Ingeniería Mecánica · 2025
Diseño de una máquina peletizadora de abono agrícola
Este trabajo tiene como objetivo diseñar una máquina peletizadora de abono agrícola capaz de procesar bentonitas, fosforitas y silicatos en pellets de 2–4 mm, con una capacidad de producción de 1000 kg/día. Se emplea una revisión técnica y científica para identificar variables críticas del proceso de peletización, como volumen, densidad, humedad y velocidad. Con base en estos parámetros, se realiza el diseño mecánico detallado de la máquina, integrando principios de ergonomía, seguridad y durabilidad. Además, se elabora un análisis financiero que incluye costos de diseño, fabricación y adquisición de componentes. Se espera que la máquina optimice la eficiencia, seguridad y rentabilidad del proceso, con potencial de aplicabilidad en otras industrias.
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Contenido
- Capítulo: Planteamiento generalp. 19
- Planteamiento del problema y justificaciónp. 19
- Objetivosp. 20
- 1.2.1 Objetivo Generalp. 20
- 1.2.2 Objetivos Específicosp. 20
- Marco teóricop. 20
- Metodología propuestap. 21
- Capítulo: Caracterización de variablesp. 23
- Caracterización de las materias primas:p. 23
- 2.1.1 Tipos de fertilizantes utilizados:p. 23
- 2.1.2 Propiedades físico-mecánicas comparadas:p. 24
- 2.1.3 Cohesión y forma de partículas:p. 24
- Propiedades mecánicas relevantes:p. 24
- 2.2.1 Compresibilidad del material:p. 24
- 2.2.2 Coeficiente de fricción:p. 24
- 2.2.3 Resistencia a la deformación:p. 25
- 2.2.4 Comportamiento bajo presión (densificación, deformación plástica):p. 25
- 2.2.5 Tiempo de permanencia estimada durante la compactación:p. 25
- 2.2.6 Abrasividad y desgaste de componentes:p. 25
- Parámetros térmicos y ambientales:p. 26
- 2.3.1 Influencia de la temperatura ambiental en el proceso:p. 26
- 2.3.2 Humedad ambiental y riesgo higroscópico:p. 26
- 2.3.3 Temperatura interna generada por fricción:p. 26
- 2.3.4 Consideraciones para el diseño mecánico:p. 27
- Capitulo: Diseño conceptual del sistemap. 28
- Requisitos técnicos del diseño:p. 28
- 3.1.1 Parámetros funcionales esperados del sistema:p. 28
- 3.1.2 Condiciones de operación:p. 29
- 3.1.3 Limitaciones del entorno y del material a procesar:p. 29
- Criterios de valoración del diseño:p. 29
- 3.2.1 Variables técnicas a considerar:p. 30
- 3.2.2 Normas técnicas aplicables:p. 30
- 3.2.3 Evaluación multicriterio:p. 31
- Generación de alternativas de diseño:p. 31
- 3.3.1 Proceso de generación y descripción funcional de alternativas:p. 31
- 3.3.2 Ventajas y desventajas por alternativa:p. 32
- Evaluación y selección de la alternativa:p. 32
- Esquema conceptual de la peletizadora propuesta:p. 33
- 3.5.1 Diagrama general del sistema:p. 34
- 3.5.2 Funciones principales de cada subsistema:p. 34
- Capítulo: Diseño detallado del sistemap. 35
- Análisis de caja negra del sistema:p. 35
- 4.1.1 Entradas, funciones y salidas:p. 35
- 4.1.2 Representación esquemática funcional:p. 36
- Análisis de caja gris del sistema:p. 36
- Descripción técnica de subsistemas:p. 36
- 4.3.1 Tolva cónica de alimentación:p. 37
- 4.3.2 Sistema de rodillos compactadores:p. 37
- 4.3.3 Matriz fija horizontal:p. 38
- 4.3.4 Eje motriz central:p. 39
- 4.3.5 Cuchillas de corte y salida:p. 39
- 4.3.6 Chasis estructura y carcasa protectora:p. 40
- Selección de materiales:p. 41
- 4.4.1 Requerimientos de resistencia, abrasión y corrosión:p. 41
- 4.4.2 Normas técnicas de materiales (ASTM, ISO):p. 42
- Capitulo: Diseño Mecánico del sistemap. 43
- Cálculo del sistema de compactación y extrusión:p. 43
- 5.1.1 Fuerza de compactación requerida:p. 43
- 5.1.2 Presión efectiva en la matriz:p. 43
- 5.1.3 Coeficiente de fricción y efecto sobre la presión:p. 44
- Cálculo del sistema de transmisión:p. 44
- 5.2.1 Potencia requerida total:p. 44
- 5.2.2 Torque y velocidad de operación:p. 44
- 5.2.3 Selección de motor, caja reductora, poleas y correas:p. 45
- Motor eléctrico:p. 45
- Relación de reducción:p. 45
- Diseño y dimensionamiento de componentes críticos:p. 46
- 5.3.1 Matriz: longitud, numero de orificios, espesor:p. 46
- Numero de orificios:p. 46
- Área efectiva total:p. 46
- Espesor de la matriz (ࡸ):p. 46
- Avellanado y sección de alivio:p. 47
- Materiales considerados:p. 47
- 5.3.2 Rodillos: diámetro, geometría de superficie:p. 47
- Diámetro:p. 47
- Geometría superficial:p. 47
- Material sugerido:p. 47
- 5.3.3 Ejes, pasadores y soportes:p. 47
- Ejes:p. 47
- Pasadores y chavetas:p. 48
- Soportes:p. 48
- Separación entre elementos mecánicos y tiempo de compactación:p. 48
- 5.4.1 Cálculo de la separación entre rodillo y matriz:p. 48
- Consideración por rodillo:p. 48
- 5.4.2 Estimación del tiempo de permanencia del material:p. 49
- 5.4.3 Influencia de la separación y el tiempo sobre la calidad del pellet:p. 49
- Análisis estructural de componentes:p. 49
- 5.5.1 Rodamientos, tornillería y carcasas:p. 50
- Rodamientos:p. 50
- Tornillería:p. 50
- Chasis:p. 50
- Carcasa:p. 50
- Verificación normativa del diseño:p. 51
- 5.6.1 Evaluación de márgenes de seguridad:p. 51
- Capitulo: Validación del diseñop. 52
- Validación de esfuerzos en la matriz:p. 52
- 6.1.1 Dimensión de espesor final:p. 52
- 6.1.2 Distribución de orificios y área efectiva:p. 53
- 6.1.3 Detalles geométricos y funcionales:p. 53
- 6.1.4 Fijación y montaje de la matriz:p. 53
- 6.1.5 Materiales y tratamientos:p. 53
- 6.1.6 Consideraciones de mantenimiento:p. 53
- Validación de esfuerzos en eje motriz:p. 54
- 6.2.1 Configuración geométrica del eje:p. 54
- Longitud y secciones funcionalesp. 54
- Elementos de diseño complementariosp. 54
- 6.2.2 Esfuerzos mecánicos y análisis de condiciones:p. 55
- 6.2.3 Evaluación en zonas críticas del eje y sección roscada:p. 55
- 6.2.4 Validación de apoyos y rodamientos:p. 55
- Montaje y lubricaciónp. 56
- 6.2.5 Recomendación de material, tratamientos y factor de seguridad:p. 56
- Selección del material del eje:p. 56
- Criterio de diseño y factor de seguridad:p. 57
- Validación estructural del sistema de rodillos:p. 57
- 6.3.1 Geometría y esfuerzos actuantesp. 57
- 6.3.2 Evaluación estructural del cuerpo del rodillo:p. 58
- 6.3.3 Selección de material y tratamientos:p. 58
- 6.3.4 Ajustes, montaje y condiciones de contacto con la matriz:p. 59
- Validación de la pieza de acople (T porta rodillos):p. 59
- 6.4.1 Ajustes, montaje y condiciones de contacto con la matriz:p. 59
- 6.4.2 Condiciones de carga y configuración geométrica:p. 60
- 6.4.3 Evaluación estructural de los ramales:p. 60
- 6.4.4 Compatibilidad con montaje y desmontaje:p. 60
- Ensamble con el eje motriz:p. 60
- Alojamiento de los ejes de los rodillos:p. 61
- Compatibilidad dimensional y accesibilidad:p. 61
- Mantenimiento:p. 61
- 6.4.5 Validación estructural final y selección de materiales:p. 62
- Tratamiento superficial y fabricación:p. 62
- Validación de la tolva de alimentación:p. 62
- 6.5.1 Volumen útil requerido:p. 63
- 6.5.2 Geometría adoptada, Tolva cónica:p. 63
- 6.5.3 Cargas actuantes y análisis de esfuerzos:p. 63
- 6.5.4 Criterios de diseño adicionales:p. 63
- 6.5.5 Validación estructural simplificada:p. 63
- 6.5.6 Consideraciones de montaje y mantenimiento:p. 63
- Validación del sistema de corte:p. 64
- 6.6.1 Tiempo de permanencia del pellet en la matrizp. 64
- 6.6.2 Área de corte por pelletp. 64
- 6.6.3 Fuerza total de cortep. 64
- 6.6.4 Fuerza de diseñop. 65
- 6.6.5 Torque estimado y sincronizaciónp. 65
- 6.6.6 Selección de material para la cuchillap. 65
- 6.6.7 Consideraciones de montajep. 65
- Validación del sistema de transmisión:p. 66
- 6.7.1 Torque y velocidad en la polea motrizp. 66
- 6.7.2 Cálculo del esfuerzo de tracción en la correap. 16
- 6.7.3 Verificación del ángulo de contactop. 66
- 6.7.4 Verificación de correa de transmisiónp. 66
- 6.7.5 Consideraciones de montaje, alineación y mantenimientop. 67
- 6.7.6 Evaluación final del sistema de transmisiónp. 67
- Validación del sistema de soporte y estructura:p. 68
- 6.8.1 Consideraciones generales de diseño estructuralp. 68
- 6.8.2 Caracterización de cargas transmitidas al bastidorp. 68
- 6.8.3 Selección del material estructuralp. 69
- 6.8.4 Análisis de esfuerzos sobre el bastidorp. 70
- 6.8.5 Validación de uniones soldadas y atornilladasp. 70
- 6.8.6 Criterio de rigidez, vibraciones y resonanciap. 70
- 6.8.7 Factor de seguridad estructuralp. 70
- 6.8.8 Consideraciones de montaje, mantenimiento y estabilidadp. 71
- 6.8.9 Conclusión técnica de validación estructuralp. 71
- Capitulo: Resultados y validación general del diseñop. 72
- Resumen de validaciones estructurales por subsistema:p. 72
- Evaluación del cumplimiento de objetivos de diseño:p. 73
- Análisis de robustez, eficiencia y seguridad del diseño mecánico:p. 74
- Recomendaciones técnicas y consideraciones de fabricación:p. 75
- Capitulo: Estimación de costos, conclusiones y recomendacionesp. 76
- Estimación de costos del diseño:p. 76
- 8.1.1. Costos por materiales y componentes mecánicosp. 76
- 8.1.2. Costos por procesos de manufactura y ensamblajep. 76
- 8.1.3. Costos de motorización y controlp. 76
- 8.1.4. Tratamientos térmicosp. 76
- 8.1.5. Ingeniería y diseñop. 77
- 8.1.6 Costos indirectos y contingenciasp. 77
- 8.1.7 Cierre económicop. 77
- 8.1.8 Costo de operaciónp. 77
- Capitulo: Conclusiones generales y recomendacionesp. 78
- Conclusiones generales del trabajo de grado:p. 78
- Recomendaciones finales de ingeniería:p. 79
- transmisión por poleas y motorp. 33
- Figura 2. Análisis de caja negra del sistema peletizado284
- Tabla 1. Fertilizantes y sus usosp. 23
- Tabla 2. Matriz de pesos para análisis multicriterio de diseñop. 31
- fertilizantesp. 32
- extrusiónp. 44
- Tabla 5. Selección técnica del sistema de reducción de velocidadp. 45
- Tabla 6. Peso propio de componentes montados sobre el bastidorp. 68
- Tabla 7. Resumen de los factores de seguridad estructuralp. 70
- Tabla 8. Resumen de validaciones estructurales por subsistemap. 72
- Tabla 9. Resumen del cumplimiento de objetivos de diseñop. 73