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Cf Gonzalez Jt

Date post:16-Oct-2015
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  • UNIVERSIDAD DE CHILEFACULTAD DE CIENCIAS FSICAS Y MATEMTICASDEPARTAMENTO DE INGENIERA MECNICA

    DESARROLLO DE UN SISTEMA DE MONITOREO DE LA CONDICIN MEDIANTEANLISIS DE VIBRACIONES EN CENTRAL MICROHIDRULICA

    MEMORIA PARA OPTAR AL TTULO DE INGENIERO CIVIL MECNICO

    JAVIER ESTEBAN GONZLEZ TORRES

    PROFESORA GUA:VIVIANA MERUANE NARANJO

    MIEMBROS DE LA COMISIN:RODRIGO PALMA BEHNKE

    EDUARDO SALAMANCA HENRQUEZ

    SANTIAGO DE CHILE2013

  • Resumen

    En Chile se est legislando a favor de las energas renovables no convencionales (ERNC) ytanto empresas privadas como organismos de cooperacin extranjeros, estn volcando recursoshacia desarrollos en sistemas que actan como pequeos generadores de energa elctrica, conposibilidad de conectarse a un sistema interconectado o trabajar en generacin distribuida.

    En este contexto, el presente trabajo de ttulo pretende aportar en el desarrollo y en elmantenimiento de una central microhidrulica, con el objetivo de generar un sistema inteligenteque permita funcionar con la menor intervencin posible, y por consiguiente, reducir costos deoperacin. Para tales efectos, se contempla el desarrollo de un sistema de monitoreo de la condicinbasado en vibraciones para el turbo-generador, para advertir cuando un componente est pronto afallar.

    El mantenimiento basado en la condicin o mantenimiento predictivo, requiere el conocimientode las frecuencias caractersticas de fallas dada una condicin indeseada, tales como fallas enrodamientos, solturas en pernos, desbalance, roce, eje doblado, entre otras. Estas anomalas sondetectadas por anlisis de vibraciones en elementos rotativos o no rotativos; para el caso de estetrabajo de ttulo, los anlisis se realizan en elementos no rotativos bajo la norma ISO 10816. Lossensores utilizados son acelermetros piezoelctricos. La seal capturada por los sensores se guardaen un computador, donde es procesada mediante un algoritmo.

    La visualizacin de las frecuencias caractersticas se consigue mediante la utilizacin defiltros y tcnicas matemticas de discretizacin de la seal real. En este estudio fue consideradala transformada de Fourier, una de las herramientas ms usadas en el tratamiento de sealesperidicas. Sin embargo, para el caso de rodamientos, la tcnica de la envolvente es aplicada antesde la transformada de Fourier, de esta forma, por medio de la aplicacin de filtros se eliminanfrecuencias indeseadas y se obtienen los espectros que se utilizan para analizar vibraciones. Losespectros obtenidos se analizan mediante un sistema experto que constituye la ltima etapa delalgoritmo, donde se realiza el diagnstico en base al reconocimiento de patrones de frecuenciasy probabilidad de falla, luego se predice el tiempo para fallar mediante ajuste de tendencia y sereprograma la fecha de mantencin. El algoritmo se valida en un banco de pruebas, con un rotordonde se pueden producir distintas fallas.

    Por ltimo, en este trabajo de ttulo, se utiliza el algoritmo desarrollado y se analiza lacondicin del turbo-generador, diagnosticando un desbalance acentuado por una frecuencia naturalequivalente a su frecuencia de rotacin nominal, que dada la amplitud de las vibraciones,se recomienda el cese del funcionamiento de la central microhidrulica, segn la normaISO 10816 parte 1.

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  • A mis padres

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  • Agradecimientos

    Quisiera agradecer a todas las personas que han colaborado con la realizacin de este trabajo,de forma directa e indirecta.

    A los profes de Molina, Salgado, Don Bernardo, Don Oriel, Don Pedro, por ayudarme en laconstruccin de piezas y montaje del banco de pruebas, a Carlos por acompaarme en todos lostraslados de materiales. A Omar por su buena disposicin y voluntad.

    A mis profesores de la Comisin Rodrigo Palma, Eduardo Salamanca y especialmente a miprofe Viviana quien acept guiarme en el desarrollo de esta memoria.

    A Lorenzo, Jorge, Paulina, Kim, Bernardo del Centro de Energa, por su apoyo en lasmediciones en la central y por la invitacin a abordar este tema, que me va ser de mucha utilidaden mi desarrollo profesional.

    Agradezco a mis padres y mi hermana, por su constante apoyo en lo personal y acadmico, sinellos, difcilmente hubiese podido lograr lo alcanzado estos ltimos 4 aos ni poder sobrellevarlos aos anteriores. A mi Crispy, por todo el amor que me ha entregado, paciencia, apoyo ycomprensin, durante todos estos aos que hemos estado juntos.

    Finalmente, quisiera agradecer a todos mis familiares y hacer una mencin especial en recuerdode mi abuelito que descansa en el cielo.

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  • Tabla de contenido

    1. Introduccin 11.1. Motivacin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2. Antecedentes generales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.3. Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

    1.3.1. Objetivo general . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.3.2. Objetivos especficos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

    1.4. Alcances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.5. Metodologa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

    2. Antecedentes 52.1. Especificaciones tcnicas del turbo-generador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.2. Especificaciones tcnicas del banco de pruebas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.3. Normas ISO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.4. Mantenimiento predictivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.5. Modos de falla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

    2.5.1. Desbalance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.5.2. Eje doblado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.5.3. Soltura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.5.4. Roce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.5.5. Cavitacin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.5.6. Grieta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.5.7. Rodamientos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.5.8. Generador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.5.9. Diagnstico por probabilidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

    2.6. Procesamiento de seal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.6.1. Tcnica de la envolvente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.6.2. Transformada de Fourier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.6.3. Aliasing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.6.4. Leakage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172.6.5. Ventanas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182.6.6. Promedios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

    3. Desarrollo 203.1. Modos de falla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203.2. Montaje de sensores en el turbogenerador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213.3. Montaje del banco de prueba . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

    v

  • 3.3.1. Desbalance esttico y de par . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223.3.2. Soltura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223.3.3. Roce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233.3.4. Eje doblado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233.3.5. Grieta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243.3.6. Fallas en rodamientos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

    3.4. Algoritmo de monitoreo de condicin y diagnstico . . . . . . . . . . . . . . . . . 253.4.1. Frecuencia de muestreo y nmero de datos . . . . . . . . . . . . . . . . . 253.4.2. Lectura de datos y procesamiento de la seal . . . . . . . . . . . . . . . . 273.4.3. Grficos y reconocimiento de frecuencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283.4.4. Umbrales de evaluacin y deteccin de fallas . . . . . . . . . . . . . . . . 283.4.5. Diagnstico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293.4.6. Reconocimiento de patrn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293.4.7. Prediccin de falla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

    4. Resultados y anlisis 344.1. Resultados del turbo-generador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

    4.1.1. Rgimen permanente sin carga elctrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344.1.2. Rgimen permanente con carga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364.1.3. Rgimen permanente con desconexin de fase . . . . . . . . . . . . . . . . 374.1.4. Rgimen transiente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374.1.5. Anlisis modal experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

    5. Validacin de algoritmo 425.1. Desbalance esttico y de par . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 425.2. Soltura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435.3. Roce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435.4. Eje doblado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445.5. Grieta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 455.6. Falla en rodamientos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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