1
DISEÑO DE UN SISTEMA TRANSPORTADOR DE TUNAS
PARA ABASTECER UN SISTEMA DE LIMPIEZA
Velásquez-Carvajal, Rodrigo
1
; Merizalde-Salas, Alex
1
;
Caminos-Vargas, Javier
2
; Orozco- Cazco, Cristina
RESUMEN
En la comunidad de Chingazo Alto se presentó la necesidad
de transportar 2000 tunas por cada hora, con esta investigación
se busca diseñar un sistema de transportación de rodillos que
sirve para abastecer al sistema de limpieza de la máquina
desespinadora. La investigación usa la metodología de diseño y
desarrollo concurrente de producto, en el diseño conceptual se
estable las especicaciones iniciales requeridas, parámetros de
funcionamiento del sistema de transportación y las alternativas
de diseño en función al producto cosechado (tunas) para la
elaboración del sistema. Una consideración fue la de evitar el
daño de la supercie y el desprendimiento inadecuado de las
espinas para evitar la descomposición prematura de la tuna.
Como resultado se obtuvo una velocidad lineal de 0.8 m/s y un
motor de 3/4Hp para satisfacer al sistema de transportación.
En base al transporte del producto la distancia entre centros
de los rodillos fue de 24,5 mm, con este valor se evita que las
tunas previamente seleccionadas se ltren entre los espacios
de los rodillos, ya que debido al muestreo obtenido el mínimo
diámetro de las tunas producidas en la comunidad es de 32mm,
en las pruebas se estimó una inclinación de 15° para el sistema
de transportación con lo que se evitó el daño de las tunas desde
la cuba de alimentación hacia el sistema de limpieza evitando el
desprendimiento inadecuado de las espinas, se logró el objetivo
de transportar las tunas además de que el producto llego sin
daños o laceraciones hacia la cámara desespinadora.
Palabras clave: Tunas, Rodillos, Transportación, Sistema,
Cosecha.
ABSTRACT
In the community of Chingazo Alto there was a need to
transport 2000 prickly pears per hour. This research seeks
to design a roller conveyor system that serves to supply the
cleaning system of the de-spinning machine. The research
uses the concurrent product design and development
methodology. The conceptual design establishes the initial
specications required, the operating parameters of the
conveying system and the design alternatives based on the
harvested product (prickly pears) for the development of
the system. One consideration was to avoid damage to the
surface and the inadequate detachment of the thorns to
prevent premature decomposition of the prickles. As a result,
a linear speed of 0.8 m/s and a 3/4Hp motor were obtained to
satisfy the transportation system. Based on the transport of
the product, the distance between the centers of the rollers
was 24.5 mm, with this value it is avoided that the prickles
previously selected are ltered between the spaces of the
rollers, since due to the sampling obtained the minimum
diameter of the prickles produced in the community is
32mm, In the tests, an inclination of 15° was estimated
for the transportation system, thus avoiding damage to
the prickles from the feeding tank to the cleaning system
and preventing the inadequate detachment of the spines.
Keywords: Tunas, rollers, transportation, system, harvest
1
Instituto Superior Tecnológico Carlos Cisneros
alex.merizalde@istcarloscisneros.edu.ec
Artículo Original
2
1. INTRODUCCIÓN
La industria en los países desarrollados y más aún en países
en vías de desarrollo en su afán por mejorar los procesos han
identicado que parte de su desarrollo se ha logrado por la
tecnicación de los procesos productivos y en Ecuador el 19%
del territorio nacional es de uso Agropecuario (ESPAC, 2016)
y el manejo, cultivo y producción se lo realiza en su mayoría
de forma manual.
La provincia de Chimborazo pertenece a las provincias
de menor supercie de labor agrícola dentro del Ecuador
con una supercie de 239 mil hectáreas y su porcentaje de
aporte a nivel nacional es de 5,78% de uso agrícola y 9.85%
de uso agropecuario mixto(de Castro Pardo et al., 2020), de
este porcentaje de territorio su mayoría es terreno árido y
semiáridos que favorece a la producción de manera natural
como la tuna(M. E. F. Torres, 2017).
La Opuntia cus-indica conocida coloquialmente como
tuna es una fruta “nativa de América y propia de las regiones
áridas y semiáridas del mundo y se reconocen alrededor de
23 variedades de tunas comestibles, agrupando a las tunas
blancas, purpuras, rojas, anaranjadas y amarillas”(Martínez
et al., 2010)
“En Ecuador se cultiva cuatro variedades de tuna: la tuna
amarilla sin espina, la amarilla con espina, la blanca y la
silvestre, principalmente” (Ministerio , s.f.) y al ser un fruto
de zonas áridas y semiáridas se “adapta a crecer en zonas
desérticas con poca agua”(Franck, 2010) lo que ha permitido
que en varias zonas de la provincia de Chimborazo como
Chingazo Alto este fruto se presente de forma natural y a su
vez la comunidad la cultiva para aumentar su producción y
venderla a nivel provincial, actualmente este fruto se vende
“25 dólares las cajas de 50 libras de tunas gruesas y 10 dólares
las de rechazo” (Ministerio , s.f.)
En la comunidad Chingazo Alto la variedad de tuna que se
cultiva y cosecha es la blanca gura 1 y representa un parte de
la actividad económica de este sector, la recolección transporte
y limpieza de las tunas se realiza de forma manual lo que trae
ciertos inconvenientes a los trabajadores por las espinas al
momento de manipular la tuna (Altamiran & Pilco, 2017).
Por este motivo se necesita en la comunidad una
desespinadora que limpie 2000 tunas por hora y en esta
investigación se abordará el análisis del sistema transportador
para abastecer a la desespinadora.
El problema principal del sistema transportador es evitar
que durante el transporte de las tunas hacia la desespinadoras
estas sufran golpes que puedan dañar su integridad, “las tunas
son frutas altamente perecederas debido principalmente a
daños físicos en la epidermis y en la zona peduncular durante
la cosecha y postcosecha”(Corrales García et al., 2005).
El objetivo es determinar los parámetros constructivos
del sistema de transportación de tunas para evitar golpes
o laceraciones en la tuna, además lograr abastecer a la
desespinadra con 2000 tunas por cada hora por lo que se
buscará el sistema que mejor se acople a las necesidad de
la comunidad para lo que se considerarán características
como: ”la distancia a cubrir, adaptación al terreno, tipo de
material a transportar”(Hernandez & Marin, n.d.), además
de “el tipo de mantenimiento, la marcha suave y silenciosa,
posibilidad de efectuar la descarga en cualquier punto de su
trazado”(Semrád et al., 2020)
Figura 1. Sembrío de Tunas en la comunidad de Chingazo Alto
Las espinas son una importante característica que nos
permite conocer la madurez de la tuna, “los frutos cuando
no son maduros tienen espinas de 0.3mm y cuando alcanzan
la madurez disminuyen en un 40%”(Cuacés & Villarreal,
2013), este dato es importante para la selección de la banda
transportadora evitando así que las tunas queden atoradas
en la banda o durante el transporte se eliminen las espinas de
forma inadecuada provocando un proceso de envejecimiento
prematuro.
“Un transportador es una máquina que se utiliza para
trasladar un objeto de un lugar a otro” (Lopez, 2016) y se
clasican:
• Transportador horizontal.
• Transportador vertical.
• Transportador inclinado.
Para poder desarrollar o diseñar un producto existen
modelos como: “Modelo de ciclo básico de diseño que
incluye las actividades básicas que se dan en todas las
etapas o fases del proceso de diseño”(Molina & Riba, 2006),
“Modelos de etapas son tanto para el diseño (clásicos) como
para el diseño mismo y otras etapas de desarrollo (modelos
actuales)”(Molina & Riba, 2006).
3
La velocidad lineal de la correa se calcula con la ecuación
(1), con este dato ingresamos a tablas para obtener la potencia
teórica trasmitida. “La ecuación está en función del diámetro
primitivo de alguna de las dos poleas y de la velocidad de la polea
elegida para el respectivo cálculo”(Gomez & Gonzalo, 2016).
v
lc
=
d
p
· ·N
1
60 000
(1
)
“La velocidad de las polea conductora se calcula con
la ecuación (2) y está denida en función del diámetro
primitivo”(Gomez & Gonzalo, 2016) (Budynas & Nisbeth, 2008)
N
1
=
D
p
·N
2
d
p
(2
)
Donde:
N
1
= Velocidad de la polea pequeña.
D
p
= Diámetro primitivo de la polea grande.
N
2
= Velocidad de la polea grande.
d
p
= Diámetro primitivo de la polea menor
Para el cálculo de la potencia del motor se recomienda “que
la unidad motora no funcione cerca de la carga de trabajo al
100% ya que se debe tener en cuenta la eciencia de engranes
y motor” por lo que utilizaremos la ecuación (3)(Gomez &
Gonzalo, 2016) (Mott, 2006)
P
M
=F´s·b
0
v
60
(3)
Donde:
P
M
= Potencia motor.
F´s = Fuerza de tensión ajustada.
b
o
= Ancho de banda.
v = Velocidad de la banda
2. MATERIALES Y MÉTODOS
“La ingeniería concurrente, la cual es la losofía orientada a
integrar sistemáticamente y en forma simultánea el diseño de
productos y procesos, es la guía en cada una de las fases en el
diseño, como lo son el diseño conceptual y funcional”(Prole,
2009).
“Nueva forma de concebir la ingeniería de diseño y desarrollo
de productos y servicios de forma global e integrada donde
concurren las siguientes perspectivas: 1. Desde el punto de
vista del producto, se toman en consideración tanto la gama que
se fabrica como los requerimientos de las distintas etapas del
ciclo de vida y los costes o recursos asociados 2. Desde el punto
de vista de los recursos humanos, 3. Y, desde el punto de vista
de los recursos materiales, concurren nuevas herramientas
basadas en tecnologías de la información y la comunicación
sobre una base de datos y de conocimientos cada vez más
integrada.(Riba Romeva, 2002)
“Para designar este nuevo concepto, además del término
ingeniería concurrente, en la literatura especializada aparecen
otras denominaciones como ingeniería simultánea, diseño total
o diseño integrado”(Riba Romeva, 2002) con orientaciones
encaminadas en Ingeniería concurrente orientada la producto
e ingeniería concurrente orientada al entorno.
Con lo mencionada se establece las necesidades que se están
presentado en la comunidad de Chingazo Alto, perteneciente
al cantón Guano de la provincia de Chimborazo en donde se
cultiva y obtiene de manera natural la tuna blanca, esta fruta
es la que se quiere transportar hacia la desespinadora para su
limpieza y posterior empaquetamiento.
Con visitas y entrevistas realizadas a las personas de la
comunidad se determinó que la producción diaria se estimaba
en 400 tunas, al nal de la semana cerca 2500 tunas en un
proceso netamente manual lo que al nal del mes representaba
en pérdidas por los costos de producción, limpieza y cosecha.
La producción para ser rentable establecía una cantidad
de 10000 tunas al día, con esta información y en función a
observaciones, entrevistas realizadas, volúmenes de cosecha y
horas de trabajo de los comuneros que el sistema transportador
debe abastecer de 2000 tunas/hora al sistema de limpieza,
considerando también que, la fruta no debe ser maltratada
durante el proceso de transporte, la banda transportadora no
sea demasiado grande y su mantenimiento sea sencillo.
Para empezar con el diseño en la tabla 1 “se muestra un
bosquejo de solo dos de los conceptos de la máquina en
un formato diseñado por el DR. Charles Riba” (Molina &
Riba, 2006) que nos permitió establecer de mejor manera
el procedimiento a seguir para obtener el sistema de
transportación acorde a la necesidad
Tabla 1. Especicaciones para el diseño C: Cliente; I: Ingeniero; R:
Requerido; D: Deseado
ESPECIFICACIONES INICIALES
CONCEPTO C/R R/D DESCRIPCIÓN
FUNCIÓN
I R
Facilidad de transportar el
equipo, no estar emplazado en un
solo lugar y no maltrate el
producto
I D
No ser demasiado pesado, no
sobre pasar las revoluciones
necesarias para el transporte del
producto y abastecer al sistema
de limpieza del producto
OPERACIONES
NECESARIAS
I R Transportar 2000 tunas por cada
I R
No dañar al producto durante el
proceso de transporte
I D
Seleccionar posición de la banda
transportadora, su velocidad
lineal y abastecer al sistema de
limpieza del producto de forma
adecuada
PRECISIÓN I R
La primera inspección se realiza
después de que las tunas pasen
por el sistema de limpieza
4
“Ya establecidas las especicaciones iniciales y apoyándose
en la metodología de diseño de Palh y Beitz se pasa a denir
la estructura funcional del producto para cumplir con las
especicaciones dadas” (Vermaas, 2017). En la gura dos
se sistematizó las funciones generales del diseño para
enfocarnos de mejor manera en la solución de la necesidad
presentada en la comunidad.
Figura 2. Se muestra el funcionamiento general del sistema
transportador de tunas
A partir de esta necesidad se dan las especicaciones
requeridas y deseadas por los comuneros (E. Torres et al.,
2014), por lo que tomando en cuenta las características
solicitadas por la comunidad durante la etapa de recolección
de la tuna se procedió a tomar una muestra para estimar
algunas características como el tamaño, espinas y peso
que tienen estas frutas al momento de cosechar, estas
características permitirán hacer ciertas consideraciones al
momento de diseñar el sistema transportador.
Considerando que “El tamaño de la tuna depende
ampliamente del cultivo, número de semillas, carga frutal,
manejo del huerto” (Celi Soto & Alcívar Hidrovo, 2018) en
relación con el peso, se procederá a tomar valores de estas
características para determinar rangos para considerar a la
tuna en rangos de pequeña, mediana o grande gura 3.
Figura. 3. Muestra tomada durante la cosecha de las tunas para
determinar sus rangos de tamaño
El peso de fruto se determinó a través de una balanza
mecánica y una balanza electrónica en donde los resultados
se obtuvieron en gramos.
Para determinar la forma del fruto se utilizará una formula
mencionada en (Celi Soto & Alcívar Hidrovo, 2018) que indica
que:
Relación longitud / diámetro = longitud (4)
Para realizar el dimensionamiento y separación de los rodillos
del sistema de transportación se utilizará la ecuación (5):
d1=dmin+dr-5mm (5)
Donde:
d1 = Distancia entre centros de rodillos.
dmin = Diámetro mínimo del fruto.
dr = Diámetro del rodillo
Para determinar los valores del diámetro de la tuna y su
longitud se utilizó un calibrador. Obtenidos el peso y la longitud
de las tunas se determinó un rango de tamaños que varía entre
pequeño, mediano y grande de una muestra de 400 tunas.
El método utilizado para la obtención del sistema
transportador es el de ciclo básico de diseño(Molina & Riba,
2006) en la que se aplica de forma iterativa la resolución de
problemas orientado a la solución del diseño.
Para los rodillos de la banda transportadora se realizaron
ensayos de prueba y error para determinar el diámetro de los
rodillos y la distancia entre ellos, esto se lo realizo por medio
de modelos fabricados en madera colocando tunas grandes,
medianas y pequeñas.
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
El primer resultado que se obtuvo durante la investigación
es la relación entre el tamaño y el diámetro de una muestra
de 60 tunas que se cosecharon en el sector y se muestra en la
gura 4. En tunas grandes se obtuvieron valores máximos
de 57mm de diámetro, altura máxima de 100mm y una base
o inicio de fruto en la mata de 37 mm.
Figura 4. Relación entre el diámetro, la altura y el ancho de una
tuna del tipo grande.
5
En la gura 5. En tunas medianas se obtuvieron valores
máximos de 49mm de diámetro, altura máxima de 94mm y
una base o inicio de fruto en la mata de 27 mm.
Figura 5. Relación entre el diámetro y la altura y el ancho de una
tuna del tipo mediano.
En base a las tunas consideradas dentro del rango de
pequeñas, tomamos los valores mínimos para poder
dimensionar el diámetro de los rodillos y la distancia que debe
existir entre ellos, en la gura 6 se muestra el valor mínimo
de 32mm de diámetro, altura máxima de 52 mm y una base o
inicio de fruto en la mata de 23 mm.
Figura 6. Relación entre el diámetro y la altura y el ancho de una
tuna del tipo pequeña.
Al obtener los valores máximos y mínimos de las tres
categorías de las tunas vamos a calcular la distancia que debe
existir entre los centros de los rodillos, para lo que aplicamos
la ecuación 5.
d1 = 25.4mm
La distancia calculada para la separación entre centro de
los rodillos es de 59mm, se calculó la velocidad lineal del
sistema de transportación considerando la condición de 2000
tuna por cada hora o 34 tunas por minuto obteniendo un valor
de 0.8 m/s.
Para la velocidad angular se consideró el diámetro de la
catalina de 176.61mm y la velocidad lineal previamente
calculada obteniendo como resultado 86,9 rpm.
Se utilizo una muestra de 10 tunas de cada uno de los
lotes pequeños, medianos o grandes para obtener un peso
promedio que la banda debe transportar y se presenta en la
gura 7 y la gura 8
Figura. 7. Relación del peso en función a la longitud de la tuna y su
diámetro.
Figura 8. Conguración de las medidas tomadas para la valoración
de la tuna.
Con un peso promedio entre 76,4 a 86,4 gramos y la
velocidad angular de 86,9 rpm se obtuvo que la potencia del
motor es de ¾ HP.
La selección de la cadena se la realizo mediante catálogos
considerando los valores de potencia del motor y la velocidad
angular.
El bastidor (gura 9) fue elaborado en tubo cuadrado
de acero ASTM A36 y tendrá las siguientes dimensiones
40*40*2mm
6
Figura 9. Bastidor
La cuba de alimentación debe contener 2000 tunas y para
su elaboración se utilizó la tuna de mayor diámetro (6cm), al
ser un elemento en contacto con alimentos se utilizó acero
inoxidable 316L. En la gura 10 se muestra el diseño de la cuba
de alimentación
Figura. 10. Cuba de alimentación
Para el diseño del soporte de la cuba se consideraron
adicionalmente que, este elemento va a servir de apoyo y que
tenga un espacio para ubicar las gavetas. El diseño de este se
presenta en la gura 11.
Con los datos calculados para el sistema de transportación
se diseñó el eje transportador formado por un tubo externo
de acero inoxidable AISI 304 y eje interior de acero AISI 1018
que se presenta en la gura 12. Además, el eje motriz y el eje
de arrastre se construyeron de acero AISI 1018
En la gura 13 se presenta la vista explosionada de los
elementos que forman parte del sistema de transportación
que alimentará a la máquina desespinadora de tunas
Figura 11. Mesa de la cuba
Figura 12. Eje principal y secundario
Figura 13. Sistema de transportación de tunas vista explosionada.
7
Los resultados del presente estudio a través de la
comparación de tres diferentes tamaños de tunas nos
permitieron diseñar un sistema de transporte para este
producto, mediate esta comparación se determina que el
diámetro óptimo de la tuna es de 49mm. valor obtenido a
través de la mediana.
Una vez desarrollado el estudio podemos decir que el
método planteado por Charles Riba” (Molina & Riba, 2006) fue
el adecuado para el cumplimiento de los objetivos propuestos
en este trabajo. El mismo que permitirá cubrir las necesidades
de la comunidad de Chingazo Alto al mejorar la postcosecha.
Durante la elaboración del sistema de transportación
una dicultad que se presentó fue la de mantener intacta
la supercie y las espinas de la tuna ya que cuando se
desprendieron de manera inadecuada la fruta se descomponía
rápidamente en relación con las tunas que no sufrían daños.
Los resultados obtenidos garantizan un diseño óptimo del
sistema de transportación, el cual es un aporte a la ciencia y
a los productores de las tunas ya que garantizan una mayor
producción.
4. CONCLUSIONES
El uso de la ingeniería concurrente se constituyó en una
herramienta muy útil que permitió construir el sistema de
trasportación en función a las necesidades de la comunidad
y las aportaciones por parte del diseñador, permitiéndonos
así cumplir con el transporte hasta la sección de limpieza de
2000 tunas.
El uso de sowares de dibujo asistido por computadora
se convirtió en un aporte importante en la fase de diseño
porque permitió realizar los ajustes al modelo previo a su
construcción.
Un futuro aporte a esta investigación será el análisis de la
eciencia del equipo y benecios logrados en la comunidad
en función a la comercialización de las tunas una vez que el
sistema de transportación este emplazado en la comunidad.
5. AGRADECIMIENTOS
Presentamos nuestro agradecimiento al Instituto Superior
Tecnológico “Carlos Cisneros” por permitirnos el uso de
los recursos de la Institución para el desarrollo de este
trabajo, además se agradece a los instructores del curso de
capacitación docentes de la Facultad de Ciencias Pecuarias
- ESPOCH, quienes nos compartieron sus conocimientos los
mismos que se ven plasmados en este artículo.
6. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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