Design and selection of
blades for the tire crushing process and manufacturing cost analysis.
Javier
Renato Moyano Arévalo.
Recibido: 10-12-2019 / Revisado: 26-1=
2-219 /Aceptado: 04-01-20=
20/ Publicado: 07-02-20=
19
Abstract. <=
/span>DOI: https://doi.org/10.33262/concienciadigita=
l.v3i1.1.1130
For the reuse of vehicle
tires, a process called crushing is presented, which allows recycling and u=
se
of different materials for use in various industrial applications. The basic
design of the tire crushing system using efficient blades was considered as=
an
alternative solution to the problem of several business sectors, which have=
not
yet reused the material. The objective of the research pursues the design a=
nd
selection of blades for the tire crushing process and manufacturing cost
analysis. Therefore, typical mechanical properties of rubber in the cutting
process were analyzed, and economic knife alternatives were compared for the
establishment of an appropriate tire crushing process. Each of the alternat=
ives
compared differs in mechanical characteristics and nature of the material
widely spread in the local environment such as ASTM-A36, SAE -1045, and SAE=
-S1,
the first material being the most economical and recommended, as long as the
design alternative is used according to the curved flank model, with maximum
deformation on average of 0.0202mm. It concludes with a low manufacturing c=
ost
regardless of the design of the blade varies, in any case heat treatment mu=
st
be performed. The crushing system was sized in such a way that untreated ti=
res
are treated, typical in small vehicles, because they are very numerous since
there are fewer cases of retreading. The research becomes a sustainable and
feasible alternative for the medium and small industry that is good at offe=
ring
products based on recycled material such as rubber.
Keywords: <=
/i>Tire Reuse, Crushing
Process, Mechanical Properties, Manufacturing Costs
Resumen.
Para
la reutilización de los neumáticos de vehículos, se presenta un proceso lla=
mado
trituración, el cual permite reciclar y aprovechar los distintos materiales
para uso de diversas aplicaciones industriales. El diseño básico del sistem=
a de
trituración de neumáticos mediante cuchillas eficientes fue considerado como
alternativa de solución a la problemática de varios sectores empresariales,=
que
aún no han reutilizado el material. El objetivo de la investigación persigu=
e el
diseño y selección de cuchillas para el proceso de trituración de neumático=
s y
análisis de costos de fabricación. Por consiguiente, se analizaron propieda=
des
mecánicas típicas del caucho en el proceso de corte, y fueron comparadas las
alternativas económicas de cuchillas para el establecimiento de un proceso
adecuado de trituración de neumáticos. Cada una de las alternativas
comparadas difiere en características mecánicas y naturaleza del material m=
uy
difundidos en el medio local como el caso de ASTM- A36, SAE -1045, y SAE- S=
1,
siendo el primer material el más económico y recomendado, siempre y cuando =
se
utilice la alternativa de diseño según el modelo de flancos curvos, con
deformación máxima en promedio de 0.0202mm. Se concluye con un costo de
fabricación bajo independientemente que varíe el diseño de la cuchilla, en =
todo
caso se debe realizar tratamiento térmico. El sistema de trituración fue
dimensionado de tal manera que se traten neumáticos desalambrados, típicos =
en
vehículos pequeños, por ser muy numerosos ya que existen menos casos de
reencauche. La investigación se convierte en una alternativa sustentable y
factible para la industria mediana y pequeña que tiene a bien ofertar produ=
ctos
a base de material reciclado como el caucho.
Palabras
clave: Reutilización de Neumáticos,
Proceso de Trituración, Propiedades mecánicas, Costos de Fabricación=
Introducción
=
Los neumáticos
de caucho usados en los vehículos son materiales que deben reutilizarse, sin
embargo, el incorrecto tratamiento que se le da como residuos ha definido, =
que,
luego de un desgaste excesivo es imposible reutilizarlos para un reencauche=
o
renovación superficial. Según el Ministerio de Ambiente Ecuatoriano; entre =
2 a
2,5 millones de neumáticos son desechados en Ecuador por año, y al momento =
son
mínimos los planes de manejo ambiental que evidencien acciones en pro de la
reducción o reutilización correcta=
de
los materiales. De acuerdo al trab=
ajo
experimentado de (Alejandre, 2014),
en España se recogieron alrededor de 162.599 toneladas de
neumáticos en 2013 con la participación del SIGNUS (Sistema Integrado de
Gestión de Neumáticos Usados), cifra que resulto con 75.559 toneladas de ca=
ucho
fueron trituradas y granuladas para diversas aplicaciones (mezclas asfáltic=
as, losetas
de seguridad para parques infantiles, campos de fútbol de césped artificial=
, y objetos
moldeados). S=
e reconoce a la trituración como proceso que permite
reciclar y aprovechar los distintos materiales que componen a los neumático=
s, de
modo que en su mayor parte provienen del GCR (granulado de caucho reciclado=
). Un
reciclaje sin reutilización en el caso de neumáticos se convierte en un
problema de sobreacumulación, el cual es causante de los daños ambientales,=
se
ha manifestado en pequeñas y medianas bodegas o vulcanizadoras que por falt=
a de
presupuesto no cuentan con maquinaria capaz de mejorar las condiciones para=
la
disposición y reutilización del caucho de llantas en la actualidad del país=
.
Distintos
investigadores como (Peláez Arroyave, Velásquez Restrepo, & Gira=
ldo
Vásquez, 2017),
(Guerrero, 2018),
plantean diversas formas de reutilización del caucho reciclado, incluyendo
aplicaciones actualmente comercializadas y otras derivadas estudios de
ingeniería. Mismos autores concue=
rdan
que varios métodos que tienen el o=
bjeto
de aprovechar residuos de caucho, son clasificados en procesos mecánicos, q=
uímicos,
térmicos, criomecánicos, químico-mecánicos, ter=
mo-mecánicos,
biotecnológicos, procesos con microondas y con ultrasonido. En la mayoría de
estos procesos es necesario triturar el caucho hasta reducirlo a gránulos de
tamaño y forma regular, y de esa manera facilitar que los aditivos químicos=
y
agentes de expansión reaccionen adecuadamente con la estructura vulcanizada=
, a
la vez que se separan las fibras de acero, textiles y aditamentos metálicos=
. Las
aplicaciones encontradas en los sectores de construcciones civiles, tales c=
omo
asfaltos, concretos y materiales aislantes, utilizan mayor potencial de vol=
umen
consumido. Sea en el caso de la elaboración de bloques de hormigón, el uso =
de partículas
de caucho en diferentes porcentajes de sustituciones por agregado fino, ha
suministrado de características técnicas y económicas típicas de un hormigón
convencional, cumpliendo la norma NTE INEN 3066 2016-11. “Se
comprobó también que la densidad del concreto disminuye al aumentar la cant=
idad
de partículas de neumático y mejora su resistencia.”
=
El diseño básico de un sistema de triturac=
ión de
neumáticos se convierte en una alternativa de solución a la problemática em=
presarial
con enfoque de proyección industrial. Si
no se ha reutilizado el material para la elaboración de nuevas aplicaciones
industriales en diversos ámbitos, la industria ha perdido su horizonte. El
sistema de trituración de neumáticos se debe dimensionar con la finalidad de
tratar los desalambrados, de los cuales el
mayor número responde a casos de vehículos pequeños, caracterizados =
por
no recurrir al proceso de reencauche. Con la finalidad de triturar de manera
eficiente, se requiere del dimensionamiento y seleccio=
namiento
adecuado de los componentes críticos que formarán parte del mecanismo cuya
transmisión sea económicamente sustentable. Los métodos de selección de elementos de máq=
uinas
son actualizados en función del avance tecnológico, de tal manera que la
informática contribuye con la simulación del movimiento y propiedades mecán=
icas
en concordancia de conocimientos de ingeniería se lo haga una realidad. En =
la
selección adecuada de los componentes mecánicos, debe considerarse <=
span
lang=3DES-EC style=3D'font-size:12.0pt;line-height:115%;font-family:"Times =
New Roman",serif'>el
uso racional de energía en el proceso de trituración y molienda de material=
es,
así como lo manifiesta
Según
=
El
objetivo de la presente investigación persigue el diseño y seleccionamiento
de las cuchillas para el proceso de trituración de neumáticos y el análisis=
de
costos de fabricación entre casos de diseño, material y geometría de los fi=
los
de corte.
=
Para
ello se debe establecer los parámetros básicos y requerimientos para el
triturador, plantear el sistema de transmisión de la adaptación, modelar y simular las características m=
ecánicas
básicas mediante la utilización de herramientas CAD. Para establecer los
requerimientos básicos del triturador, se considera el estudio del <=
span
lang=3DES-EC style=3D'font-size:12.0pt;line-height:115%;font-family:"Times =
New Roman",serif'>comportamiento
ideal del material objeto a trituración, de modo que evidencie la incidenci=
a de
la fuerza de tensión, deformación, dureza, resistencia al desgarre, y defor=
mación
a la compresión para con la selecc=
ión de
elementos mecánicos que puedan soportar ciertas condiciones de temperatura =
de
forma estandarizada.
Los
mecanismos con diseño eficiente, mismos que reúnan características mecánicas
superiores a lo convencional, son parte de una alternativa ideal que debiere
implementarse de acuerdo a las mejoras en los procesos industriales que
persiguen resultados positivos en productividad y calidad. Un proceso de
trituración que cuente con partes mecánicas bien dimensionados en geometría,
movimiento, características mecánicas, a bajo costo es lo que varios sector=
es
locales de bajos recursos buscan insistentemente.
Métodos y Materiales
=
Para
el desarrollo de la presente investigación se desarrolló la determinación de
las propiedades mecánicas del caucho y efectividad del corte del material, =
y la
comparación de costos de las alternativas vigentes de cuchillas para el pro=
ceso
de triturado en el mercado local. En ese sentido se pudo definir un mejor c=
riterio
para la selección adecuada alternativas en lo que respecta al diseño de
cuchillas y mecanismos del proceso de corte.
Análisis de las propiedades mecánicas del caucho e=
n el
proceso de corte
Mediante
investigación exploratoria y análisis de fuentes bibliográficas se determin=
aron
las propiedades mecánicas del caucho, y la efectividad de los tipos de corte
del material. Para determinar el tipo de corte más apropiado para realizar =
la
trituración es necesario analizar el material que para nuestro caso es cauc=
ho (copolímero
estireno-butadieno). Para los cálculos que se realiza el presente proyecto =
se
considera principalmente la zona del neumático con mayor resistencia es dec=
ir
el lugar donde se encuentra conformado con alambres. La incidencia de la fu=
erza
de tensión fue definida en base de parámetros indicados en la norma ASTM D4=
12.
En el mismo sentido la dureza fue tratada mediante los criterios de la ASTM
D2240-05.
=
El
caso de la resistencia al desgarre fue mediante ASTM D624-00. La deformación
permanente por compresión fue el caso del criterio estandarizado de ASTM
D395-14. En lo posterior se concatenó cada una de las incidencias manifesta=
das
por las resistencias mecánicas en estudio para dar con la manifestación de
similares condiciones energéticas y temperatura que podrían ser determinant=
es
para la selección de los elementos mecánicos” (Urrego Yepes & Cardona <=
span
class=3DSpellE>Vazquez, 2017).
Fue
considerado el trabajo de=
(Stalin, 2017), para la implementación de la trituradora de neumáti=
cos
de caucho, la cual obtiene una granulometría fina, y en base a diferentes
cálculos para realizar una correcta construcción, así como también basados =
en
la norma ASTM D 4-22 del ensayo de=
corte
del material, se determinó cuál es el torque necesario para el motor.
=
Además se tomaron en cuenta los resultad=
os de
los ensayos realizados al caucho, y la información que detalla
Comparación de alternativas económicas de cuchillas p=
ara
el proceso trituración de neumáticos.
=
Se
inició con la selección de materiales adecuados =
para
la fabricación de las cuchillas de manera que tenga prestaciones en el merc=
ado,
y que además sea económicamente accesible, ya que en el actual mercado loca=
l se
comercializan cuchillas a un alto costo y con materiales difícilmente de
adquirir producto de exportaciones innecesarias. En ese sentido mediante método inductivo se estableció la comparación de
precio de fabricación para obtener una alternativa para mejorar el proceso =
de
corte del caucho en lo que respecta al elemento cuchilla.
=
Fue
analizado el proceso de corte de distintos materiales con la finalidad de
establecer el mejor proceso para realizar el triturado del caucho, luego de
analizar distintos procesos se observa que el corte por seccionado es el que
más se destaca en cuestión de separar las distintas partes de una pieza sin=
que
se produzca viruta
Resultados y Discusión
=
Las
propiedades mecánicas evidenciaron alta deformación elástica bajo estrés es
decir sin deformación permanente en comparación con materiales similares. S=
egún
los estudios del caucho en los trabajos especializados de (Marisol, 2018), se determina que presenta una buena resistencia a la
abrasión y al impacto, pero tiene una resistencia moderada a la flexión y al
desgarro propia de una referencia en promedio 0,176 Kg/mm2 de
resistencia a la rotura. Las propiedades del caucho sirvieron como referenc=
ia
para establecer un proceso de corte por cizallado, siendo el más recomendad=
o,
por desarrollarse en zonas localizadas con fuerzas en sentido trasversal. <=
span
style=3D'mso-spacerun:yes'>
Para
un correcto análisis se establece condiciones de funcionamiento entre ellos=
que
el corte se realizará en neumáticos rin (=
13 -
15 pulgadas) con una velocidad de 10 – 15 rpm; el sistema de trituración
permitirá obtener partes que oscilarán entre 5 a 7 cm aproximadamente, los
parámetros del sistema como, transporte, almacenamiento, fabricación y demás
maquinaria del proceso del sistema de trituración no serán tratadas en deta=
lle
en este proyecto.
Al realizar el análisis del proceso de corte y de la
potencia requerida para el trabajo se establece utilizar una la transmisión=
por
cadena y por engrane, esto se fundamenta en que las dos trasmisiones generan
mayor potencia, agarre, eliminando el deslizamiento y suprimiendo las pérdi=
das
de potencia por fricción de elementos, en el momento de realizar el trabajo=
de
trituración
Para obtener una selección adecuada del perfil de la
cuchilla de trituración es prioritario obtener la potencia necesaria de tra=
bajo
que permita realizar correctamente la actividad, para lo que se considera u=
na
granulometría de 60
Cálculo de la potencia del motor
Datos:
τ caucho<=
/b>
=3D 0.176
Fuerza de corte de la cizalla. =
Calculo del volumen según el
triángulo de cizallas
Calculo del torque
Luego
de obtener la potencia y fuerza de corte a las que estarán sometidas las
cuchillas por el corte de los neumáticos, es necesario modelar tres prototi=
pos
con distintas configuraciones de cuchillas como se observa en la figura 1. =
El
modelado se realiza mediante software CAD, que sea versátil y de fácil
interpretación, estos programas son de gran ayuda en ingeniería ya se puede
obtener una apreciación real de los elementos que se requiera representar. =
Figura
1. Modelos de cuchillas, Fuente: Autores
En
el mercado convencional existen distintos tipos de materiales con los que se
puede fabricar las cuchillas, pero cada uno dependiendo de las propiedades
tendrá mayor o menor resistencia para realizar el trabajo especificado. Con=
siderando
los desgastes prematuros se plantea evitar dichas falencias estableciendo un
análisis de los tres diseños de elementos de cortes con distintos materiales
existentes en el mercado como son acero ASTM A36 (figura 2), SAE1045 (figur=
a 3),
y SAE S1(figura 6). El análisis se lo realiza mediante software de simulaci=
ón
localizando las fuerzas en sectores específicos y de gran incidencia para
evidenciar los cambios y afectaciones que se produzcan en los modelos.
Para
obtener una certeza en los datos que se van a encontrar, se establece malla=
dos
que más se acoplen a nuestros diseños, recordando siempre que del tipo de m=
alla
se ajustara los valores reales obtenidos, para nuestro proyecto se establec=
e un
mallado con tetraedros, pero así también para obtener los mismos efectos en
todos los materiales se alterna el tipo de material con las mismas fuerzas.=
F=
igura 2. Cuchilla de acero A36. (A) modelo con flancos rectos, con una deforma=
ción
máxima de 0.132 mm (B) modelo con flancos a 75 grados con deformación máxim=
a de
0.0275 (C) modelo de flancos curvos, deformación máxima 0.0209. =
F=
uente: Autores
F=
igura 3. Cuchillas de acero SAE 1045. (A) modelo con flancos rectos, con una
deformación máxima de 0.129 mm (B) modelo con flancos a 75 grados con
deformación máxima de 0.0273 (C) modelo de flancos curvos, deformación máxi=
ma
0.0208.
F=
uente: Autores
F=
igura 4. Cuchillas de acero SAE S1. (A) modelo con flancos rectos, con una deformación máxima de 0.126 mm=
(B)
modelo con flancos a 75 grados con deformación máxima de 0.0265mm, (C) mode=
lo
de flancos curvos, deformación máxima 0.0202mm.
F=
uente: Autores
=
El
corte por cizallado fue definido el más apropiado entre los vigentes para c=
orte
en frío mediante un metal con la presencia de mecanismo de sistema de tijer=
as
(cizalla); el cual presenta un modo de operación normal a la superficie.
F=
igura 5: Cortes por cuña/cincel, cizal=
la y
arranque de viruta.
=
Fuente:
=
=
El
proceso de corte mediante arranque de viruta en los metales ocurre cuando la
herramienta de corte genera deformación elástica de la parte de metal que se
convertirá en viruta, en el transcurso de este proceso se provocan grandes
tensiones, hasta que el material supera la tensión por fluencia, produciend=
o la
separación de la capa debido a la deformación plástica. Se considera que el
mismo proceso ocurrirá con el caucho
=
En
la Figura 6 (a) se muestra la geometría básica correspondiente a una
herramienta de corte y en la 2(b) se detallan los ángulos de la misma respe=
cto
al avance del material. De acuerdo a consideraciones técnicas, la suma de l=
os
ángulos de incidencia (
F=
igura 6: Geometría
básica de herramienta de corte por cizalla.
Detalle de los distintos ángulos.
Fue=
nte: (Pelizzon=
i,
2013)
Para
la selección de la cuchilla y material se establece una tabla donde se
identifica las propiedades principales e influyentes para la selección
Tabla
=
1. Costos de fabricación de cuchillas
|
Material |
RESISTENCIA
(Mpa) |
DEFORMACIÓN
(mm) |
COSTO
DE FABRICACIÓN (Dólares) |
||
|
A |
B |
C |
|||
|
ASTM- A36 |
250 |
0.132 |
0.0275 |
0.0209 |
140 |
|
SAE -1045 |
413 |
0.129 |
0.0273 |
0.0208 |
160 |
|
SAE- S1 |
680 |
0.126 |
0.0265 |
0.0202 |
215 |
Al observar la tabla 1, se
identifica que se puede realizar variantes para la fabricación, considerando
así la mejor resistencia que es de nuestro modelo 3 pero para realizar el
mecanizado se lo raizará en una materia ASTM A36. Considerando esto se fabr=
ica
las cuchillas y se evidencia problemáticas,
como es el desgates de las cuchillas y eje, etc. ver figura 7.
F=
igura 1.=
Desgaste en cuchillas y ejes.=
(a)
Desgate por picadura en el cuerpo de cuchilla. (b) Pérdida de filos y despu=
nte.
(c) Agrietamiento y picadura de ejes. Fuente: Autores
·
La cuchilla con mayores prestaciones es la de tipo C, el material de
construcción se puede utilizar acero A36, 1045 o SAE S1 con base de tungste=
no
la diferencia será representada en la durabilidad y en los costos de
mecanizado.
·
Basados en economizar los costos de fabricación se puede realizar
combinaciones de diseños y materiales con la finalidad de abaratar costos, =
es
así que se recomienda realizar el modelo “C” en un material SAE 1045 o A 36=
que
prestara las mismas condiciones de trabajo que los realizados con el SAE
S1.
·
Al trabajar con cuchillas realizadas con A36 se evidencia un desgate
prematuro, pero no considerable de las cuchillas, este desgaste no afecta e=
n el
funcionamiento de la maquina picadora.
·
La cuchilla al estar sometido a esfuerzos fluctuantes, necesariamente d=
ebe
presentar una mayor resistencia en las zonas de impacto, por lo que es
necesario realizar tratamientos térmicos en las zonas de mayor reincidencia=
de
esfuerzos.
·
Los neumáticos reciclados mediante trituración, pueden reutilizarse de
manera confiable en materiales compuestos con la finalidad de mejorar las
propiedades mecánicas como es el caso de las capas asfálticas, así como tam=
bién
al reutilizar este material se tendrá beneficios ambientales debido a que el
residuo se valoriza y solucionará la problemática por mala disposición fina=
l de
ellos.
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PARA CITAR EL
ARTÍCULO INDEXADO.
Moyano Arévalo, J. R., Naranjo Vargas, E. M., & Tenicota García, A. G. (20= 20). Diseño y selección de cuchillas para el proceso de trituración de neumático= s y análisis de costos de fabricación . ConcienciaDigit= al, 3(1.1), 29-43. https://doi= .org/10.33262/concienciadigital.v3i1.1.1130
=
El artículo que se publica es de exclusiva
responsabilidad de los autores y no necesariamente reflejan el pensamiento =
de
la Revista Conciencia Digital.
El artículo queda en propiedad de la revista y, por
tanto, su publicación parcial y/o total en otro medio tiene que ser autoriz=
ado
por el director de la Revista Conc=
iencia
Digital.
[1]
Escuela Superior Politécnica de Chimborazo, Facultad de Mecánica, Carrera de
Ingeniería de Mantenimiento Industrial. Grupo de Investigación Ciencia del
Mantenimiento CIMANT. Riobamba, Ecuador, javier.moyano@espoch.edu.ec=
[2=
]
Escuela Superior Politécnica de Chimborazo, Facultad de Mecánica, Carrera de
Ingeniería Industrial. Grupo de Investigación de Energía, Ambiente y
Productividad ENAMPROD Riobamba, Ecuador, eugenia.naranjo@espoch.edu.ec
[3] Escuela Superior Politécnica de
Chimborazo, Facultad de Mecánica, Carrera de Ingeniería de Mantenimiento, G=
rupo
de Investigación del Mantenimiento GIMAN. Riobamba, Ecuador, alex.tenicota@=
espoch.edu.ec