Peladora de soya hidratada

ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL

FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA

DISEÑO Y SIMULACIÓN POR COMPUTADOR DE UNA MÁQUINA
PELADORA DE SOYA HIDRATADA, CON UNA CAPACIDAD DE 50
KILOGRAMOS POR HORA

PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO
MECÁNICO

DARWIN RAMÓN VILLACIS ALBUJA

darwin172189@hotmail.com

DIRECTOR: Ing. Jaime Raúl Vargas Tipanta

jaime.vargas@epn.edu.ec

Quito, Diciembre 2011

DECLARACIÓN

Yo, Darwin Ramón Villacis Albuja, declaro bajo juramento 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.

A través de la presente declaración cedemos los derechos de propiedad
intelectual correspondiente a este trabajo, a la Escuela Politécnica Nacional,
según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su reglamento y por
normativa institucional vigente

_________________________

Darwin Ramón Villacis Albuja

ii

CERTIFICACIÓN

Certificamos que bajo nuestra supervisión, el presente proyecto de titulación fue
realizado en su totalidad por el señor Darwin Ramón Villacis Albuja.

_________________________

Ingeniero Jaime Vargas

DIRECTOR DEL PROYECTO

_________________________ _________________________

Ingeniero Jorge Escobar Ingeniero Washington Altuna

Colaborador Colaborador

iii

DEDICATORIA

El presente proyecto es dedicado a toda mi familia y de manera especial a mis
padres Ramón y Georgina, quienes con su ejemplo y amor fueron los pilares
importantes para culminar mi carrera.

A mis hermanos Walter, Carmen y Marco quienes son un ejemplo de superación y
un apoyo en los momentos difíciles.

Darwin

iv

AGRADECIMIENTOS

Agradezco a Dios por darme su bendición. A mis padres que gracias a sus
consejos y apoyo me han permitido alcanzar mis metas y sueños.

Al Ingeniero Jaime Vargas por su dirección en la elaboración del presente
proyecto.

Un agradecimiento especial a mis amigos ´´Los Rockers´´ y compañeros de mi
promoción, quienes de una u otra forma han sido una ayuda importante en esta
meta.

Darwin

v

ÍNDICE GENERAL
CAPITULO 1…………………………………………………………………………….....1
GENERALIDADES……………………………………………………………………......1

1.1. INTRODUCCIÓN ..................................................................................... 1

1.2. OBJETIVOS ............................................................................................. 2
1.2.1. OBJETIVO GENERAL ........................................................................ 2
1.2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS ............................................................... 2

1.3. ALCANCE ................................................................................................ 2

1.4. JUSTIFICACIÓN ...................................................................................... 3

1.5. GENERALIDADES................................................................................... 3
1.5.1. HISTORIA DE LA SOYA ..................................................................... 3
1.5.2. SITUACIÓN DE LA SOYA EN EL ECUADOR .................................... 5
1.5.3. GENERALIDADES DE LA SOYA ....................................................... 6
1.5.4. TAXONOMÍA ...................................................................................... 6
1.5.5. COMPOSICIÓN QUÍMICA .................................................................. 7
1.5.6. DESCRIPCIÓN BOTÁNICA ................................................................ 8
1.5.6.1. Etapa Vegetativa .......................................................................... 8
1.5.6.2. Etapa Reproductiva ...................................................................... 9
1.5.7. GRANO DE SOYA ............................................................................ 12
1.5.8. VARIEDADES DE LA SOYA ............................................................. 13

1.6. ESTUDIO DE CAMPO ........................................................................... 14
1.6.1. LOCALIZACIÓN DE LOS CULTIVOS DE SOYA .............................. 14
1.6.2. ÉPOCAS Y CARACTERÍSTICAS DEL SUELO CULTIVABLE ......... 15
1.6.3. PROCESO AGROINDUSTRIAL ....................................................... 16
1.6.3.1. Cosecha ..................................................................................... 16
1.6.3.2. Desvainado ................................................................................ 17
1.6.3.3. Secado ....................................................................................... 18
1.6.4. Pelado ............................................................................................... 18
1.6.4.1. Elaboración de alimentos ........................................................... 19
CAPITULO 2………………………………………………………………………...……20

vi

SELECCIÓN DE ALTERNATIVAS……………………………………………………..20

2.1. DEFINICIÓN DEL PROBLEMA ............................................................. 20

2.2. RESTRICCIONES Y LIMITACIONES .................................................... 20
2.2.1. CARACTERÍSTICAS DEL PROTOTIPO .......................................... 20
2.2.2. PARÁMETROS FUNCIONALES ...................................................... 21

2.3. ESTUDIO DE LAS ALTERNATIVAS...................................................... 22
2.3.1 ALTERNATIVA1: MÁQUINA PELADORA DE SOYA HIDRATADA
DE DISCOS DE ABRASIÓN………………………….…………….……23

2.3.1.1. Funcionamiento de la peladora de soya hidratada de discos de
abrasión……………………………………………………………..…24

2.3.1.2. Ventajas y desventajas de la peladora de soya hidratada de
abrasión….…………………………………………………………….25

2.3.2. ALTERNATIVA 2: MÁQUINA PELADORA DE SOYA HIDRATADA
DE RODILLO DENTADO…………………………………………….…..26

2.3.2.1. Funcionamiento de la peladora de soya hidratada de rodillo
dentado…………………………………………………………….......27

rodillo dentado…………………………………………………….…...28

2.3.3. PELADORA DE SOYA HIDRATADA DE RODILLOS
VULCANIZADOS……………………………………………………….….28

2.3.3.1. Funcionamiento de la peladora de soya hidratada de rodillos
vulcanizados……………………………………………………….…..29

rodillos vulcanizados…………………………………………………30

2.4. ANÁLISIS Y SELECCIÓN ...................................................................... 31
2.4.1. EVALUACIÓN DEL PESO ESPECÍFICO DE CADA PARÁMETRO
FUNCIONAL…………………………………………………………….…32

vii

2.4.2. EVALUACIÓN DE LOS PESOS ESPECÍFICOS DE LAS DISTINTAS
SOLUCIONES………………………………………………………………33

2.4.2.1. Evaluación del criterio Capacidad .............................................. 33
2.4.2.2. Evaluación del criterio Facilidad de Fabricación ......................... 33
2.4.2.3. Evaluación del criterio Tiempo de Proceso ................................ 34
2.4.2.4. Evaluación del criterio Costos .................................................... 34
2.4.2.5. Evaluación del criterio Mantenimiento ........................................ 34
2.4.2.6. Evaluación del criterio Ergonomía .............................................. 35
2.4.3. TABLA DE CONCLUSIONES ........................................................... 35
CAPITULO 3………………………………………………………………………………37
DISEÑO……………………………………………………………………………………37

3.1. DETERMINACIÓN DE LA CANTIDAD DE GRANOS DE SOYA POR
KILOGRAMO…………………………………………………………………...37

3.2. DETERMINACIÓN DE LAS MEDIDAS GENERALES DE LA SOYA ..... 39

3.3. DIMENSIONAMIENTO DE LA MÁQUINA PELADORA DE SOYA
POR RODILLO DE PRESIÓN………………………………………………..39

3.3.1. VELOCIDAD ANGULAR DE LOS RODILLOS .................................. 40
3.3.1.1. Cálculo de la cantidad de granos de soya hidratada que se
pelan por revolución…………………………………………………..40

3.3.1.2. Cálculo de la velocidad angular de los rodillos. .......................... 42

3.4. DETERMINACIÓN DE LAS VELOCIDADES ANGULARES DE LOS
EJES Y POLEAS DE REDUCCIÓN…………………………………………43

3.5. DETERMINACIÓN DE LA CARGA NECESARIA PARA PELAR EL
GRANO DE LA SOYA HIDRATADA………………………………………...45

3.6. DIMENSIONAMIENTO DE LOS RODILLOS DE PELADO………………..47
3.6.1. DETERMINACIÓN DE LAS CARGAS PRESENTES SOBRE LOS
RODILLOS……………………………………………………………….....48

3.6.1.1. Carga de compresión………………………………………………….48

viii

3.6.1.2. Carga de fricción ........................................................................ 49
3.6.2. DISEÑO DE LOS RODILLOS ........................................................... 51
3.6.2.1. Diseño estático de los Rodillos 1, 2 y 4 ...................................... 52
3.6.2.1.1. Cálculo de reacciones.......................................................... 52
3.6.2.1.2. Diagramas de Fuerza Cortante y Momento Flector ............. 54
3.6.2.1.3. Cálculo de Esfuerzos ........................................................... 61
3.6.2.1.4. Cálculo del Factor de Seguridad Estático ............................ 65
3.6.2.2. Diseño dinámico de los Rodillos 1, 2 y 4. ................................... 66
3.6.2.2.1. Cálculo de los Esfuerzos Fluctuantes .................................. 66
3.6.2.2.2. Cálculo de la Resistencia del Material ................................. 67
3.6.2.2.3. Cálculo del Factor de Seguridad Dinámico .......................... 69
3.6.2.3. Diseño Estático del Rodillo 3 ...................................................... 71
3.6.2.3.1. Cálculo de Reacciones ........................................................ 74
3.6.2.3.2. Diagramas de Fuerza Cortante y Momento Flector ............. 78
3.6.2.3.3. Cálculo de Esfuerzos ........................................................... 85
3.6.2.3.4. Cálculo del Factor de Seguridad Estático ............................ 87
3.6.2.4. Diseño Dinámico del Rodillo 3 .................................................... 88
3.6.2.4.1. Cálculo de los Esfuerzos Fluctuantes .................................. 88
3.6.2.4.2. Cálculo de la Resistencia del Material ................................. 89
3.6.2.4.3. Cálculo del Factor de Seguridad Dinámico .......................... 91

3.7. DISEÑO DE LAS JUNTAS SOLDADAS ................................................ 92
3.7.1. CÁLCULO DE LAS SOLDADURAS DEL EJE CON LAS TAPAS. .... 92
3.7.1.1. Diseño debido a los Esfuerzos Cortantes................................... 93
3.7.1.1.1. Cálculo de Esfuerzos Cortantes .......................................... 93
3.7.1.1.2. Cálculo del Factor de Seguridad .......................................... 95
3.7.1.2. Diseño debido al Esfuerzo de Flexión ........................................ 95
3.7.1.2.1. Cálculo del Esfuerzo de Flexión .......................................... 95
3.7.1.2.2. Cálculo del Factor de Seguridad .......................................... 96

3.8. SELECCIÓN DE LA CADENA DE RODILLOS Y LAS CATARINAS...... 97
3.8.1. SELECCIÓN DE LAS CATARINAS .................................................. 98
3.8.2. SELECCIÓN DE LA CADENA .......................................................... 99

3.9. SELECCIÓN DEL MOTOR ELÉCTRICO ............................................. 102

ix

3.9.1. CÁLCULO DE LOS MOMENTOS DE INERCIAS DE
LOS COMPONETES DEL SISTE,A DE PELADO…………………...103

3.9.2. CÁLCULO DE LA POTENCIA DEL MOTOR .................................. 111

3.10. DIMENSIONAMIENTO DE LOS EJES DEL SISTEMA DE REDUCCIÓN
DE VELOCIDADES………………………………………………………….113

3.10.1.DISEÑO DEL EJE DE TRANSMISIÓN 1………………………………113

3.10.1.1. Diseño Estático del Eje 1.......................................................... 116
3.10.1.1.1. Cálculo de Reacciones del Eje 1 ..................................... 116
3.10.1.1.2. Diagramas de Fuerza Cortante y Momento Flector ......... 118
3.10.1.1.3. Cálculo de Esfuerzos ....................................................... 123
3.10.1.1.4. Cálculo del Factor de Seguridad Estático ........................ 124
3.10.1.2. Diseño Dinámico del eje transmisión 1..................................... 124
3.10.1.2.1. Cálculo de los Esfuerzos Fluctuantes .............................. 124
3.10.1.2.2. Cálculo de la Resistencia del Material ............................. 125
3.10.1.2.3. Cálculo del Factor de Seguridad Dinámico ...................... 126
3.10.2.DISEÑO DEL EJE DE TRANSMISIÓN 2…………………...………….128

3.10.3.DISEÑO EJE DE TRANSMISIÓN 3…………………………………….139


x


3.11. SELECCIÓN DE LAS BANDAS ........................................................... 148

3.12. SELECCIÓN DE RODAMIENTOS Y CHUMACERAS. ........................ 151
3.12.1.SELECCIÓN DE LOS RODAMIENTOS…………………………..…..152

3.12.2.SELECCIÓN DE LAS CHUMACERAS………………………………..154

3.13. DISEÑO DE LA UNIÓN DE TRANSFERENCIA DE MOVIMIENTO
ENTRE EL MECANISMO DE PELADO Y EL SISTEMA DE
REDUCCIÓN DE VELOCIDADES………………………………………..154

3.14. DISEÑO DE LA ESTRUCTURA .......................................................... 154
3.14.1.ANÁLISIS DE CARGAS……………………………………………..…...156
3.14.2.DIAGRAMA DE CUERPO LIBRE DE LA ESTRUCTURA…………...159
3.14.2.VIGAS SOPORTE DEL SISTEMA DE PELADO……………………..160
3.14.2.VIGAS SOPORTE DE LOS EJES DE TRANSMISIÓN……..………..161
3.14.2.VIGAS SOPORTE DEL MOTOR……………………….……..………..162
3.14.6.COLUMNA1 .................................................................................... 163
3.14.7.COLUMNA2 .................................................................................... 165

3.15. PLANOS DE CONSTRUCCIÓN……………………………………………166

3.16. HOJAS DE PROCESOS…………………………………………………….166
CAPITULO 4…………………………………………………………………………….167
SIMULACIÓN DE ESFUERZOS MEDIANTE EL SOFTWARE ALGOR…………167
4.1.1. INTRODUCCIÓN AL ALGOR ......................................................... 167
4.1.1.1. FEMPRO .................................................................................. 167

4.2. PASOS PARA REALIZAR LA SIMULACIÓN ....................................... 169

4.3. ANÁLISIS DE LOS RODILLOS 1, 2, 3 Y 4 .......................................... 170

4.4. ANÁLISIS DEL EJE DE TRANSMISIÓN 1 ........................................... 172

xi



4.7. ANÁLISIS DE LA ESTRUCTURA ........................................................ 178
4.7.1. VIGAS SOPORTE DEL SISTEMA DE PELADO ............................ 178
4.7.2 VIGA SOPORTE DEL SISTEMA DE LOS EJES DE TRANSMISIÓN
1, 2 Y 8……………………………………………………………………..180
4.7.3. VIGA SOPORTE DEL SISTEMA DEL MOTOR .............................. 182
4.7.4. COLUMNA 1 ................................................................................... 184
4.7.5. COLUMNA 2 ................................................................................... 186
CAPITULO 5…………………………………………………………………………….188
ANÁLISIS DE COSTOS………………………………………………………………..188

5.1. COSTOS DE DIRECTOS .................................................................... 188

5.2. COSTOS INDIRECTOS ....................................................................... 190

5.3. COSTO TOTAL .................................................................................... 191
CAPITULO 6…………………………………………………………………………….192
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES………………………………………..192

6.1. CONCLUSIONES ................................................................................ 192

6.2. RECOMENDACIONES ........................................................................ 193
BIBLIOGRAFÍA………………………………………………………………………….194
ANEXOS…………………………………………………………………………………195
ANEXO A………………………………………………………………………………...196
ANEXO B. ……………………………………………………………………………….197
ANEXO C. ……………………………………………………………………………….201
ANEXO D………………………………………………………………………………...202
ANEXO E………………………………………………………………………………...203
ANEXO F………………………………………………………………………………...207
ANEXO G…………………………………………………………………………...…...208
ANEXO H…………………………………………………………………………...……209
ANEXO I………………………………………………………………………………….210
ANEXO J…………………………………………………………………………………211

xii

ANEXO K. ............................................................................................................... 212
ANEXO L. ................................................................................................................ 213

xiii

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1.1 Superficie y producción histórica en el Ecuador .......................................... 5
Tabla 1.2 Distribución de la superficie de cultivo de la soya, año 2008 ...................... 6
Tabla 1.3 Taxonomía de la soya ................................................................................. 7
Tabla 1.4 Composición Química de la soya ................................................................ 7
Tabla 1.5 Variedades de soya .................................................................................. 13
Tabla 1.6 Distribución de la producción de soya en la Provincia de los Ríos .......... 14
Tabla 2.1 Evaluación del peso de menor a mayor de los parámetros funcionales ... 32
Tabla 2.2 Peso específico de cada parámetro funcional ........................................... 32
Tabla 2.3 Evaluación del criterio Capacidad ............................................................. 33
Tabla 2.4 Evaluación del criterio Facilidad de Fabricación ........................................ 33
Tabla 2.5 Evaluación del criterio Tiempo de Proceso ............................................... 34
Tabla 2.6 Evaluación del criterio Costos ................................................................... 34
Tabla 2.7 Evaluación del criterio Mantenimiento ....................................................... 35
Tabla 2.8 Evaluación del criterio Ergonomía ............................................................. 35
Tabla 2.9 Tabla de Conclusiones ............................................................................. 36
Tabla 3.1 Componentes móviles del sistema de pelado de la peladora de soya ... 103
Tabla 3.2 Momentos de inercia del sistema de pelado de la peladora de soya ..... 111
Tabla 3.3 Masas de elementos del sistema de pelado, tolva y tapas .................... 155
Tabla 3.4 Masas de los elementos del eje de transmisión 1 .................................. 156
Tabla 3.5 Masas de los elementos del eje de transmisión 2 ................................... 156
Tabla 3.6 Masas de los elementos del eje de transmisión 3 .................................. 157
Tabla 4.1 Resultados de los esfuerzos para los rodillos de pelado ........................ 171
Tabla 4.2 Resultados de la deformación y el factor de seguridad para los rodillos
de pelado...……………………………………………………………………..172
Tabla 4.3 Resultados de los esfuerzos para el eje de transmisión 1...................... 173
Tabla 4.4 Resultados de la deformación y el factor del eje de transmisión 1 ......... 174
Tabla 4.5 Resultados de los esfuerzos para el eje de transmisión 2...................... 175
Tabla 4.6 Resultados de la deformación y el factor del eje de transmisión 2 ......... 176
Tabla 4.7 Resultados de los esfuerzos para el eje de transmisión 3....................... 177
Tabla 4.8 Resultados de la deformación y el factor de seguridad del eje de
transmisión 3………………………………………………...…………………178

xiv

Tabla 4.9 Resultados de los esfuerzos para la viga base del sistema de pelado.... 179
Tabla 4.10 Resultados de los esfuerzos y el factor de seguridad para la viga base
del sistema de pelado…………………………………………………….....182
Tabla 4.11 Resultados de los esfuerzos de la viga base de los ejes de
transmisión……..………….………………………………………………….181
Tabla 4.12 Resultados de los esfuerzos y el factor de seguridad de la base de
los ejes de transmisión………………………………………….…………...181
Tabla 4.13 Resultados de los esfuerzos de la viga base del motor......................... 183
Tabla 4.14 Resultados de los esfuerzos y el factor de seguridad de la base del
motor.………………………………………………………………………….183
Tabla 4.15 Resultados de los esfuerzos de la columna 1 ....................................... 185
Tabla 4.16 Resultados de los esfuerzos y factor de seguridad de la columna 1 ..... 185
Tabla 4.17 Resultados de los esfuerzos de la columna 2 ....................................... 187
Tabla 4.18 Resultados de los esfuerzos y factor de seguridad la columna 2 ......... 187
Tabla 5.1 Costo de materiales de construcción...................................................... 188
Tabla 5.3 Costo de maquinado .............................................................................. 190
Tabla 5.4 Costos indirectos .................................................................................... 191
Tabla 5.5 Costo total de la máquina ....................................................................... 191

xv

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1.1 Estado VE de la Etapa Vegetativa ............................................................. 8
Figura 1.2 Estado V1 de la Etapa Vegetativa .............................................................. 9
Figura 1.3 Estado Vn de la Etapa Vegetativa .............................................................. 9
Figura 1.4 Estado R2 de la Etapa Reproductiva ....................................................... 10
Figura 1.8 Grano de Soya ......................................................................................... 12
Figura 1.9 Estudio de campo de los cultivos de soya realizado con el Director del
Proyecto, en el cantón Quevedo- parroquia San Carlos………………….15
Figura 1.10 Estudio de campo realizado con el Director del Proyecto, en el cantón
Quevedo- parroquia San Carlos, Finca Santa Isabel……………….…….17

Figura 1.11 Pelado de soya manual .......................................................................... 18
Figura 1.12 Alimentos elaborados a base de soya .................................................... 19
Figura 2.1 Peladora de soya de discos de abrasión .................................................. 23
Figura 2.2 Peladora de soya de rodillo dentado ........................................................ 26
Figura 2.3 Peladora de soya de rodillos vulcanizados .............................................. 29
Figura 3.1 Toma de muestras para determinar la cantidad de granos de soya
por kilogramo…………………………………………………………………...38

Figura 3.2 Dimensiones principales del grano de soya ............................................. 39
Figura 3.3 Sistema de dosificación de la máquina peladora de soya ........................ 41
Figura 3.4 Sistema de Reducción por Poleas ........................................................... 43
Figura 3.5 Estudio del pelado del grano de soya de forma manual........................... 46
Figura 3.6 Carga de compresión sobre el grano de soya .......................................... 46
Figura 3.7 Pruebas para determinar la carga de compresión del pelado del grano
de soya…………………………………………………………………………..47

Figura 3.8 Disposición de los rodillos vulcanizados de pelado .................................. 48
Figura 3.9 Prueba con maqueta ................................................................................ 49
Figura 3.10 Diagrama de cuerpo libre del grano de soya .......................................... 50
Figura 3.11 Elementos de los rodillos ....................................................................... 51
Figura 3.12 Dimensiones logitudinales de los rodillos ............................................... 52
Figura 3.13 Diagrama de Cuerpo Libre del Rodillo ................................................... 53

xvi

Figura 3.14 Corte de la viga Tramo I, plano x-y ........................................................ 55
Figura 3.15 Corte de la viga Tramo II, plano x-y ....................................................... 55
Figura 3.16 Corte de la viga Tramo III, plano x-y ...................................................... 56
Figura 3.17 Diagrama de la fuerza cortante, plano x-y .............................................. 57
Figura 3.18 Diagrama del Momento Flector, plano x-y .............................................. 57
Figura 3.19 Corte de la viga Tramo I, plano x-z ........................................................ 58
Figura 3.20 Corte de la viga Tramo II, plano xz......................................................... 58
Figura 3.21 Corte de la viga Tramo III, plano x-z ...................................................... 59
Figura 3.22 Diagrama de la fuerza cortante, pano x-z .............................................. 60
Figura 3.23 Diagrama del Momento Flector, pano x-z .............................................. 60
Figura 3.24 Elemento diferencial de la sección A...................................................... 61
Figura 3.25 Elemento diferencial de la sección C ..................................................... 63
Figura 3.26 Sección C ............................................................................................... 64
Figura 3.27 Variación de los esfuerzo fuctuantes ...................................................... 67
Figura 3.28 Línea a de Goodman.............................................................................. 70
Figura 3.29 Sistema de poleas rodillo-eje de dosificación ......................................... 71
Figura 3.30 Eje de dosificación ................................................................................. 72
Figura 3.31 Cargas en la Polea ................................................................................. 74
Figura 3.32 Dimensiones logitudinales del rodillo 3 .................................................. 76
Figura 3.33 Diagrama de Cuerpo Libre del rodillo 3 .................................................. 76
Figura 3.34 Corte de la viga Tramo I, plano x-y ........................................................ 78
Figura 3.35 Corte de la viga Tramo II, plano x-y ....................................................... 79
Figura 3.36 Corte de la viga Tramo III, plano x-y ...................................................... 79
Figura 3.37 Corte de la viga Tramo IV, plano x-y ...................................................... 80
Figura 3.38 Diagrama de la fuerza cortante, plano x-y .............................................. 81
Figura 3.39 Diagrama del Momento Flector, plano x-y .............................................. 81
Figura 3.40 Corte de la viga Tramo I, plano x-z ........................................................ 82
Figura 3.41 Corte de la viga Tramo II, plano xz......................................................... 82
Figura 3.42 Corte de la viga Tramo III, plano x-z ...................................................... 83
Figura 3.43 Diagrama de la fuerza cortante, pano x-z .............................................. 84
Figura 3.44 Diagrama del Momento Flector, pano x-z .............................................. 84
Figura 3.45 Elemento diferencial de la sección A...................................................... 85
Figura 3.46 Elemento diferencial de la sección C ..................................................... 86
Figura 3.47 Variación de los esfuerzo fuctuantes ...................................................... 89

xvii

Figura 3.48 Línea de Goodman................................................................................. 91
Figura 3.49 Soladura en los rodillos .......................................................................... 92
Figura 3.50 Sistema de catarinas .............................................................................. 97
Figura 3.51 Dimensiones funcionales para la selección de catarinas ....................... 98
Figura 3.52 Dimensiones del eje del rodillo 1 .......................................................... 104
Figura 3.53 Dimensiones del eje de los rodillos 2 y 4 ............................................. 104
Figura 3.54 Dimensiones del eje del rodillo 3 .......................................................... 105
Figura 3.55 Dimensiones de la tubería estructural .................................................. 106
Figura 3.56 Dimensiones de la tapa de rodillos....................................................... 107
Figura 3.57 Dimensiones del recubrimiento de caucho ........................................... 107
Figura 3.58 Dimensiones de los rodamientos ......................................................... 108
Figura 3.59 Propiedades de la catarina para rodillo ................................................ 109
Figura 3.60 Propiedades de la catarina de inversión .............................................. 109
Figura 3.61 Propiedades de la cadena de transmisión ........................................... 110
Figura 3.62 Configuración del eje de transmisión 1 ................................................ 113
Figura 3.63 Cargas de la polea en la sección B ...................................................... 113
Figura 3.65 Diagrama de cuerpo libre del eje de transmisión 1 .............................. 116
Figura 3.66 Corte de la viga Tramo I, plano x-y ...................................................... 118
Figura 3.67 Corte de la viga Tramo II, plano x-y ..................................................... 119
Figura 3.68 Corte de la viga Tramo III, plano x-y .................................................... 119
Figura 3.69 Diagrama de la fuerza cortante, plano x-y ............................................ 120
Figura 3.70 Diagrama del Momento Flector, plano x-y ............................................ 120
Figura 3.71 Corte de la viga Tramo I, plano x-z ...................................................... 121
Figura 3.72 Corte de la viga Tramo II, plano x-z ..................................................... 121
Figura 3.73 Corte de la viga Tramo III, plano x-z .................................................... 122
Figura 3.74 Diagrama de la fuerza cortante, pano x-z ............................................ 122
Figura 3.75 Diagrama del Momento Flector, pano x-z ............................................ 123
Figura 3.76 Línea de Goodman............................................................................... 126
Figura 3.78 Cargas de la polea en la sección C ...................................................... 128

xviii

Figura 3.82 Corte de la viga Tramo III, plano x-y .................................................... 132
Figura 3.85 Corte de la viga Tramo I, plano x-z ...................................................... 133
Figura 3.86 Corte de la viga Tramo II, plano xz....................................................... 134
Figura 3.87 Corte de la viga Tramo III, plano x-z .................................................... 134
Figura 3.88 Diagrama de la fuerza cortante, pano x-z ............................................ 135
Figura 3.89 Diagrama del Momento Flector, pano x-z ............................................ 135
Figura 3.90 Línea de Goodman............................................................................... 138
Figura 3.99 Corte de la viga Tramo II, plano xz....................................................... 144
Figura 3.100 Diagrama de la fuerza cortante, pano x-z .......................................... 145
Figura 3.101 Diagrama del Momento Flector, pano x-z .......................................... 145
Figura 3.102 Línea de Goodman............................................................................. 148
Figura 3.103 Unión de transmisión de movimiento ................................................. 154
Figura 3.104 Diagrama de cuerpo libre de la estructura ......................................... 158
Figura 3.105 Diagrama de cuerpo libre de la viga del sistema de pelado ............... 159
Figura 3.106 Diagrama de fuerza cortante y momento flexionante de la base del
sistema de pelado…………………………………………………...……..159

Figura 3.107 Diagrama de cuerpo libre de la viga de los ejes de trasnsmisión ....... 160
Figura 3.108 Diagrama de fuerza cortante y momento flexionante de los ejes
de transmisión………………………………………………………..…….160

Figura 3.109 Diagrama de cuerpo libre de la la viga del motor ............................... 161
Figura 3.110 Diagrama de fuerza cortante y momento flexionante de la viga
soportante del motor……………………………….………………………162

Figura 3.111 Diagrama de cuerpo libre de la columna 1 ......................................... 163
Figura 3.112 Diagrama de cuerpo libre de la columna 2 ......................................... 165
Figura 4.1 Ventana General de Algor ...................................................................... 169

xix

Figura 4.2 Condiciones de borde y cargas para el rodillo ....................................... 170
Figura 4.3 Esfuerzos en el rodillo ............................................................................ 171
Figura 4.4 Condiciones de borde y cargas del eje de transmisión 1 ....................... 172
Figura 4.5 Esfuerzos del eje de transmisión 1........................................................ 173
Figura 4.7 Esfuerzos del eje de transmisión 2......................................................... 175
Figura 4.9 Resultados de esfuerzos del eje de transmisión 3 ................................. 177
Figura 4.10 Condiciones de frontera y cargas en la base del sistema de pelado.... 178
Figura 4.11 Resultados de la simulación de la viga base del sistema de pelado .... 179
Figura 4.12 Condiciones de frontera y cargas en la base de los ejes de
transmisión……………..…….…..…….…………………………………….180

Figura 4.13 Resultados de la simulación de la viga de los ejes de transmisión ...... 181
Figura 4.14 Condiciones de frontera y cargas en la base del motor ....................... 182
Figura 4.15 Resultados de la simulación de la viga base del motor ........................ 182
Figura 4.16 Condiciones de frontera y cargas en la columna 1............................... 184
Figura 4.17 Resultados de la simulación de la columna 1 ...................................... 184
Figura 4.18 Condiciones de frontera y cargas en la columna 2............................... 186
Figura 4.19 Resultados de la simulación de la columna 2 ...................................... 186

xx

RESUMEN

El proyecto inicia con un estudio de la historia y generalidades de la soya. A
continuación se hace una investigación de campo en el cantón Quevedo-
Provincia de Los Ríos sobre la producción de soya, las características del suelo
cultivable y el proceso agroindustrial de la soya.

En el segundo capítulo se plantea tres alternativas de diseño de la máquina
peladora de soya hidratada basado en los datos obtenidos en la investigación de
campo. A continuación se selecciona la alternativa más adecuada mediante el
método de criterios ponderados.

Posteriormente se hace el diseño estructural de los elementos mecánicos por
medio de un análisis estático y dinámico. Simultáneamente se selecciona los
elementos normalizados que están presentes en el diseño.

En el cuarto capítulo se hace una simulación de esfuerzos y deformación de los
elementos estructurales mediante el software Algor.

A continuación se realiza un análisis de costos con el objetivo de tener una
concepción de la inversión inicial de la máquina.

Finalmente se elaboran los planos de taller y las hojas de proceso de la máquina
peladora de soya hidratada.

xxi

PRESENTACION

Actualmente se presenta una creciente producción de soya nivel mundial debido
las características propicias de esta leguminosas para la manufactura de
alimentos para personas y animales, así como la elaboración de biocombustibles.

Siendo Ecuador un productor de soya por tener un clima y suelo propicios, pero
se presenta la desventaja de que el proceso agroindustrial se hace de forma
artesanal, por tal razón con la finalidad de acortar la brecha tecnológica con otros
países, se presenta la necesidad de aportar los conocimientos de ingeniería
mecánica adquiridos durante la formación en la Escuela Politécnica Nacional,
enfocados al diseño una máquina que se use para realizar el proceso del pelado
de la soya, este diseño va dirigido a pequeños productores

En el diseño de elementos mecánicos se realiza con las teorías de la mecánica, y
además se hace la simulación del diseño por computador mediante un software
de elementos finitos con el objetivo de la comprobación de resultados.

1

CAPITULO 1

GENERALIDADES

1.1. INTRODUCCIÓN

Puede afirmarse que la industria alimentaria empieza en el momento en que se
inventa la primera herramienta, y como hoy, el objetivo fundamental continúa siendo
preparar, preservar, acondicionar y transformar en alimentos las materias primas
que nos ofrece la tierra.

Con el tiempo, el progreso técnico ha posibilitado no tan sólo el desarrollo de
procedimientos originales para la elaboración de los alimentos a partir de productos
agrícolas, sino también la aplicación de nuevos criterios inherentes a las
necesidades y tendencias de los nuevos consumidores. Suministrar alimentos a la
población es todavía la preocupación fundamental del hombre en el siglo XXI; en
este sentido la tecnología juega un papel muy importante. El desarrollo de líneas de
producción de alimentos cada vez mayores, exige la aplicación de conocimientos y
técnicas consolidadas en la ingeniería mecánica, por lo que el procesamiento de la
soya no está exento a esta situación, donde se hace necesario el uso de maquinaria
y herramientas tecnológicas. Todo esto debido a la demanda a nivel mundial, de
alimentos provenientes de la soya.

El sector procesador de alimentos a partir de la soya a pequeña escala a nivel
nacional está compuesto por industrias locales que para realizar el pelado de esta
leguminosa emplean habilidades netamente manuales y rudimentarias, lo que
conlleva a que el proceso se realice en tiempos altos y en condiciones insalubres.

Por este motivo se ve la necesidad de innovar e implementar nuevas tecnologías,
que permitan a los pequeños productores realizar una práctica más confiable y en un
menor tiempo. El presente proyecto proporciona la información necesaria de un

2

diseño que mejora en gran medida el procesamiento de la soya en su fase de
pelado.

1.2. OBJETIVOS

1.2.1. OBJETIVO GENERAL

Diseñar y simular por computador una máquina peladora de soya hidratada, con una
capacidad de 50 kilogramos por hora.

1.2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS

x Proponer una solución a la problemática de la pequeña industria productora
de alimentos en el proceso del pelado de la soya, que actualmente se realiza
de forma manual.
x Conseguir un proceso eficiente de pelado de la soya y con las mejores
condiciones de limpieza y salubridad.
x Obtener el diseño de una máquina que se ajuste a los requerimientos de la
industria alimenticia con una buena productividad, larga vida útil y de fácil
manejo.

1.3. ALCANCE

x Se realizará un estudio de campo a nivel en la industria alimenticia para
determinar los requerimientos y parámetros de diseño.
x Se estudiará y seleccionará la mejor alternativa de diseño para el proceso de
pelado.
x Se elaborarán planos de taller y de montaje.
x Se elaborarán hojas de proceso para construcción de los elementos
mecánicos

3

x Se realizará el análisis de costos del diseño.
x Se realizará una simulación de esfuerzos del diseño mediante un software de
elementos finitos.

1.4. JUSTIFICACIÓN

La soya posee un alto valor nutritivo. Es un buen recurso para complementar la
alimentación, ya que proporciona todos los aminoácidos esenciales que requiere un
ser humano, pudiendo reemplazar los alimentos de origen animal como carne, leche
y huevos.

La industria productora de alimentos en el Ecuador se ha enfocado en la elaboración
de productos derivados de la soya tales como harina, carne, soya enconfitada, etc.
El pelado de la soya requerida se realiza de forma manual lo que implica un
excesivo tiempo de proceso así como condiciones de insalubridad.

En base a lo antes expuesto, se ha creído conveniente diseñar una máquina para el
mercado nacional que se ajuste a los requerimientos de las pequeñas industrias.

1.5. GENERALIDADES

1.5.1. HISTORIA DE LA SOYA

La soya se origina en Asia hace aproximadamente 5000 años y ha jugado desde
entonces un papel crucial en la alimentación de los pueblos orientales, tales como el

4

chino y el japonés. Se cree que los primeros escritos sobre la soya provienen del
2838 A.C., en China con el emperador Shennung.1

Llega a la India a partir de 1935. Las primeras semillas plantadas en Europa
provienen de China y su siembra se realiza en el Jardín de Plantes de París en
1740. Años más tarde en 1765 se introduce en Estados Unidos. Sin embargo no fue
hasta la década del 40 donde se produce la gran expansión del cultivo en ese país;
así Estados Unidos ha liderado la producción mundial de soya desde 1954 hasta la
actualidad. Ha servido de alimento a los paracaidistas alemanes, en forma de
tabletas durante la segunda guerra mundial.

En Brasil es introducida en 1882, pero su difusión se inicia a principios del siglo XX y
la producción comercial comienza también en la década del 40, constituyéndose en
la actualidad en el segundo productor mundial de grano de soya.

En el Ecuador se ha incrementado en forma importante el cultivo de soya destinado
a la industrialización para el abastecimiento de galletas y harinas de consumo animal
y de la misma manera leche, queso y multivitamínicos para el consumo humano. En
cuanto a la historia de la producción nacional de soya se experimenta un
decrecimiento en el año de 1995 debido a la presencia de la plaga de la mosca
blanca; para el año 1997 y 1998 el fenómeno del Niño provocó una mayor
disminución del producto y a partir del año 1999 se produce un incremento, logrando
estabilizarse en los años posteriores. Las cifras de producción histórica de soya en
el Ecuador se muestran en la tabla 1.1.2

1
PRODUCE; Programa Estratégico de Necesidades de Investigación; Tecnológico de Monterrey;
México; 2003 ; página 4
2
CADENA Valdemar; Presente y Futuro de las Oleaginosas en el Ecuador; Ecuador; 2008 ; página 63

5

Tabla 1.1 Superficie y producción histórica en el Ecuador

Años Superficie Sembrada Producción
(hectáreas) (Toneladas)
1995 79490 107311.5
1996 32000 60800
1997 5000 15200
1998 8000 66939
1999 42100 130200
2000 70000 77850
2001 45000 97200
2002 60000 94402
2003 58273 90406
2004 56504 89745
2005 55450 88432
2006 57800 91567
2007 56340 92340

Fuente: CADENA Valdemar; Presente y Futuro de las Oleaginosas en el Ecuador; Ecuador;
2008; página 63

Elaboración: Propia

1.5.2. SITUACIÓN DE LA SOYA EN EL ECUADOR

La soya por su valor nutritivo y su bajo costo, es una opción para la alimentación de
los ecuatorianos. En la actualidad se ha visto incrementado notablemente el
consumo de productos elaborados a base de la soya, como por ejemplo leche,
carne, queso entre otros; que son expendidos en diferentes zonas del país. Además
que cada vez es mayor el consumo de pastillas y polvos multivitamínicos que se
encuentran en tiendas naturistas.

El cultivo de la soya se ha distribuido en un 99% en la costa ecuatoriana, siendo la
provincia de Los Ríos quien posee un 96% de la superficie nacional, en la tabla 1.2
se muestra la distribución de la superficie de cultivo de soya del año 2008.

6

Tabla 1.2 Distribución de la superficie de cultivo de la soya, año 2008

Superficie Sembrada
Ubicación % Part.
(hectáreas)
REGIÓN COSTA 53723 99
Guayas 1394 3
Los Ríos 52289 96
El Oro y Manabí 40 0
OTRAS REGIONES 627 1
TOTAL NACIONAL 54350 100

Fuente: III CENSO NACIONAL AGROPECUARIO ELABORACIÓN; Proyecto SICA-
BIRF/MAG-Ecuador; 2008; www.sica.gov.ec


1.5.3. GENERALIDADES DE LA SOYA

La soya también llamada soja en diferentes países, es una planta que pertenece a la
familia de las leguminosas, procede de GLYCINEUSSURIENSIS. El cultivo de soya
es un factor muy valioso si se efectúa por rotación estacional, ya que fija el nitrógeno
agotado en los suelos, tras haberse practicado otros cultivos intensivos.

La planta es erguida, de 0.5 a 1.5 m de altura, con grandes hojas trifoliadas, flores
pequeñas de color blanco o púrpura y vainas cortas que encierran entre una y cuatro
semillas.

Contiene un alto valor nutritivo con múltiples usos tanto para el consumo humano
como animal y tiene una demanda importante en el país, siendo el mayor
consumidor el sector de la avicultura debido a que la galleta de soya representa
alrededor del 15% al 20% de la composición de los alimentos balanceados.

1.5.4. TAXONOMÍA

La taxonomía de la soya se observa en la tabla 1.3

7

Tabla 1.3 Taxonomía de la soya

Nombre Común: Soya, Soja
Nombre Científico: Glycine max
Clase: Angiospermae
Subclase: Dicotyledoneae
Orden: Leguminosae
Familia: Rosales
Género: Glycine
Especie: Gmax

Fuente: PRODUCE; Programa Estratégico de Necesidades de Investigación;
Tecnológico de Monterrey; México; 2003; página 4


1.5.5. COMPOSICIÓN QUÍMICA

La composición química del gano de soya se muestra en la tabla 1.4.

Tabla 1.4 Composición Química de la soya

COMPONENTES %
Proteínas: 40
Carbohidratos: 25
Grasa: 20
Agua: 10
Cenizas: 5

Fuente: CARREÑO Johana; Proyecto de Inversión para el Reposicionamiento de una
Productora y Comercializadora de Helados de Soya; ESPOL; 2010; página 43


8

1.5.6. DESCRIPCIÓN BOTÁNICA

La escala desarrollada por Fehr y Caviness en 1971, es la más utilizada para la
descripción de los estados fenológicos externos de la soya.

1.5.6.1. Etapa Vegetativa

Los estados vegetativos de la soya son los siguientes:

VE.- Este estado se caracteriza porque emerge la plántula (planta vascular que se
produce cuando germina la semilla) en forma de arco, como se muestra en la Figura
1.1.

Figura 1.1 Estado VE de la Etapa Vegetativa

Fuente: www.sunfood.cz/soja.phtml

VC.- Se produce cuando el hipocótilo (planta germinada en un estado posterior a la
germinación) está enderezado y los cotiledones están totalmente desplegados. Las
células de la cara superior del hipocótilo cesan su crecimiento, las células de la cara
inferior siguen creciendo y provocan dicho enderezamiento, este estado se observa
en la figura 1.2.

9

Figura 1.2 Estado V1 de la Etapa Vegetativa

Fuente: cicgr.agron.iastate.edu/ CICGR/home.html

Vn.- Este estado se muestra en la figura 1.3, donde se produce la formación de
nudos en la planta, que posteriormente se transforman en flores.

Figura 1.3 Estado Vn de la Etapa Vegetativa

Fuente: cicgr.agron.iastate.edu/ CICGR/home.html

1.5.6.2. Etapa Reproductiva

La etapa reproductiva de la planta de soya está dada por los siguientes estados:

10

R1.- Es el inicio de floración, se presenta una flor abierta en cualquier nudo del tallo
principal. Las flores miden entre 6 y 7 mm de largo y su color puede ser blanca o con
distintos tonos de púrpura.

R2.- En esta etapa se produce la floración completa de la planta de soya donde se
observa una flor abierta en uno de los nudos superiores del tallo principal con hojas
totalmente desplegadas. Esta etapa indica el comienzo de un período de
acumulación constante de materia seca como se observa en la figura 1.4.

Figura 1.4 Estado R2 de la Etapa Reproductiva

Fuente: http:www.mda.state.mn.us/pestsurvey/factsheets/

R3.- Se da el Inicio de formación de vainas, una vaina en uno de los cuatros nudos
superiores del tallo principal.

R4.- En este estado las vainas están completamente desarrolladas, aparece una
vaina de 2 cm aproximadamente en uno de los cuatro nudos superiores del tallo
principal con hojas totalmente desplegadas que se muestra en la figura 1.5.

11


Fuente: http:www.mda.state.mn.us/pestsurvey/factsheets/

R5.- Se da el Inicio de formación de semillas, una vaina ubicada en uno de los
cuatro nudos superiores del tallo principal, la vaina contiene semillas de 3 mm de
largo aproximadamente.

R6.- Las semillas se desarrollan completamente, donde las vainas llegan a alcanzar
alrededor de 5 cm como se muestra en la figura 1.6.


Fuente: http:soybean.agronomy.wisc.edu/.../reproductive.htm

12

R7.- Se produce el inicio de maduración, las vainas se han secado. La semilla
alcanza la madurez fisiológica y junto con la vaina pierde su coloración verde. La
semilla contiene un 60 % de humedad como se observa en la figuras 1.7a y 1.7b.

a) b)


Fuente: http:soybean.agronomy.wisc.edu/.../reproductive.htm

1.5.7. GRANO DE SOYA

El grano de soya tiene una forma ovoidea. Las partes del grano de la soya se
muestran en la Figura 1.8.

Figura 1.8 Grano de Soya

Fuente: www.agroimpulso.com.ar

13

La cáscara o tagumento es la envoltura del grano. Esta envoltura le da un sabor un
tanto amargo a los productos alimenticios a base de soya por lo que se desecha.

El cotiledón está formado por células alargadas llenas de cuerpos proteicos
rodeados por numerosos esferosomas de aceite, contiene la mayor parte de las
proteínas del grano que se hidrolizan por la acción de proteasas durante la
germinación y sirven de substrato para el crecimiento del embrión.

1.5.8. VARIEDADES DE LA SOYA

Las variedades de la soya se pueden identificar en la tabla 1.5.

Tabla 1.5 Variedades de soya

Características VARIEDADES DE SOYA

INTA
Color de las CEA CH 86 CB 3296 1088SCB 1088SC
Taiwán
vainas
S-2036

Color de la flor Crema Crema Marrón Crema Crema
Color de la
Violeta Blanca Blanca Violeta Violeta
pubescencia
Color del hilium Castaño Castaño Negro Castaño Castaño
Días de floración 61 49 49 45 43
Ciclo Vegetativo
155 118 136 118 118
(días)

Fuente: ABURTO Isabel; Evolución de las Variedades de Soya; INTA; 2004; página 6


14

1.6. ESTUDIO DE CAMPO

El estudio de campo se realiza en la provincia de Los Ríos, cantón Quevedo, este
estudio permite obtener generalidades respecto a la producción de soya en el
Ecuador.

1.6.1. LOCALIZACIÓN DE LOS CULTIVOS DE SOYA

El 96% de producción de soya se concentran en la Provincia de los Ríos. La
Provincia cuenta con cultivos de esta leguminosa distribuidos en diferentes
cantones, además que posee gran cantidad de industrias de secado y centros
acopio. En la tabla 1.6 se muestran los datos de la distribución de la producción de
soya en la Provincia de los Ríos del año 2008.

Tabla 1.6 Distribución de la producción de soya en la Provincia de los Ríos, del año
2008

Superficie Sembrada Producción
Cantón
(hectáreas) (Toneladas)
Baba 1076 1921
Urdaneta 1638 2924
Montalvo 14500 23020
Babahoyo 29954 47555
Buena Fe 3667 5821
Quevedo 3515 4320

Fuente: III CENSO NACIONAL AGROPECUARIO ELABORACIÓN; Proyecto SICA-
BIRF/MAG-Ecuador; 2008; www.sica.gov.ec


El clima de la Los Ríos es cálido húmedo, con una temperatura anual que oscila
entre los 22°C y 33ºC con variaciones mínimas en todo el año. La humedad relativa
oscila entre el 81 y 88%. La distribución de lluvias está definida en los meses de
diciembre a mayo, la estación seca se presenta en los meses de junio a noviembre.

15

La temperatura óptima de germinación para la semilla de soya se ubica entre 24°C y
32ºC, pudiéndose realizar la siembra a partir de los 20ºC. Por lo que el clima de la
provincia de Los Ríos es propicio para el cultivo de soya.

1.6.2. ÉPOCAS Y CARACTERÍSTICAS DEL SUELO CULTIVABLE

El cultivo de la soya en las zonas de agrícolas de la provincia de Los Ríos se realiza
de forma anual en los meses de mayo a octubre; el ciclo vegetativo de la leguminosa
oscila entre 100 y 150 días.

La provincia de Los Ríos posee distintos tipos de suelos como son arcillosos, franco-
arcillosos y franco-limosos, que se caracterizan por la alta capacidad de retención de
agua y permeabilidad, propicios para la producción de soya. En la figura 1.9 se
muestra una plantación típica de soya, de la provincia de los Ríos.

Figura 1.9 Estudio de campo de los cultivos de soya realizado con el Director del Proyecto,
en el cantón Quevedo- parroquia San Carlos; Barrio Fe y Alegría
Fuente: Propia

16

1.6.3. PROCESO AGROINDUSTRIAL

El proceso de cosecha y post cosecha de la soya abarca las siguientes actividades:

1. Cosecha
2. Desvainado
3. Secado
4. Pelado
5. Elaboración de alimentos

1.6.3.1. Cosecha

La cosecha de la soya se recomienda realizarla cuando las semillas tienen una
humedad entre 13º y 15º, pero debido a que el cultivo en la zona es artesanal los
agricultores se basan solamente cuando la vaina se torna en un color café.

La cosecha es realizada de forma manual al desprender las vainas de la planta, la
planta servirá de abono para el siguiente cultivo después del arado. En la figura 1.10
se muestra un cultivo de soya en estado de cosecha.

17

Figura 1.10 Estudio de campo realizado con el Director del Proyecto, en el cantón
Quevedo- parroquia San Carlos, Finca Santa Isabel

Fuente: Propia

1.6.3.2. Desvainado

Este proceso se realiza de manera artesanal, el cual consiste en colocar las vainas
de la soya en costales o tendales formando un bulto; para posteriormente golpear
este bulto contra una pared logrando que la vaina se triture.

A continuación se realiza un proceso de limpieza separando las vainas trituradas,
tallos, ramas y polvo de los granos mediante un tamizado. Por último la soya es
almacenada en costales para ser entregados a los centros de acopio.

18

1.6.3.3. Secado

Una vez realizada la limpieza, los granos de soya son transportados a centros de
acopio donde son secados. El proceso de secado es realizado por medio de hornos
fijos construidos de bloque, por la parte inferior de estos hornos circula aire caliente;
el aire caliente se obtiene al quemar G.L.P. e impulsado por un ventilador.

Posteriormente del secado, la soya es colocada en sacos y almacenados bajo techo
para su venta y comercialización.

1.6.4. Pelado

Antes del pelado, se hace una hidratación del grano, logrando que la cáscara se
torne sumamente blanda, permitiendo así un desprendimiento de ésta de una
manera más fácil.

A nivel micro industrial el pelado luego de la hidratación de la soya es realizado de
forma manual, como se muestra en la figura 1.11 Cabe mencionar que el diseño de
esta tesis está enfocado en mejorar este proceso.

Figura 1.11 Pelado de soya manual

Fuente: Propia

19

1.6.4.1. Elaboración de alimentos

Una vez realizado el pelado de la soya se procede a la transformación de alimentos
como: carne, leche, queso, soya, enconfitada, etc.; con diferentes procesos que
cada producto requiere. Actualmente los alimentos elaborados a base de soya son
muy comercializados en centros comerciales y naturistas por su alto contenido
alimenticio como se observa en la figuras 1.12a y 1.12b.

a)

b)

Figura 1.12 Alimentos elaborados a base de soya

Fuente: Propia

20

CAPITULO 2

SELECCIÓN DE ALTERNATIVAS

2.1. DEFINICIÓN DEL PROBLEMA

La industria productora de alimentos en el Ecuador en los últimos años se ha
enfocado en la elaboración de productos alimenticios derivados de la soya tales
como: harina, carne, soya enconfitada. El pelado de la soya se realiza de forma
manual, lo que implica un excesivo tiempo de proceso así como condiciones de
insalubridad.

En base a lo antes expuesto se ve la necesidad de diseñar una máquina para el
mercado nacional que se ajuste a los requerimientos de las pequeñas industrias.

En este capítulo se presentan las alternativas de solución a la problemática antes
mencionada. Estas son descritas de tal forma que se plantean sus ventajas y
desventajas más importantes e influyentes sobre el proceso de pelado. El principal
objetivo del estudio y selección de las alternativas es determinar la configuración del
diseño de la máquina peladora.

2.2. RESTRICCIONES Y LIMITACIONES

2.2.1. CARACTERÍSTICAS DEL PROTOTIPO

De las encuestas realizadas en el trabajo de campo pequeños productores del
cantón Quevedo en la provincia de los Ríos, se han obtenido los siguientes
requerimientos y deseos comunes:

21

x Bajo tiempo de obtención del Producto.
x Bajo precio de producción.
x Mantenimiento.
x Compacta.
x Limpieza en el proceso.
x Calidad del Producto.
x Facilidad de transporte.
x Salubridad en el proceso

2.2.2. PARÁMETROS FUNCIONALES

En base a las características antes mencionadas, se puede extraer los parámetros
considerados importantes para el diseño de la máquina.

Estos se indican a continuación.

a) Tiempo de proceso

La peladora de soya debe un cumplir un tiempo de fabricación de acuerdo las
necesidades de los pequeños productores. El diseño de la máquina debe asegurar
que el tiempo de proceso de pelado sea menor que el realizado de forma manual.

b) Capacidad

De acuerdo con la concepción del proyecto se define que la máquina debe tener una
capacidad de al menos 50 Kg/h, esto justificado con un previo estudio el cual se
enfoca en que la máquina debe poseer una mayor capacidad de pelado (de
alrededor de un 100% superior) que el proceso manual.

c) Facilidad de Fabricación

Este es un aspecto es muy importante debido a que el diseño está enfocado para las
pequeñas industrias, por lo tanto las alternativas de diseño deben contemplar una
facilidad de fabricación para disminuir costos.

22

c) Mantenimiento

La máquina peladora debe permitir un mantenimiento preventivo, con el fin que no
se reduzca su vida útil. El mantenimiento también no debe involucrar excesivas
horas de para de la máquina y gastos extremadamente considerables debido a
repuestos, reparaciones y mano de obra.

d) Ergonomía

La máquina debe adaptarse correctamente a las habilidades del operador, tal que no
presente dificultades para ser utilizada y mucho menos represente excesivos
esfuerzos para las personas encargadas del manejo.

e) Costos de fabricación

El costo es un parámetro muy importante ya que el diseño de la máquina debe
adaptarse a pequeñas industrias de producción.

2.3. ESTUDIO DE LAS ALTERNATIVAS

Para propósitos de diseño de la máquina peladora de soya hidratada se han
considerado tres alternativas, partiendo del principio que a nivel nacional no existen
máquinas que realizan esta función.

A continuación se detallan las alternativas teóricas de diseño.

23

2.3.1. ALTERNATIVA 1: MÁQUINA PELADORA DE SOYA HIDRATADA DE
DISCOS DE ABRASIÓN

La alternativa 1 se observa en las figuras 2.1a, 2.1b y 2.1c.

2 1

3 9

8
4 5

6

7
a) b)

2
9 4
8
10

11
7

6

c)

Figura 2.1 Peladora de soya de discos de abrasión
Fuente: Propia


24

Esta alternativa consta de los siguientes elementos:

1. Motor eléctrico
2. Tolva de ingreso
3. Carcasa Superior
4. Tolva de salida
5. Carcasa Inferior
6. Banda
7. Polea
8. Disco móvil
9. Disco Fijo
10. Eje vertical
11. Rodamiento axial

2.3.1.1. Funcionamiento de la peladora de soya hidratada de discos de abrasión

El funcionamiento de esta alternativa inicia cuando la soya ingresa a la máquina por
medio de la tolva de ingreso (2), posteriormente se transporta por medio de la fuerza
de gravedad hacia la cámara de los discos de abrasión, aquí un disco permanece
fijo (9) y otro móvil (8). El movimiento relativo de rotación entre los discos permite
que se genere rozamiento con los granos de soya produciendo el desprendimiento
de la cáscara.

Mediante la acción de la fuerza centrífuga de la rotación, los granos de soya pelados
y la cáscara son impulsados hacia la tolva de salida (4) y luego al exterior por la
medio de la fuerza de gravedad.

El disco de fricción móvil es accionado por medio de un eje vertical (10), el
acoplamiento entre el eje y el disco es hecho por medio de una chaveta. El eje es
impulsado por medio de un motor eléctrico (1), la transmisión de movimiento entre el
motor y el eje se realiza por medio de poleas (7) y banda (6).

25

Cabe mencionar que el eje vertical está soportado en la carcasa inferior (5) por
medio de un rodamiento axial (11), el cual absorbe la carga generada por el peso del
disco móvil.

2.3.1.2. Ventajas y desventajas de la peladora de soya hidratada de discos de abrasión

Ventajas

x Facilidad de manejo para el operador.
x Máquina compacta y de fácil transporte.
x Alta seguridad por tener un sistema de pelado totalmente cerrado.
x Larga vida útil debido a la robustez del diseño.
x Alta capacidad de producción.

Desventajas

x Compleja construcción debido a la configuración de los elementos.
x Altos costos de fabricación.
x Complejo mantenimiento.
x Altos costos de mantenimiento.
x Personal calificado para realizar el mantenimiento.

26

2.3.2. ALTERNATIVA 2: MÁQUINA PELADORA DE SOYA HIDRATADA DE
RODILLO DENTADO


5
1
6
2
9
3 7
10
4 8

a) b)

5
1
6
2 9
3 11

4

c)

Figura 2.2 Peladora de soya de rodillo dentado
Fuente: Propia



27

1. Estructura
2. Polea
3. Banda
4. Motor eléctrico
5. Tolva de ingreso
6. Rodillo dentado
7. Lámina de aplastamiento
8. Bandeja de salida
9. Eje motriz
10. Cámara de pelado
11. Rodamientos radiales

2.3.2.1. Funcionamiento de la peladora de soya hidratada de rodillo dentado

El proceso de pelado de esta alternativa inicia con el ingreso de la soya hidratada
por la tolva de ingreso (5), luego la soya es trasladada por medio de la fuerza de
gravedad y la fuerza de arrastre generada por el giro del rodillo dentado (6) hacia la
cámara de pelado (10), la cámara de pelado está compuesta por la lámina de
aplastamiento (7) y el rodillo dentado antes mencionado. La soya es presionada por
los dientes del rodillo y la lámina permitiendo que la cáscara se separe del grano. Al
final los granos de soya pelada y la cáscara son depositados en la bandeja de salida
(8).

El rodillo dentado es accionado por medio del eje motriz (9), este se encuentra
acoplado al rodillo dentado por medio de remaches permitiendo que los dos giren
solidariamente. El movimiento rotatorio del eje motriz está dado por un motor
eléctrico (4), el movimiento es trasmitido del motor hacia el eje por medio de poleas
(2) y bandas (3). Para que el giro del eje motriz se realice de manera correcta, este
es conjugado con dos rodamientos radiales (11).

28

2.3.2.2. Ventajas y desventajas de la peladora de soya hidratada de rodillo dentado

Ventajas

x Mediano costo de fabricación.
x Facilidad de mantenimiento.
x Presta gran ergonomía al operador.
x Capacidad de regulación para diferentes tamaños de grano de soya.
x Alta seguridad para el operador.

Desventajas

x Compleja construcción debido a la configuración de los elementos.
x Gran tamaño.
x Dificultad de transporte.
x Moderada eficiencia debido a la configuración de los dientes que podrían
dañar un porcentaje de los granos.
x Moderada capacidad de producción.
x Complejo montaje y desmontaje.

29

2.3.3. PELADORA DE SOYA HIDRATADA DE RODILLOS VULCANIZADOS


1
2
5

3
6

4

7

a) b)

8

c)

Figura 2.3 Peladora de soya de rodillos vulcanizados
Fuente: Propia


30


1. Tolva de ingreso
2. Sistema de poleas y bandas
3. Estructura
4. Motor eléctrico
5. Rodillos vulcanizados
6. Bandeja de salida
7. Sistema de regulación
8. Sistema de cadena y catarinas

2.3.3.1. Funcionamiento de la peladora de soya hidratada de rodillos vulcanizados

En esta alternativa el grano de soya es colocado en la tolva de ingreso (1),
posteriormente por medio de la fuerza de gravedad es transportada hasta el primer
par de rodillos vulcanizados (5) donde las cáscara es separada de los grano por las
fuerzas de rozamiento y compresión generada por la rotación de estos rodillos.

Para incrementar la eficiencia de la máquina los granos de soya pasan por el
segundo par de rodillos, luego de este proceso los granos y la cáscara se trasladan
a una bandeja de salida (6). Los rodillos son accionados por medio de un motor
eléctrico (4), el movimiento de rotación es transmitido a los rodillos por medio de un
sistema de bandas y poleas (2).

Una característica importante de esta alternativa es que consta de un sistema de
cadenas y catarinas (8), que permite generar un movimiento de rotación inverso en
los rodillos vulcanizados.

2.3.3.2. Ventajas y desventajas de la peladora de soya hidratada de rodillos
vulcanizados

Ventajas

x Facilidad de construcción.
x Facilidad de mantenimiento.

31

x Presta gran ergonomía al operador.
x Simplicidad tecnológica.
x Alta seguridad de operación.
x Alta eficiencia por la presencia de dos pares de rodillos.
x Capacidad de regulación para diferentes tamaños de grano de soya.
x Moderado costo de fabricación debido a la simplicidad del diseño
x El proceso de vulcanización de los rodillos se realiza con caucho blanco
alimenticio o neopreno, todo esto con el fin de que la soya no se contamine.

Desventajas

x Gran tamaño.
x Dificultad de transporte.
x Elevado peso.

2.4. ANÁLISIS Y SELECCIÓN

Para la selección de la mejor alternativa de diseño se evalúa por medio del método
ordinal corregido de criterios ponderados3.

Este método se basa en tablas donde cada criterio o solución se confrontan con los
restantes criterios o soluciones y se asignan los siguientes valores.

1 Si el criterio o solución de las filas es superior que el de las columnas.

0.5 Si el criterio o solución de las filas es equivalente al de las columnas.

0 Si el criterio o solución de las filas es inferior que el de las columnas.

3
RIBA Carles; Diseño Concurrente; ETSEIB; España; 2002; página 60

32

2.4.1. EVALUACIÓN DEL PESO ESPECÍFICO DE CADA PARÁMETRO
FUNCIONAL

En base a los parámetros funcionales mencionados en el numeral 2.2.2, se evalúa el
peso de menor a mayor en base a los requerimientos de los pequeños productores
como se observa en la tabla 2.1.

Tabla 2.1 Evaluación del peso de menor a mayor de los parámetros funcionales

Capacidad = Facilidad de Fabricación > Tiempo de Proceso> Costo > Mantenimiento > Ergonomía

Fuente: Propia


A continuación se evalúa el respectivo valor respectivo valor de los parámetros
funcionales, que se muestra en la tabla 2.2.

Tabla 2.2 Peso específico de cada parámetro funcional

1 2 3 4 5 6 ∑+1 Ponderado
1 Capacidad 0,5 1 1 1 1 4,5 5,5 0,26
2 Facilidad de Fabricación 0,5 1 1 1 1 4,5 5,5 0,26
3 Tiempo de Proceso 0 0 1 1 1 3 4 0,19
4 Costos 0 0 0 1 1 2 3 0,14
5 Mantenimiento 0 0 0 0 1 1 2 0,10
6 Ergonomía 0 0 0 0 0 0 1 0,05
Total 21 1

Fuente: Propia


33

2.4.2. EVALUACIÓN DE LOS PESOS ESPECÍFICOS DE LAS DISTINTAS
SOLUCIONES

2.4.2.1. Evaluación del criterio Capacidad

En la tabla 2.3 se observa la evaluación del peso del criterio de capacidad para cada
alternativa.

Tabla 2.3 Evaluación del criterio Capacidad

CAPACIDAD Alternativa 1 Alternativa 2 Alternativa 3 ∑+1 Pond.
1 0,5 2,5 41,67
Alternativa 1
0 0 1,0 16,67
Alternativa 2
0,5 1 2,5 41,67
Alternativa 3
Total 6,0 100

Fuente: Propia


2.4.2.2. Evaluación del criterio Facilidad de Fabricación

En la tabla 2.4 se muestra la evaluación del peso del criterio de facilidad de
fabricación para cada alternativa.

Tabla 2.4 Evaluación del criterio Facilidad de Fabricación

FACILIDAD DE Alternativa 1 Alternativa 2 Alternativa 3 ∑+1 Pond.
FABRICACIÓN
Alternativa 1 0 0 1 16,67
Alternativa 2 1 0,5 2,5 41,67
Alternativa 3 1 0,5 2,5 41,67
Total 6 100

Fuente: Propia


34

2.4.2.3. Evaluación del criterio Tiempo de Proceso

En la tabla 2.5 se observa la evaluación del peso del criterio de tiempo de
fabricación para cada alternativa.

Tabla 2.5 Evaluación del criterio Tiempo de Proceso

TIEMPO DE Alternativa 1 Alternativa 2 Alternativa 3 ∑+1 Pond.
PROCESO
Alternativa 1 1 0,5 2,5 41,67
Alternativa 3 1 0,5 2,5 41,67
Total 6 100

Fuente: Propia


2.4.2.4. Evaluación del criterio Costos

En la tabla 2.6 se muestra la evaluación del peso del criterio de costos para cada
alternativa.

Tabla 2.6 Evaluación del criterio Costos

COSTOS Alternativa 1 Alternativa 2 Alternativa 3 ∑+1 Pond.
Alternativa 2 1 0,5 2,5 41,67
Alternativa 3 1 0,5 2,5 41,67
Total 6 100

Fuente: Propia


2.4.2.5. Evaluación del criterio Mantenimiento

En la tabla 2.7 se muestra la evaluación del peso del criterio de mantenimiento para
cada alternativa.

35

Tabla 2.7 Evaluación del criterio Mantenimiento

MANTENIMIENTO Alternativa 1 Alternativa 2 Alternativa 3 ∑+1 Pond.
Total 6 100

Fuente: Propia


2.4.2.6. Evaluación del criterio Ergonomía

En la tabla 2.8 se observa la evaluación del peso del criterio de mantenimiento para
cada alternativa.

Tabla 2.8 Evaluación del criterio Ergonomía

ERGONOMÍA Alternativa 1 Alternativa 2 Alternativa 3 ∑+1 Pond.
Alternativa 2 0 0,5 1,5 25,00
Alternativa 3 0 0,5 1,5 25,00
Total 6 100

Fuente: Propia


2.4.3. TABLA DE CONCLUSIONES

En la tabla 2.9 se muestra las concusiones para la selección de la alterativa de
diseño más adecuada.

36

Tabla 2.9 Tabla de Conclusiones

Capacidad Facilidad de Tiempo de Costos Mantenimiento Ergonomía
CONCLUSIÓN Fabricación Proceso ∑ Prior.

Alternativa 1 10,9 4,4 7,9 2,4 1,6 2,4 29,6 2

Alternativa 2 4,4 10,9 3,2 6,0 3,2 1,2 28,8 3

Alternativa 3 10,9 10,9 7,9 6,0 4,8 1,2 41,7 1

Fuente: Propia


De los resultados obtenidos en la tabla 2.9 se observa que la mejor decisión de
diseño es la alternativa 3, que corresponde a la peladora de soya hidratada de
rodillos vulcanizados.

37

CAPITULO 3

DISEÑO

3.1. DETERMINACIÓN DE LA CANTIDAD DE GRANOS DE SOYA
POR KILOGRAMO4

La cantidad de granos hidratados de soya por kilogramo se determina mediante un
análisis muestral, a través de la siguiente ecuación.

Ec. (3.1)

Donde:

n : Tamaño muestral

Na : Población

Zα : Desviación 95% (1.96)

p : Información desconocida (50%)

q : (1-p)

d : estimación

Se asume una población (Na) de 100, una estimación (d) de 5% y aplicando la
ecuación 3.1 se tiene.

4
PÉREZ M; Control Estadístico de Procesos; EDITAR;Bogotá-Colombia; 1991; Pág. 61

38

Para realizar la contabilidad de los granos de soya hidratados por kilogramo, se
utiliza una balanza electrónica, como se indica en la figura 3.1.

Figura 3.1 Toma de muestras para determinar la cantidad de granos de soya hidratados por
kilogramo

Fuente: Propia

Una vez determinado el tamaño de la muestra se determina la media aritmética de la
cantidad de granos de soya hidratada, utilizando la siguiente expresión.

Ec. (3.2)

De acuerdo a la ecuación 3.2, se obtiene la media aritmética (los datos obtenidos del
muestreo de la cantidad de granos por kilogramo se observan en el ANEXO A; Tabla
A.1.).

39

3.2. DETERMINACIÓN DE LAS MEDIDAS GENERALES DE LA
SOYA

Las medidas generales del grano de la soya hidratada se determinan mediante un
análisis estadístico. La muestra de soya utilizada para este análisis estadístico es de
variedad mundial. En la figura 3.2 se muestra las tres dimensiones principales del
grano de soya para el estudio.

Figura 3.2 Dimensiones principales del grano de soya
Fuente: Propia


Donde:

a: longitud [mm]

b: ancho [mm]

c: espesor [mm]

Para determinar el tamaño de la muestra se utiliza la ecuación 3.1, para esto se
asume una estimación (d) de 5% y la población es la cantidad de granos hidratados
por libra obtenidos en el numeral 3.1, por tanto (Na) es de 1634.

40

Una vez calculado el tamaño de la muestra se utiliza la ecuación 3.2 para determinar
la media aritmética de las tres medidas del grano de soya hidratada. Los datos de
las mediciones del muestreo se observan en el ANEXO B, tabla B.1. Los resultados
de la media aritmética de las dimensiones de los granos de soya son los siguientes.

3.3. DIMENSIONAMIENTO DE LA MÁQUINA PELADORA DE SOYA
HIDRATADA POR RODILLOS DE PRESIÓN

3.3.1. VELOCIDAD ANGULAR DE LOS RODILLOS

En primer lugar se determina la cantidad de granos de soya hidratada que se pelan
en cada revolución.

3.3.1.1. Cálculo de la cantidad de granos de soya hidratada que se pelan por revolución

La peladora de soya cuenta con un sistema de dosificación, el cual permite que los
granos de soya no sobrealimenten el mecanismo de pelado de rodillos, lo que causa
un incorrecto funcionamiento. Como se observa en la figura 3.3a y 3.3b, el sistema
de dosificación cuenta con un eje cuadrado de dosificación, el cual permite el paso
de la soya al través de la tolva 4 veces en cada revolución.

El eje de dosificación está accionado por uno de los rodillos de pelado a través de un
sistemas de poleas de igual diámetro (relación de transmisión 1:1), como se observa
en la figura 3.3c, por lo tanto existirán 4 ingresos de granos de soya por revolución a
los rodillos de pelado.

41

Tolva

Eje de
dosificación

Rodillos de
pelado

Rodillos de
pelado

a) b)

Sistema de
poleas
Rodillo de
pelado

c)

Figura 3.3 Sistema de dosificación de la máquina peladora de soya
Fuente: Propia


Para el diseño se toma una longitud del rodillo de pelado de 400 [mm], por otra parte
en el numeral 3.2 se determina la longitud (a) del grano de soya, por lo tanto la
cantidad de soya que se distribuye longitudinalmente está dada por la ecuación 3.3.

Ec. (3.3)

Donde:

Nl : Cantidad de granos de soya que se distribuyen longitudinalmente [u]

LR Longitud del rodillo [mm]

42

Aplicando la ecuación 3.4 se tiene.

Debido a que la soya ingresa 4 veces por revolución, la cantidad total de granos por
revolución (NT) de soya está dada mediante la ecuación 3.4.

Ec. (3.4)

Donde:

NT : Total de granos por revolución [u/rev]

3.3.1.2. Cálculo de la velocidad angular de los rodillos.

A continuación se determina la cantidad de granos de soya por minuto que se tiene
que pelar, mediante la ecuación 3.5.

Ec. (3.5)

Donde:

Ca : Capacidad de la máquina [Kg/hora]

Cb : Granos de soya por libra [Kg/min]

C Granos de soya distribuidos por minuto [u/min]

Ca=50 [Kg/hora]

Cb=3595 [u/Kg]

Aplicando la ecuación 3.5 se tiene.

43

La velocidad angular de los rodillos se calcula mediante la ecuación 3.6.

Ec. (3.6)

Donde:

ω : Velocidad angular [rev/min]

3.4. DETERMINACIÓN DE LAS VELOCIDADES ANGULARES DE
LOS EJES Y POLEAS DE REDUCCIÓN

Dado que la velocidad de los rodillos es 23 [rev/min] se hace necesario un sistema
de poleas que permita la reducción de la velocidad angular del motor. Este sistema
se puede observar en la figura 3.4.

Eje de
transmisión 3

Eje de
transmisión 2

Eje de
transmisión 1

Figura 3.4 Sistema de Reducción por Poleas
Fuente: Propia


Peladora de soya hidratada

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