Mantenimiento predictivo aplicado a sistemas mecánicos con contacto entre superficies utilizando emisión acústica
- Autores: Enrique Caso Fernández
- Directores de la Tesis: Alfonso Fernández del Rincón (dir. tes.), Pablo García Fernández (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Cantabria ( España ) en 2022
- Idioma: español
- Títulos paralelos:
- Predictive maintenance applied to mechanical systems involving surface contacts by acoustic emission
- Tribunal Calificador de la Tesis: Fernando Viadero Rueda (presid.), Cristina Castejón Sisamón (secret.), Emilio Velasco Sánchez (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ingeniería Industrial: Tecnologías de Diseño y Producción Industrial por la Universidad de Cantabria
- Materias:
- Enlaces
- Resumen
- español
El perfeccionamiento de los sistemas de mantenimiento predictivo ha llevado a extender el estudio a técnicas de monitorización alternativas a las actuales, con el objetivo último de reducir paradas no planificadas y actuar previamente a la aparición de daños catastróficos. Éste es el caso de la tecnología de emisión acústica, que permite obtener respuesta ante procesos que involucran fenómenos de liberación súbita de energía, gracias a la adquisición de ondas acústicas de muy alta frecuencia (rango de megahercios) transmitidas por un medio de densidad elevada (no propagadas por el aire).
La emisión acústica puede estar generada por una gran variedad de procesos físicos, como la deformación plástica, la abrasión o fenómenos tribológicos, todos ellos vinculados con la aparición de defectos y cuya respuesta en las señales posibilita su identificación. Aunque no cuente con una implantación tan general como, por ejemplo, la acelerometría, la tecnología de emisión acústica presenta un escenario ventajoso en ciertas condiciones de operación de la maquinaria debido a sus características inherentes. Es el ejemplo de las máquinas rotativas a baja velocidad, donde no se logra captar la presencia de defectos por no alcanzar a excitar las vibraciones del sistema, mientras que el sensor de emisión acústica posibilita la detección debido a que los mecanismos de generación de las ondas son menos dependientes del comportamiento dinámico.
Las señales de emisión acústica poseen una gran sensibilidad frente a los procesos involucrados en la interacción de componentes de la maquinaria. Por lo tanto, ligeros cambios de los factores que condicionan el funcionamiento del sistema pueden afectar las señales. La sensibilidad permite la monitorización de las anomalías en el proceso a costa de dificultar su interpretación. Como consecuencia, además de la detección de defectos, en esta tesis se ha considerado el efecto de la variación de las condiciones de operación, sin suponer un fallo, y de las características de los sistemas en las señales resultantes. El trabajo propio se complementa con un estudio de revisión bibliográfica que pretende clarificar los aspectos fundamentales para la interpretación de los resultados obtenidos mediante la emisión acústica. El estudio se centra en la monitorización mediante emisión acústica de dos campos: las transmisiones mediante engranajes y el proceso de trefilado de alambre en frío. Sistemas que involucran un contacto entre superficies en los que el estado superficial es determinante para un buen funcionamiento.
Dentro de las transmisiones mediante engranajes, se han desarrollado estudios experimentales en dos tipos de transmisiones, una ordinaria de ejes paralelos con engranajes helicoidales y otra planetaria de engranajes de dientes rectos. El trabajo se ha dividido en secciones que evalúan diferentes aspectos fundamentales para establecer una correcta monitorización, como la posición del sensor, la presencia de lubricante, comparación de la emisión acústica con la acelerometría, el engrane secuencial entre engranajes o la periodicidad observada en la morfología de los eventos que componen las señales. Tras la evaluación de las principales consideraciones que afectan la monitorización, se analiza la detección de varios tipos de defectos, comparando las estrategias de procesado idóneas para su detección. El desalineamiento entre ejes y la degradación de las superficies activas de un engranaje se estudian con mayor profundidad. Para el análisis de las señales se recurre a diferentes procesados en el dominio temporal y de la frecuencia. Las señales generadas en el engrane presentan comportamientos cíclicos debido a las sucesivas fases en el contacto entre dientes, por lo que la interpretación de las señales se sirve de procesados que incluyen la evolución temporal de indicadores de condición, espectrogramas y el contenido espectral de la envolvente de la señal. La anchura o tiempo de emisión de los eventos de emisión acústica se ha utilizado como indicador del estado superficial en el engrane entre dientes. Adicionalmente, se incluye una prueba de validación para una herramienta de monitorización con sensores de emisión acústica, basada en el uso de indicadores de condición para la generación de alarmas.
El trabajo realizado en la monitorización del trefilado de alambre en frío cuenta con una menor base bibliográfica por su escasez en la literatura científica, por lo que se abordan los fundamentos necesarios para establecer la supervisión de este proceso. El trabajo principal se realiza por medio de la emisión acústica debido a una favorable comparación preliminar frente a otras tecnologías de sensores, el análisis de vibraciones y medición de intensidad y presión sonora. En este caso, los fenómenos que se producen en el contacto entre superficies son más complejos por las interrelaciones entre los parámetros que condicionan la producción y la emisión acústica generada: la temperatura, la acción del lubricante, las características de los materiales involucrados o la velocidad del proceso de reducción de sección del alambre. Como consecuencia, la sensibilidad de la emisión acústica ante las variaciones que ocurren en el proceso posibilita su utilización como herramienta de monitorización, para el control de la aparición de incidencias y como referencia para optimizar los parámetros de operación del proceso. Debido al comportamiento continuo del trefilado de alambre, el procesado de señal se ha abordado principalmente mediante el espectro de alta frecuencia de las señales en bruto de emisión acústica e indicadores de condición.
En resumen, se ha desarrollado un amplio estudio basado en resultados experimentales que suponen una gran variedad de escenarios en las condiciones de generación de las emisiones que pueden darse en los sistemas estudiados. La combinación de los diferentes análisis proporciona una validación de la utilización de la emisión acústica como herramienta destinada al mantenimiento predictivo aplicado a sistemas mecánicos con contacto entre superficies.
- English
The acoustic emission technology makes possible to obtain a response to processes involving sudden energy release phenomena thanks to the acquisition of very high frequency acoustic waves (megahertz range) transmitted by a high-density medium (not airborne). The acoustic waves can be generated by a variety of physical processes such as plastic deformation, abrasion or tribological phenomena; processes linked to the occurrence of defects and whose signal response enables their identification. In summary, an extensive study has been developed based on experimental results that assume a wide variety of scenarios in the studied systems: gear transmissions and wire drawing. The combination of the different analyses validates acoustic emission as a tool for predictive maintenance applied to mechanical systems with surface-to-surface contact.
- español
