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JUAN CARLOS BERNAL ([email protected])
EDGAR MAURICIO FERNÁNDEZ ([email protected])
SERGIO ANDRÉS SÁNCHEZ ([email protected])
Bogotá D.C., junio de 2010
Departamento de Ingeniería Mecánica y MecatrónicaLínea de Investigación, Innovación y Desarrollo Tecnológico
XXVI MUESTRA DE MÁQUINAS Y PROTOTIPOS
BANCO DE ANÁLISIS DE COMPORTAMIENTO DINÁMICO DE
ÁRBOLES ESCALONADOS CON GRIETA TRANSVERSAL
ANTECEDENTES Y FUNDAMENTACIÓN• Implementación de herramientas de mantenimiento preventivo -> Necesidadfundamental en la industria actual:
Garantizar niveles de producción requeridos Proteger la integridad de costosos equipos.
• La incorporación de medidas de control y previsión de potenciales fallas en pos de labúsqueda de una industria eficiente contribuye a:
Optimización de costos Estructuración de sistemas de producción robustos y confiables
• La reducción del fenómeno vibratorio es de gran relevancia en numerosasaplicaciones del sector productivo
La no implementación de medidas de control puede acarrear seriascomplicaciones como destrucción de ejes, masas acopladas a los mismo, carcasasde maquinaria o incluso instalaciones donde se trabaja.
ENFOQUE:
•Desarrollo de una herramienta de investigación así como de un modelo de experimentación cuyo trabajo en conjunto posibilita la obtención de datos y la subsecuente síntesis de modelos de comportamiento predictivo aplicables a fenómenos vibratorios en máquina rotativas.
• Se pretende la construcción de bases para la generación de herramientas y métodos para contrarrestar el fenómeno estudiado.
• Uso potencial de dichos desarrollos en la implementación de sistemas de mantenimiento predictivo :
Facilitar la reducción de costos (evitando gastos relacionados con malfuncionamiento)Consolidación de sistemas productivos más robusto y eficientes.
VALOR DE DESARROLLO DEL PROYECTO
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA DE DISEÑO
• Se parte de exploración del cliente directo para identificar raíz del
problema, necesidades a suplir por el producto y expectativas
generales respecto al desarrollo del mismo.
• Uso de entrevista-encuesta orientada a distinguir conceptos
básicos sobre la máquina-banco de ensayos planteado:
– Antecedentes
– Elementos disponibles para el montaje
– Requerimientos generales de mantenimiento y vida
– Necesidades de control, protocolo y seguridad
– Usuarios potenciales del sistema
– Presupuesto disponible
– Finalidad general del desarrollo del dispositivo.
• Partiendo de dicho reconocimiento se logra sintetizar la necesidad
fundamental:
Complementación y consolidación de un banco de pruebas para la
predicción del comportamiento dinámico de un eje con presencia de
grieta transversal, buscando a través del uso de un sistema de
adquisición de datos DAQ validar, o si es necesario generar, un
modelo predictivo de simple aplicación para identificar el estado de
la grieta en función de vibraciones y cargas aplicadas, con un
enfoque claramente orientado a labores de investigación de
estudiantes de pregrado y posgrado del departamento de Ingeniería
Mecánica y Mecatrónica de la Universidad Nacional.
• Debe aclararse que el dispositivo propuesto se concibe como un
producto único desarrollado específicamente para la necesidad
latente en el Departamento de Ingeniería Mecánica y Mecatrónica
de la Universidad Nacional.
DIRECTRICES GENERALES DEL PROBLEMA DE
DISEÑO
• ¿A quién?
El cliente específico de este proyecto será el Departamento de
Ingeniería Mecánica y Mecatrónica de la Universidad Nacional de
Colombia sede Bogotá, fundamentándose en la necesidad de
retomar un proyecto existente buscando su finalización.
Los usuarios específicos del sistema desarrollado serán estudiantes
de postgrado e investigadores caracterizando el enfoque académico
de este proyecto.
• ¿Qué y Para qué?
El proyecto comprende la validación, puesta a punto y monitoreo de
un banco de ensayos de vibraciones para árboles escalonados
múltiples con grietas transversales.
Se busca la implementación de un sistema de pruebas mecánicas
que conjugado a un equipo de control electrónico y un sistema de
adquisición de datos permita la caracterización del comportamiento
vibratorio de un árbol escalonado, junto al subsecuente análisis del
efecto de dichas vibraciones sobre la generación y posterior
expansión de grietas.
En general se pretende fomentar la ejecución de tareas de
investigación relacionadas con el estudio de vibraciones y mecánica
de fractura en arboles escalonados.
• ¿Por qué?
1. Retomar un proyecto de largo plazo iniciado en semestres
anteriores buscando su validación, correcta implementación y
complementación en el área de instrumentación y control.
2. Proveer de una herramienta de investigación para el estudio de
efectos de vibraciones sobre árboles, partiendo de la necesidad
académica de generar un conocimiento real de fenómenos
mecánicos como la vibración y las fracturas por agrietamiento.
REQUERIMIENTOS DEL CLIENTE• Partiendo de las labores de identificación de necesidades generales y
específicas, y tras aplicar técnicas de clasificación, análisis y síntesis
lograron identificarse un conjunto de requerimientos fundamentales:
– El equipo mide y presenta al usuario resultados propios del sistema como
vibraciones, cargas dinámicas en los apoyos y tamaño de la grieta valiéndose de
sistemas de instrumentación complementado por software de National Instruments .
– El equipo especifica un protocolo de seguridad para operación del sistema,
buscando garantizar integridad del usuario y del equipo, y permitiendo establecer el
ciclo de mantenimiento conveniente para los procesos que se pretenden monitorear.
– El equipo es de fácil operación (protocolo de funcionamiento simplificado), no
requiere de entrenamiento exhaustivo para su operación y usa modelo de predicción
de fácil aplicación.
– El sistema es de tipo modular, posibilitando su fácil ensamble y desarme
– El equipo y el modelo predictivo propuesto relacionan el estado de grietas en
árboles con condiciones de vibración, deflexiones y cargas en chumaceras,
generando conclusiones y recomendaciones sobre la operación del dispositivo.
ANÁLISIS DE LA COMPETENCIA
(BENCHMARKING)• Se encuentra que no existe formalmente un competidor directo que
ofrezca un producto con las mismas funciones del que se plantean en
este proyecto, dado su enfoque orientado a labores de investigación en
un entorno académico.
•El análisis de competencia se orienta a sistemas actuales existentes para
el monitoreo y estudio de vibraciones, derivados de aplicaciones de
monitoreo y mantenimiento predictivo.
• Conclusiones Generales del Análisis de la Competencia
– Existen tecnologías notablemente desarrolladas dedicadas al monitoreo de
equipos industriales y de las vibraciones presentes en máquinas rotativas.
– Las opciones nacionales son limitadas y generalmente la adquisición de un
equipo de monitoreo y mantenimiento requiere de inversiones significativas.
– Las tecnologías encontradas no tienen un enfoque de investigación propiamente
sino que se dirigen más a la realización de labores de instrumentación en
entornos industriales
– Los actuales sistemas de monitoreo y mantenimiento preventivo constituyen
esencialmente una adaptación de sensores e instrumentación a maquinas
industriales. No abordan la reproducción de condiciones mecánicas específicas
requeridas para el banco de pruebas propuesto, limitándose a lecturas e
identificación de condiciones particulares sobre una gran gama de sistemas
mecánicos (Generalización).
– Dado el enfoque del banco de pruebas encaminado a labores académicas y de
investigación, se observa que muchos de los posibles requerimientos planteados
no pueden contemplarse para la competencia por el simple hecho de no
encontrarse un producto con el mismo enfoque o misión que el planteado para
este proyecto.
FUNCIONES:
DIAGRAMA DE DESCOMPOSICIÓN FUNCIONAL
Validación del diseño
FUNCIONES:
DIAGRAMA DE DESCOMPOSICIÓN FUNCIONAL
• SOLUCIONES POR BÚSQUEDA EXTERNA
• SOLUCIONES POR BÚSQUEDA INTERNA
IDENTIFICACION Y DISPOSICION DE SENSORES
•Implementación de acelerómetros•Utilización de deformímetros•Uso de cámaras de alta velocidad y resolución•Sensores ópticos•Sistemas de visión artificial•Utilización de sensores de presión•Transporte de datos vía infrarrojo•Transporte alambrico de datos•Transporte de datos vía bluetooth•Disposición de sensores por acople a lamaquina•Disposición de sensores a distancia
PROCESAMIENTO DE INFORMACION
•Utilización de software para el procesamientode datos•Procesamiento a partir de microcontroladores•Utilización de circuitos de lógica combinacionaly secuencial para el procesamiento de datos•Interfaz entre el sistema de adquisición de datosy un computador•Procesamiento de señales con circuitosanálogos.
•EVALUACIÓN Y SELECCIÓN DE CONCEPTOS
Sistema de adquisición de datos
Identificación/disposición
sensores Procesamiento información
Acelerómetros Software de instrumentación
Deformímetros Microcontroladores
Tarjeta de desarrollo FPGA
Para la evaluación y selección de conceptos se optó por selección de
subproblemas críticos. Así mismo se utilizaron herramientas de reducción
para refinar las opciones más convenientes para el proyecto. Buscando
crear tablas de combinación de conceptos evaluables fácilmente
SELECCIÓN DE CONCEPTOSSelección de conceptos (Sistema de adquisición de datos)
Criterios de selección PesoConcepto 1 Concepto 2 Concepto 3
calificacion puntuacion calificacion puntuacion calificacion puntuacion
1
Implementa un sistema de control para marcha y alto del motor,
así como protocolo para adquisición de datos0,08 6 0,48 6 0,48 6 0,48
2
Mide y presenta al usuario resultados propios del sistema como
vibraciones, ciclaje, cargas dinámicas en los apoyos y tamaño de
la grieta
0,17 10 1,7 4 0,68 6 1,02
3
Almacena progresivamente valores del experimento como carga,
torque y velocidad angular.0,17 10 1,7 10 1,7 10 1,7
4
Usa sistema de adquisición de datos para monitoreo de
variables sensadas valiéndose de software de National
Instruments
0,1 10 1 2 0,2 8 0,8
5
A través de las variables sensadas permite establecer el ciclo de
mantenimiento conveniente para los procesos que se pretenden
monitorear
0,06 8 0,48 6 0,36 6 0,36
6
Es de fácil operación (protocolo de funcionamiento simplificado)
y no requiere de entrenamiento exhaustivo para su operación.0,11 9 0,99 4 0,44 6 0,66
7 Es de tipo modular, posibilitando su fácil ensamble y desarme 0,11 10 1,1 6 0,66 8 0,88
8
Soporta lapsos de funcionamiento correspondientes a ensayos
completos de vibración en un árbol0,1 8 0,8 4 0,4 6 0,6
9
Es más económico que los sistemas de monitoreo predictivo
existentes0,1 4 0,4 8 0,8 6 0,6
Puntuación neta 1 8,65 5,72 7,1
Rango 1 3 2
PRESENTACIÓN DE LA ALTERNATIVA DE
DISEÑO GLOBAL DOMINANTE Y
JUSTIFICACIÓNSistema de adquisición de datos
Concepto Dominante: utilización de acelerómetros y deformímetros para sensar
los fenómenos físicos, recolección de señales usando tarjetas de adquisición de
datos especializadas y procesamiento de información vía software de
instrumentación National Instruments.
Justificación:
•Adaptación a las bases teóricas desarrolladas previamente para el proyecto.
•Hace uso de los dispositivos disponibles para la implementación del componente
de instrumentación propuesto en el estado del arte.
•Alternativa más eficiente en cuanto a ensamblabilidad y modularidad.
• Facilita adquisición y manejo de grandes volúmenes de información.
•Posibilita presentación amigable e intuitiva al usuario final
DISEÑO A NIVEL DE SISTEMA
• Estandarización
GENERACIÓN Y EVALUACIÓN DEL
PRODUCTO
DISEÑO A NIVEL DE SISTEMA• Diagrama esquemático con agrupaciones funcionales
DISEÑO A NIVEL DE SISTEMA
• Diagrama geométrico de las agrupaciones funcionales
DISEÑO A NIVEL DE SISTEMA
• Interacciones incidentales
DISEÑO A NIVEL DE SISTEMA
• Subsistema Lógico
Elementos funcionales
1. Definición de canales de entrada de
datos
2. Calibración de componentes de
entrada
3. Definición de tiempos de muestreo
4. Colocar parámetros de filtrado
5. Inicializar el sensado en 0(opcional)
6. Comprobante de calibración (opcional)
7. Comenzar adquisición
8. Lectura de datos adquiridos
constantemente
9. Asignar datos leídos a graficas y tablas
10. Limpieza de lectura.
DISEÑO A NIVEL DE SISTEMA
• Estandarización
Diagrama de
bloques en
conjunto
DISEÑO EN DETALLE
DISEÑO EN DETALLE
• Representación al usuario programa versión 1
DISEÑO EN DETALLE
• Diagrama de bloques en conjunto
DISEÑO EN DETALLE• Representación al usuario programa versión 1
EVALUACIÓN DEL PRODUCTO POR COSTOS• Dispositivos asociados al producto
Instrumento Referencia Cant Precio de fabricante Costo total(US)***
Costo total
(pesos)****
Strain gage SGD-1.5/120-LY43 1 $ 49 (dólares) caja de 10 $112.78 incluido envío $305.772,30
Acelerómetros AC140_3D/010/010-F SN: 1017 MARCA: CTC 2 $129 (dólares) unidad $192.78 incluido envío $484.365,90
tarjeta adquisición de datos para
strain gage
NI 9237 4-Ch 50 kS/s/Ch, 24-Bit Bridge AI
Module* 1 $1265(dólares) unidad $1573.9 incluido envío $3.567.605,80
cable para conexión strain gage-
DAQ
RJ50 Cable 10-pin Modular Plug to Pigtail Wires,
2m (qty 4)* 1 $30 (dólares) por 4 no aplica 0
cuartos de puente
NI 9944 Quarter Bridge Completion Accessory
(120 Ohm, qty 4)* 1 $195 (dólares) por 4 no aplica 0
tarjeta adquisición de datos para
acelerómetros
NI 9237 4-Ch 50 kS/s/Ch, 24-Bit Bridge AI
Module** 1 $1265 (dólares) unidad
$1,523.90 incluido
envío $3.455.984,80
cable para conexión acelerómetros-
DAQ
BNC Male (plug) to BNC Male (plug) cables,1m, 4
pack of 183882-01** 1 $175 (dólares) por 4 no aplica 0
estaño KESTER SN60PB40 "44" ROSIN CORE 1 $60000 (pesos) rollo no aplica $60.000
Modulo acople tarjetas adquisición
cDAQ-9172 8-slot USB 2.0 Chassis for
CompactDAQ, US (120 VAC) 1 $1430 (dólares) unidad $1545.62 incluido envío $3.504.473
pegante strain gage Loctite 495 1 $10000(pesos) no aplica $10.000
Total $11.388.201,80
* grupo de productos calculado el envío para el paquete completo
* *grupo de productos calculado el envío para el paquete completo
*** a estos valores se le debe sumar $20000 pesos de arancel, IVA(16%) y $34000 pesos de manejos de la empresa transportadora mas 63.78 dólares de envío (US
a Bogotá)
**** cambio de divisa de dólar US a pesos colombianos es de $1924,5, los valores incluyen gastos de envío y nacionalización
EVALUACIÓN DEL PRODUCTO POR COSTOS• Preparación de la maquina
• Ensamble del producto
Proceso Tiempo Precio
Recepción y transporte de las celdas 4 horas $15.000
Pegado de los strain gages a las celdas 1 día $30.000
Soldar cableado a los contactos metálicos de las celdas 4 horas $15.000
Medición de características resistivas de los strain gages 4 horas $15.000
Comprobación del comportamiento de las celdas 4 horas $15.000
Entrega de las celdas 4 horas $15.000
Total $105.000
Proceso Tiempo Precio
Identificación de componentes 2 horas $7.500
Identificación de las herramientas 2 horas $7.500
Acondicionamiento del espacio 1 hora $3.750
Ensamble de la maquina 2 horas $7.500
Definición de las tolerancias de ensamble 2 horas $7.500
Adaptación del sistema de adquisición de datos 1 hora $3.750
Prueba de adquisición del sistema estático 1 hora $3.750
Utilización de herramientas $10.000
Total $51.250
EVALUACIÓN DEL PRODUCTO POR COSTOS
• Total costos
Precio de venta = $ 13.902.841
Variable Cantidad Precio
Componentes del producto 1
$11.388.201,
80
Preparación de la maquina 1 $105.000
Ensamble total del producto y la maquina 1 $92.500
Total $11.585.701
DESCRIPCIÓN DE LA MÁQUINA
El sistema como tal se podrá subdividir en dos componentes que conforman el producto:
-Un primer elemento será la estructura mecánica diseñada para la generación del fenómeno vibratoriocomprendiendo un motor trifásico y un variador de frecuencia Siemens, chumaceras, árbol escalonadojunto a sus respectivos acoples y aplicador de carga. El ensamble resultante simula el comportamientode maquinaria rotativa con tendencia a fenómenos vibratorios, partiendo de la fijación de una velocidadde rotación para el árbol y la aplicación de una carga predeterminada al escalón del mismo; laimplementación de un concentrador de esfuerzos en el eje diseñado conlleva a la generación yprogresivo crecimiento de una grieta que desencadenará el fenómeno vibratorio a estudiar.
- El segundo elemento comprende el sistema de adquisición de datos conformado por sensores, tarjetasde adquisición, computador personal y software de procesamiento. Fundamentalmente losdeformímetros y acelerómetros capturan la información relacionada al estado de las chumaceras y elárbol, el sistema de adquisición transfiere dichas mediciones al computador para su procesamiento ensoftware especializado que complementado con mediciones manuales de la grieta en crecimiento,permite caracterizar la evolución del comportamiento del sistema y facilita la identificación decondiciones críticas para el montaje propuesto.
DESCRIPCIÓN Y FUNCIONAMIENTO DEL
PROTOTIPOEl sistema como tal se podrá subdividir en dos componentes que conforman el producto:
-Un primer elemento será la estructura mecánica diseñada para la generación del fenómeno vibratoriocomprendiendo un motor trifásico y un variador de frecuencia Siemens, chumaceras, árbol escalonadojunto a sus respectivos acoples y aplicador de carga. El ensamble resultante simula el comportamientode maquinaria rotativa con tendencia a fenómenos vibratorios, partiendo de la fijación de una velocidadde rotación para el árbol y la aplicación de una carga predeterminada al escalón del mismo; laimplementación de un concentrador de esfuerzos en el eje diseñado conlleva a la generación yprogresivo crecimiento de una grieta que desencadenará el fenómeno vibratorio a estudiar.
- El segundo elemento comprende el sistema de adquisición de datos conformado por sensores, tarjetasde adquisición, computador personal y software de procesamiento. Fundamentalmente losdeformímetros y acelerómetros capturan la información relacionada al estado de las chumaceras y elárbol, el sistema de adquisición transfiere dichas mediciones al computador para su procesamiento ensoftware especializado que complementado con mediciones manuales de la grieta en crecimiento,permite caracterizar la evolución del comportamiento del sistema y facilita la identificación decondiciones críticas para el montaje propuesto.
ASPECTO FINAL DEL PROTOTIPO
CONCLUSIONES1. La implementación de herramientas de control de fenómenos vibratorios en
máquinas rotativas es de vital importancia para asegurar confiabilidad y
eficiencia del sistema mecánico; el pasar por alto la influencia de los efectos
vibratorios puede llegar a generar daños críticos en la maquinaria así como
subsecuentes gastos buscando resarcir los problemas experimentados.
2. En general para el estudio de fenómenos vibratorios la calibración y puesta a
punto de herramientas de medición, particularmente los posibles sensores a
utilizar, resulta una tarea de importancia crítica para garantizar la correcta
caracterización del sistema estudiado.
3. El uso de software de instrumentación en conjunto con un modelo experimental
bien desarrollado resulta de vital importancia para el monitoreo de condiciones
y la anticipación de fallas en el ensayo propuesto.
4. El desarrollo de productos con características de ensamblabilidad modular es de
gran importancia para las labores de mantenimiento aunque dificulta las tareas
de puesta a punto de la maquina.
RECOMENDACIONES
1. Se recomienda que en caso de continuar trabajando sobre este
diseño, se aborde principalmente el modelo de selección de
herramientas de adquisición el cual puede ser optimizado
2. La calibración del sistema de adquisición es un factor de vital
importancia para el cual se debe disponer de tiempo y de métodos
robustos que conduzcan a generar mediciones confiables del proceso.
3. Resulta importante considerar en el proceso de experimentación
planteado todo aquel conjunto de desfases y tolerancias derivados de
inexactitudes en el proceso de manufactura de los componentes
utilizados, pues estos pueden influir notablemente en las mediciones
registradas por sistemas de adquisición muy sensibles.
4. Es necesario que después de la puesta a punto de la calibración de
los sensores y para garantizar la repetitividad del ensayo se debe
desmontar la menor cantidad de partes posible.
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS Y
HERRAMIENTAS DE INGENIERÍA EMPLEADAS
ULRICH KARL, EPPINGER STEVEN; Diseño y desarrollo de productos, Enfoque
Multidiciplinario. Editorial McGraw-HILL. 2004. 11-70p.
ULLMAN DAVID. “The Mechanical Design Process”, McGraw Hill International Editions,
1992.
Software de cálculo Mathematica
Software de cálculo Matlab
Software de programación gráfica NI LabVIEW
Software de adquisición y procesamiento de señales NI SignalExpress
MUCHAS GRACIAS
JUAN CARLOS BERNAL ([email protected])
EDGAR MAURICIO FERNÁNDEZ ([email protected])
SERGIO ANDRÉS SÁNCHEZ ([email protected])
