
PROGRAMA PREGRADO POSGRADO
TITULO POR EL QUE OPTA: Ingeniero Automotriz
RESUMEN: Mínimo 250 palabras Este proyecto se llevó a cabo para minimizar
el impacto ambiental de los neumáticos
usados, implementando y diseñando un
prototipo de máquina trituradora de
neumáticos cuyo diseño aplica la teoría de
resistencia y esfuerzos, además en el diseño
se utilizó cálculos de esfuerzos de flexión,
tracción y corte, también se estableció el
factor de seguridad que garantice el diseño.
Para verificar el diseño fue utilizado un
programa CAD para simular las resistencias
a las cargas posibles de operación.
Especificando el tamaño de producto
triturado y consultando medidas de
máquinas similares, con los planos
resultantes del diseño y con las pruebas de
simulación se escogió los métodos de
mecanizados para la fabricación tales como:
perforado, oxicorte, roscado, fresado y
soldadura.
Las herramientas y equipos utilizados
fueron: torno, fresadora, amoladora,
máquina de oxicorte y llaves manuales.
X
La siguiente etapa fue la construcción de la
máquina aplicando los resultados del diseño,
la simulación y considerando las
recomendaciones de normativas de
reciclado en Ecuador.
Para el diseño de ejes, cuchillas y engranajes
se realizó cálculos y selección de materiales
apropiados para su fabricación y que
soporten las cargas aplicadas el momento de
que se encuentren en operación garantizado
también con un factor de seguridad que se
cumple en los cálculos de resistencia de
materiales.
Se procede a realizar ensayos de la
trituradora una vez ya ensamblada
obteniendo los resultados deseados.
Además la máquina es aplicable para otros
tipos de materiales como: latas de aerosoles,
cartón y botellas de plástico, que fueron
trituradas con facilidad y podría ser aplicada
para el reciclaje de otros materiales.
PALABRAS CLAVES: Neumático, simulación, diseño, potencia,
torque, triturador. ABSTRACT:
This project was carried out to minimize the
environmental impact of used tires,
implementing and designing a prototype of a
tire crusher machine whose design applies
resistance and stress theory. In addition, the
design used bending, traction and Cut, also
established the factor of security that
guarantees the design.
To verify the design, a CAD program was
used to simulate the resistances to the
possible loads of operation.
By specifying the size of the shredded
product and consulting the measurements of
similar machines, with the resulting drawings
of the design and with the simulation tests,
the machining methods for the manufacturing
were chosen: drilling, oxy-cutting, threading,
milling and welding.
The tools and equipment used were: lathe,
milling machine, grinder, oxyfuel machine
and manual wrenches.
The next stage was the construction of the
machine applying the results of the design,
simulation and considering the
recommendations of recycling regulations in
Ecuador.
For the design of shafts, blades and gears,
calculations and selection of materials
appropriate for their manufacture were
carried out and that they support the loads
applied when they are in operation also
guaranteed with a safety factor that is fulfilled
in the resistance calculations of materials.
Tests are carried out on the crusher once it
has been assembled to obtain the desired
results.
In addition the machine is applicable for other
types of materials such as aerosol cans,
cardboard and plastic bottles, which were
easily crushed and could be applied for the
recycling of other materials.
KEYWORDS
Tire, simulation, design, power, torque,
crusher.
Se autoriza la publicación de este Proyecto de Titulación en el Repositorio
Digital de la Institución.
DECLARACIÓN Y AUTORIZACIÓN
Yo, Jonathan Gabriel Flores Vergara, CI 1719933010 autor/a del proyecto
titulado: Diseño e implementación de una máquina prototipo trituradora de
neumáticos para contribuir en la disminución de la contaminación ambiental
previo a la obtención del título de Ingeniero Automotriz en la Universidad
Tecnológica Equinoccial.
1. Declaro tener pleno conocimiento de la obligación que tienen las Instituciones
de Educación Superior, de conformidad con el Artículo 144 de la Ley Orgánica
de Educación Superior, de entregar a la SENESCYT en formato digital una
copia del referido trabajo de graduación para que sea integrado al Sistema
Nacional de información de la Educación Superior del Ecuador para su
difusión pública respetando los derechos de autor.
2. Autorizo a la BIBLIOTECA de la Universidad Tecnológica Equinoccial a tener
una copia del referido trabajo de graduación con el propósito de generar un
Repositorio que democratice la información, respetando las políticas de
propiedad intelectual vigentes.
Quito, 31 de mayo del 2017
DECLARACIÓN
Yo Jonathan Gabriel Flores Vergara, declaro que el trabajo aquí descrito es
de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado o
calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas que
se incluyen en este documento.
La Universidad Tecnológica Equinoccial puede hacer uso de los derechos
correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la Ley de Propiedad
Intelectual, por su Reglamento y por la normativa institucional vigente.
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo que lleva por título “Diseño e implementación
de una máquina prototipo trituradora de neumáticos para contribuir en la
disminución de la contaminación ambiental”, que, para aspirar al título de
Ingeniero Automotriz fue desarrollado por Jonathan Gabriel Flores Vergara,
bajo mi dirección y supervisión, en la Facultad de Ciencias de la Ingeniería e
Industrias; y cumple con las condiciones requeridas por el reglamento de
Trabajos de Titulación artículos 19, 27 y 28.
DEDICATORIA Y AGRADECIMIENTOS
Agradezco a Dios por brindarme la oportunidad de concluir una etapa más de
mi vida con éxito, a mi abuelita María del Pilar Murillo Pérez que ha sido como
su nombre mismo lo dice el pilar fundamental para poder continuar cuando ya
no tenía fuerzas para hacerlo y seguir en el camino hasta obtener mi profesión
que es lo que ella siempre esperó de mí y ahora tengo la satisfacción de
brindarle y dedicarle mi título universitario, a mis padres por ayudarme también
con mis estudios en todo lo que ha estado al alcance de sus manos, mi
hermana Nicole Flores que ha estado ayudándome con su pequeña inocencia
empujándome para realizar mi trabajo de titulación, espero continuar y
obtener más títulos que esto solo sea la puerta para seguir con muchos más
logros en mi vida tanto académicos como profesionales y que me brinde la
vida la alegría de que toda mi familia festeje conmigo todas mis metas y
sueños realizados.
i
ÍNDICE DE CONTENIDOS
PÁGINA
RESUMEN
1
ABSTRACT
2
1. 1. INTRODUCCIÓN
2.
3
3. 2. METODOLOGÍA
4.
10
5. 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
6.
12
3.1 NEUMÁTICOS 12
3.1.1 COMPOSICIÓN DE NEUMÁTICOS 12
3.1.2 TIPOS DE NEUMÁTICOS 17
3.2 PRUEBAS FÍSICAS DEL CAUCHO 18
3.2.1 VULCANIZACIÓN 18
3.2.2 NORMATIVAS 19
3.3 TRITURADORES DE NEUMÁTICOS 20
3.3.1 TRITURADOR DE UN EJE 20
3.3.2 TRITURADOR DE DOS EJES 21
3.3.3 TRITURADOR DE CUATRO EJES 21
3.4 ELEMENTOS DE LA MÁQUINA 23
3.4.1 EJE DE TRANSMISIÓN 23
3.4.2 ENGRANAJE 23
3.4.3 RODAMIENTO 24
3.4.4 CUCHILLA 25
3.4.5 CHAVETAS 25
3.5 DIMENSIONAMIENTO DE EQUIPOS DISPONIBLES 26
3.6 DISEÑO 27
3.6.1 FILOSOFIA DE DISEÑO 27
3.6.2 FACTORES DE DISEÑO 27
3.6.3 PREDICCIÓN DE FALLA 27
3.6.4 DISEÑO DE CUCHILLAS 28
3.6.5 DISEÑO DE EJE 32
3.6.6 POTENCIA 34
3.6.7 ANÁLISIS DE RODAMIENTOS Y CHAVETAS 35
3.6.8 DISEÑO DE CARCASA 37
3.6.9 DISEÑO DE ENGRANAJES 39
3.7 SISTEMA DE TRANSMISIÓN 40
3.8 PLANOS Y MEDIDAS DE LA MÁQUINA 40
ii
PÁGINA
3.9 SIMULACIÓN CON APLICACIÓN DE SOLIDWORKS 43
3.10 MATERIALES Y PROCESOS 49
3.11 CONSTRUCCIÓN Y ENSAYOS
50
4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
61
4.1 CONCLUSIONES 61
4.2 RECOMENDACIONES
62
5. BIBLIOGRAFÍA
63
6. ANEXOS 66
iii
ÍNDICE DE TABLAS
PÁGINA
Tabla 1. Componentes de neumáticos 14
Tabla 2. Composición de neumáticos de autos livianos 14
Tabla 3. Composición de neumáticos de vehículos pesados 14
Tabla 4. Composición química de los neumáticos 15
Tabla 5. Diferencias entre caucho natural y sintético 18
Tabla 6. Dimensiones de caucho triturado según E-ASPHALT 19
Tabla 7. Tabla de chavetas 26
Tabla 8. Especificaciones técnicas de una trituradora de baja 26
capacidad
Tabla 9. Ficha técnica acero SAE 4130 28
Tabla 10. Mediciones de fuerza 29
Tabla 11. Esfuerzo de corte aplicando diferentes esfuerzos 31
Tabla 12. Componentes acero SAE8620 32
Tabla 13. Propiedades mecánicas del acero SAE8620 32
Tabla 14. Propiedades de las áreas 33
Tabla 15. Esfuerzo torsional aplicando diferentes esfuerzos 34
Tabla 16. Chavetero para chavetas paralelas 35
Tabla 17. Tabla de aplicaciones rodamientos SKF 36
Tabla 18. Propiedades del material de la cuchilla 44
Tabla 19. Cargas y sujeciones a las cuchillas 45
Tabla 20. Información de contacto 46
Tabla 21. Información de malla 46
Tabla 22. Fuerzas resultantes 47
Tabla 23. Análisis de resultados y ensayos de máquina 60
Tabla 24. Especificaciones de granulometría 60
iv
ÍNDICE DE FIGURAS
PÁGINA
Figura 1. Composición del neumático 12
Figura 2. Esfuerzos de neumáticos 13
Figura 3. Funciones de la tela de cuerpo de un neumático 15
Figura 4. Componentes de un neumático 15
Figura 5. Función de cinturones estabilizadores de un neumático 16
Figura 6. Función del innerliner de un neumático 16
Figura 7. Función de banda de rodamiento de un neumático 17
Figura 8. Etiqueta de neumático 19
Figura 9. Triturador de un eje 20
Figura 10. Trituradora de dos ejes 21
Figura 11. Trituradora de cuatro ejes 22
Figura 12. Trituración de neumáticos 23
Figura 13. Esfuerzos de un eje 23
Figura 14. Engranaje 24
Figura 15. Rodamiento 24
Figura 16. Cuchilla 25
Figura 17. Chavetas 25
Figura 18. Proceso de corte o cizallamiento 29
Figura 19. Diseño de cuchillas 32
Figura 20. Análisis de esfuerzos en ejes 33
Figura 21. Vista frontal, superior y lateral de carcasa 38
Figura 22. Vista frontal, superior y lateral de bastidor 38
Figura 23. Diseño de engranajes 40
Figura 24. Diagrama de máquina en 3D 41
Figura 25. Vista frontal de la máquina con medidas en milímetros 42
Figura 26. Vista lateral de la máquina con medidas en milímetros 42
Figura 27. Vista superior de la máquina con medidas en 43
milímetros
Figura 28. Ensamblaje final 43
Figura 29. Mallas formadas en la maquina ensamblada 47
Figura 30. Simulación de esfuerzos 47
Figura 31. Simulación de esfuerzos 2 48
Figura 32. Simulación de esfuerzos 3 48
Figura 33. Simulación de factor de seguridad 49
Figura 34. Diseño inicial de cuchillas 51
Figura 35. Amoladora y cigüeñal a cortar 51
Figura 36. Corte de contrapesos de cigüeñal 52
Figura 37. Cuchillas iniciales listas para montaje en eje 52
Figura 38. Cuchilla montada en eje 53
v
PÁGINA
Figura 39. Cuchillas montadas en eje de transmisión 53
Figura 40. Ejes montados en caja de trituración 54
Figura 41. Caja de trituración ensamblada 54
Figura 42. Engranajes de primer diseño 55
Figura 43. Sistema de transmisión inicial(polea-banda) 55
Figura 44. Sistema de transmisión por cadena 56
Figura 45. Diseño de nuevas cuchillas 56
Figura 46. Motor eléctrico de 3 Hp de potencia 57
Figura 47. Sección de neumático a triturar 57
Figura 48. Pedazos de trituración inicial 58
Figura 49. Fractura de engranaje 58
Figura 50. Máquina armada 59
Figura 51. Pedazos de trituración finales 59
vi
ÍNDICE DE ANEXOS
PÁGINA
ANEXO 1. Diseño inicial de cuchillas 66
ANEXO 2. Diseño inicial de engranajes 67
ANEXO 3. Corte manual de sección de neumático 68
ANEXO 4. Corte de secciones para pruebas de máquina 69
ANEXO 5. Medición de fuerza para corte de neumático usado 70
ANEXO 6. Medición de fuerza para cortar caucho vulcanizado 71
ANEXO 7. Corte de piezas para máquina en oxicorte 72
ANEXO 8. Anclaje de caja de trituración 73
ANEXO 9. Clasificación de los neumáticos según norma INEN 74
1
RESUMEN
Este proyecto se llevó a cabo para minimizar el impacto ambiental de los
neumáticos usados, implementando y diseñando un prototipo de máquina
trituradora de neumáticos cuyo diseño aplica la teoría de resistencia y
esfuerzos, además en el diseño se utilizó cálculos de esfuerzos de flexión,
tracción y corte, también se estableció el factor de seguridad que garantice el
diseño.
Para verificar el diseño fue utilizado un programa CAD para simular las
resistencias a las cargas posibles de operación.
Especificando el tamaño de producto triturado y consultando medidas de
máquinas similares, con los planos resultantes del diseño y con las pruebas
de simulación se escogió los métodos de mecanizados para la fabricación
tales como: perforado, oxicorte, roscado, fresado y soldadura.
Las herramientas y equipos utilizados fueron: torno, fresadora, amoladora,
máquina de oxicorte y llaves manuales.
La siguiente etapa fue la construcción de la máquina aplicando los resultados
del diseño, la simulación y considerando las recomendaciones de normativas
de reciclado en Ecuador.
Para el diseño de ejes, cuchillas y engranajes se realizó cálculos y selección
de materiales apropiados para su fabricación y que soporten las cargas
aplicadas el momento de que se encuentren en operación garantizado
también con un factor de seguridad que se cumple en los cálculos de
resistencia de materiales.
Se procede a realizar ensayos de la trituradora una vez ya ensamblada
obteniendo los resultados deseados.
Además la máquina es aplicable para otros tipos de materiales como: latas
de aerosoles, cartón y botellas de plástico, que fueron trituradas con facilidad
y podría ser aplicada para el reciclaje de otros materiales.
Palabras claves: Neumático, simulación, diseño, potencia, torque, triturador.
2
ABSTRACT
This project was carried out to minimize the environmental impact of used tires,
implementing and designing a prototype of a tire crusher machine whose
design applies resistance and stress theory. In addition, the design used
bending, traction and cut, also established the factor of security that
guarantees the design.
To verify the design, a CAD program was used to simulate the resistances to
the possible loads of operation.
By specifying the size of the shredded product and consulting the
measurements of similar machines, with the resulting drawings of the design
and with the simulation tests, the machining methods for the manufacturing
were chosen: drilling, oxy-cutting, threading, milling and welding.
The tools and equipment used were: lathe, milling machine, grinder, oxyfuel
machine and manual wrenches.
The next stage was the construction of the machine applying the results of the
design, simulation and considering the recommendations of recycling
regulations in Ecuador.
For the design of shafts, blades and gears, calculations and selection of
materials appropriate for their manufacture were carried out and that they
support the loads applied when they are in operation also guaranteed with a
safety factor that is fulfilled in the resistance calculations of materials.
Tests are carried out on the crusher once it has been assembled to obtain the
desired results.
In addition the machine is applicable for other types of materials such as
aerosol cans, cardboard and plastic bottles, which were easily crushed and
could be applied for the recycling of other materials.
Keywords: Tire, simulation, design, power, torque, crusher.
1. INTRODUCCIÓN
3
1. INTRODUCCIÓN
Con el pasar de los años y el crecimiento del parque automotor han ido
incrementando los niveles de contaminación, es por eso que los fabricantes
de automóviles han creado nuevas tecnologías para que el vehículo sea más
amigable con el medio ambiente pero han dejado de lado otros factores de
contaminación como son los neumáticos. Los diseñadores y fabricantes de
neumáticos han mejorado notablemente las características y los procesos de
fabricación, pero siempre sabiendo que cada neumático tiene su vida útil y
algún rato habrá que desecharlo, el problema se origina en que éste residuo
no se puede reciclar fácilmente convirtiéndose en un desecho inservible. Los
neumáticos usados no son biodegradables. (Sosa, 2004)
Su material que es caucho vulcanizado y su excesiva producción los
convierten en un gran problema medio ambiental, ya que no siempre se
reutilizan. (Verde, 2015)
Los neumáticos usados se encuentran normalmente al aire libre, en rellenos
sanitarios o en sectores populares de la ciudad, generando contaminación y
proliferación de enfermedades. (Rivas, 2012)
En la combustión de los neumáticos se generan productos nocivos para la
salud que se dispersan en el medio ambiente.
El diseño que tienen los neumáticos produce contaminación ya que una vez
que ha entrado agua en él, siempre quedará un fondo dentro de su cubierta.
Esa agua es el punto de infección para enfermedades al ser humano.
Causándose la proliferación perjudiciales para la persona que está en
contacto o cerca de donde estén los neumáticos desechados. (Pita, 2010)
Por ejemplo en Japón que es uno de los países más recicladores del mundo
tiene una tasa de 85-90% de reciclaje de neumáticos. (Salamea, 2014)
En Estados Unidos las industrias de reciclaje de neumáticos usados es el más
largo en el mundo y es guiado por programas de administración estatal.
En Brasil que es el país más grande de Sudamérica ya cuenta con tecnología
industrial que produzca caucho regenerado, teniendo un marco de 85% de
reciclaje esto se da ya que existen 30 empresas dedicadas a procesar
neumáticos. (Salamea, 2014). Por un informe del grupo Mavesa en Ecuador
indica un valor promedio de 60 mil toneladas de neumáticos usados
generados anualmente a nivel nacional, pero no cuenta con empresas
recicladoras registradas ya que solo existen empresas reencauchadoras de
neumáticos. Es por esta razón el estudio de este proyecto. (Salamea, 2014)
Ecuador desecha anualmente alrededor de 2,4 millones de neumáticos, lo que
equivale a 55.000 toneladas de los mismos fuera de uso (NFU). El Ministerio
de Ambiente del Ecuador mediante su Acuerdo Ministerial No. 20, determina
el Plan de Gestión Integral de los neumáticos usados, en el cual se establecen
los requisitos, procedimientos, especificaciones ambientales para la
recuperación y tratamiento de neumáticos usados. En Ecuador la mayoría de
4
neumáticos usados son quemados o depositados en basureros. (Cáceres,
2011)
EL M.A.E. con este acuerdo, pretende cumplir con metas de recolección,
iniciando el primer año con una meta mínima del 20% del total del tipo de
neumáticos. Cada año se quiere incrementar un 10% hasta alcanzar un
desarrollo de todo el plan, con un mínimo de 85% de los neumáticos usados.
De la misma manera, la recolección para la provincia de Galápagos deberá
ser del 100%. (Ciudadano, 2014)
En la ciudad de Guayaquil se realizó un estudio de la elaboración de
adoquines de caucho con la utilización de neumáticos usados triturados, se
estima que en Ecuador se desechan 750.000 unidades anuales. Los
importadores de neumáticos deben cumplir con una cuota de reciclaje
(empresas reencauchadoras), como requisito para nuevas importaciones.
A través del estudio financiero el proyecto salió factible ya que el reciclaje de
este material tiene un futuro prometedor al no existir empresas que se
encarguen de obtener material triturándolo hasta llegar al granulado deseado
para la aplicación y al constatar que los neumáticos reencauchados solo
aplica para automóviles de línea pesada y no de línea liviana. (Marmolejo,
2016)
La técnica de trituración de un proyecto del diseño de estrategia de
reutilización y reciclado de neumáticos en Santa Elena de Ecuador es retirar
el acero y el aro de rin mediante un mecanismo extrusor y sepáralos del
caucho para triturarlo y obtener la materia prima, las ventajas de esto es que
el caucho sale limpio de todo tipo de impurezas para facilitar su utilización en
nuevos procesos y aplicaciones. (Reyes, 2013)
Con respecto a la trituración el tamaño de caucho resultante consiste en el
cambio de la configuración de la cuchilla que lo triturará, generalmente el
material triturado tiene un ancho aproximadamente igual al de la cuchilla,
mientras que la longitud no puede ser definida de la misma manera, siendo
inferior al de la longitud de la cuerda entre los dientes consecutivos en la
misma cuchilla y cuanto sea mayor el número de dientes, se obtendrá pedazos
de menor dimensión. (Reyes, 2013)
El diseño y construcción de una máquina prototipo trituradora de neumáticos
se la realiza con el fin de reducir el impacto ambiental, ésta máquina se
encarga de triturar secciones de neumáticos usados para que este caucho
molido sea reutilizado en nuevos procesos, se genera una nueva materia
prima para la fabricación de productos como pisos de caucho, alfombras,
polvo asfáltico, pistas deportivas, partes automotrices, bloques, reductores de
velocidad, parques infantiles, canchas sintéticas, que hacen de este caucho
su principal componente. (Reinoso, 2013)
Históricamente los neumáticos eran desechados en los basureros y su caucho
se demoraba cientos de años en descomponerse totalmente causando
polución y con el agua estancada que suele quedarse son puntos de infección
causando también muchas enfermedades a nivel mundial. (Sosa, 2004)
5
Económicamente al generar caucho triturado de neumático usado este sirve
para nuevos procesos y puede ser un buen crecimiento económico sabiendo
utilizar este recurso que se desecha clandestinamente. (López, 2004)
Tecnológicamente se sabe que con nueva tecnología y procesos de
tratamiento de materiales que tardan mucho tiempo en descomponerse y son
contaminantes se puede disminuir su impacto ambiental. (Radrigan, 2005)
Ambientalmente se reducirá la contaminación causada por los neumáticos
usados generando una nueva materia prima. (Ciudadano, 2014)
Socialmente es un punto de infección principalmente en la región costa de
nuestro país cuando el agua se estanca en neumáticos usados ayuda a la
proliferación de huevos de mosquitos como el dengue. (Ciudadano, 2014)
El objetivo general del proyecto fue diseñar, desarrollar y construir una
máquina prototipo trituradora de neumáticos para reciclar los mismos y así
contribuir en disminuir la contaminación ambiental en Quito.
Los objetivos específicos que se definieron para el presente proyecto fueron:
Diseñar la máquina prototipo trituradora con requerimientos específicos
para los neumáticos más usados del parque automotor del Distrito
Metropolitano de Quito.
Realizar pruebas del diseño con un programa de computadora para
garantizar un resultado técnico confiable.
Construcción del equipo y pruebas de trituración para avalar el
funcionamiento primero con materiales reciclados que en este caso fueron
los contrapesos de un cigüeñal y luego von materiales del diseño teórico.
Determinar las aplicaciones en el ámbito automotriz del material obtenido
al procesar las secciones de neumáticos en la máquina prototipo de
trituradora.
Los tipos de cargas a las que está sometido un eje son:
Flexión.
Tracción / Compresión.
Torsión, corte.
Pueden estar aplicadas solas o combinadas. (OCW, 2016)
Esfuerzo cortante torsional: Cuando un par de torsión, se aplica a un
elemento, tiende a deformarlo, lo cual causa rotación de una parte del
elemento en relación con otra. Este torcimiento provoca un esfuerzo cortante
en el miembro. En el cortante torsional, la distribución de esfuerzo no es
uniforme en la sección transversal.
El caso más frecuente de cortante por torsión, en el diseño de máquinas, es
el de un eje redondo que transmite potencia. (Mott, 2006)
La ecuación del esfuerzo cortantes torsional se tiene cuando un eje redondo
macizo se somete a un par de torsión, la superficie externa sufre la máxima
deformación unitaria y el esfuerzo cortante torsional máximo. El valor del
esfuerzo cortante torsional máximo se calcula con la ecuación número 1:
6
𝝉𝒎𝒂𝒙 =𝑻𝒄
𝑱 [1]
Donde:
𝝉𝒎𝒂𝒙: Esfuerzo torsional cortante
𝝉: Torque
c: Radio de la superficie externa del eje
J: Momento polar de inercia (se calcula con formula de tablas).
Los esfuerzos que se producen en un engranaje son los siguientes:
Flexión del diente.
Fatiga de la base del diente.
Torsión en el engranaje.
La flexión del diente alcanza su máximo esfuerzo en su base o raíz en una
transmisión donde los dientes se encuentran en un ciclo continuado de carga
y descarga.
La torsión del engranaje se da por la transmisión de potencia para que se dé
el par de giro.
La expresión matemática que define la potencia que transmite un eje en
función del par de fuerzas y de su velocidad angular de giro, viene expresada
con la ecuación 2.
P = T · ω [2]
Donde:
P: La potencia transmitida por el eje, en W (watios);
T: Es el par de fuerzas que desarrolla, en N·m;
ω: Es la velocidad angular a la que gira el eje, en rad/s.
Por otro lado, como ya se ha visto anteriormente, la potencia (P) y el par de
fuerza (T) que transmite un engranaje están relacionados junto con la
velocidad angular de giro.
El par (T) y la fuerza tangencial (Ft), en el engranaje están relacionados a
partir del radio de su circunferencia primitiva según la ecuación 3. (Vanegas,
2010)
T = Ft · r [3]
Donde:
Ft: Fuerza tangencial
r: Radio de la circunferencia primitiva del engranaje.
El esfuerzo cortante directo se produce cuando la fuerza aplicada tiende a
cortar el elemento como si fuera unas tijeras o una navaja. (Mott, 2006).
El método para calcular el esfuerzo cortante directo es cuando la fuerza
aplicada esta uniformemente distribuida a través de la sección transversal de
la pieza que resiste la fuerza, pero este es esfuerzo cortante y no esfuerzo
7
normal. El símbolo con que se representa el esfuerzo cortante es la letra
griega tau (𝜏). La fórmula del esfuerzo cortante directo se puede entonces
escribir como se ilustra en la ecuación 4.
𝝉 =F/A [4]
Donde:
F: Fuerza de corte.
A: Área perpendicular.
La teoría del esfuerzo cortante máximo expresa que la avería se presenta
cuando el esfuerzo cortante máximo de un componente supera su esfuerzo a
la fluencia en la mitad. En donde 0,5 x Sy es la fluencia el momento del corte
y Sy es el valor del esfuerzo de fluencia del material. (Mott, 2006)
El factor de seguridad del esfuerzo cortante máximo se determina con la
ecuación 5.
𝑵 =𝟎,𝟓×𝑺𝒚
𝝉𝒎𝒂𝒙 [5]
Donde:
Sy: Límite de fluencia
τmax: Esfuerzo cortante máximo
El factor de seguridad es para evitar una falla estructural, como la resistencia
es la capacidad de una estructura para resistir cargas, el criterio anterior se
puede replantear como sigue: la resistencia real de una estructura deber ser
mayor que la resistencia requerida. La relación de la resistencia real entre la
resistencia requerida es el factor de seguridad (n) obtenido con la ecuación 6.
𝒏 =𝑹𝒆𝒔𝒊𝒔𝒕𝒆𝒏𝒄𝒊𝒂 𝒓𝒆𝒂𝒍
𝑹𝒆𝒔𝒊𝒔𝒕𝒆𝒏𝒄𝒊𝒂 𝒓𝒆𝒒𝒖𝒆𝒓𝒊𝒅𝒂 [6]
Naturalmente, el factor de seguridad debe ser mayor que 1,0 para evitar la
falla de la máquina.
Dependiendo de las circunstancias, los factores de seguridad varían desde un
poco más que 1,0 hasta 10,0. (Mott, 2006)
Para calcular el torque se aplica la ecuación 7.
𝑻 = 𝑭 × 𝒅 [7]
Donde:
F: Fuerza cortante
d: Distancia con respecto al eje
Para calcular la potencia del motor eléctrico que se necesita para la máquina
se utiliza la ecuación 8.
8
𝑷= 𝑻 × 𝒘 [8]
Donde:
T: Torque
w: Velocidad angular de giro
Para seleccionar el tamaño y tipo de rodamiento se utiliza una tabla con
respecto al diámetro que se necesita, la información en cargas dinámicas del
rodamiento puede utilizarse para calcular la carga del rodamiento que se
asigna como F.
Cuando la carga del rodamiento cumple con los requisitos de capacidad de
carga dinámica básica que se define como C, es decir, si la carga es constante
en magnitud y sentido, y actúa radialmente sobre un rodamiento radial o
axialmente y centrada sobre un rodamiento axial, entonces P = F y la carga
se pueden incluir directamente en vida útil del rodamiento.
En todos los demás casos, primero es necesario calcular la carga dinámica
equivalente con la ecuación 9.
𝑷 = 𝑿𝑭𝒓 + 𝒀𝑭𝒂 [9]
Donde:
P: Carga dinámica equivalente
Fr: Carga radial del rodamiento
Fa: Carga axial del rodamiento
X: Factor de carga radial del rodamiento
Y: Factor de carga axial del rodamiento
Los valores de X y Y Vale 1 (uno) para rodamientos autoalineantes o cuando
gira el anillo interior y 1.2 cuando gira el anillo exterior.
La ecuación de la vida útil de un rodamiento viene definida por la ecuación
10.
𝑳𝟏𝟎 = (𝑪
𝑷)
𝒏
[10]
Donde:
𝐿10: Vida nominal en millones de revoluciones
𝐶: Capacidad de carga dinámica en Newton
𝑃: Carga dinámica equivalente en Newton
Exponente (n) de la fórmula que equivale:
𝑛: 3 Para rodamientos de bolas
𝑛: 10/3 Para rodamientos de rodillos
Para calcular el esfuerzo cortante se tiene que bajo la acción de las cargas,
las tensiones o esfuerzos pueden ser sustituidos por cargas V de valor igual
F. Los esfuerzos o tensiones cortantes sobre la sección vienen dados por la
ecuación 11.
9
𝝉 =𝑽
𝑨 [11]
Siendo 𝜏 el denominado esfuerzo cortante, V= F y A la superficie de la sección
transversal.
Como V es una fuerza y A una superficie las unidades de los esfuerzos o
tensiones cortantes son las mismas que las tensiones o esfuerzos axiales es
decir Pascales en el S.I. (UCLM, 2016)
La relación entre límite de fluencia y esfuerzo de tracción es útil para
cuantificar el factor de seguridad para la condición de flexión y viene dada por
la ecuación 12.
𝑵𝒚 =𝑺𝒚
𝝈𝒎𝒂𝒙 [12]
En donde:
𝑆𝑦: Límite de fluencia
𝜎𝑚𝑎𝑥: Esfuerzo máximo de tracción
2. METODOLOGÍA
10
2. METODOLOGÍA
Contiene el diseño e implementación de una máquina prototipo triturador de
neumáticos en la ciudad de Quito para la disminución del impacto ambiental
de neumáticos usados.
Guiado por una máquina de características similares en su diseño, partes
constitutivas y funcionamiento con la teoría de resistencia y esfuerzos, con
pruebas en el programa “SolidWorks” para determinar los materiales a utilizar
para la construcción de la máquina trituradora.
Los métodos a utilizar para este proyecto son el método de diseño técnico con
cálculos de esfuerzos, según las cargas.
Mediante la investigación de fuerzas y esfuerzos que se generan el momento
de triturar un neumático y una vez establecidos estos parámetros se procede
con la construcción y ensayos con secciones cortadas de neumáticos en la
máquina prototipo para de esta manera llegar a los resultados deseados que
son retazos de neumáticos usados, mediante las especificaciones de
granulometría.
Los pasos para el diseño de la máquina fueron los siguientes:
El primer proceso fue investigar modelos de una máquina trituradora de
neumáticos de tamaño real para diseñar las dimensiones del prototipo.
El segundo procedimiento fue diseñar cada componente de la máquina
trituradora de neumáticos real, utilizando las dimensiones del prototipo y luego
documentar el equipo con la elaboración de planos de cada componente.
El tercer paso consistió en generar un diseño en 3D de la máquina a través
de un programa de dibujo digital CAD y pruebas de simulación para la
verificación de resistencias de la máquina, para este proyecto se utilizó el
“SOLIDWORKS” por la facilidad de aplicación.
El cuarto fue definir planos del diseño de los componentes y del conjunto de
la máquina.
El quinto fue proceder a la construcción de la máquina aplicando procesos de
mecanizado y planos anteriormente elaborados.
El sexto fue realizar las pruebas de funcionamiento sometiendo al equipo a
triturar las muestras de neumáticos.
Los pasos para concluir todo el proyecto se detallan a continuación:
Teniendo toda la lista de materiales requeridos a disposición se empezó con
la revisión del plano y sus respectivas dimensiones.
Observar el diseño que se realizó en el plano para iniciar con la construcción.
Antes se desarrolló y fabricó el bastidor elaborando los planos.
Iniciar el ensamblaje de la máquina una vez conocido como va su estructura,
partes, anclajes y dimensiones.
Medir cada etapa de ensamblaje de la máquina si coinciden con los planos en
los que se está guiando, con la utilización de los materiales y herramientas
correspondientes, aplicando las ecuaciones de esfuerzos que soporta la
11
máquina se determina los materiales de construcción de los componentes de
la máquina tales como: engranajes, rodamientos, transmisión, cuchillas y ejes
que sean fiables para su funcionalidad el momento de la trituración mediante
el factor de seguridad aplicado.
Verificar las dimensiones de la máquina una vez que esté completamente
ensamblada guiándose con el plano de diseño.
Revisión de piezas y funcionalidad, a través de las pruebas realizadas a la
máquina y los resultados obtenidos en cada una de las pruebas.
Verificación de resultados según especificaciones de granulometría.
Cambios a realizar en diseño si los resultados no son los especificados por la
tabla de granulometría.
Reemplazo de componentes para llegar al granulado especificado.
Pruebas y ensayos con el nuevo diseño de fabricación.
Verificación de resultados según especificaciones de granulometría que se
encuentren dentro de los parámetros establecidos.
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
12
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
3.1 NEUMÁTICOS
3.1.1 COMPOSICIÓN DE NEUMÁTICOS
Son materiales polímeros de diferentes dimensiones que pueden variar según
sea el tipo de esfuerzo al que se someten, volviendo a su forma inicial cuando
el esfuerzo termina. El caucho natural se extrae de un árbol llamado Hevea
Brasiliensis que produce un látex con partículas de caucho.
Los tipos de caucho más utilizados en la fabricación de neumáticos son los
cauchos naturales, la matriz de caucho más utilizada es el copolímero
estireno-butadieno (SBR).
Todos los cauchos poseen diferentes propiedades, pero también con algo en
común: todos, una vez vulcanizados, pueden ser muy duraderos, por lo que
es necesario una gran cantidad de tiempo para su descomposición. La
combinación se realiza de manera que los cauchos naturales proporcionen
elasticidad y los sintéticos, estabilidad térmica para la fiabilidad y vida útil.
Esta combinación ayuda a la durabilidad y agarre del neumático en contacto
con el asfalto. La estructura de los cauchos naturales está formada en su
mayor parte por polisopreno, mezclado con pocas cantidades de proteínas,
lípidos y sales inorgánicas, que otorgan las propiedades necesarias para que
el caucho trabaje de manera efectiva. Se encuentra así una cadena larga y
enredada en forma de espiral, que a temperatura ambiente está en continuo
movimiento. (Química-Orgánica, 2014)
La cadena estructural del caucho vulcanizado se observa en la figura 1.
Figura 1. Composicion del neumático (Química-Orgánica, 2014)
13
El proceso de vulcanización al que están sometidos los neumáticos es un
entrelazamiento de cadenas de polímeros con moléculas de azufre a alta
presión y temperatura como se detalla en la figura 2.
Figura 2. Esfuerzos de neumáticos (Química-Orgánica, 2014)
En el proceso de vulcanización el caucho cambia de ser un termoplástico a
ser un elastomérico. Las deformaciones que posee son distintas. El aumento
de cargas brinda rigidez y cuerpo al caucho y se utiliza negro de humo y
arcillas modificadas. Además se agregan otros componentes al caucho para
que posea mejores propiedades, tales como: suavizantes que incrementan la
maniobrabilidad del caucho, antes de ser vulcanizado; óxido de Zinc y
Magnesio, que son los denominados activadores, ya que se añaden para
minimizar el tiempo del proceso de vulcanización de horas a minutos;
antioxidantes, para dar una mayor vida útil al caucho sin que se descomponga;
y por último se añade el negro de humo que es obtenido por la combustión
incompleta de gases naturales, éste otorga resistencia a la tensión y abrasión.
(Castro, 2010)
Fibras reforzantes: Existen dos tipos que son textiles y de acero, normalmente
en forma de hilos, que dan resistencia a los neumáticos, como ejemplo de
ellos tenemos; algodón, nylon y poliéster.
La cantidad de acero y fibras reforzantes en la fabricación de neumáticos varía
según el fabricante. Plastificantes: Sirven para facilitar la preparación y
elaboración de las mezclas, de esta manera controla la viscosidad del caucho.
Minimiza la fricción interna durante el proceso y mejora la flexibilidad a
temperaturas bajas, como ejemplo de plastificantes se tiene los aceites
minerales.
Agentes vulcanizantes: El azufre se usa para variar la cadena de polímero en
el caucho.
Acelerantes: Compuesto órgano - sulfurado, benzotiazol y derivados, óxido de
zinc y ácido esteárico.
Retardantes: N-nitroso difenil amina.
Otros componentes: Antioxidantes y adhesivos. (Castro, 2010)
14
En forma general el neumático está compuesto por los siguientes
componentes descritos en la tabla 1.
Tabla 1. Componentes de neumáticos
Componentes Automóviles % en
peso
Camiones % en
peso
Función
Cauchos 48 45 Estructural-
deformación
Negro de humo 22 22 Mejora oxidación
Óxido de Zinc 1.2 2.1 Catalizador
Materia textil 5 0 Esqueleto
estructural
Acero 15 25 Esqueleto
estructural
Azufre 1 1 Vulcanización
Otros 12 - Juventud
(Castro, 2010)
La composición de neumáticos de vehículos de línea liviana está detallada por
la tabla 2 a continuación:
Tabla 2. Composición de neumáticos de autos livianos (automóviles y camionetas)
Caucho natural 14%
Caucho sintético 27%
Negro de humo 28%
Acero 14-15%
Fibra textil, suavizantes, óxidos,
antioxidantes, etc.
16-17%
Peso promedio 8.6 Kg
Volumen 0.06 m3
(Castro, 2010)
La composición de neumáticos de vehículos de línea pesada está detallada
por la tabla 3 a continuación:
Tabla 3. Composición de neumáticos de vehículos pesados
Caucho natural 27%
Caucho sintético 14%
Carbón negro 28%
Acero 14-15%
Fibra, suavizantes, óxidos, antioxidantes,
etc.
16-17%
Peso promedio 45.4 Kg
Volumen 0.36 m3
(Castro, 2010)
15
De acuerdo a su composición química, puede cambiar según el uso al que
estén destinados los neumáticos en cuanto al porcentaje de sus elementos,
indicados en la tabla 4.
Tabla 4. Composición química de los neumáticos
Elementos %
Carbono 70 - 83
Hidrógeno 5 – 7.5
Azufre 1.2 – 1.9
Color 0.1 – 0.8
Nitrógeno 1.5
Oxigeno 5
Zinc 1.2 – 2.7
Hierro 5 – 18
Otros 5
(Castro, 2010)
Las funciones de la tela del neumático se indican en la figuras 3.
Figura 3. Funciones de la tela de cuerpo de un neumático
(Castro, 2010)
Los componentes de los neumáticos se detallan en la figura 4.
Figura 4. Componentes de un neumático
(Castro, 2010)
16
Entre uno de los componentes de los neumáticos están los cinturones
estabilizadores que cumplen con las siguientes funciones indicadas en la
figura 5.
Figura 5. Función de cinturones estabilizadores de un neumático
(Castro, 2010)
El innerliner de un neumático es la capa interior del neumático, y su principal
función es almacenar el gas o aire a presión que lleva dentro el neumático ya
que son las paredes internas del mismo y se lo puede identificar en la figura 6
que se presenta a continuación.
Figura 6. Función del innerliner de un neumático
(Castro, 2010)
17
La banda de rodamiento es la que siempre está en contacto con el asfalto en
la conducción del vehículo y cumple funciones específicas que se detalla a
continuación en la figura 7.
Figura 7. Función de banda de rodamiento de un neumático
(Castro, 2010)
3.1.2 TIPOS DE NEUMÁTICOS
Los tipos de neumáticos se dividen en dos grupos que son por su construcción
y por su uso que se indican a continuación:
Por su construcción existen tres tipos:
Diagonales: En su construcción las distintas capas del material (caucho)
se colocan en forma diagonal, una sobre otra hasta formar toda la
estructura del neumático.
Con radios o radiales: En este tipo las capas del material se colocan una
sobre otra en forma de línea recta, sin sesgarlas.
Este sistema permite brindar mayor estabilidad y resistencia a la banda de
rodamiento.
Auto-portante: En esta construcción las capas del material se colocan una
sobre otra con forma de línea recta, sin sesgarlas, también en los flancos.
Este sistema permite brindar mayor resistencia a la banda de rodamiento
aunque es menos confortable porque es rígida, se usa en vehículos
deportivos y tiene la ventaja de rodar sin presión de aire a cierta velocidad
limitada por el fabricante y sin perder su forma. (Castro, 2010)
De igual forma según su uso de cámara se tiene los siguientes tipos:
Neumáticos tubetype (TT): Aquellos que utilizan cámara y una llanta
específica solo para ello. No pueden montarse sin una cámara.
18
Se usan en 4x4, motocicletas, y vehículos agrícolas.
Neumáticos tubeless (TL) o sin cámara: Estos neumáticos no tienen
cámara.
Para evitar la pérdida de aire tienen una parte interior en el neumático
llamada talón que tiene unos aros de acero en su interior, y así evitan que
se salga del neumático.
Se emplea prácticamente en todos los vehículos.
Ruedas semi-neumáticas y no-neumáticas: Son neumáticos solo de goma,
se utilizan en vehículos pequeños como carretillas o coches de pedales.
(Castro, 2010)
3.2 PRUEBAS FÍSICAS DEL CAUCHO
Ensayo de dureza está basado en la resistencia del material a la penetración,
es primordial ya que la resistencia mecánica está relacionada con la dureza.
Es un ensayo rápido se lo realiza a través de un durómetro que es un equipo
especial.
Ensayo de tracción consiste en estirar el caucho de prueba a una velocidad
constante hasta la ruptura del material.
Ensayo de desgarro es en el cual se mide la fuerza que se necesita para
desgarrar completamente el caucho de prueba, esta fuerza se aplica mediante
una máquina de tracción que se utiliza también para el ensayo de tracción.
(aplicada, 2012)
3.2.1 VULCANIZACIÓN
Proceso en el cual al caucho natural se le agrega azufre en varias
proporciones que oscilan entre 1-30% y va acompañado de calor a una
temperatura entre 120°C. (Química-Orgánica, 2014)
Las diferencias entre caucho natural y sintético se detalla en la tabla 5.
Tabla 5. Diferencias entre caucho natural y sintético
Caucho natural Caucho sintético
Es elástico Es eléstico
No vuelve fácilmente a su longitud primitiva Se retrae raídamente
Se ablanda fácilmente por el calor No se ablanda por el calor
Es adhesivo No es adhesivo
Poca resistencia a la abrasión Mucha resistencia a la abrasión
Soluble en solventes orgánicos Insoluble en solventes orgánicos
(Química-Orgánica, 2014)
19
Como se observa en la tabla existen varias diferencias entre el caucho natural
y el caucho sintético que son tomadas en cuenta el momento de la fabricación
de un neumático, guiándose por sus propiedades y características mecánicas
de cada uno de ellos de acuerdo a la aplicación a la que será destinado el
neumático depende de eso sus propiedades mecánicas.
3.2.2 NORMATIVAS
La normativa sobre el etiquetado de neumáticos aplica a todos los vehículos,
y se tiene escalas de acuerdo a su eficiencia, dureza, velocidad, medidas,
aplicación y que será una herramienta útil el momento de adquirirlos de
acuerdo a la necesidad del usuario. (Seguro, 2014) La clasificación de los neumáticos con la norma INEN en el anexo 9 y las
dimensiones de caucho triturado en la tabla 6.
Tabla 6. Dimensiones de caucho triturado
Tipo de grano Dimensión
Polvo de caucho Hasta 0.7 mm.
Grano de caucho De 2 mm. (Material entre 0.8 y 2 mm.)
Grano de caucho De 3.5 mm. (Material entre 2 y 3,5 mm.)
Grano de caucho De 5 mm. (Material entre 3.5 y 5 mm.)
Grano de caucho Grano de 10 mm.
Grano de caucho Grano de 16 mm.
(E-ASPHALT, 2010)
El triturado de caucho para obtener varios tipos de producto terminado basado
en la demanda del mercado y cada uno de los campos en los cuales puede
ser usado tanto en forma de grano como de polvo. El rango va desde un polvo
de 0.07 mm hasta granos de 16 mm. (E-ASPHALT, 2010)
No existe una normativa técnica de las dimensiones de caucho triturado pero
mediante esta planta trituradora se obtiene los tipos de grano que demanda
el mercado. En la figura 8 se identifica los parámetros de medidas de los neumáticos:
Figura 8. Etiqueta de neumático
(Seguro, 2014)
20
Con el nuevo etiquetado lo que se logró fue reducir las emisiones de CO2 en
20 millones de toneladas al año, siendo más amigable con el medio ambiente
y reduciéndose la contaminación. (Seguro, 2014)
3.3 TRITURADORES DE NEUMÁTICOS
Para la elección de un dispositivo de trituración mecánica se considera:
Tipo de material a triturar
Volumen a triturar
Tiempos de trituración
Potencia instalada
Tamaño del elemento triturado
Según la información técnica obtenida y recomendaciones dadas por algunos
fabricantes extranjeros, nos indican que se puede clasificar a los trituradores
de acuerdo a los dispositivos de corte y los ejes que disponen donde van
alojadas sus cuchillas, teniendo:
Trituradores de 1 eje.
Trituradores de 2 ejes.
Trituradores de 4 ejes.
3.3.1 TRITURADOR DE UN EJE
Este triturador funciona como un principio de guillotina mediante bloques
giratorios rotativos de cizallas pasan de los bloques estáticos de cizallas a una
distancia de 0,1mm. (Martinez, 2007)
Las cizallas son forjadas y endurecidas, capaces de cortar hasta piezas
sueltas de metal. (Martinez, 2007)
En la figura 9 se observa el triturador de un eje.
Figura 9. Triturador de un eje
(Martinez, 2007)
21
3.3.2 TRITURADOR DE 2 EJES
Las mayores ventajas que se pueden conseguir es que tienen una baja
velocidad de rotación de los discos, contrario a lo que sucede en los de un
solo eje el par de corte disponible es mayor cuanto menor sea la velocidad de
rotación de los ejes.
Se trata de un triturador con cuchillas rotativas, con los filos de corte
alternados a lo largo del eje porta cuchillas. La acción de corte de la trituradora
se produce mediante una serie de elementos cortantes que al cruzarse trituran
al neumático. (Martinez, 2007)
En la figura 10 se detalla el triturador de dos ejes.
Figura 10. Triturador de dos ejes
(Martinez, 2007)
3.3.3 TRITURADOR DE 4 EJES
El mecanismo cortador agarra e introduce autónomamente el material a
triturar. El material que no cae inmediatamente a través de la criba es agarrado
por los dientes del mecanismo cortador principal lo lleva hacia arriba al
mecanismo cortador secundario para que sea triturado el material. (Martinez,
2007)
Al capturar el mecanismo secundario de corte de material se ejecuta otro
proceso de corte. Adicionalmente se tritura el material al pasar del mecanismo
principal al secundario. El producto final es granulado homogéneo definido de
caucho vulcanizado que puede ser polvo o de diferente tipo de grano de
acuerdo a su aplicación. (Martinez, 2007)
En la figura 11 se observa un triturador de cuatro ejes:
22
Figura 11. Trituradora de cuatro ejes
(Martinez, 2007)
Los ejes son accionados por motores eléctricos, correas dentadas y un
engranaje de ruedas dentadas rectas multi-etapa. (Martinez, 2007)
Selección del triturador: Con relación a la clasificación de trituradores de
neumáticos presentados se hace un análisis de acuerdo a las aplicaciones de
los mismos.
Para la selección del triturador adecuado se basa en los siguientes
parámetros:
Capacidad del triturador (cantidad de neumáticos a triturar, tamaño de
neumático a triturar, tamaño del elemento triturador).
Tiempos de trituración.
Potencia instalada (Consumo de energía).
Costos (instalación, fabricación, mantenimiento).
Niveles de ruido Triturador de dos ejes de cuchillas rotativas:
El triturador tiene las características ideales para la trituración de los
neumáticos, ya que el triturador al trabajar a bajas revoluciones no va a
generar una temperatura que modifique las características del caucho
vulcanizado. Se tiene que considerar que la presencia de chuchillas rotativas
generará un corte y desgarramiento del material de trituración, que se observa
en la figura 12.
23
Figura 12. Trituración de neumáticos
(Martinez, 2007)
Este es el modelo de triturador escogido para realizar la máquina prototipo.
Capacidad del triturador: La capacidad del triturador al ser un prototipo es
mínima y solo tendrá que triturar el caucho de un neumático usado seccionado
con medidas de 6cm x 8,5cm.
3.4 ELEMENTOS DE LA MÁQUINA
3.4.1 EJE DE TRANSMISIÓN
Elemento cilíndrico de sección circular que transmite un momento de giro y
que puede llevar montado elementos mecánicos de transmisión de potencia
como engranajes, poleas o volantes.
Una característica principal de un eje es que no está sometido a torsión sin
transmisión de potencia, en la figura 13 se observa los esfuerzos de un eje:
Figura 13. Esfuerzos de un eje
(OCW, 2016)
3.4.2 ENGRANAJES
La transmisión entre engranajes genera calor, que si no se logra disipar con
rapidez puede ocasionar una subida de temperatura a niveles que pueden
24
dañar los materiales sobre todo a velocidades de giro altas o cargas de
transmisión elevadas, en el prototipo la máquina trabaja a velocidades bajas y
no se genera excesiva cantidad de calor por lo que no tiene que disiparlo, en
la figura 14 se observa un engranaje de dientes rectos similar al que utiliza el
triturador.
Figura 14. Engranaje
(Vanegas, 2010)
3.4.3 RODAMIENTOS
Los cojinetes de contacto por rodadura se diseñan para soportar y ubicar los
ejes de la máquina trituradora. (Martinez, 2007)
Transfieren cargas entre los elementos rotatorios (ejes) y los estacionarios
(tapas de trituradora), estos permiten la rotación relativamente libre con un
mínimo de fricción, y se los escoge de acuerdo al diámetro del eje en donde
trabaja y su vida útil viene determinada por horas de trabajo. (Martinez, 2007)
En la figura 15 se identifica un rodamiento de bolas que es similar al utilizado
en el prototipo.
Figura 15. Rodamiento
(Martinez, 2007)
25
3.4.4 CUCHILLAS
Las cuchillas son los elementos que llevan a cabo la trituración del material
(neumático seccionado).
La selección de las cuchillas se da por su resistencia al desgaste y por la
agresividad a la que serán sometidos durante su corte, está sometida a
esfuerzos de tracción y torsión; además esfuerzos cortantes debido a la
flexión. (Martinez, 2007)
En la figura 16 se observa una cuchilla.
Figura 16. Cuchilla
(Martinez, 2007)
3.4.5 CHAVETAS
Órganos mecánicos que sirven para unir dos piezas que giran solidariamente
para transmitir un par motriz, de esta manera permiten un fácil montaje y
desmontaje de piezas, los esfuerzos que soportan son torsión y tracción. (EIS,
2011). En la figura 17 se identifica las chavetas y en la tabla 7 sus
especificaciones.
Figura 17. Chavetas
(EIS, 2011)
26
Tabla 7. Tabla de chavetas
(EIS, 2011)
3.5 DIMENSIONAMIENTO DE EQUIPOS DISPONIBLES
En la tabla 8 se describen las especificaciones de una trituradora:
Tabla 8. Especificaciones técnicas de una trituradora de baja capacidad
(Trituradores de residuos, 2013)
27
3.6 DISEÑO
3.6.1 FILOSOFÍA DEL DISEÑO
Es responsabilidad del diseñador garantizar que las piezas de la máquina
sean seguras para funcionar bajo condiciones razonablemente previsibles. Se
debe evaluar con cuidado la aplicación donde se vaya a usar cada
componente, el tipo de material que se va a usar y el grado de confianza que
tiene en sus conocimientos sobre la aplicación. Algunas consideraciones
generales son:
Aplicación
Ambiente
Carga
Tipos de esfuerzos
Material
Confianza
Todos los métodos de diseño deben definir la relación entre el esfuerzo
aplicado sobre un componente y la resistencia del material con el que se va a
fabricar, a considerar las condiciones de servicio. El objetivo del proceso de
diseño es obtener un factor de diseño N adecuado, que garantice que el
componente sea seguro. Esto es, la resistencia del material debe ser mayor
que los esfuerzos o cargas aplicadas. (Mott, 2006)
3.6.2 FACTORES DE DISEÑO
El termino factor de diseño, N, es una medida de seguridad relativa de un
componente bajo la acción de una carga. En la mayoría de los casos, la
resistencia del material con que se fabricara se divide entre el factor de diseño
para determinar un esfuerzo de diseño que a veces se llama esfuerzo
permisible.
Entonces, el esfuerzo real que se desarrolla en el componente debe ser menor
que el esfuerzo de diseño. El análisis de diseño se basa en el tipo de material,
la carga aplicada y el tipo de esfuerzo al que estará sometido el componente,
de esta manera asegurando el diseño para que la máquina opere en
condiciones normales de trabajo bajo un factor de seguridad con todos sus
componentes en perfecto estado. (Mott, 2006)
3.6.3 PREDICCIONES DE FALLA
El diseñador debe comprender las diversas fallas de los elementos bajo
cargas para determinar un diseño que garantice que no va a suceder. Existen
varios métodos para predecir la falla, y es responsabilidad del diseñador
28
seleccionarlo. Los métodos de análisis definen la relación más importante
entre los esfuerzos aplicados a un componente y la resistencia del material
con el que se fabricará, teniendo en cuenta las condiciones del caso. El
objetivo del diseño es llegar a un factor N adecuado que garantice la seguridad
del elemento. Que es la resistencia del material deberá ser mayor que los
esfuerzos aplicados.
3.6.4 DISEÑO DE CUCHILLAS
Las cuchillas de la máquina inicialmente fueron diseñadas con los
contrapesos de un cigüeñal de un motor de cuatro cilindros de hierro fundido
pero el momento de las pruebas sólo desgarraba el material pero no lo
trituraba completamente, entonces se modificó a cuchillas que se fabricaron
en placas de Acero SAE4130 con la ficha técnica detallada en la tabla 9, se
utilizaron placas de 15 mm de espesor con seis filos cortantes que son los que
se encargaran de triturar el caucho del neumático.
Tabla 9. Ficha técnica acero SAE 4130
Composición Química
%C %Mn %Si %Cr %Mo %P %S
0,38-0,43
0,75-1,00
0,15-0,35
0,80-1,10 0,15-0,25 0,035 0,04
Propiedades mecánicas Acero 4130
Dureza estado bonificado (HRc)
Esfuerzo fluencia
(Kg/mm²)
Esfuerzo tracción (Kg/mm²) Elongación %
28-34 60-74 95-105 18
(Fortuna, 2012)
Proceso de corte o cizallamiento: Las dos cuchillas penetran al mismo tiempo,
desde abajo y desde arriba, en el material y lo comprimen al principio en el
punto de corte.
Al seguir penetrando es cuando empieza el verdadero “cizallamiento” o “corte”
es decir el desplazamiento y la separación de partículas bajo el esfuerzo
cortante de los filos de las cuchillas. (Bendix, 2012)
Al principio penetran las cuchillas entallando el material, inmediatamente
después se desgarra, no obstante en el plano de corte la selección restante:
el material es cortado con formación de rebaba (superficie de corte áspera).
Las dos partes de la pieza se curvan a consecuencia de que las cuchillas
siguen penetrando hasta que desgarran el material y lo trituran en pedazos
pequeños que serán los resultados. (Bendix, 2012)
En la figura 18 se observa el proceso de corte o cizallamiento.
29
Figura 18. Proceso de corte o cizallamiento
(Bendix, 2012)
Para determinar las fuerzas de corte fue necesario realizar mediciones del
desgarre de un neumático mediante una cizalla mecánica y un dinamómetro
manual tomando varias mediciones indicado en el anexo 5 y6. Realizando un
promedio de la fuerza aplicada para cortar el caucho vulcanizado, así
determinar los esfuerzos de corte, dando como resultado los siguientes
valores de la tabla 10:
Tabla 10. Mediciones de fuerza
# Mediciones Kg. Lb.
1 32 71
2 30 66
3 34 75
4 32 71
5 34 75
6 34 75
7 32 71
8 30 66
9 32 71
10 34 75
11 32 71
12 34 75
13 32 71
14 34 75
15 34 75
16 34 75
17 32 71
18 30 66
19 32 71
20 17 37
TOTAL 635 1400
PROMEDIO 31,75 70
30
Para calcular la fuerza total de corte que se necesita se debe multiplicar por
las cuatro cuchillas que actuaran sobre cada eje.
𝐹𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑘𝑔 = 31,75𝑘𝑔 × 4 = 127 𝑘𝑔
𝐹𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝐿𝑏𝑠 = 70 𝑙𝑏𝑠 × 4 = 280 𝑙𝑏𝑠
Por un factor de seguridad se toma la fuerza total de corte por un valor de 200
kg.
Con la tabla de mediciones de fuerzas se calcula el torque que realizara el eje
en cada cuchilla de corte, se calcula con la ecuación [7]:
F= 127 kg
d= 7cm.
𝐹 = 127 𝑘𝑔 ×9,8𝑁
1𝑘𝑔= 1244,6 𝑁
𝑑 = 7𝑐𝑚 ×1𝑚
100𝑐𝑚= 0,07 𝑚
𝑇 = 1244,60 𝑁 × 0,07𝑚 = 87,12 𝐽𝑜𝑢𝑙𝑒
Con factor de seguridad:
𝐹 = 200𝑘𝑔 ×9,8𝑁
1𝐾𝑔= 1960 𝑁
𝑇 = 1960𝑁 × 0,07𝑚 = 137,20 𝐽𝑜𝑢𝑙𝑒
Aplicando la fórmula [11] propuesta en la introducción y con los datos
anteriormente calculados, se obtiene el esfuerzo cortante que tendrá que
soportar la cuchilla de la trituradora el momento del corte:
𝐹 = 𝑉 = 1960 𝑁
El área transversal de la cuchilla es un rectángulo por eso se utiliza la siguiente
fórmula para determinar su área:
𝐴 = 𝑏 × ℎ
𝐴 = 0.013𝑚 × 0,005𝑚 = 0,000065𝑚2
𝜏 =1960 𝑁
0,000065 𝑚2= 30153846,15 𝑃𝑎
Con factor de seguridad, ecuación [5]:
𝑁 =0,5 × 68645500 𝑃𝑎
30153846,15 𝑃𝑎= 1,14
31
De acuerdo con la tabla de especificaciones del material utilizado para la
cuchilla su resistencia a la fluencia esta entre 60-74𝐾𝑔
𝑚𝑚2 se toma un valor
promedio de 70 𝐾𝑔
𝑚𝑚2 que son 686455000 Pa que cumple con los
requerimientos solicitados para cortar el material ya que el esfuerzo cortante
que realizara la cuchilla es de 30153846,15 Pa, está dentro de la mitad del
límite de fluencia del material para que soporte dicha carga.
Calculando la relación entre la mitad del límite de fluencia y el esfuerzo
máximo de corte con la ecuación [12] se tiene que:
𝑁 =68645500 𝑃𝑎
30153846,15 𝑃𝑎= 2,28
Realizando las pruebas con una cizalla manual y el material que se va a utilizar
en el proyecto el factor de seguridad está dentro de los parámetros
establecidos.
En la tabla 11 se aprecia el factor de seguridad variando cargas aplicadas al
material.
Tabla 11. Factor de seguridad variando cargas
Ecuación
Esfuerzo máximo
(𝜏𝑚𝑎𝑥)
Cálculo
Resultado
𝑁 =0,50 × 𝑆𝑦
𝜏𝑚𝑎𝑥
1000000 Pa
𝑁 =0,50 × 6845500𝑃𝑎
100000𝑃𝑎
𝑁 = 3,42
𝑁 =0,50 × 𝑆𝑦
𝜏𝑚𝑎𝑥
1500000 Pa
𝑁 =0,50 × 6845500𝑃𝑎
1500000𝐺𝑃𝑎
𝑁 = 2,28
𝑁 =0,50 × 𝑆𝑦
𝜏𝑚𝑎𝑥
2000000 Pa
𝑁 =0,50 × 6845500𝑃𝑎
2000000𝑃𝑎
𝑁 = 1,71
𝑁 =0,50 × 𝑆𝑦
𝜏𝑚𝑎𝑥
2500000 Pa
𝑁 =0,50 × 6845500𝑃𝑎
2500000𝑃𝑎
𝑁 = 1,36
𝑁 =0,50 × 𝑆𝑦
𝜏𝑚𝑎𝑥
3000000 Pa
𝑁 =0,50 × 6845500𝑃𝑎
3000000𝑃𝑎
𝑁 = 1,14
𝑁 =0,50 × 𝑆𝑦
𝜏𝑚𝑎𝑥
3500000 Pa
𝑁 =0,50 × 6845500𝑃𝑎
3500000𝐺𝑃𝑎
𝑁 = 0,97 ≈ 1
32
El factor de seguridad variando cargas se lo realiza para llegar a 1 que sería
el mínimo que debe cumplir el componente para que trabaje de manera
segura en la máquina. El factor de seguridad con los cálculos de la máquina
es 2,27 es decir cumple para su operación el componente, las dimensiones y
diseño de cada cuchilla de la máquina figura 19.
Figura 19. Diseño de cuchilla
3.6.5 DISEÑO DEL EJE
El diseño del eje se lo realiza de acuerdo con los cálculos de fuerza que ejerce.
El material escogido para el eje es un acero SAE 8620 al Níquel-Cromo
Molibdeno que es utilizado para diseño de ejes de maquinaria, con sus
componentes en la tabla 12 y sus propiedades mecánicas en la tabla 13. Tiene
dureza superficial y gran tenacidad al núcleo. (SISA, 2013)
Tabla 12. Componentes acero SAE8620
Carbono Manganeso Fósforo Azufre Silicio Cromo Niquel Molibdeno
0,20% 0,80% 0,035% máx.
0,040% máx.
0,25% 0,50% 0,55% 0,20%
(Fortuna, 2012)
Tabla 13. Propiedades mecánicas del acero SAE8620
Carga Máxima 9060 Kgf
Resistencia a la tensión 101760 PSI
Límite a la cedencia 101091 PSI
Alargamiento 13%
Reducción de área 49
Dureza 197 HBN
(Coahuila, 2013)
33
Análisis del esfuerzo cortante torsional indicado en la figura 20, representando
las ecuaciones utilizadas en el área de un eje.
Las propiedades de las áreas se indican en la tabla 14.
Aplicando la ecuación [1] de la introducción para calcular el esfuerzo torsional
máximo del eje.
Figura 20. Análisis de esfuerzos en eje
(Mott, 2006)
𝜏𝑚𝑎𝑥 =𝑇𝑐
𝐽
Donde:
Tc: Radio de la superficie externa del eje
J: Momento polar de inercia (se calcula con formula de tablas).
𝑐 = 𝑟𝑎𝑑𝑖𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑒𝑗𝑒 =𝐷
2=
0,04𝑚
2= 0,02𝑚
Tabla 14. Propiedades de las áreas
(Mott, 2006)
34
𝐽 =𝐷4
32=
𝜋 × (0,04𝑚)4
32= 0,0000002513 𝑚4
𝜏𝑚𝑎𝑥 =68,60𝑁𝑚 × 0,02𝑚
0,0000002513𝑚4= 5459610,03 𝑃𝑎
𝜏𝑚𝑎𝑥 = 5459610,03 𝑃𝑎 ×0,000145038𝑃𝑆𝐼
1𝑃𝑎= 791,85 𝑃𝑆𝐼
Con factor de seguridad ecuación [5]:
𝑁 =0,5 × 101091𝑃𝑆𝐼
791,85𝑃𝑆𝐼= 63,83
El material escogido para el eje si soportaría el esfuerzo torsional ya que será
791,85 PSI en la máquina y el material soporta hasta 101091 PSI, dándonos
un factor de seguridad adecuado para soportar las cargas a las cuales será
sometido el componente.
En la tabla 15 se identifica el factor de seguridad aplicando diferentes cargas
al material.
Tabla 15. Factor de seguridad aplicando diferentes cargas
3.6.6 POTENCIA
La potencia del motor eléctrico se calcula con la ecuación [8] que se encuentra
en la introducción. El valor del torque ya se tiene calculado anteriormente y la
velocidad angular se determina mediante observación de una máquina
trituradora para luego reemplazar los datos.
Ecuación
Esfuerzo máximo (𝜏𝑚𝑎𝑥)
Cálculo
Resultado
𝑁 =0,50 × 𝑆𝑦
𝜏𝑚𝑎𝑥
10545,50 PSI
𝑁 =0,50 × 101091 𝑃𝑆𝐼
10545,50 𝑃𝑆𝐼
𝑁 = 4,79
𝑁 =0,50 × 𝑆𝑦
𝜏𝑚𝑎𝑥
20545,50 PSI
𝑁 =0,50 × 101091 𝑃𝑆𝐼
20545,50 𝑃𝑆𝐼
𝑁 = 2,46
𝑁 =0,50 × 𝑆𝑦
𝜏𝑚𝑎𝑥
30545,50 PSI
𝑁 =0,50 × 101091 𝑃𝑆𝐼
30545,50 𝑃𝑆𝐼
𝑁 = 1,65
𝑁 =0,50 × 𝑆𝑦
𝜏𝑚𝑎𝑥
40545,50 PSI
𝑁 =0,50 × 101091 𝑃𝑆𝐼
40545,50 𝑃𝑆𝐼
𝑁 = 1,25
𝑁 =0,50 × 𝑆𝑦
𝜏𝑚𝑎𝑥
50545,50 PSI
𝑁 =0,50 × 101091 𝑃𝑆𝐼
50545,50 𝑃𝑆𝐼
𝑁 = 1
35
Calculo de la potencia:
T= 137,20 Joule
w= 80 Rpm
𝑊 = 80𝑅𝑝𝑚 ×0,1047
𝑅𝑎𝑑𝑠
1𝑅𝑝𝑚= 8,38
𝑅𝑎𝑑
𝑠
𝑃 = 137,20 𝐽 × 8,38𝑅𝑎𝑑
𝑠= 1149,74 𝑊
𝑃 = 1149,74 𝑊 ×0,00134102 𝐻𝑝
1𝑊= 1,5 𝐻𝑝 ≈ 2 𝐻𝑝
La potencia del motor para el prototipo deberá ser de 2 Hp de potencia, por
un factor de seguridad se utilizó un motor de 3 Hp con 1700 Rpm que está
acoplado a una caja reductora 14:1 de engranajes que nos dará 120 Rpm de
giro de la máquina en la salida a los engranajes transmisores del torque hacia
los ejes y las cuchillas de la máquina que serán las encargadas de triturar el
material.
3.6.7 ANÁLISIS DE RODAMIENTOS Y CHAVETAS
Chavetas: Para poder seleccionar el tipo de chaveta se debe observar en la
tabla 14 que tiene las especificaciones para chavetas paralelas y se necesita
saber el diámetro del eje que en este caso es de 40 mm mediante el uso de
la tabla 16 que nos indicara las medidas de chaveta para utilizar. Eje #1= 40 mm 4,19 Ni
Eje #2= 40 mm 4,19 Nm
Tabla 16. Chavetero para chavetas paralelas
(EIS, 2011)
36
Chaveta 12x8 mm de acuerdo a la tabla
b= 12 mm
h= 8 mm
Rodamientos, la tabla de especificaciones se detalla en la tabla 17.
Tabla 17. Tabla de aplicaciones rodamientos SKF
Dimensiones principales
Capacidad de cargas básicas
Límite de
fatiga Puntuaciones de velocidad Peso Designación
d D B Dinámica
C Estática
Co Pu Grasa Aceite Rodamiento seleccionado
mm mm mm N N N r/MIN r/min Kg
40 52 7 4940 3450 186 10000 14000 0,03 SKF 61808 Y
40 62 12 13800 9300 425 10000 13000 0,12 SKF 61908
40 68 9 13300 9150 440 9500 12000 0,13 SKF 16008
40 68 15 16800 11600 490 9500 12000 0,19 SKF 6008
40 80 18 30700 19000 800 8500 10000 0,37 SKF 6208
ETN9
40 80 18 35800 20800 800 8500 10000 0,34 SKF 6208
ETN9
40 90 23 41000 24000 1020 7500 9000 0,63 SKF 6308
40 110 27 63700 36500 1530 6700 8000 1,25 SKF 6408
45 58 7 6050 4300 228 9500 12000 0,04 SKF 61809 Y
45 68 12 14000 9800 465 9000 11000 0,14 SKF 61909
45 75 10 15600 10800 520 9000 11000 0,17 SKF 16009
45 75 16 20800 14600 640 9000 11000 0,25 SKF 6009
45 85 19 33200 21600 915 7500 9000 0,41 SKF 6209
(IV, 2005)
Se toma el rodamiento SKF61808 para realizar los cálculos correspondientes
con la de la ecuación [9] para la carga dinámica equivalente y [10] para la vida
nominal del rodamiento.
Donde C=4940N y P=980N de acuerdo a la tabla 17 y determinar si es apto
para el prototipo.
La carga radial y axial del rodamiento es la misma en la máquina del prototipo
para calcular esta carga lo hacemos con la ecuación del torque [7] y
despejamos la fuerza para obtener la ecuación que necesitamos.
𝑇 = 𝐹 × 𝑟
𝐹 =𝑇
𝑟
𝐹 = 1960𝑁 × 0,02𝑚
𝐹 = 39,2 𝑁𝑚
Y se aplica la ecuación [9]:
37
𝑃 = 𝑋𝐹𝑟 + 𝑌𝐹𝑎
𝑃 = (1 × 39,2𝑁𝑚) + (1 × 39,2𝑁𝑚)
𝑃 = 78,4𝑁
Los valores de X y Y Vale 1 (uno) para rodamientos autoalineantes o cuando
gira el anillo interior y 1.2 cuando gira el anillo exterior.
Esta es la carga equivalente que soportara el rodamiento con la máquina en
funcionamiento.
Para saber su vida útil con respecto a las revoluciones que soporta.
𝐿10 = (4940𝑁
980𝑁)
3
= 128,09 ≈ 128 𝑚𝑖𝑙𝑙𝑜𝑛𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑣𝑜𝑙𝑢𝑐𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠
En el caso de que el rodamiento funcione a una velocidad constante se puede
expresar la duración nominal en horas mediante la ecuación [10]:
𝐿10ℎ =106
60 × 𝑁× (
𝐶
𝑃)
𝑛
Siendo N la velocidad de giro en revoluciones por minuto.
𝐿10ℎ =106
60 × 120× 128
𝐿10ℎ =1000000
7200 × 128
𝐿10 = 177777,77 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠
La vida útil del rodamiento está dado por horas de funcionamiento y este es
el tiempo que funcionara antes de que sufra algún daño en la máquina
asegurando un diseño fiable que soportara de acuerdo a las horas de trabajo
que tenga la máquina en operaciones de triturado del material dependiendo
también de cuanto material triture.
3.6.8 DISEÑO DE CARCASA
Para el diseño de la carcasa o caja de trituración de la máquina prototipo se
utilizará cuatro placas de acero grueso que van atornilladas entre sí con
pernos de cabeza tipo Allen, ajustados con la herramienta adecuada.
Las dimensiones fueron tomadas referente a una máquina fabricada, el
material y grosor de la placa de la misma manera solo que con menores
dimensiones para aplicarla al diseño ya definitivo de la trituradora de
neumáticos.
En la figura 21 se observa dicha caja con sus respectivas dimensiones.
38
Figura 21. Vista frontal, superior y lateral de carcasa.
Las placas serán atornilladas con pernos 3/8’’ x 3/4’’ pulgadas con cabeza tipo
Allen.
Para su bastidor se utilizó tubo cuadrado de 30 mm x 2 mm (1 ¼’’) soldado
con electrodo 6011, la tolva está formada por planchas de acero de 10mm de
espesor.
En la figura 22 se observa el diseño de la estructura metálica con sus
dimensiones.
Figura 22. Vista frontal, superior y lateral de bastidor.
39
3.6.9 DISEÑO DE ENGRANAJES
Los datos necesarios para el diseño de los engranajes el módulo (m) y el
número de dientes (z).
El módulo del engranaje es una magnitud que se define como la relación entre
el diámetro primitivo en milímetros y el número de dientes, en el caso del
diseño de los engranajes se tiene un diámetro primitivo de 109mm y el número
de dientes son 30 de acuerdo a la máquina modelo que fue tomada como
guía, haciendo el cálculo se tendría lo siguiente:
𝑚 =109
30
𝑚 = 3,63
El módulo del engranaje es de 3,63.
Para calcular la velocidad angular (w) se despeja de la ecuación [2]:
𝑃 = 𝑇. 𝑤
Despejando:
𝑤 =𝑃
𝑇
𝑃 = 3𝐻𝑝.745,7𝑊
1𝐻𝑝= 2237,10 𝑊
𝑇 = 137,20 𝑁. 𝑚
𝑤 = 2237,10 𝑊
137,20 𝐽= 16,30 𝑟𝑎𝑑/𝑠
El cálculo de la fuerza tangencial (Ft) se lo realiza despejando la ecuación [3].
𝑇 = 𝐹𝑡. 𝑟
𝐹𝑡 =𝑇
𝑟
𝑟 =109𝑚𝑚
2= 54,5 𝑚𝑚.
0,001𝑚
1𝑚𝑚= 0,0545𝑚
𝐹𝑡 =137,20 𝑁. 𝑚
0,0545𝑚= 2517,43 𝑁
Conversión a kilogramos fuerza el esfuerzo tangencial:
𝐹𝑡 = 2517,43𝑁 .0,101972 𝐾𝑔𝑓
1𝑁 = 256,71 𝐾𝑔𝑓
40
De acuerdo con las mediciones de fuerza realizada se necesitará un esfuerzo
de 200kgf es decir el engranaje es apto para trabajar ya que su esfuerzo
tangencial máximo será de 256,71 Kgf.
Las dimensiones del engranaje se puede observar en la figura 23.
Figura 23. Diseño de engranajes
3.7 SISTEMA DE TRANSMISIÓN
El sistema de transmisión en su primera etapa se realizó con un sistema de
poleas conectadas entre el motor eléctrico y el engranaje conducido pero
patinó la banda.
Se cambió a sistema de piñones o catalinas y cadena conectadas
respectivamente hacia el motor eléctrico y el engranaje conducido,
brindándole una mayor tracción. Este sistema de tracción es utilizado para
bajas revoluciones como trabaja la máquina trituradora de neumáticos,
obteniendo un sistema fiable y sin interrupciones.
La cadena se asegura a través de candados de acuerdo a la longitud que
necesita el sistema de transmisión con un paso de diente grueso.
3.8 PLANOS Y MEDIDAS DE LA MÁQUINA
Como se puede observar en la figura 24 se observa el modelaje de la
máquina prototipo triturador de neumáticos en el programa de computadora
“Solidworks” en una vista 3D.
41
En las siguientes figuras se observan las diferentes vistas de la máquina, en
la figura 25 se observa la vista frontal, en la figura 26 la vista lateral y en la
figura 27 la vista superior de la máquina.
Figura 24. Diagrama de máquina en 3D
A continuación se detalla los componentes de la máquina:
1. Motor eléctrico
2. Caja reductora de velocidad 14:1
3. Tolva
4. Cuchilla
5. Engranaje
6. Eje
7. Cadena
8. Catalina
9. Estructura metálica
1
2
3
5
7 8
9
4
6
7
8
42
Figura 25. Vista frontal de la máquina con medidas en milímetros
Figura 26. Vista lateral de la máquina con medidas en milímetros
43
Figura 27. Vista superior de la máquina con medidas en milímetros
3.9 SIMULACIÓN CON APLICACIÓN DE SOLIDWORKS
En la figura 28 se observa las cargas aplicadas en el ensamblaje final de la
máquina.
Figura 28. Ensamblaje final
44
En la tabla 18 se presenta las propiedades del material:
Tabla 18. Propiedades del material de la cuchilla
Referencia de modelo Propiedades
Nombre: AISI 4130 Acero recocido a 865C
Tipo de modelo: Isotrópico elástico lineal
Criterio de error predeterminado:
Desconocido
Límite elástico: 4.6e+008 N/m^2 Límite de tracción: 5.6e+008 N/m^2 Módulo elástico: 2.05e+011 N/m^2 Coeficiente de Poisson:
0.285
Densidad: 7850 kg/m^3 Módulo cortante: 8e+010 N/m^2
Nombre: 1.8159 (51CrV4) Tipo de modelo: Isotrópico elástico
lineal Criterio de error predeterminado:
Desconocido
Límite elástico: 7e+008 N/m^2 Límite de tracción: 9e+008 N/m^2 Módulo elástico: 2.1e+011 N/m^2 Coeficiente de Poisson:
0.28
Densidad: 7800 kg/m^3 Módulo cortante: 7.9e+010 N/m^2
Se analiza el material de la cuchilla ya que es el elemento que más esfuerzo
tendrá que soportar el momento de triturar el caucho del neumático.
En la tabla 19 se representan las cargas y sujeciones que soportará el
elemento el momento que esté operando obteniendo de esta manera las
fuerzas de reacción.
45
Tabla 19. Cargas y sujeciones a las cuchillas
Nombre de sujeción
Imagen de sujeción Detalles de sujeción
Fijo-1
Entidades: 1 cara(s)
Tipo: Geometría fija
Fuerzas resultantes
Componentes X Y Z Resultante
Fuerza de reacción(N)
-18.6459 -2860.35 925.131 3006.3
Momento de reacción(N.m)
0 0 0 0
Rodillo/Control
deslizante-1
Entidades: 2 cara(s)
Tipo: Rodillo/Control deslizante
Fuerzas resultantes
Componentes X Y Z Resultante
Fuerza de reacción(N)
18.6981
0 0 18.6981
Momento de reacción(N.m)
0 0 0 0
Nombre de carga
Imagen de carga Detalles de carga
Torsión-1
Entidades: 1 cara(s)
Referencia: Cara< 1 > Tipo: Aplicar momento torsor
Valor: 137 N.m
Torsión-2
Entidades: 1 cara(s)
Referencia: Cara< 1 > Tipo: Aplicar momento torsor
Valor: -137 N.m
Fuerza-2
Entidades: 16 cara(s)
Tipo: Aplicar fuerza normal Valor: 960 N
46
En la tabla 20 se identifica el contacto entre componentes de la máquina.
Tabla 20. Información de contacto
Contacto Imagen del contacto Propiedades del contacto
Contacto global
Tipo: Unión rígida
Componentes: 1 componente(s)
Opciones: Mallado compatible
Contacto entre
componentes-1
Tipo: Unión rígida
Componentes: 5 Sólido(s)
Opciones: Mallado compatible
Contacto entre
componentes-2
Tipo: Unión rígida
Componentes: 5 Sólido(s)
Opciones: Mallado compatible
En la tabla 21 se observa el mallado, los nodos y las cargas para el ensayo
de prueba.
Tabla 21. Información de malla
Tipo de malla Malla sólida
Mallador utilizado: Malla estándar
Transición automática: Desactivar
Incluir bucles automáticos de malla: Desactivar
Puntos jacobianos 4 Puntos
Tamaño de elementos 16.5772 mm
Tolerancia 0.828859 mm
Calidad de malla Elementos cuadráticos de alto orden
Regenerar la malla de piezas fallidas con malla incompatible
Desactivar
Número total de nodos 25190
Número total de elementos 13376
Cociente máximo de aspecto 14.858
% de elementos cuyo cociente de aspecto es < 3
92.9
% de elementos cuyo cociente de aspecto es > 10
0.0822
% de elementos distorsionados (Jacobiana)
0
Tiempo para completar la malla (hh;mm;ss):
00:00:06
47
En la figura 29 se identifican las mallas formadas en la máquina ya en su
ensamblaje final.
Figura 29. Mallas formadas en máquina ensamblada
En la tabla 22 se indica las fuerzas resultantes del estudio:
Tabla 22. Fuerzas resultantes
Conjunto de
selecciones Unidades Sum X
Sum Y
Sum Z
Resultante
Todo el modelo
N 0.0520973 -2860.35 925.131 3006.24
En la figura 30, 31 y 32 se reflejan los resultados del estudio realizado,
mediante la simulación indicada por una escala de colores siendo el
esfuerzo más fuerte el color rojo y el más débil el color azul.
Figura 30. Simulación de esfuerzos
48
Figura 31. Simulación de esfuerzos 2
Figura 32. Simulación de esfuerzos 3
49
Figura 33. Simulación de factor de seguridad
El resultado ilustrado en la figura 33 de la simulación estática mediante el
programa solidworks es apto para soportar los diferentes esfuerzos cuando
opere la máquina los mayores esfuerzos están dados en los filos de las
cuchillas que son los encargados de desgarrar y triturar el material, la
simulación con el factor de seguridad es óptimo para su funcionalidad ya que
está dentro de la escala de 1 y 1,2.
3.10 MATERIALES Y PROCESOS
Los materiales utilizados en el proceso de construcción de la máquina
prototipo triturador de neumáticos son los siguientes:
Placas de acero de diferentes dimensiones y espesores.
Pernos diferentes dimensiones con cabeza tipo Allen y cabeza normal.
Tubo cuadrado para estructura.
Engranajes normales y para cadena.
Cadena.
Motor eléctrico.
Cable de conducción eléctrica.
Botonera de accionamiento.
Ejes de transmisión.
Chaveteros.
Prisioneros.
Torno.
Soldadora.
50
Oxicorte.
Los procesos utilizados en la construcción fueron los siguientes:
Maquinado de roscas de diferente diámetro en placas de acero.
Perforado y acanalados para rodamientos y chaveteros.
Centrado de engranajes.
Redondeado y pulido de ejes.
Soldadura de estructura.
Corte y diseño de placas.
Ajuste de piezas.
3.11 CONSTRUCCIÓN Y ENSAYOS
La construcción se partió teniendo todos los materiales antes mencionados
tomando en cuenta las dimensiones de los planos.
Las placas para las cajas fueron cortadas con la medida correspondiente en
oxicorte indicado en el anexo 7 para luego ser perforadas con su respectivo
roscado para ser ancladas (anexo 8), una vez realizado eso se procedió a
realizar los canales para los rodamientos y los ejes en donde estarían
alojados, los ejes fueron redondeados ya que de fábrica vienen con un
ovalamiento que producirían oscilaciones en el funcionamiento de la máquina
y el maquinado del diámetro para que trabaje en el rodamiento.
Inicialmente las cuchillas fueron los contrapesos de un cigüeñal de un motor
de 4 cilindros cortados y maquinados para trabajar en los ejes con chaveteros
y prisioneros.
En un lado de los ejes se maquino el roscado para sujetar los engranajes de
transmisión y así mismo el canal para el chavetero de las cuchillas.
En los costados de las placas laterales de la máquina se realizó el perforado
para el anclaje de unas cuchillas fijas que van intercaladas con las cuchillas
giratorias.
En el motor eléctrico se realizó el diseño de una manzana para el anclaje de
la polea de transmisión que fue en el primer diseño.
El diseño estructural de la máquina se realizó en tubo cuadrado estructural de
30 mm x 2 mm (1 ¼) ’’ soldado con electrodo A6011 y en él se acopló toda la
máquina y el motor eléctrico anclados con pernos de cabeza normal.
En las primeras pruebas al meter a triturar la sección del neumático el sistema
de transmisión patino y el material se quedó en el medio de las cuchillas sin
poder ser triturado, se cambió al sistema de engranajes de cadena y cadena
para que no exista patinaje en el sistema de transmisión, la segunda prueba
se la realizo y el material solo de aplastaba pero no se desgarro o trituro las
cuchillas de la máquina no tenían el filo suficiente u había mucho espacio entre
las cuchillas y los ejes, rediseñando las cuchillas con nuevas medias y filos
cortantes más agresivos, se inició el tercer ensayo, una vez ensambladas las
nuevas cuchillas en la máquina.
51
Análisis de resultados: La máquina se construyó a partir de un diseño inicial
con cuchillas hechas con los contrapesos de un cigüeñal de un motor de
cuatro cilindros como se observa en la imagen 34 y en el anexo 1.
Figura 34. Diseño inicial de cuchillas
Estos contrapesos fueron cortados con la ayuda de una amoladora y un disco
de corte para hierro, para sacarlos de su eje de fábrica, indicados en la figura
35 Y 36.
Figura 35. Amoladora y cigüeñal a cortar
52
Figura 36. Corte de contrapesos de cigüeñal
Una vez realizado ya los cortes de las ocho cuchillas iniciales se les realizo el
chavetero para su acople en los ejes de tracción que se observa en la figura
37.
Figura 37. Cuchillas iniciales listas para montar en eje
53
Diseño de las cuatro cuchillas en un eje con su respectivo chavetero, figura
38 Y 39.
Figura 38. Cuchilla montada en eje
Figura 39. Cuchillas montadas en eje de transmisión
54
Una vez que ya estaban listos los ejes con las cuchillas se empezó a montar
la caja donde irían montados y los ejes con sus respectivos rodamientos para
su movimiento giratorio, figura 40.
Figura 40. Ejes montados en caja de trituración
Teniendo la caja lista se arma con los ejes, cuchillas y rodamientos
completamente el diseño de la caja de trituración, como se observa en la figura
41.
Figura 41. Caja de trituración ensamblada
55
Los engranajes utilizados para el diseño inicial fueron los indicados en la figura
42 y en el anexo 2.
Figura 42. Engranajes de primer diseño
Con transmisión de fuerza directa engranaje-engranaje y conectadas
mediante poleas al motor eléctrico con potencia de 1 Hp, figura 43.
Figura 43. Sistema de transmisión inicial (polea-banda)
56
En este primer ensayo al poner el material para triturar patino la banda y se
cambió el sistema de transmisión a cadena como se observa en la figura 44.
Figura 44. Sistema de transmisión por cadena
Con la transmisión por cadena al ingresar el material para trituración solo
pasaba desgarrándolo levemente pero no lo trituraba y el motor llego un punto
en el que se quedó trabado ya que no tenía el suficiente torque para triturar
dicho material, con este segundo ensayo se tuvo que rediseñar las cuchillas y
cambiar el motor eléctrico.
Las nuevas cuchillas se diseñaron con 6 filos cortantes y con medidas más
grandes que las iniciales, figura 45.
Figura 45. Diseño de nuevas cuchillas
57
A las nuevas cuchillas se les realizo el chavetero y la guía para el eje, también
se les afilo sus filos cortantes.
El nuevo motor con un suficiente torque para triturar el material, por un factor
de seguridad se utiliza un motor trifásico de 3 Hp de potencia con una caja
reductora 14:1, que se observa en la figura 46.
Figura 46. Motor eléctrico de 3 Hp de potencia
Una vez acoplado el nuevo motor y las nuevas cuchillas a la máquina se
realiza el tercer ensayo en donde el material ya se tritura y se obtiene los
primeros resultados.
Se ingresa una sección de neumático a la trituradora, que fue cortada
manualmente indicada en el anexo 3 y 4, con dimensiones de 6cm x 8,5cm
indicada en la figura 47.
Figura 47. Sección de neumático a triturar
58
Y se obtuvo pedazos de trituración de 5cm x 3,5cm que se observa en la figura
48.
Figura 48. Pedazos de trituración inicial
Los pedazos obtenidos eran aun grandes para los resultados que se
esperaba, había un problema en los engranajes de transmisión ya que no
soportaron el torque del nuevo motor hasta que llegaron a su punto de
fractura, figura 49.
Figura 49. Fractura de engranaje
59
Se maquinó y fresó los nuevos engranajes de transmisión más robustos para
que soporten el torque del motor. Este fue el último paso para ya poner la
máquina a prueba con todos sus elementos armados, figura 50.
Figura 50. Máquina armada
Se puso en marcha al siguiente ensayo de la máquina que fue el definitivo, se
ingresó nuevamente secciones de neumático de 6cm x 8,5cm y los trituró
completamente la máquina dándonos los resultados esperados, los pedazos
que salieron de la trituración final fueron de 1,5cm x 2cm (figura 51), con este
último ensayo quedó la máquina lista para su operación.
Figura 51. Pedazos de trituración finales
Los pedazos triturados son los resultados esperados, indicando que la
máquina esta lista para realizar su trabajo y su diseño es el adecuado para
soportar las cargas y esfuerzos. Quedando operativa y lista para seguir
60
trabajando con un diseño confiable y seguro. En la tabla 23 se representa el
análisis de resultados realizados en la máquina prototipo trituradora.
Tabla 23. Análisis de resultados y ensayos de máquina
Número de
ensayo
Sección de
neumático a triturar
(mm)
Resultados de
trituración (mm)
Observación
1
60x85
60x85
Sistema de transmisión
patino (poleas).
2
60x85
60x85
Las cuchillas no
trituraban el material
solo lo desgarraban
3
60x85
60x85
El motor no tenía el
suficiente torque para
triturar.
4
60x85
50x35
Engranajes no
soportaron nuevo
torque del motor
(fractura).
5
60x85
15x20
Resultados esperados
diseño final de la
máquina.
La trituración de los neumáticos usados se lo realiza mediante plantas de
reciclaje para proceder a separar sus componentes como el acero, textil y
caucho; el caucho se le procede a triturar de esta acción se obtiene pedazos
de caucho de diferente granulometría y de acuerdo a esto se da el uso, en la
tabla 24 se observa las diferentes dimensiones de grano de caucho triturado.
Tabla 24. Especificaciones de granulometría
Tipo de grano Dimensiones
Polvo Hasta 0,7 mm
Grano de 2 mm Material entre 0,8 y 2 mm
Grano de 3,5 mm Material entre 2 y 3,5 mm
Grano de 5 mm Material entre 3,5 y 5 mm
Grano de 20 mm Material entre 10 y 20 mm
(Naranjo, 2015)
Los resultados de la máquina prototipo están dentro de la granulometría
especificada en la tabla de granulometría aplicada para la trituración de
neumáticos, los pedazos de caucho fueron de 20 mm y cumple con las
especificaciones de material de caucho triturado.
4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
61
4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
4.1 CONCLUSIONES
Este proyecto obtuvo el prototipo de máquina para triturar partes de
neumáticos más utilizados en el distrito Metropolitano de Quito esto es en
vehículos livianos.
Se realizó el diseño para todos los componentes de la máquina aplicando
la teoría de resistencia y esfuerzo de materiales y luego se aplicó el
programa (Solidworks) para verificar el comportamiento de los elementos
y se verifico que el diseño si resiste las cargas que se necesita para los
neumáticos. La potencia calculada de 2 HP y el motor utilizado fue de 3 HP
por seguridad.
Este proyecto de investigación nos permitió concluir que la máquina
trituradora de neumáticos al ser un prototipo solo podrá triturar secciones
de neumáticos usados de cualquier tipo de vehículo liviano, moto o bicicleta
que no supere dimensiones de 6 cm x 15 cm y no ingresar un neumático
completo por su tamaño y capacidad.
Luego del diseño y las pruebas del programa Solidworks, el siguiente paso
fue construir el equipo que fue logrado después de algunos intentos
logrando obtener el prototipo final que procesa muestras de 6 cm x 8,5 y la
trituración con medidas de 1,5 cm x 2,5 cm.
Con la ayuda de un programa de computadora (Solidworks) se definió el
diseño inicial pero se tuvo cambios al no tener un dato exacto de la fuerza
para cortar el caucho vulcanizado sino solo una medida empírica, teniendo
que modificar parámetros hasta su diseño final.
Se realizaron tres pruebas de ensayo en donde se tuvo que modificar
parámetros como cuchillas, sistema de transmisión, motor y engranajes
hasta llegar a los resultados esperados de trituración de 20mm.
La máquina va a procesar hasta tamaños de 6cm x 15 cm para
aplicaciones de elementos en la industria automotriz y de construcción.
Las aplicaciones para este equipo en el área automotriz son: Bujes de
mesas, cauchos de barra estabilizadora y en pisos asfálticos.
Estos resultados de pedazos triturados es el primer paso para siguientes
procesos de triturados más finos que son aplicables para alfombras,
césped sintético, preparación de asfalto, y otras aplicaciones más de
mucho uso y disminuir este material contaminante. La máquina prototipo
también realizo pruebas con latas de aerosol, cartón y botellas de plástico
que también son reciclables y puede también tener uso para este tipo de
materiales no solo para secciones de caucho vulcanizado.
62
4.2 RECOMENDACIONES
Esta máquina es un paso previo para las aplicaciones de polvillo de caucho
ya que se necesitan procesos más finos y muestras en partículas de
menores dimensiones.
Para no tener que modificar el diseño de una máquina ya fabricada es
necesario hacer simulaciones en el programa de computadora para así
tener un solo diseño definitivo, no desperdiciar tiempo y recursos.
Guiarse en datos técnicos de máquinas ya fabricadas para optimizar
recursos y evitar fallas intentando probar alternativas riesgosas
técnicamente.
No escatimar precios o comprar piezas de menor calidad y valor ya que
pueden producir fallas y contratiempos.
Realizar el ensamble de la máquina con orden y técnica asegurando una
máquina operativa y bien armada.
Se debe hacer el diseño de una trituradora para obtener materia prima con
granulometría tipo polvo para posibilitar el uso de los productos de la
máquina en este proyecto.
Se necesita dominar el diseño de elementos, lo que garantiza un resultado
eficaz; tomando las recomendaciones de factor de seguridad.
5. BIBLIOGRAFÍA
63
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6. ANEXOS
66
6. ANEXOS
ANEXO 1
Diseño inicial de cuchillas
67
ANEXO 2
Diseño inicial de engranaje
68
ANEXO 3 Corte manual de secciones de neumáticos
69
ANEXO 4
Corte de secciones para pruebas de máquina
70
ANEXO 5
Medición de fuerza para corte de neumático usado
71
ANEXO 6
Medición de fuerza para cortar caucho vulcanizado
72
ANEXO 7
Corte de piezas para máquina en oxicorte
73
ANEXO 8
Anclaje de caja de trituración
74
ANEXO 9
Clasificación de los neumáticos según norma INEN
