documento de avance de proyecto de grado sergio alejandro
TRANSCRIPT
Documento de Avance de Proyecto de Grado – Sergio Alejandro Mejía Orrego
Grupo de Dinámica de Maquinaria
Implementación de un freno que permita variar la carga sobre el eje de un motor en
un banco de pruebas de simulación de fallas
Contexto
En búsqueda de una metodología efectiva a la hora de la gestión del mantenimiento para
disminuir las fallas inesperadas y el número de intervenciones por mantenimiento preventivo
innecesarias, y por ende disminuir los costos asociados a mantenimiento, ha surgido y se ha
convertido en foco de investigación el CBM (mantenimiento basado en la condición). [1] El
CBM usa sensores para monitorizar constantemente la máquina, los más usados son los
acelerómetros, ya que permiten observar las vibraciones que presenta la máquina y esta
información es vital para comprender el estado de la máquina. [2]
Este proyecto tiene como finalidad rediseñar un banco de pruebas de simulación de fallas
en componentes de máquinas rotativas que está presente en la Universidad de los Andes, que
inicialmente se compone de un motor, un eje, un volante y dos rodamientos, tal como se
muestra en la imagen 1. El objetivo del rediseño es implementar en el banco de pruebas un
freno que permita variar la carga de frenado que se aplica sobre el eje. Simultáneamente, se
busca instrumentar el banco de pruebas con medidores de torque y de velocidad angular sobre
el eje.
Figura 1. Estado inicial del banco de pruebas de simulación de fallas de la Universidad de los Andes
La solución de este problema es de interés en el campo del mantenimiento, ya que el
objetivo del banco de pruebas es simular fallas para entrenar algoritmos inteligentes que
posteriormente puedan detectar o predecir fallas de los componentes de las máquinas
rotativas mediante la metodología de CBM. Para poder predecir correctamente las fallas, el
entrenamiento de estos algoritmos se debe hacer con diferentes condiciones de
funcionamiento, es por esta razón que implementar el freno e instrumentar el banco resulta
de gran utilidad para obtener resultados confiables y seguir investigando en el campo del
mantenimiento basado en la condición y en el desarrollo de algoritmos inteligentes para esta
aplicación.
Trabajo Previo
El trabajo previo de este proyecto se divide en 2 partes: la primera es escoger la metodología
de diseño que se utilizará para resolver el problema y la segunda es la investigación de los
diferentes montajes que ya existen para este tipo de investigaciones.
Método de diseño clásico en Ingeniería:
Para desarrollar el proyecto y que logre su objetivo, se seguirá el proceso de diseño
clásico que se presenta en el libro de Diseño de Maquinaria de Robert Norton [3],
este proceso se divide en varios pasos. Primero, se debe identificar la necesidad, que
en caso de este proyecto consta de acoplar un freno al banco de pruebas de la
Universidad de los Andes [4]. Luego, se debe hacer una investigación preliminar, que
en este caso sería una búsqueda del estado del arte que aclare el panorama sobre los
sistemas de aplicación de carga en este tipo de aplicaciones. El siguiente paso en este
proceso es el planteamiento de objetivos, que de acuerdo a la investigación y la
identificación de la necesidad pueden ser replanteados. Posteriormente, se deben
plantear las especificaciones de desempeño, en los cuales se define y limita o que el
sistema a ser diseñado debe satisfacer. A continuación, debe seguir el proceso
creativo, en el cual se usa toda la información recolectada y las especificaciones de
desempeño para generar todas las ideas que puedan llevar a la satisfacción de la
necesidad que se planteó inicialmente. Luego se deben aplicar técnicas de análisis
para evaluar el desempeño que tendrían los sistemas ideados en la etapa creativa, es
posible que en este paso se deban hacer iteraciones de los pasos iniciales del proceso
de diseño para garantiza su éxito. A partir de este análisis, se da el proceso de
selección, en el cual se puede usar una matriz de decisión para escoger la mejor
alternativa. Después, sigue el diseño detallado, en el cual se crean planos y modelos
CAD del sistema con todas las especificaciones geométricas y físicas que tenga el
diseño seleccionado. Finalmente, se realizan los prototipos y pruebas necesarias para
verificar el funcionamiento del sistema, es posible que en este paso sea necesario
volver a iterar el proceso de diseño hasta solucionar el problema.
Finalmente, se debe hacer una verificación de que el sistema acoplado al banco de
pruebas funcione con unos trabajos paralelos de inteligencia artificial que se están
desarrollando en la Universidad de los Andes para la detección de fallas en
maquinaria rotativa.
Bancos de prueba similares:
En [5] encontramos un banco de pruebas que se usó en la Universidad de Lorraine
para investigar el uso de la energía para aplicar la metodología CBM, en este banco
de pruebas se usó un freno electromagnético en el montaje.
En [6] se implementó otro banco para diagnosticar fallas en turbinas de viento. En
este banco también se hizo uso de un freno electromagnético.
En [7] se estudia el fallo de los ejes de los motores cuando se someten a variaciones
en la frecuencia de alimentación. En este caso, el montaje también hacia uso de un
freno electromagnético.
Adicionalmente, los proveedores comerciales de frenos, recomiendan el uso de frenos
electromagnéticos para ser implementados en bancos de pruebas que usen motores a
diversas condiciones de carga. Esto se puede ver en [8].
En resumen, se encuentran diversos artículos en los que se realizan investigaciones de CBM
y machine learning para la simulación de fallas en maquinaria rotativa en los que se
mencionan estos bancos de prueba. Sin embargo, la descripción del montaje no es detallada,
tan solo se pueden encontrar tendencias hacia el uso de frenos electromagnéticos para aplicar
carga al motor.
Alcance
Este proyecto consiste en el rediseño de un banco de pruebas de simulación de fallas
en maquinaria rotativa para implementar un freno en el eje del banco e instrumentar con
elementos que puedan medir la velocidad angular y el torque que se aplica al eje.
En definitiva, se hace entrega de un diseño final, con CAD y planos de cada pieza del
banco de pruebas, que contenga todos los elementos que se propusieron anteriormente. Por
otro lado, se hará entrega física del banco de pruebas ensamblado y listo para ser usado en
las condiciones para el cual ha sido diseñado.
Los resultados se medirán de acuerdo al avance que se logre en el proceso de diseño
en ingenieria que propone el libro de Norton [3], que se compone de varios pasos, los cuales
son: identificación de la necesidad, investigación preliminar, planteamiento de objetivos,
especificaciones de desempeño, ideación e invención, análisis, selección, diseño detallado,
creación y pruebas.
Ejecución
Las acciones realizadas durante el proyecto se pueden sintetizar en el proceso de diseño
implementado basado en la metodología que propone Norton [3], a continuación, se muestra
un resumen del paso a paso de este.
Identificación de la necesidad:
De acuerdo a Norton, es el primer paso en el proceso de diseño, ya que propone el problema
a solucionar. En este caso la necesidad es implementar un freno en el banco de pruebas de
simulación de fallas en motores de la universidad de los Andes.
Investigación preliminar:
En la investigación realizada, se encontraron diversos artículos científicos [4] [5] [6] [7] y
una referencia de un comercializador de frenos [8] en donde se han trabajado con este tipo
de bancos de pruebas. Sin embargo, el enfoque que se le da a estos artículos es de las pruebas
y resultados que se pueden lograr en el banco de pruebas, no de su diseño o montaje.
En resumen, la información encontrada relevante al problema no es muy específica. No
obstante, se encontró una información valiosa y es que en todos los casos se ha optado por
usar frenos electromagnéticos para esta aplicación. Además, los fabricantes de frenos [8]
recomiendan usar frenos electromagnéticos para esta aplicación.
En la sección de trabajo previo, al inicio del documento, se encuentra un breve resumen de
cada artículo, así como el resumen del proceso de diseño clásico usado en ingeniería
explicado por Norton [3].
Planteamiento de objetivos:
Objetivo General
o Implementar un sistema de frenado para un motor que permita controlar la carga
que se aplica sobre el eje y se pueda ensamblar en el banco de pruebas para
detección de fallas en maquinaria rotativa de la Universidad de los Andes.
Objetivos específicos
o Rediseñar el banco de pruebas para que junto con el freno ocupe un espacio de
1.5 m X 0.35 m
o El sistema debe permitir medir y variar la carga que se aplica al eje, hasta un
máximo de 3 Nm.
o El sistema debe contener un método de verificación para comprobar el
funcionamiento del freno.
o Implementar un sistema permanente para la medición de velocidad angular del
eje.
Nota: Durante el trascurso del proyecto se priorizaron ciertos objetivos, ya que los
tiempos de compra del freno y el trabajo en simultaneo con las personas que usan el
banco para investigación requería por momentos el enfoque en un objetivo.
Especificaciones de desempeño:
o Al acoplar el freno al banco de pruebas, no debe superar las dimensiones de la
placa 1500 X 350 mm.
o El sistema debe permitir controlar la carga aplicada al eje hasta 3Nm.
o El sistema debe tener una forma de medir el torque aplicado por el freno.
o El sistema debe integrar una forma para la medición permanente de la velocidad
angular del eje.
Ideación:
En este paso se recopilaron los distintos tipos de frenos que se podrían acoplar al sistema.
Los tipos de frenos convencionales que se encuentran en el mercado son los siguientes [9]:
o Frenos de banda: En este tipo de frenos se utiliza una banda flexible que rodea un
cilindro que gira con el eje y al ser accionada se aplica tensión a la banda y esta a
su vez aumenta la fricción con el cilindro disipando la energía en calor.
o Freno de disco: Este tipo de freno utiliza un sistema hidráulico que mueve un
pistón que empuja la pastilla hacia un disco metálico y la fricción detiene el
mecanismo.
o Freno de tambor: utiliza un par de pastillas que presionan la superficie interior de
un tambor que está conectado al eje y gracias a la fricción se frena.
o Freno neumático: Utiliza pistones alimentados de aire comprimido que al ser
accionados funcionan como prensas empujadas por el aire hacia un tambor o disco
en el eje.
o Freno electromagnético: Este tipo de freno ya se ha utilizado en bancos de prueba
de fallas en maquinaria rotativa. Su funcionamiento se basa en la creación de
corrientes de una masa metálica cuando está sometida a un campo magnético
variable. Se emplean bobinas con polaridades alteradas que al ser cerrado su
circuito crean un campo magnético fijo y se oponen al movimiento del rotor. A
mayor velocidad de movimiento del rotor, mayor es la fuerza que dan los frenos
para oponerse al movimiento. [9]
Simultáneamente, se indagó acerca de las formas adecuadas para medir velocidad angular y
las opciones encontradas han sido las siguientes:
o Tacómetro óptico: Es un instrumento que mide la velocidad angular al captar la
señal de un láser que se refleja en un trozo de cinta reflectora ubicada en el eje.
o Tacómetro de contacto: Este tipo de tacómetro viene generalmente en conjunto
con el tacómetro óptico y su funcionamiento se basa en el contacto de un eje que
viene en el tacómetro con el eje del motor, igualando su velocidad angular.
o Encoder: Instrumento ampliamente usado en el campo de la automatización con
el cual se puede medir la posición angular de un eje, así como su velocidad
angular. Su principio de funcionamiento es similar al del tacómetro óptico, ya que
mediante enviar y recibir señales de luz se obtiene toda la información.
o Pulsómetro: El pulsómetro acompañado por un sensor de proximidad puede medir
la velocidad angular, ya que el sensor de proximidad envía pulsos cuando detecta
la presencia de un material ferroso y el pulsómetro es capaz de contar estos pulsos,
convirtiéndolos en una medida de velocidad angular.
Análisis y Selección:
A partir de la investigación previa realizada y las opciones de freno consideradas, las cuales
son mostradas en la sección de ideación, se hizo un análisis de las características de cada
freno basado en los requerimientos de desempeño. En este análisis se consideraron como
características relevantes el costo, la posibilidad de controlar la carga, el rango de trabajo y
la confiabilidad. Cada característica obtendrá una calificación de 1 a 5 y se promediaran para
obtener una calificación total de cada alternativa para después hacer la debida selección. En
el caso del costo, obtendrá 5 la alternativa más barata y la calificación de las demás se
calculará en referencia a ese costo. En cuanto a la posibilidad de controlar la carga se otorgará
5 al mecanismo que tenga incorporado una forma de controlar la carga, 3 al que se conozca
una forma de controlar la carga con un montaje adicional y 1 para la alternativa de la cual no
se tenga información clara al respecto. El rango de trabajo es principalmente una
característica excluyente, es decir, que si no existen frenos comerciales que trabajen en el
rango del motor, no será necesario un análisis más profundo, ya que automáticamente los
hace incompatibles. Finalmente, para la confiabilidad, que en este caso la entenderemos
como la capacidad para mantener su desempeño a largo plazo y durante la prueba, además
de la cantidad de mantenimiento que se deba hacerle, son tres ítems dentro de esta
característica con la cual, de cumplir los 3 items se obtiene 5, cumplir 2 items se obtiene 3,
cumplir 1 se obtiene 2 y ninguno da 1 punto.
A continuación se muestra brevemente las características más relevantes de cada tipo de freno
para la selección de uno de ellos, cabe resaltar que los parámetros técnicos y sus aplicaciones
más comunes fueron obtenidos de la página web de Direct Industry [10] y de [9]:
o Frenos de banda: Este tipo de freno puede trabajar en el rango de torque del motor
existente, es el de menor costo, ya que su precio ronda los $200.000, debería
acoplársele un sistema de control basado en actuadores. Su punto en contra radica
en que es el freno menos confiable, ya que baja su desempeño con el desgaste de
la cinta, ya que la fricción la desgasta rápidamente y requeriría mucho
mantenimiento.
o Freno de disco: Este tipo de freno se vende comercialmente para torques mucho
más altos de los que maneja el motor.
o Freno de tambor: Este tipo de freno no tiene un rango de trabajo compatible con
el del motor.
o Freno neumático: Se usan para trabajos muy pesados, por lo cual no se vende con
rangos de trabajo con torque bajo.
o Freno electromagnético: Este tipo de freno funciona en torques bajos, viene
acoplado con una entrada de voltaje que controla la corriente que va a entrar y así
controlar a carga aplicada. Al ser el único freno que no utiliza la fricción para
frenar el eje, lo cual le da una vida útil mucho mayor y no requiere de mucho
mantenimiento. Además, su forma de controlar el torque aplicado y al no
depender de la velocidad del eje permite una carga más constante durante todo su
uso y a largo plazo. Su precio es bastante más elevado que los demás, dependiendo
del modelo puede costar entre $700.000 y $4’900.000.
En la tabla 1, se observa la matriz de decisión usada para la selección del freno, en ella se
observa que el rango de trabajo excluye inmediatamente a los frenos de disco, hidráulicos y
neumáticos. Por lo que quedan solo 2 opciones, entre estas se destaca la confiabilidad y
facilidad para controlar la carga del freno electromagnético por sobre el bajo costo de la otra
alternativa. Finalmente, se decidió comprar un freno electromagnético, con esto toma
coherencia la decisión de los diseñadores de los otros bancos de pruebas al implementar
frenos electromagnéticos en lugar de otros tipos de frenos.
Tabla 1. Matriz de decisión
Costo Facilidad de control de
carga
Rango de trabajo
(Torque) Confiabilidad Total
Disco X -
Tambor X -
Neumático X -
Banda 5 3 5 1 3.5
Electromagnético 1 5 5 5 4
Diseño detallado
Posterior a la elección del freno electromagnético, se procedió a decidir qué modelo comprar
entre las posibilidades que existen en el mercado. Para esto, se tuvieron en cuenta otros
aspectos que determinaban la compatibilidad con el motor y los componentes del banco de
pruebas actual. Esos aspectos son:
o Velocidad angular del eje: el motor gira a 1680 rpm en su condición nominal.
o Torque del motor: el motor da un torque de 2.12 Nm en su condición nominal.
o Altura del eje del motor: El motor, el eje y las chumaceras del banco de pruebas
se encuentran a una altura de 80 mm sobre la placa.
o Las pruebas que se realizan requieren de un funcionamiento continuo del freno
durante más de 1 hora.
De acuerdo a esto y a las especificaciones de desempeño, se consideraron los siguientes
modelos de frenos:
o EIDE FHY 138 [8]: Este freno tiene un costo de €872, puede entregar un par de
frenado de 3.3 Nm, soporta una velocidad de 4500 rpm y la altura del eje es de 69
mm.
o MAGTROL HB 450 [11]: Este freno tiene un costo de $820, puede entregar un
par de frenado de 3.2 Nm, soporta una velocidad de 8000 rpm y la altura del eje
es de 69 mm.
o MAGTROL HB 3500 [11]: Este freno tiene un costo de $3760, puede entregar un
par de frenado de 24.72 Nm, soporta una velocidad de 6000 rpm y la altura del
eje es de 113 mm.
o MAGTROL AHB 3 [12]: Este freno tiene un costo de $1300, puede entregar un
par de frenado de 3 Nm, soporta una velocidad de 20000 rpm y la altura del eje
es de 80 mm.
Inicialmente, solo se tuvieron en cuenta las 3 primeras opciones de las presentadas
anteriormente, ya que según su torque nominal eran compatibles con el montaje ya hecho.
Sin embargo, en la gráfica 1 se muestra el desempeño de estos frenos, y se puede observar
que para aplicaciones en las que se requiere de un funcionamiento continuo durante un
tiempo mayor a 5 minutos, el torque que ofrece el freno disminuye drásticamente. Esto se
debe a que esto cuentan con una capacidad para disipar calor y cuando trabajan entregando
sus mayores prestaciones tienden a sobrecalentarse rápidamente. Es por esto que se decidió
buscar otros modelos como el MAGTROL AHB 3.
Gráfica 1. Curva de disipación de calor del modelo MAGTROL HB 450, reportada por el fabricante [11]
En la gráfica 1 se muestra el desempeño característico de los frenos MAGTROL de referencia
HB, el freno de marca EIDE FHY se comporta de manera similar. En esta gráfica, muestra
una línea punteada y una continua, estas son líneas de potencia y representan las posibles
combinaciones de carga y velocidad angular que puede soportar el freno para usos de menos
de 5 minutos y usos en continuo, respectivamente. Toda combinación que esté en el área bajo
dichas curvas la soporta el freno. Y en este caso, se observa que la condición nominal del
motor (2.12 Nm @ 1680 rpm) no puede ser soportada para este modelo, al igual que en el
EIDE FHY 138. El modelo HB 3500 sí es capaz de soportar dicha carga en funcionamiento
continuo, pero la altura del eje implica que todos los componentes que ya existían en el
montaje debían ser reemplazados o modificados para alcanzar dicha altura, además su precio
es muy elevado. Las gráficas de estos modelos se pueden encontrar en las referencias [11] y
[12].
Gráfica 2. Curva de disipación de calor del modelo MAGTROL AHB 3, reportada por el fabricante [12]
En la gráfica 2, se muestra el desempeño característico de los frenos MAGTROL de
referencia AHB. Las líneas de potencia están representadas de igual manera que en los frenos
de referencia HB, pero en este caso la línea punteada y continua están sobrepuestas, esto
significa que el freno soporta trabajar en las máximas condiciones de servicio durante más
tiempo. Esto, aunado a que el precio es casi 3 veces menor que el HB 3500 y la altura del eje
del freno es igual a la del montaje actual, hace de esta alternativa la mejor opción. La
diferencia entre AHB y HB es que el primero requiere de una alimentación de aire
comprimido para evitar que el freno se sobrecaliente, esto le permite trabajar a las más altas
condiciones en continuo. Cabe resaltar que en la ubicación actual del montaje y en los
distintos laboratorios de la universidad hay conexiones de aire comprimido, lo cual facilita
el uso de este dispositivo.
Con lo dicho anteriormente, el freno cumple con todas las especificaciones de desempeño y
aspectos de diseño mencionados anteriormente. En cuanto al control de la carga del freno,
este tiene una curva que relaciona la corriente de alimentación al freno con el momento par
de frenado que entrega. Esto se ve en la gráfica 3, obtenida del fabricante.
Gráfica 3. Curva de desempeño del modelo MAGTROL AHB 3, reportada por el fabricante [12]
Cierre
En resumen, se siguió la metodología del proceso de diseño de Norton [3], en el cual se hizo
una investigación previa, una lluvia de ideas para encontrar muchas posibles soluciones, las
cuales fueron evaluadas con una matriz de selección con la que se obtuvo la solución más
adecuada al problema. A partir de la solución seleccionada, se indagó más profundamente
para realmente entender el funcionamiento del freno electromagnético y usar sus curvas de
desempeño para compararlas con la curva característica del motor y garantizar la
compatibilidad y funcionamiento del sistema.
En cuanto a los objetivos se logró satisfacer todos los propuestos, aunque uno fue modificado.
Inicialmente se había planteado incorporar al sistema una forma de medir el torque de frenado
que se estaba aplicando al eje, esto se refería a un instrumento independiente que hiciera
dicha tarea. Sin embargo, estos frenos son usados a su vez como torquímetros y con una
calibración y caracterización adecuada se podría conocer y controlar de forma precisa cuál
es el torque que se estaría aplicando al sistema.
A futuro, es necesario caracterizar este freno, ya que por el tiempo que requirió la compra no
fue posible someterlo a pruebas. Por lo tanto, recomiendo realizar la caracterización del
freno. Para esto, se puede usar los laboratorios de Ingeniería Eléctrica de la universidad de
los Andes, en los que disponen de un banco para caracterizar motores. Con la ayudad de un
montaje que acople el freno y el motor, se puede usar este banco para construir la curva de
desempeño del freno (Momento par de frenado vs corriente de alimentación).
Finalmente, se recomienda no aplicarle al motor cargas superiores al torque nominal de este
(2.12 Nm), ya que según [13] este tipo de motores eléctricos no pueden ser usados en
continuo a condiciones mayores que las que especifica el factor de servicio, ya que se
recalentará y se excederá la temperatura del aislamiento, lo cual terminaría en un motor
quemado. En este caso, el factor de servicio es 1.15, es decir que el motor puede trabajar al
115% de su torque nominal en continuo sin dañarlo o reducir drásticamente su vida útil. Esto
aplica para usos del motor en alturas inferiores a 1000 m.s.n.m, este no es el caso de Bogotá,
por lo tanto el factor de servicio es 1.0 [13] y no se puede usar en continuo con cargas mayores
al torque nominal.
References
[1] Y. Zhan and C. Mechefske, "Robust detection of gearbox deterioration using compromised
autoregressive modeling and Kolmogorov-Smirnov test statistic," Mechanical systems and
signal processing, 2007.
[2] J. Mathew and R. Alfredson, "The condition monitoring of rolling elementbearings using
vibration analysis," J. Vibr. Acoust. Stress. Relia., 1984.
[3] R. Norton, Diseño de Maquinaria, Mexico D.F.: McGraw-Hill, 2009.
[4] F. Ulloa and G. Barbieri, "Detección de fallas en maquinaria rotativa: Implementación de una
red neuronal convolucional," Universidad de los Andes, 2018.
[5] A. Hoang, P. Do and B. Iung, "Investigation on the use of energy efficiency for condition-
based maintenance decision-making," IFAC, vol. 28, pp. 73-78, 2016.
[6] W. Liu, B. Tang, J. Han, X. Lu, N. Hu and Z. He, "The structure healthy condition monitoring
and fault diagnosis," Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 44, pp. 466-472, 2015.
[7] R. Romero, D. Morinigo, O. Duque, P. Gardel, R. Osornio and A. Garcia, "Early Broken Rotor
Bar Detection Techniques in VSD-fed Induction Motors at Steady State," IEEE, pp. 105-113,
2013.
[8] EIDE, "eide.net," EIDE, [Online]. Available: https://www.eide.net/wp-
content/uploads/2017/05/10-Mod-2174-Frenos-de-histeresis-Tipo-FHY-DIC16.pdf.
[9] "Sistemas de frenos y sus diferentes tipos," [Online]. Available:
https://sites.google.com/site/sistemadefrenos29/diferentes-tipos-de-frenos.
[10] "Direct Industry," [Online]. Available: http://www.directindustry.es/fabricante-
industrial/freno-64405.html. [Accessed 22 May 2019].
[11] "Magtrol.com," [Online]. Available: https://www.magtrol.com/wp-content/uploads/hb-
mhb.pdf. [Accessed 26 March 2019].
[12] Magtrol, "Magtrol.com," Magtrol, [Online]. Available: https://www.magtrol.com/wp-
content/uploads/ahb.pdf.
[13] "Motortico.com," [Online]. Available:
http://www.motortico.com/biblioteca/MotorTico/2015%20ENE%20-
%20Factor%20de%20Servicio%20en%20Motores%20Electricos.pdf. [Accessed 5 April 2019].