Rediseño de un eje y rodamientos para un ventilador de tiro inducido en la empresa agroindustrial Tuman (página 2)

1.2.3 EXTENSION TERRITORIAL

Cuenta con una extensión territorial de 11,796.90 has, de las cuales más de 8,000 están dedicados al cultivo de la caña de azúcar; esta en el Centro del Valle Chancay – Lambayeque

TERRENOS AGRICOLAS DE CAÑA

EXTENSION TOTAL

TOTAL: 11796.90 Has

AREA GEOGRAFIA DE TUMAN

1.2.4. LIMITES GEOPOLITICOS

Sus límites geopolíticos son: por el norte con el Distrito de Manuel Antonio Mesones Muro (Provincia de Ferreñafe); por el este con el Distrito de Manuel Antonio Mesones Muro (Provincia de Ferreñafe) y el Distrito de Pátapo y Pucalá (Provincia de Chiclayo). Por el sur con el Distrito de Zaña (Provincia de Chiclayo) y por el oeste con los distritos de Reque, Pomalca y Picsi (Provincia de Chiclayo).

1.2.5 CLIMA

Las características del clima corresponden a la de desierto sub-tropical (cálido y seco).

• Precipitación: en el Valle bajo del Chancay es por lo general muy baja, siendo la máxima promedio mensual de 5,0 mm. Correspondiente al mes de marzo y nula en junio y julio. La característica más saltante en los registros de lluvia, es la de las lluvias relativamente fuertes ocurridas durante la primera mitad de 1983; se registró en ese año un total de 577 mm. durante los cuatro primeros meses. Asimismo funcionarios de la estación indicaron que en los primeros meses de 1998 durante el "Fenómeno El Niño" se registró una precipitación máxima de 783 mm.

* Temperatura: las temperaturas atmosféricas son moderadamente altas durante lodo el año, con promedios mensuales que varían entre los 24,9 °C en febrero y los 19 °C en agosto; generalmente las temperaturas extremas están comprendidas en el rango délos 15°Cy 33 °C.

Durante el periodo de setiembre-1982 a julio-1983 y de Diciembre–1997 a Agosto-1998, debido al "Fenómeno El Niño", se registraron temperaturas mucho más altas de lo normal en casi todos los valles de las costas del Perú.

• Humedad: es casi constante durante todo el año, variando de 62,9% en diciembre a 72,6% en agosto.

• SUPERFICIE COSECHADA Y PRODUCCION NACIONAL- REGIONAL DE LA CAÑA DE AZUCAR

El rendimiento por ha de caña de azúcar es bajo y ha fluctuado en el período por las condiciones climáticas ligadas al fenómeno del Niño. El rendimiento promedio para el periodo fue de 106 t/ha, llegando a registrarse el nivel mas bajo en 1993, con 91.18 t/ha. En los últimos años los rendimientos han tendido a recuperarse.

Rendimiento Promedio Nacional de Caña de Azúcar 1990 – 2001

En los últimos años el índice de eficiencia de fábrica se ha incrementado en casi todas las empresas productoras de azúcar.La producción Nacional de azúcar proviene de 12 ingenios azucareros (entre cooperativas y sociedades anónimas) ubicados principalmente en el Norte del país. Los principales ingenios son: Casagrande, Tuman, y Pomalca que concentran el 64% de la producción de azúcar. Los ingenios producen azúcar rubia y blanca refinada y doméstica. La producción es consumida internamente porque la demanda es superior a la oferta.

Las empresas azucareras están experimentando cambios sustantivos a nivel de la gestión y la producción. En 1996 con la Ley de Saneamiento Económico Financiero de las Empresas Agrarias Azucareras se comenzó a resolver los problemas e impulsó el modelo de las Sociedades Anónimas, además atrajo inversionistas nacionales y extranjeros. Actualmente se encuentran los grupos nacionales Mur y Picasso– Candamo que han adquirido acciones de las cooperativas Paramonga y San Jacinto. La situación en que se encuentran las diferentes empresas se resume a continuación.

La producción nacional en el año 2006 es aún baja respecto al año 2003, llegando a un nivel de aproximadamente 7.2 millones de toneladas. Esta caída fue más notoria en el año 2005 cuya producción fue de 6.3 millones de toneladas, en el periodo 2000-2006. La superficie cosechada de caña de azúcar subió pasando de 64 mil has. en el año 2000 a 77 mil has. en el año 2003 y luego bajó a 66 mil has. en el 2006. Sin embargo en el año 2001 llegó a solamente 60 mil has. siendo la más baja del periodo 2000-2006

Gráfico Nº3: Superficie cosechada (Has.) Vs. Producción (Toneladas) de caña de azúcar 2000 – 2006.

Cuadro N°1: Superficie cosecha y Producción de Caña de Azúcar 2000-2006

Fuente: MINAG – DGIA

El rendimiento promedio para el período del año 2006 fue de 109.6 t/ha., llegando a registrarse el nivel más bajo en el 2004 con 97.4 t/ha. En los últimos años los rendimientos tienden a recuperarse.

Cuadro N°2: Rendimiento Promedio Caña de Azúcar (t/ha)

Fuente: MINAG – DGIA

1.3.1. PRODUCCION REGIONAL Principales Departamentos Productores. La caña de azúcar se cultiva en 5 departamentos y el 77 % se encuentra en la costa norte. La Libertad destaca como primer productor de caña de azúcar a nivel nacional con un 46% de la producción, Lambayeque con un 23% es el segundo mayor productor. Gráfico Nº4: Producción de caña de azúcar por departamento (%) 2006

Fuente: MINAG-DGIA

Variedades de Caña de Azúcar. Las principales variedades de azúcar que se cultivan en el Perú son 18. Estas variedades, difieren en características como brotamiento, formación de macollo, crecimiento, acamamiento, riqueza de pol y capacidad soquera. Las variedades de brote más rápido son la H44 – 3098, H50 – 7209, H52 – 4610, H55 – 8248.

Cuadro N°3 Variedades de Caña de Azúcar en el Perú

Fuente: Empresas Azucareras Agrarias

Un aspecto a resaltar es la participación de los sembradores independientes, es decir aquellos agricultores que siembran la caña en campos que no son de las empresas agroindustriales. Así tenemos que para el año 2000 los sembradores independientes poseían el 34% de la superficie cosechada de caña de azúcar, mientras que el 66% restante se encontraba en manos de las empresas agroindustriales. En el año 2006 la situación no cambió mucho los sembradores tuvieron el 36.2% y las empresas el 63.8%.

Gráfico Nº5: Superficie Cosechada de caña de azúcar 2006

1.3.2. CADENA DE PRODUCCION GENERICA DE LA CAÑA DE AZUCAR

1.3.3. COSTO REFERENCIAL DE PRODUCCION POR HECTAREA DE CULTIVO: CAÑA DE AZUCAR INSTALACION, REGION LAMBAYEQUE.

DEPARTAMENTO: Lambayeque SUPERFICIE: 1 HA

CULTIVO: CAÑA AZÚCAR COSTOS A LA FECHA: 02/08/08

VARIEDAD: H-50 NIVEL TECNOLÓGICO: Medio

TIPO DE CAMBIO $ : 2.9 Nuevos Soles RENDIMIENTO (TM.. / Ha) : 115,000

FECHA: 02/08/08 CLASE CULTIVO: INSTALACIÓN

Resultado Económico.

1.4.- CICLO PRODUCTIVO EN LA EAI TUMAN – DIAGRAMA DE PROCESO

1.4.1 FABRICACION DEL AZUCAR EN LA EAI TUMAN

A).-TRANSPORTE DE LA CAÑA

La caña es transportada del campo a la fábrica a través de trailers para su posterior pesado.

Los trailers cuentan con las siguientes características

Capacidad : 25 Ton.

-Largo : 39'-7 1/2" (12,08 m.)

-Ancho :10'-6" (2,30 m.)

• Profundidad : 9' – 10 3/4" (3.02 m.) en el centro

• Potencia : 335 HP Camiones OSHKOSH (Motor Caterpillar).

225 HP camiones VOLVO

B).-PESADO DE LA CAÑA

Aquí ya se comienza a controlar la producción de azúcar.

Para esta labor la empresa cuenta con una balanza semi automática, marca FAIRBANKS MORSE; con capacidad de 60 toneladas con plataforma de 18 metros de largo por 4 de ancho.

C).- DESCARGADO DE LA CAÑA

Después de pesar la caña de azúcar los TRAYLERS se colocan al pie de la GRUA HILO con capacidad de 28 toneladas que descarga la caña de los traylers hacia la mesa alimentadora que tiene una capacidad de 80 Tn. En tuman existen 2 mesas alimentadoras.

D).- PREPARACION Y LAVADO DE LA CAÑA

(SEPARADOR DE TIERRA)

La caña proveniente del campo llega sumamente lleno de tierra.

La fábrica cuenta con un sistema de lavado en seco y con aire comprimida.

Cuenta con siete rodillos que son accionados por un motor reductor.

Dos ventiladores de cajas cerradas por la que circula aire a gran presión.

La tierra se elimina finalmente por zarandeo, para luego ser transportaba por unas fajas conductoras.

Componentes del sistema de Lavado en seco

• Siete rodillos de 22 cm. de diámetro. Estos rodillos son accionados por motor reductor de 20HP. La velocidad a la que giran los rodillos es de 85 revoluciones por minuto.

• -Dos ventiladores de caja cerradas por las que circula aire a gran presión.

MAQUINARIA PARA LA PREPARACION DE LA CAÑA

• 1. Cuchillas picadoras

2.- Nivelador o kiker.

3.- Desfibrador

E).- MOLIENDA DE LA CAÑA

Está compuesto por los equipos de extracción, desmenuzadoras y molinos que son vírgenes, masas, chumaceras (bronce), soporte de las cuchillas, raspadores, coronas y las tapas superiores con los cilindros de las presiones hidráulicas.

En esta etapa es donde se obtiene el jugo de la caña para ello se muele la caña mediante el trapiche que se compone de: cinco molinos de tres rodillos o masa cada uno en total suman quince masas.

Características de los molinos

Marca: Mirrilees Watson y Fulton

Construcción: Acero fundido

Instalación: 1948

Presión: 1º molino 2,500 libras de presión por pulgada cuadrada.

En el quinto molino es de 3,500libras de presión por pulgada cuadrada.

Funcionamiento

El trapiche es accionado por tres turbinas a vapor:

La turbina Nº 1 mueve al primer molino

-La turbina Nº 2 mueve los molinos 2 y 3

-La turbina Nº 3 mueve los molinos 4 y 5

Características de las turbinas:

Marca: GENERAL ELECTRIC

Presión de entrada del vapor: 300psi

Temperatura del vapor: 540ºF

Presión de salida del vapor: 15 psi

Velocidad máxima: 4,500RPM

Potencia de las turbinas Nº 1 750HP

Potencia de las turbinas Nº 2y3 es de 1600HP

Fecha de instalación: 1996

F).- BALANZA DE JUGO

Existen2 balanzas MAX WEEL automáticas, cuya capacidad son:

BALANZA Nº 1

Capacidad 140 toneladas por hora Capacidad 120 Tn por hora.

BALANZA Nº2

Capacidad por descarga 4 Tnl Capacidad por descarga 31/2 Tn por hora.

G).- CALENTADORES

Consiste en un haz de tubos de cobre de 35 a 40mm

Los calentadores son de marca Yohn Menril, de 100 metros cuadrados de superficie de calefacción c/u.

Están acondicionados de tres en tres Los calentadores en paralelo, economizan 30 toneladas de vapor de 15 psi por hora.

H).- CLARIFICADORES

El proceso de purificación tiene por finalidad:

-Neutralizar el jugo.

-Eliminar las impurezas en suspensión.

-Eliminar parte de las impurezas disueltas y en estado coloidal

Son prácticamente 2 tanques cilíndricos, uno con capacidad de 360 toneladas de jugo y otro de 168 toneladas, el jugo sale de los clarificadores completamente cristalino a 98 ºC y con PH de 6.8 a 7.

I).- FILTRACION (FILTROS OLIVER)

Filtran la cachaza extraída desde el fondo de los clarificadores.

Existen 2 filtros en la empresa.

De 2.40m. de diámetro por 3.60m de largo, tiene 580 pies cuadrados de superficie filtrante (17.4m de superficie) gira a una velocidad de 2 a 3 vueltas por minuto.

J).- EVAPORACION

Economía del vapor:

Por cada kilogramo de vapor aplicado a la calandria del primer vaso, se podrán evaporar tantos kilogramos de agua como vasos tenga el evaporador: en un cuadruple serán cuatro kilogramos; en un quíntuple serán 5 kilogramos. En un simple efecto seria 1 kilogramo y no habría economía energética.

El objetivo de este proceso es evaporar la mayor cantidad de agua con mínimo consumo de vapor se realiza en evaporadores de múltiple efecto que consiste en varios evaporadores en serie llamados vaso o cuerpo o efecto,

K).- CRISTALIZACION

Las moléculas de sacarosa dispersa en el solvente se reagrupan ordenadamente, constituyendo cristales de forma geométrica definida y característica.

En la fabrica cuenta con 9 tachos que totalizan 14,040 pies cuadrados y 9,080 pies cúbicos de capacidad.

L).- CRISTALIZADORES

Cumplen la función de completar la Cristalización que se llevó a cabo en los tachos.

En los cristalizadores se va ha enfriar la masa cocida que sale caliente de los tachos

M).- CENTRIFUGACION

Consiste en separar los cristales de azúcar y las mieles de las masas cocidas, mediante la acción centrífuga cuya maquina esta constituida por:

-cilindro (canasto)

-eje o árbol

-motor

-Caja exterior o caracas.

Hay tres centrifugas automáticas (giran a 1200RPM) donde se reciben masas "A de 98.80 Pol

Hay 2 centrífugas semiautomáticas (giran a 1600 RPM) en donde produce azúcar "B" de 98.80Pol.

Centrifugas

N).- ENVASE

La realiza un operador que pesa, luego el otro lo cose y por ultimo el "estibador" que lo trasporta a la parihuela (45 bolsas).

1.5 OBJETIVOS

Los objetivos de éste proyecto son:

– diseño de un eje.

– selección de los cojinetes.

1.6 ALCANCES DEL PROYECTO

El presente proyecto comprende el diseño de un eje y la selección de sus respectivos cojinetes, además las especificaciones en general de carácter técnico – económico de los diferentes aspectos a tener en cuenta, siendo éstos los siguientes:

* DISEÑO DEL EJE DEL VENTILADOR DE TIRO INDUCIDO PARA LA EMPRESA AGROINDUSTRIAL TUMAN

Comprende el estudio del comportamiento del eje para su modelamiento matemático para después de aplicar la teoría de esfuerzos, y la metodología ISO; terminar dando las dimensiones correctas de dicho elemento de máquina.

* SELECCIONAMIENTO DE SUS RESPECTIVOS COJINETES.

Comprende el seleccionado de los rodamientos teniendo en cuenta las normas que tratan sobre el particular y las especificaciones del fabricante.

1.7 DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO.

Nos encargaremos del rediseño del eje así como la selección de los rodamientos:

EJE.

COJINETES.

Cálculos justificativos

2.1. DISEÑO DEL EJE

SELECCIÓN DE ACEROS PARA LA FABRICACION DE EJES

2.1.1. DETERMINACION DEL PESO DEL EJE

1).-

V0 = p x r2 x h

Vr1 = p (10.5×2.54)2 (2) + p (9×2.54)2 (25)

Vr1 = 45512.466 cm3 Ëo 0.0455 m3

m= ? x V0

m= 7850 x 0.0455

r = Ã~/2 => 7.8/2= 3.9

V0 = p x r2 x L

Vr2 = p x (3.9×2.54)2 x104

Vr2 = 32061.2 cm3 Ëo 0.032 m3

m= ? x Vr2

m= 7850x 0.032

r = Ã~/2 => 15/2= 7.5

V0 = p x r2 x L

Vr3 = p x (7.5×2.54)2 x 373

Vr3 = 425254.25 cm3.Ëo 0.425 m3

m= ? x Vr3

m= 7850×0.425

.

r = Ã~/2 => 7.8/2= 3.9

V0 = p x r2 x L

Vr2 = p x (3.9×2.54)2 x77

Vr2 = 23737.62393 cm3 Ëo 0.023737m3

m= ? x Vr2

m= 7850x 0.023737

2.1.2. ESQUEMA DE CARGAS

Determinación de RI Y R2

S FY= 0

R1 + R2 = 787.653611 + 554.8617181 + 22791.94643 + 410.81108

RI + R2 = 24545.27284 ……………. (1)

S MB = 0

787.653611 (25.78740157) – 22791.94643 (93.8976378) – 410.81108 (182.480315) + R2 (190.0590) = 0

R2= 11547.7967; reemplazando en (1) obtenemos:

R1= 12997.47616

2.1.3. CALCULO DE DIAGRAMA DE MOMENTOS

2.1.4 CALCULO DEL MOMENTO TORSOR

Hp= 560

Rpm= 850

F.s= 1

Mt= 63000 x 560

850

2.1.5 CALCULO DEL DIAMETRO DEL EJE

-Momento flector máximo (Mb): 1074061.751

-Mt = 41505.8824 lb – pulg

*Para ejes nos informamos en la tabla y tomando valores apropiados:

-Kb= 1.5

– KT = 1.0

*Para SS tenemos:

Su= 85 – 115 Kgf/mm2

Sy= 65 – 75 Kgf/mm2

Entonces se elige:

Su=100

Sy= 70

Parámetros:

30% Sy= 21 Escogemos el menor valor: 18 Kgf/mm2 Ëo 2610.679 kpa

18 % Su= 18

– Ss= 2610.679 Kpa

Con los datos obtenidos aplicamos la ecuación siguiente para hallar el diámetro del eje:

DONDE:

do = diámetro del eje

K = Relación di/do = 0 (eje macizo)

Kb = Factor de carga del momento flector

Kt = Factor de carga del momento torsor

Ss = Esfuerzo permisible a corte

Mb = Momento flector

Mt = momento torsor

• = Factor de carga axial

Fa = carga axial = 0

d3 =

2.1.6 DISEÑO DE EJES POR RIGIDEZ TORSIONAL

Momento torsor (Mt)= 41505.8824

Longitud= 215.846457

Diámetro= 14.649632

G= 12000000

2.2 SELECCIÓN DE RODAMIENTOS

2.2.1 SELECCIONAMIENTO DE UN RODAMIENTO DE CILINDROS

Como Fa = 0 tenemos:

Fr1= 12997.47616 ? d= 7.8

Fr2= 11547.79668 ? d= 7.8

Vh = 20 000 Hrs

N= 850 rpm

En el rodamiento 1:

XR = 1

VR = 1

FR1 = 12997.47616

Fa = 0

De la ecuación:

En el rodamiento 2:

XR = 1

VR = 1

FR2= 11547.79668

Fa = 0

De la ecuación:

2.2.2 CALCULO DE LA CARGA DINAMICA (C).

Entonces:

*Para la designación del rodamiento nos dirigimos a la tabla siguiente:

2.2.3 DESIGNACION:

Para rodamiento 1 y 2: NJ240ECM

d= 200 mm

D= 360

B= 58

C= 850 kN

Memoria descriptiva

Observaciones y conclusiones

Para este diseño no podríamos usar rodamientos de bolas ya que no soportarían la carga dinámica y por eso se han seleccionado rodamientos cilíndricos.

Cuando el rodamiento gira muy lento y su duración requerida en número de revoluciones es pequeña se debe tener en cuenta las cargas estáticas; pero para el presente caso se tomara las capacidades dinámicas por tener velocidades considerables

• Llegamos a analizar el estado de esfuerzos que se induce sobre el eje, por acción de la carga actuando sobre ella.

• -Localización de la sección critica del eje basándose en criterios de resistencia

Para este diseño se toma en cuenta un proceso iterativo y por lo tanto puede haber distintas soluciones en el cual debemos adecuarnos a la flexibilidad de los repuestos o alguna falla no esperada del diseño y difícilmente existe una única solución a un problema dado, para esto se recomienda que teniendo los datos estos sean evaluados y de ser posible buscar otras soluciones alternativas.

• Los puntos mas propensos a fallar aparecen en los cambios de sección a la hora del maquinado, para eso se diseña un cambio no brusco del diámetro.

• Optar por un nuevo sistema constructivo entre la unión del eje motriz y el conducido (eje diseñado) tratando de hacer mucho mas optima su eficiencia.

• El maquinado del eje dependerá del stock de rodamientos capaces de soportar la carga dinámica del eje, podemos hacer esto gracias a que el momento flector se encuentra en el centro del eje.

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