MEMORIAS DEL XXIV CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 19 al 21 DE SEPTIEMBRE DE 2018 CAMPECHE, CAMPECHE, MÉXICO
Tema A1a Diseño Mecánico: Identificación de fallas de forma prematura utilizando la señal de aceleración durante un ciclo de apertura y cierre.
“Diseño de un protocolo para identificación de fallas a partir de las vibraciones mecánicas”
Velázquez Silva Anahía, Ramírez Reivich Alejandrob
a Universidad Nacional Autónoma de México, Av. Universidad 3000 C.P. 06800 Ciudad de México, México b Universidad Nacional Autónoma de México, Av. Universidad 3000 C.P. 06800 Ciudad de México, México
*Velázquez Silva Anahí. Dirección de correo electrónico: [email protected]
R E S U M E N
En esta investigación se plantea el desarrollo de una metodología para la identificación de la pérdida de la función de
los sistemas a partir de las vibraciones transmitidas a todos sus elementos durante su desempeño. Utilizando un
refrigerador y considerando las puertas del mismo como objeto de estudio se sabe que la puerta de cualquier sistema
evita el flujo de energía entre el interior y el ambiente en que se desempeña, por tal motivo se propone el diseño un
protocolo de pruebas, que considera la instrumentación de un gabinete para monitorear variables como la aceleración,
fuerza y posición de los elementos que lo componen. Posteriormente se analiza la tendencia de la señal descrita durante
el ciclo de apertura y cierre para identificar los componentes que influyen directamente en el comportamiento de la puerta
y con ello determinar el gradiente de pérdida de función del sistema.
Palabras Clave: Puerta, Vibración, Falla, Aceleración, Bisagra, Sello térmico.
A B S T R A C T
In this research the development of a methodology for the identification of the loss of the function of the systems is proposed
from the vibrations transmitted to all its elements during its performance. Using a refrigerator and considering the doors
of it as an object of study, it is known that the door of any system prevents the flow of energy between the interior and the
environment in which it operates, for this reason the design proposes a test protocol, which considers the instrumentation
of a cabinet to monitor variables such as acceleration, force and position of the elements that compose it. Subsequently,
the trend of the signal described during the opening and closing cycle is analyzed to identify the components that directly
influence the behavior of the door and thereby determine the gradient of loss of function of the system.
Keywords: Vibration, Loss of function, Methodology, Refrigerator, Door.
1. Introducción
El desarrollo tecnológico que se ha conseguido con el paso del
tiempo, ha generado en los usuarios un elevado nivel de
exigencia en cuanto al funcionamiento de los sistemas que
consume, es decir, requieren dispositivos sofisticados pero
con un limitado o nulo rango de fallas de operación. [1]
Actualmente la tecnología se encuentra inmersa en todos
los sectores, desde la industria hasta el ámbito doméstico en
donde las personas interactúan con sistemas simples cuya
función principal es facilitar la vida a los usuarios. Es
precisamente el hogar, en el que se desempeña el objeto de
estudio de esta investigación, el refrigerador.
Conforme a los datos publicados por la Secretaría de
Energía en 2015, en México, el consumo energético en el
sector doméstico equivale al 25% del consumo de energía
eléctrica nacional [2]. Es decir, de 8528.868 [petajoules],
213.222 [petajoules] se consumen de forma anual en los
hogares [3]. Tomando como ejemplo un refrigerador de 15
pies cúbicos que consume anualmente 840 Kilowatts-hora, se
sabe que cuando el refrigerador rebasa su ciclo de vida útil, el
consumo energético tendrá un incremento de hasta el 70% en
el consumo anual [4].
La principal razón del aumento energético del sistema se
debe al intercambio de aire a baja temperatura entre el interior
del gabinete y el ambiente en que se desempeña. Un
refrigerador está compuesto de diversos subsistemas, pero son
las puertas las que influyen de forma directa en el correcto
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desempeño del sistema ya que su función principal es
mantener la cavidad interior totalmente sellada, cuando las
puertas no se encuentran colocadas correctamente, es decir,
presentan una desalineación significativa con respecto a su
posición original, pueden generarse diferentes efectos que
modifican el funcionamiento general del sistema, estos son:
• Enfriamiento: Representa una disminución significativa en
la capacidad del refrigerador para mantener el aire frío en
el interior. Si el sello está dañado, influye directamente en
la forma de mantener la temperatura dentro del rango de
operación estipulado por el fabricante.
• Condensación: El exceso de escarcha y la acumulación de
humedad en el interior del congelador y refrigerador surgen
como resultado de una puerta mal cerrada. Cuanto mayor
es el ingreso de aire permitido dentro del refrigerador,
mayor la humedad que se puede generar.
• Consumo desmedido de energía: Cuando existe
intercambio de calor debido a la desalineación de la puerta,
el compresor tiene que ejecutar un mayor número de ciclos
para mantener la temperatura adecuada en el interior, lo
que implica un mayor consumo de energía eléctrica.
• Pérdida de rigidez: El gabinete está formado por paredes
huecas que se unen entre sí con espuma de poliuretano, este
material brinda rigidez al sistema en general y da el soporte
necesario para que pueda contener el peso, sin embargo, la
pérdida de rigidez dependerá de la densidad del producto
ya que si se somete a los hidrocarburos clorados, libera el
aire que contiene en su estructura.
1.1. Estado del arte
A nivel mundial existen diversos sistemas que determinan el
ciclo de vida de las puertas, desarrollando protocolos
complejos con equipos sofisticados que someten las puertas a
pruebas destructivas por medio de la aplicación de cargas
repetitivas, al ser sistemas instrumentados permiten identificar
el momento en que la puerta dejó de realizar su función
correctamente y en ese momento la prueba se detiene. Durante
la investigación previa se identificaron dos tipos de sistemas
que tienen como tarea principal analizar el comportamiento de
las puertas, siendo el sector automotriz el de mayor desarrollo.
El primero de estos sistemas se conoce comúnmente como
“Sistema físico de detección de fallas” o “Bancos de pruebas
para detección de fallas”.
Estos sistemas tienen como tarea recrear de forma
acelerada el ciclo de vida útil del objeto para identificar si éste
cumplirá o no con la función para la que fue diseñado y
trabajando durante el periodo establecido, ejemplo de este tipo
de sistemas se muestra en la figura 1.
El segundo sistema se le denomina VDST por su nombre
en inglés “Virtual Door Slam Test”, éste a diferencia de un
sistema físico, permite realizar un análisis a partir de una
simulación y un modelo tridimensional del objeto de estudio.
En una prueba virtual se pueden recrear casi todas las
condiciones mecánicas bajo las que se desempeña el objeto y
a partir de ello predecir la durabilidad del objeto en función de
los ciclos realizados. Generalmente se analizan variables que
influyen de forma directa con el comportamiento del sistema,
como:
Aceleraciones
Velocidades
Desplazamientos
Fuerzas de impacto
Deformaciones
Desgaste de los elementos
Flujo de aire
Cargas
Simulación del desempeño
Este comportamiento se compara contra propiedades
mecánicas que forman parte de la base de datos del software
[5].
Es cierto que las simulaciones son una representación
fehaciente del avance tecnológico y brindan la facilidad de ver
cómo se comportará el sistema antes de manufacturarlo pero
aún no existe el VDST que permita obtener datos con un error
igual a cero, es decir, un sistema certero que involucre las
condiciones ambientales reales bajo las que trabajará el
sistema y considere sus efectos, por lo que cada prueba virtual
sin excepción se coteja contra una prueba real. En la figura 2
se muestra un ejemplo de un VDST realizado por el equipo
Toyota. [6]
1.2. Planteamiento
Esta investigación representa una etapa temprana de un tema
complejo como lo es el estudio de la confiabilidad de sistemas
mecatrónicos, es por ello que en este artículo se plantea el
Figura 2 VDST realizada por el equipo Toyota Auto Body
Figura 1 Banco de pruebas para puertas automotrices (Daimler
Chrysler, 1996)
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desarrollo de un protocolo de pruebas que permita identificar
la pérdida de la función en los componentes significativos de
las puertas de refrigerador antes de que se origine una falla y
en el menor número de ciclos posible, partiendo de la
tendencia de vibración descrita en cada ciclo de apertura y
cierre. Para conseguirlo se plantea la siguiente metodología de
trabajo.
Etapa 1: Reconocimiento de los componentes
significativos del sistema “puerta”
Etapa 2: Identificación de los conceptos mecánicos
relevantes en el análisis, tales como vibraciones mecánicas.
Etapa 3: Diseño e instrumentación del sistema.
Etapa 4: Adquisición y procesamiento de la información.
Etapa 5: Identificación del gradiente de pérdida de función
a partir de los datos obtenidos.
Con base en los estudios realizados en la industria de los
electrodomésticos en México durante el año 2016 para el
planteamiento de esta investigación [7], se determinó que un
refrigerador se abre y cierra aproximadamente un millón de
veces durante los diez años de vida útil estimados, esta cifra
es diez veces más que los ciclos de apertura y cierre estudiados
en un automóvil, lo que significa que es uno de los
electrodomésticos con el que se interactúa con mayor
frecuencia en un hogar. Durante este tiempo son varios los
factores que originan la desalineación de las puertas, entre
ellos se encuentran los alimentos colocados en la puerta
sumados a la excesiva fuerza de impacto durante la apertura y
cierre.
Para probar que los gabinetes funcionen de forma correcta,
se colocan dentro de una cámara climática y se abren y cierran
por un millón de ciclos. Se considera que un ciclo completo
comprende desde la apertura total de la puerta partiendo de un
estado de reposo hasta que se cierra y regresa al reposo, con
una pausa entre ambas acciones; en la figura 3 se muestra la
distribución de los tiempos durante un ciclo.
Cada ciclo tarda en ejecutarse 4.5 segundos, si la prueba
consiste en 1 millón de ciclos, durará 1250 horas que
corresponden a 52.08 días, lo que representa gastos excesivos
y gran tiempo invertido para detectar una falla en el sistema.
Con base en esta información, se propone la idea de ejecutar
un protocolo que permita identificar la tendencia de
comportamiento por cada elemento y ayude a predecir las
fallas antes de que ocurran.
2. Componentes del sistema
Un refrigerador está compuesto de una gran cantidad de
elementos, desde tornillos y tuercas hasta un sistema de
refrigeración que, si bien es cierto no ha sido modificado
termodinámicamente desde su creación, sí se han
implementado mejoras para hacerlo más eficiente.
El refrigerador que se utilizó durante esta investigación
para validar el protocolo y demostrar la hipótesis propuesta,
es un refrigerador modelo GNS23GMHES de 33 pulgadas de
ancho y configuración “french door” lo que significa que tiene
el congelador en la parte inferior.
Es importante mencionar que la puerta del cajón del
congelador no se considera parte de esta investigación, pero sí
lo son ambas puertas que cubren el gabinete del refrigerador.
El refrigerador utilizado en esta investigación se muestra en la
figura 4.
Durante la observación del comportamiento del
refrigerador se identificaron tres elementos fundamentales que
se involucran directamente con el desempeño de las puertas,
estos son la bisagra, el sello térmico y la espuma de
poliuretano, los cuales se describen a continuación.
2.1. Elemento de sujeción: bisagras
El elemento principal del sistema son las bisagras pues son el
elemento que permite que la puerta tenga movilidad, es decir,
permitir la apertura y cierre de la puerta. Otra función de las
bisagras es colocar la puerta en su posición correcta lo cual se
vuelve complicado a medida que se incrementa el peso que
puede soportar la puerta (debido a los alimentos), a medida
que pasa el tiempo la superficie sobre la que se sujeta la
bisagra pierde rigidez (problema originado por la degradación
de la espuma de poliuretano).
Observando el comportamiento de la puerta durante el
ciclo de apertura y cierre se puede identificar que la bisagra
superior forma parte del sistema de sujeción de la puerta. Se
puede asegurar esto último debido a que en la superficie sobre
la que se fija la bisagra superior es el punto en el que se genera
Apertura 2 s
Estado de reposo
Cierre 2 s Pausa 0.5 s
Estado de reposo
Ciclo
Figura 3 Distribución del tiempo durante un ciclo de apertura y
cierre.
Figura 4 Refrigerador 33" configuración "French door" (GE,
GNS23GMHES) utilizado como objeto de estudio en esta
investigación.
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mayor esfuerzo, esfuerzo que es proporcional a la carga que
se le coloca a la puerta.
En la figura 5 se puede observar que la bisagra superior se
compone de siete elementos de los cuales tres son piezas de
acero (soporte fijo, brazo de palanca y soporte de fuelle), un
eje que se comporta como fuelle para el brazo de palanca, dos
tornillos que sujetan la bisagra al gabinete y un resorte que
actúa como precarga para que el brazo de palanca guie la
puerta durante su recorrido.
Con el paso del tiempo el diseño de las bisagras se ha vuelto
más complejo al integrar más componentes. En el caso de la
bisagra del refrigerador, específicamente la superior, se
observa que su funcionamiento obedece al principio del brazo
de palanca que analizado de forma matemática se comporta
como un convertidor de energía.
2.2. Elementos de amortiguación: sello térmico
El principal elemento de amortiguación en un refrigerador
es el sello de neopreno o goma que se encuentra alrededor de
la puerta y del lado interior de la misma, así como en el marco
del gabinete. Este sello cumple con dos funciones importantes,
reducir el impacto y sellar de forma hermética.
Para reducir la fuerza de impacto el sello de goma se ayuda
de su geometría para disipar la energía que le imprime la
puerta al impactar sobre el mismo, en la figura 6 se puede
observar la sección transversal del sello de goma.
La geometría le permite comportarse como una minúscula
cámara de aire que reduce el impacto en el instante en que la
puerta toca el gabinete, posteriormente y hasta que la puerta
llega a su posición final el aire contenido comienza a escapar
lentamente y permanece comprimido hasta que la puerta se
vuelva a abrir.
Es cierto que el reducir la fuerza de impacto es un
parámetro importante para prevenir deformaciones en el
gabinete, pero no es la función más importante que desempeña
este elemento, su función principal es mantener la cavidad
interior del gabinete cerrada herméticamente para conservar
los alimentos a las temperaturas adecuadas evitando la
transferencia de energía entre el interior y exterior del
gabinete.
2.3. Elemento de soporte: espuma de poliuretano
Existe otro elemento que brinda soporte al refrigerador y
compone un gabinete en más del 80% de su totalidad, la
espuma de poliuretano como se conoce comúnmente es un
compuesto de polioles con catalizadores. Este material rellena
todas y cada una de las paredes del refrigerador, así como los
volúmenes que se generan entre las cavidades de los
accesorios en las puertas.
La espuma de poliuretano brinda rigidez al gabinete ya que
en ausencia de la espuma, un gabinete carecería de forma,
además se utiliza la espuma de poliuretano por su alta
capacidad de aislamiento térmico, esta característica se debe a
la muy baja conductividad térmica que posee el gas espumante
atrapado en el interior de las celdas cerradas [8].
Para asegurar el correcto funcionamiento de la espuma, se
debe seleccionar la densidad adecuada de la misma, en la
figura 7 se muestran las gráficas de caracterización de la
espuma, obtenidas de ensayos de tracción y compresión en
función de la densidad, lo que indica que a mayor densidad
tienen mayor rigidez. (UNE 92-120)
En la figura 7a se observa la curva que describe la espuma
de poliuretano en un ensayo a compresión, lo cual denota que
el incremento de la densidad es proporcional a la presión que
puede resistir. En la figura 7b se puede ver de igual forma la
curva que describe la espuma de poliuretano cuando se somete
Pivote
Brazo de
palanca
Soporte de
fuelle
Resorte (precarga)
P
i
v
o
t
e
Pernos de sujeción
Eje de giro
de la puerta
Soporte fijo
Figura 5 Bisagra superior de refrigerador GNS23GMHES
Puerta
Tornillo de
sujeción
Sello de goma
Clip de
anclaje
I
M
A
N
Figura 6 Sección transversal del sello de goma
7a 7b
Figura 7a Gráfica de la espuma de poliuretano sometida a un
ensayo de compresión. 7b Gráfica de la espuma de poliuretano
sometida a un ensayo de tracción
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a un ensayo de tracción en el que nuevamente la relación entre
presión y densidad es proporcional.
La espuma rígida de poliuretano es un material sintético,
altamente reticulado y con estructura celular
predominantemente cerrada (el porcentaje de celdas cerradas
se encuentra por encima del 90%). La densidad de la espuma
de poliuretano que se utiliza para aislamiento térmico se
encuentra generalmente en el rango de 30-100 [kg/m3] (UNE-
EN 12667:2002).
A pesar de ser un polímero de ingeniería y ser resistente al
envejecimiento, la falla se origina cuando la espuma contenida
entre las paredes libera el aire encapsulado en sus celdas, lo
que origina que el refrigerador pierda rigidez.
3. Identificación del gradiente de pérdida de función
La importancia de esta investigación radica en la posibilidad
de identificar los elementos que pierden su función con mayor
rapidez, es decir, identificar el gradiente de pérdida de función
de los elementos que componen el refrigerador durante el
ciclo de vida útil.
La identificación del elemento que ocasiona el posible
modo de falla se consigue a partir de un análisis frecuencial
(trabajo futuro en la investigación) y temporal de las señales
que describen de forma correcta el comportamiento de los
elementos durante pruebas de apertura y cierre bajo
parámetros controlados como velocidades y aceleraciones
constantes que producen la misma fuerza de apertura y cierre
de puertas.
3.1. Desarrollo de prueba de impacto a partir de los datos
obtenidos en el mapa sensorial
Partiendo de los sistemas actuales, en esta investigación se
plantea como propuesta de valor el desarrollo de un protocolo
que permita identificar a partir de las señales de aceleración,
el gradiente de pérdida de función de los componentes
significativos del refrigerador sin necesidad de realizar
pruebas de larga duración.
A partir de los datos adquiridos durante las etapas previas
en las que se realiza el reconocimiento del sistema, se diseñó
una prueba en la que su puede identificar el comportamiento
de los elementos que componen el sistema. De forma general,
la prueba consiste la apertura y cierre de un refrigerador
instrumentado y adquirir las señales del comportamiento de
las mismas por medio de los sensores previamente
seleccionados.
La acción de abrir y cerrar las puertas la realizarán
diferentes usuarios quienes realizarán el ciclo en la forma
habitual. Para la realización de esta prueba se considera que la
puerta es un cuerpo rígido, por tal motivo se colocan
acelerómetros en la superficie de la puerta sobre la línea
horizontal sobre la que se encuentra el centro de gravedad.
Durante la prueba únicamente se abrirá y cerrará la puerta
izquierda ya que es la que tiene el panel de sellado hermético.
3.2. Objetivos
Determinar por medio de los sensores colocados en el
sistema las gráficas de aceleración y fuerza que describe el
sistema durante el ciclo de apertura y cierre
3.3. Componentes
Refrigerador de estudio GE-GNS23GMHES
2 acelerómetros Kistler 8704B500
1 acelerómetro de carga Kistler 8044
1 celda de carga Kistler 9712B250
DAQ NI USB 6341
Acondicionador de señal Kistler LabAmp
3.4. Protocolo para detección del gradiente de pérdida de
función
Los dos acelerómetros piezoeléctricos se colocarán en las
puertas, uno se colocará en la puerta móvil y el otro se
colocará en la puerta fija. El propósito de colocar los
acelerómetros en la misma línea de acción radica en que al
impactar la puerta móvil contra el marco del gabinete,
instantáneamente la aceleración y velocidad de ambas puertas
serán las mismas debido a que en el momento en que se lleva
a cabo el impacto el sistema se detiene.
La celda de carga deberá colocarse al igual que los
acelerómetros sobre el eje horizontal del centro de gravedad,
la diferencia es que la celda se fijará debajo de la manija ya
que es el punto en que se registra la mayor fuerza de impacto.
En la figura 9 se observa el diagrama de cuerpo libre del
gabinete desde la vista superior, en la figura 9a se describe el
momento en que se realiza la apertura de la puerta, así como
las fuerzas que influyen en este comportamiento, al abrir la
puerta se aplica una fuerza (Fp1) y el gabinete reacciona con
una fuerza en sentido contrario (Fg1) que se opone a este
movimiento. En la figura 9b se puede observar el momento
en que se realiza el cierre de puertas, cuando la puerta impacta
en el gabinete transmitirá una fuerza (Fp2) que será absorbida
por el gabinete y la regresará al sistema en sentido contrario
(Fg2). En ambos diagramas se señala la reacción de la bisagra
Figura 8 Sección de la espuma de poliuretano de un refrigerador
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ante este movimiento.
Adicional a los sensores colocados hasta este momento, se
colocará un acelerómetro de carga en el gabinete, esto con la
finalidad de identificar cómo se transmite la vibración por el
sistema completo, ya que el gabinete representa una inercia de
gran magnitud y se debe identificar si este efecto es benéfico
y perjudicial para el desempeño de las puertas.
Sobre el eje de giro de la puerta izquierda se colocará
también un potenciómetro de precisión, éste servirá para
monitorear el ángulo de apertura y cierre de la puerta y
comparar el desempeño de la misma contra su posición.
Una vez que los sensores se colocaron de forma correcta,
por medio de una interfaz gráfica desarrollada en NI
LabView se adquirirán las señales de aceleración de cada
puerta, la fuerza de impacto, la aceleración del gabinete y la
posición angular. La prueba se deberá realizar como se explica
a continuación.
Paso1: El refrigerador deberá colocarse en piso firme y
nivelado, además de tener las puertas completamente
cerradas.
Paso 2: El usuario se colocará de frente al refrigerador en
la postura en que comúnmente adopta para abrirlo.
Paso 3: Se iniciará la adquisición.
Paso 4: El usuario abrirá la puerta izquierda del
refrigerador a su totalidad (160⁰), esperará medio segundo
y procederá a cerrarla completamente.
Paso 5: Se detendrá la interfaz.
Paso 6: La prueba deberá repetirse diez veces por cada
usuario.
La razón principal de que la adquisición se inicie antes y se
detenga después, consiste en evitar la pérdida de información
al momento de separar la puerta del sello hermético y los
efectos inerciales del gabinete cuando la puerta impacta. En la
figura 10 se muestra la pantalla de trabajo de la interfaz
realizada para adquisición y análisis de las señales de
vibración y carga correspondientes a los sensores colocados
en el refrigerador.
Esta interfaz permite comunicar la computadora con los
sensores a través de un acondicionador de señales que provee
la alimentación adecuada a los mismos dependiendo su tipo,
es decir, si son piezoeléctricos o sensores de carga. La interfaz
permite adquirir datos con una frecuencia F=0.00016 [s] es
decir, 6250 muestras por segundo.
Figura 10 Interfaz para adquisición y procesamiento de datos
(desarrollada en LabView 2014)
Cada uno de los canales se configuró de la siguiente forma:
Canal 1: Acelerómetro de puerta móvil (línea blanca).
Canal 2: Acelerómetro de puerta fija (línea roja).
Canal 3: Celda de carga (línea verde).
Canal 4: Acelerómetro de carga (línea azul).
3.5 Realización de la prueba
La prueba la realizaron de forma aleatoria una muestra de diez
personas, anatómicamente distintas con la finalidad de
identificar el patrón de movimiento que cada una desempeña
al interactuar con un refrigerador. Al término de la prueba se
obtuvo información relevante, las características físicas de
cada usuario tales como fuerza, peso, estatura e incluso el
género influyeron para obtener trayectorias de apertura y
cierre distintas. Las trayectorias descritas por la puerta se
clasificaron como apertura y cierre normal, es decir, sin
empujar la puerta con una fuerza de gran magnitud y apertura
y cierre abrupta, refiriéndose a los ciclos en los que las
personas si imprimieron gran fuerza para impulsar la puerta y
cerrarla.
Es importante mencionar que únicamente se adquieren las
señales del comportamiento de un ciclo a la vez ya que de esta
forma el refrigerador regresa a su posición de equilibrio y no
almacena energía que se pueda transmitir de un ciclo a otro
modificando el comportamiento de los elementos.
En la figura 11 se observa la gráfica que describe el sistema
durante de la interacción de un usuario con el refrigerador
durante el ciclo de apertura y cierre normal. En ella se pueden
identificar dos zonas de relevancia, la zona uno es la magnitud
de la aceleración producida al abrir la puerta y la zona dos es
la magnitud de aceleración al cerrar la puerta.
Figura 9 Diagrama de posicionamiento de los sensores (Visto desde
un plano superior)
9a 9b
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En el momento en que se realiza el cierre de puerta se
puede observar la reacción de la puerta fija y (línea
anaranjada) la cual absorbe la energía durante el impacto y la
regresa a la puerta. La línea morada representa el
comportamiento dinámico de la celda de carga.
Es importante mencionar que cuando la puerta se abre y
cierra de forma normal se produce una vibración de mayor
magnitud (3.8G) generada por la fuerza necesaria para romper
la inercia del sello hermético, comparada con la aceleración
detectada por la fuerza para cerrar la puerta (1.8G). Si se
analiza este comportamiento se puede pensar en el diseño de
un sello hermético que evite el intercambio de calor pero que
no requiera una mayor fuerza para liberar la puerta.
El siguiente ciclo significativo es el que ocurre cuando se
registran un ciclo de apertura y cierre acelerado, en ocasiones
las personas sueltan la puerta antes de que ésta impacte con el
gabinete, otras veces la guían hasta que ésta hace contacto con
el gabinete lo que indica que se ha cerrado. Las gráficas que
se generan durante esta prueba se muestran en la figura 12, al
igual que la prueba anterior, la línea azul representa la
aceleración de la puerta móvil, la línea anaranjada describe la
señal de aceleración de la puerta fija y la línea morada es la
fuerza que se aplica al sistema durante todo el ciclo.
Nuevamente se pueden identificar dos zonas de interés en
la gráfica, la zona uno que representa la apertura y la zona dos
que representa el momento en que se realiza el cierre de la
puerta. En este tipo de ciclo se puede observar que cuando la
puerta se abre y cierra de forma acelerada, la aceleración que
se produce al abrir la puerta es de menor magnitud lo que se
traduce como una menor fuerza para romper la inercia del
sello térmico. Caso contrario al momento en que se cierra la
puerta ya que debido a la fuerza que se le imprimió durante la
trayectoria de cierre se consigue una mayor excitación a los
elementos lo que produce una vibración de mayor magnitud.
4. Resultados
A partir de la obtención de datos de todas las pruebas
realizadas a lo largo de esta investigación se pueden arrojar
resultados que influyen de forma directa en la caracterización
del sistema, así como brinda datos duros del comportamiento
del mismo para identificar las zonas problemáticas y que
pueden tener mayor repercusión a lo largo de la vida útil del
sistema.
Figura 13 Comparación de señal de aceleración filtrada.
Para identificar el gradiente de pérdida de función del
sistema se realizó un análisis de la señal de aceleración que
describe el comportamiento de la puerta en movimiento, cada
señal adquirida tiene la naturaleza de la señal que se muestra
en la figura 13, la línea azul representa la señal original, sin
embargo al ser una señal ruidosa no muestra el
comportamiento real del sistema y por tal motivo fue
necesario aplicar un filtro sencillo para obtener la señal
fundamental de aceleración. Para realizar el filtrado de la señal
se utilizó una herramienta que se desprende de la transformada
de Fourier y se le conoce como wavelet de Daubechies [9].
Una vez aplicado el filtro, la señal fundamental de la vibración
se representa por la línea amarilla.
Para la obtención del gradiente de pérdida de función se
aplicó el filtro a cada una de las iteraciones de apertura y
cierre. La figura 14 muestra diez iteraciones en las que se
observa la aceleración de la puerta móvil, en la zona uno se
destaca el momento en que se abre la puerta que por la
naturaleza de la prueba es de menor magnitud que el momento
cuando ésta se cierra (zona dos).
Figura 14 Gráfica en la que se muestran 10 ciclos de apertura y cierre
acelerado para identificación del gradiente de pérdida de función (Señal
Figura 11 Gráfica de apertura y cierre de forma normal (señal
adquirida con una tasa de muestreo de 6250 muestras por segundo)
Figura 12 Gráfica de apertura y cierre de forma acelerada (señal
adquirida con una tasa de muestreo de 6250 muestras por segundo)
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adquirida a 6250 datos por segundo y realizada por usuario de 1.75 [m]
y 68 [Kg])
Con este protocolo se puede reducir significativamente el
tiempo que dura una prueba actual ya que no es necesario
realizar 1, 000,000 de iteraciones para determinar el
comportamiento del sistema y con ello el posible modo de
falla. Basándose en que la frecuencia natural de un elemento
no cambia, la señal temporal tendrá siempre la misma
tendencia por lo que se analiza el primer ciclo ya que es
cuando todos los elementos están en la posición correcta y al
cabo de diez iteraciones se analiza el último ciclo, es decir, se
compara el primero contra el último ciclo para identificar la
variación entre la magnitud de cada pico y valle de la gráfica.
La comparación para esta prueba se muestra en la figura 15.
Los resultados obtenidos de esta prueba reflejan de forma
directa el desgaste de los componentes del gabinete que
aunque son cifras de magnitudes pequeñas, representan la
medida en que el componente se aleja del comportamiento
ideal.
En las gráficas se puede observar la disminución de la
magnitud de la vibración en el desempeño de los
componentes, sin embargo, el deterioro de los mismos se debe
a una combinación de efectos mecánicos por la aplicación de
cargas repetitivas y la influencia de las condiciones
climatológicas bajo las que el sistema opera.
Es importante mencionar que los cambios de temperatura
influyen de forma directa en el comportamiento de los
elementos, pues las variaciones de la misma provocan
cambios en la estructura molecular de los materiales,
provocando la aceleración en el deterioro del sistema.
Al ser una prueba en la que se tiene la influencia humana,
se consigue un movimiento preciso en cada iteración por lo
que un filtro básico permite rescatar la señal fundamental de
la puerta y analizar de esta forma su trayectoria ya que el ruido
provocado por el usuario al abrir y cerrar no es significativo
en comparación con la vibración del sistema.
5. Conclusiones
A lo largo de esta investigación se ha trabajado en el desarrollo
un protocolo que tenga la versatilidad de ser aplicable a
distintos sistemas que presenten un comportamiento similar,
es decir, sistemas que puedan abrir y cerrar, así como algunos
otros que desempeñen una tarea de forma repetida.
Este trabajo representa la base de una larga y compleja
investigación que implica el desarrollo de un sistema flexible
de predicción de fallas en tiempo real que pueda utilizarse para
“medir” la confiabilidad de sistemas mecatrónicos complejos.
De forma general un ciclo de apertura y cierre de un
refrigerador es una acción que se ha vuelto común en nuestra
vida cotidiana y aunque parezca un problema trivial repercute
directamente en el funcionamiento del electrodoméstico y este
a su vez implica elevados costos de fabricación debido a su
constante rediseño. Al realizar un análisis de este tipo en el
que se trata de identificar la ciencia que existe detrás de esta
acción se obtienen resultados interesantes que sirven para
plantear el rediseño de los elementos principales. El análisis
del comportamiento del sistema es la primera parte del
protocolo ya que genera los parámetros para seleccionar los
instrumentos adecuados obtener así las señales del
comportamiento del sistema para realizar un análisis
cuantificable de cada una de las variables involucradas tales
como aceleración (vibración), velocidad, posición y fuerza.
A partir de las variables identificadas en este análisis se
realizará un modelo matemático que describa el
comportamiento dinámico del sistema, el cual permita
analizar el desempeño ideal de cada uno de los elementos, se
plantea que a medida que el modelo matemático sea
mayormente detallado, permitirá aproximar de una mejor
manera el comportamiento real del sistema.
Finalmente un análisis frecuencial y temporal permitirá
determinar el comportamiento de los elementos que influyen
directamente en los momentos importantes del ciclo que es
cuando la puerta se libera del sello hermético y cuando la
misma cierra totalmente (en gráficas se identifican como dos
impactos). Esta información sirve de apoyo para caracterizar
el comportamiento de los elementos y a partir de esto predecir
cuál de ellos presentará una mayor probabilidad de falla.
Agradecimientos
Este artículo se desprende de una investigación
complementaria a un proyecto PAPIIT con número de registro
IT102318: Investigación y análisis de la influencia del efecto
de amortiguamiento electromagnético en la atenuación de
vibraciones en sistemas actuados por tensores. Por lo cual se
agradece a esta organización los recursos otorgados para el
desarrollo del protocolo.
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esticos-y-la-eficiencia-energetica-comparativo-de-
Figura 15 Gráfica comparativa entre el primer y el último ciclo
ISSN 2448-5551 DM 25 Derechos Reservados © 2018, SOMIM
MEMORIAS DEL XXIV CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 19 al 21 DE SEPTIEMBRE DE 2018 CAMPECHE, CAMPECHE, MÉXICO
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