Diseño de una máquina trituradora para residuos electrónicos.

Abstract

El reciclaje de los distintos tipos de residuos ha tomado considerablemente una gran importancia en estos últimos años. Donde uno de los mayores porcentajes de basura que se han generado en esta última década, ha sido los residuos eléctricos. Por ende, la capacidad de poder reciclar este material se ha vuelto una tarea fundamental para aliviar la contaminación que está sufriendo el planeta. En el proceso de reciclaje, una etapa primordial es la trituración. Este proceso comienza con la operación de reducir el material recaudado para poder derivarlo a una etapa de molienda, y posteriormente, a una de separación de los componentes reciclables. En el presente proyecto se diseña un modelo de una máquina trituradora, ideada para una compañía que comience en este proceso, con el fin de aplicar el modelo diseñado en un sistema de continuo reciclaje de residuos eléctricos que contribuya al desarrollo sustentable del país. En una primera etapa de investigación, se recopila información del material a triturar y de los diferentes tipos de trituración que existen, además, con el apoyo de un proyecto de ingeniería mecánica que se desarrolló con anterioridad a esta memoria, se define un prototipo inicial de trituración con los requerimientos necesarios para cumplir la operación del reciclaje. En dicho proyecto se reflejan dos etapas de reducción de material, una por accionamiento de mandíbulas móviles y la segunda por medio de cilindros dentados, donde estarán presentes diferentes componentes, de los cuales es necesario conocer las cargas a las que estarán sometidas. Para ello, se desarrolla una etapa experimental, con el fin de determinar la fuerza necesaria de trituración para los casos de flexión y corte. Se realizan múltiples ensayos destructivos con una máquina de flexión instron y una guillotina. Utilizando los valores obtenidos de los ensayos, se efectúa el diseño y cálculo detallado de los componentes del sistema, donde se dimensionan los diámetros de los ejes y el cálculo de los componentes asociados, para asi diseñar el sistema completo utilizando el software Autodesk Inventor. Por último, se realiza un análisis económico de la máquina con el fin de conocer un valor estimativo de fabricación. De la etapa experimental, para las fuerzas de trituración por medio de flexión y corte se obtuvo un resultado de 600 [𝑁] y 8.339 [𝑁], respectivamente. Del diseño, cálculo y análisis de la estructura del sistema de trituración, se reflejó un coeficiente de seguridad de 1,15, en la condición más crítica de operación, comprobando el óptimo funcionamiento del equipo. Por otro lado, se evidencian potencias de operación relativamente altas, donde la etapa de trituración por mandíbula opera a 11 [𝑘𝑊] y el sistema de cilindros dentados a una potencia aproximada de 15 [𝑘𝑊]. Tras el análisis económico, se obtiene un valor para la implementación de la máquina de $9.105.175, de la cual se divide en $5.209.611 para la etapa de trituración por mandíbula y $3.895.564 para la de cilindros dentados. Finalmente, realizar ensayos que incluyan la variable de velocidad de impacto, mejorará la precisión en los datos obtenidos para el caso de flexión. En el caso de los ensayos de corte, verificar que no ocurra una flexión del material cuando se produce el corte, con el fin de no tener un sobredimensionamiento considerable del sistema. Se concluye que el sistema de biela-manivela soporta las condiciones de trabajo. Se recomienda realizar una comparación con respecto a un eje excéntrico, con el fin de seleccionar el mejor sistema de accionamiento. En cuanto a las distintas etapas, se considera que la trituración de cilindros dentados es la mejor alternativa a la hora de reducir residuos electrónicos, debido a su mayor eficacia en el corte del material.

The recycling of different types of waste has become considerably more important in recent years. One of the highest percentages of waste generated in the last decade has been electrical waste. Therefore, the ability to recycle this material has become a fundamental task to alleviate the pollution that the planet is suffering. In the recycling process, a fundamental step is shredding. This process begins with the operation of reducing the collected material to be able to derive it to a grinding stage, and later, to a separation stage of the recyclable components. In the present project, a model of a shredding machine is designed for a company that starts in the recycling world, to apply the designed model in a system of continuous recycling of electrical waste that contributes to the sustainable development of the country. In a first stage of research, information is gathered on the material to be crushed and the different types of crushing that exist, in addition, with the support of a mechanical engineering project that was developed prior to this report, an initial crushing prototype is defined with the necessary requirements to fulfill the recycling operation. This project reflects two stages of material reduction, one driven by mobile jaws and the second by means of toothed cylinders, where different components will be present, of which it is necessary to know the loads to which they will be subjected. For this purpose, an experimental stage is developed, in order to determine the necessary crushing force for the bending and shearing cases. Multiple destructive tests are carried out with an instron bending machine and a guillotine. Using the values obtained from the tests, the detailed design and calculation of the system components is carried out, where the shaft diameters and the calculation of the associated components are dimensioned, in order to design the complete system using Autodesk Inventor software. Finally, an economic analysis of the machine is performed in order to know an estimated manufacturing value. From the experimental stage, for the crushing forces by bending and shearing, a result of 600 [N] and 8,339 [N], respectively, was obtained. From the design, calculation, and analysis of the structure of the crushing system, a safety coefficient of 1.15 was reflected, in the most critical operating condition, proving the optimum operation of the equipment. On the other hand, relatively high operating powers are evidenced, where the jaw crushing stage operates at 11 [kW] and the toothed cylinder system at an approximate power of 15 [kW]. After the economic analysis, a value for the implementation of the machine of $9.105.175 is obtained, which is divided into $5.209.611 for the jaw crushing stage and $3.895.564 for the toothed roll stage. Finally, performing tests that include the impact velocity variable will improve the accuracy of the data obtained for the bending case. In the case of shear tests, verify that no bending of the material occurs when shearing occurs, in order not to have a considerable oversizing of the system. It is concluded that the connecting rod-crank system withstands the working conditions. It is recommended to make a comparison with respect to an eccentric shaft, to select the best drive system. Regarding the different stages, it is considered that the toothed roll shredding is the best alternative when it comes to reducing electronic waste, due to its higher efficiency in cutting the material.