Estimad@s Clientes y/o amantes del LEAN:
Dentro de las herramientas clave de la Industria 4.0 se sitúan
las técnicas de TPM Predictivo
Hoy me gustaría hablar de tres vías de diagnóstico precoz
que se han convertido en reinas de las Metodologías de Mantenimiento
Preventivo/ Predictivo, debido a la enorme cantidad de ahorros que suponen, al
evitar costosísimas paradas :
-Saber
cómo va degenerando el aceite que engrasa dispositivos clave
-Detectar
sobrecalentamientos y todo tipo de defectos, vía Termografía
-Detectar
vibraciones anormales
Buscando por ahí por Internet, he aquí lo más significativo
que he encontrado sobre estos tres temas ( como siempre, no puedo dar detalles
de nuestros proyectos específicos, por razones obvias de confidencialidad
Detección estado aceite
Detección de sobrecalentamientos y todo tipo de
defectos, vía Termografía
Detección de vibraciones anormales
La transformada de Fourier como método de descubrir la causa
raíz de defectos en los sistemas rotativos:
1 Holguras en elementos rotativos
2. Desalineación en rodamientos y
cojinetes
Independientemente de que exista una buena alineación en el
acoplamiento, puede existir una desalineación entre el eje y el rodamiento. La
desalineación puede tener su origen en una distorsión en la máquina o en un
montaje inadecuado. Si una de las patas de la máquina no está en el mismo plano
que las otras o si la bancada no está plana, al apretar los pernos de anclaje
se generará una deformación y como consecuencia una desalineación. Otro ejemplo
de desalineación en rodamientos tiene lugar en ventiladores de gran tamaño
donde están montadas las cajeras de los rodamientos sobre la estructura
metálica del ventilador. Si la estructura metálica no tiene la rigidez
suficiente, se deformará bajo condiciones de carga y originará una
desalineación. Generalmente, la mayor deformación se suele producir en el
rodamiento próximo al rodete, originando una desalineación axial.
Los rodamientos de bolas o rodillos desalineados se caracterizan por presentar vibración axial independientemente del estado de equilibrado. La vibración puede aparecer a 1x, 2x, 3x RPM o al número de bolas o rodillos del rodamiento por la velocidad de giro.
La desalineación de cojinetes antifricción presentan vibración radial y axial, normalmente a 1x y 2x RPM de la velocidad de giro. La desalineación de cojinetes suele venir acompañada por desequilibrios del rotor, por lo que un equilibrado del rotor disminuirá la vibración radial y axial.
Los rodamientos de bolas o rodillos desalineados se caracterizan por presentar vibración axial independientemente del estado de equilibrado. La vibración puede aparecer a 1x, 2x, 3x RPM o al número de bolas o rodillos del rodamiento por la velocidad de giro.
La desalineación de cojinetes antifricción presentan vibración radial y axial, normalmente a 1x y 2x RPM de la velocidad de giro. La desalineación de cojinetes suele venir acompañada por desequilibrios del rotor, por lo que un equilibrado del rotor disminuirá la vibración radial y axial.
Síntomas:
- Fuerte vibración axial
en 1x RPM posiblemente con armónicos en 2x y 3x.
- El armónico 2x RPM en
dirección axial puede alcanzar un valor igual o incluso superior a 1x.
- Las lecturas de fase
axial en la parte inferior, izquierda, superior y derecha del rodamiento
aparecen desfasadas 90°.
Ver un post que dediqué a mi querida Transformada de
Fourier, base teórica de este tipo de análisis, al permitir pasar del dominio
de la acústica al de la frecuencia, mucho más útil para el diagnóstico que
buscamos:
Mensajes amables de fin de semana: una ecuación de casi
200 años, la transformada de Fourier, en la punta de lanza para resolver
problemas de última generación del Siglo XXI
1. Escuchas
música en 'streaming' gracias a esta fórmula matemática del siglo XIX
La transformada de Fourier, que data de 1822, hace posible
la música en 'streaming', la compresión de las imágenes en JPG e incluso se
emplea para ajustar la cancelación del ruido en los cascos.
La música en 'streaming' le debe mucho al hijo de un
sastre. Jean-Baptiste-Joseph Fourier, que fue revolucionario en la
Francia de 1789 y posteriormente acompañó como consejero científico a Napoleón
en su expedición a Egipto, creó en una fórmula matemática cuyo impacto está muy
presente en nuestros días.
En 1822 Fourier ya había vivido más
de medio siglo de vida intensa, incluyendo la orfandad a la edad
de diez años, el activismo revolucionario y la cárcel acompañada de un
vislumbre de la guillotina, además de expediciones científicas y puestos de
responsabilidad académica. Aquel año publicó ‘Théorie analytique de la chaleur’
y en este tratado se encuentra la llamada transformada de Fourier.
El texto explica los descubrimientos del científico en torno
a la forma en que el calor fluye dentro de los materiales y a su alrededor. La
conclusión más destacada es que las señales complejas pueden
representarse en una serie de señales más sencillas. Con ondas sinusoides,
esto quiere decir que se pueden sumar varias ondas regulares, que ascienden y
descienden de forma constante para formar una irregular más compleja.
La física del siglo XIX, aplicada a internet
La transformada de Fourier ha
sido útil en diferentes ámbitos científicos, tecnológicos y
en el campo de la ingeniería. En la era de internet también se ha aprovechado,
y se ha exprimido especialmente en el terreno de la música. La fórmula permite
distinguir, por ejemplo, entre tres sonidos que se producen a la vez, separando
cada onda que forma el resultado final.
Cuando se graba una canción en un estudio, todas las
frecuencias de la pista se conservan intactas en el disco. Sin embargo, una
canción así pesa demasiado como para transmitirse a través de la Red, y eso
haría que el 'streaming' fuera tan aparatoso que en cuanto la conexión
flaqueara mínimamente el sonido se cortaría. No hay problema, la transformada de
Fourier acude a echar una mano.
La compresión del formato MP3 está basada en esta función
matemática. Aplicándola a una canción descubrimos que algunos componentes de la
frecuencia son muy dominantes y otros apenas quedan registrados. Para comprimir
el archivo de música solo hay que extraer las ondas que no influyen de
forma relevante en el sonido final. Quitando estas y las frecuencias que el
oído humano no percibe o percibe muy livianamente se obtiene un archivo que
pesa diez veces menos que el original.
El resultado es que la calidad del sonido apenas se ve
malograda –dejando aparte a los melómanos de oído fino– y de esta forma los
archivos se pueden transmitir sin usar tanta banda ancha.
El formato que usa Spotify, Ogg Vorbis, se crea
a partir de una versión computacional de la transformada de Fourier.
1. Shazam, el milagro de descubrir el
título de la canción que está sonando
El funcionamiento de Shazam, la aplicación para
descubrir qué canción está sonando, también se sirve de esta fórmula para
comparar la onda extraída con su base de datos, facilitando así el proceso de
búsqueda.
2. La compresión de imágenes en JPG
De la misma forma que el formato
MP3 comprime los archivos musicales, las imágenes en JPG
son una compresión obtenida con la transformada de Fourier. En este caso los
píxeles, cuando apenas varían, se agrupan en una sola clase de píxel, con su
color, brillo y detalle. De esta forma, para un conjunto más o menos
homogéneo solo hay que guardar información de un solo píxel. De
nuevo, los sentidos humanos –en este caso la vista– no son capaces de apreciar
la diferencia.
De vuelta al sonido, la cancelación del ruido que
producen algunos auriculares o los programas de edición de audio también se
basa en esta fórmula matemática de casi 200 años: podemos evitar el
rugido de los coches o el resoplido del viento en una grabación gracias al
señor Fourier, quien por cierto fue el primero en explicar científicamente el
efecto invernadero. Pero eso es ya otra historia.
3. Las cardioecografías de la arteria
carótida
Los ultrasonidos de
alta frecuencia en la región de 7-12 MHz., se usan para obtener imágenes de
alta resolución de las arterias que se encuentran cerca de la superficie del
cuerpo, tales como la arteria carótida. Utilizando una velocidad del sonido
nominal en el tejido de 1540 m/s, puede obtenerse la longitud de onda del
sonido en el tejido, de una onda de 7 MHz, a partir de la relación de
onda v = fλ.
Usando el principio general de imagen, de que no se puede
ver nada más pequeño que la longitud de onda, tenemos entonces un límite de 0,2
mm de resolución.
Además de imágenes de
las paredes arteriales, las técnicas de ultrasonido haciendo uso del efecto
Doppler, pueden medir la velocidad del flujo sanguíneo. El
ultrasonido reflejado está desplazado en frecuencia de la frecuencia de la fuente,
y esa diferencia en la frecuencia, puede ser medida con precisión mediante la
detección de la frecuencia
de batido entre las ondas incidente y reflejada. La frecuencia
de batido es directamente proporcional a la velocidad del flujo, por lo que el
registro continuo de las frecuencias de batido de las diferentes partes de la
arteria, da una imagen del perfil de la velocidad del flujo sanguíneo en
función del tiempo.
Los bocetos anteriores son sólo conceptuales; no se ha
intentado escala de velocidades ni colores precisos. Pero se espera que ilustre
el uso de imágenes en falso color, para dar una visión instantánea de la
distribución de las velocidades presentes. La parte inferior de la ilustración
contiene un espectro de energía modulada por la intensidad, en el que la
frecuencia de batido y por lo tanto la velocidad de la sangre está en el eje
vertical. Tales espectros son producidos por el análisis de los ultrasonidos
reflejados, mediante un proceso matemático llamado una transformada rápida de
Fourier (FFT), en la cual se extrae la distribución de potencia reflejada como
función de la frecuencia. Esto se hace de manera repetitiva y los resultados se
representan gráficamente como una función del tiempo (eje horizontal). La
distancia vertical desde el eje indica la frecuencia de batido y por lo tanto
la velocidad del flujo. La cantidad relativa de potencia reflejada a un valor
dado de velocidad, se indica por el brillo de la pantalla en ese punto. Una
velocidad uniforme de flujo único daría una simple línea brillante, por lo que
la pantalla indica en cualquier momento, una gama considerable de velocidades
presentes en el flujo. Nótese que en el momento de los picos, esencialmente la
totalidad de la sangre tiene una velocidad bastante alta, puesto que la parte
del espectro cerca del eje horizontal es oscuro.
Imagen de la Carótida
Este ejemplo de una imagen clínica de la carótida se tomó
durante el período de relativa calma entre los picos. Nótese que el rojo
indica un flujo más lento que el azul, pero en la misma dirección, ya que el
flujo de la carótida no se invierte. Así que la implicación de rojo y azul no
es la misma que el desplazamiento
al rojo de la luz de las estrellas en astrofísica. Nótese el
fondo de escala de grises de la imagen que se forma a partir de los datos de
los intervalos pulso-eco.
Si se toma literalmente la imagen de arriba, podría sugerir
una velocidad de flujo bastante uniforme en toda la sección transversal de la
arteria. Pero esta no es la naturaleza del flujo
laminar esperado, en el que se suponía un perfil de
velocidad en el cual la línea central tendría la velocidad mas
alta y luego caería a cero conforme se acerca a las paredes. Supongo que el
rango rojo de la imagen a falso color está puesto para incluir un amplio rango
de velocidades bajas.
Una frecuencia de ultrasonidos superior como 12 MHz, da una
longitud de onda más corta y por lo tanto, mayor resolución, pero esa ventaja
es parcialmente cancelada por el hecho de que las mayores frecuencias son mas
atenuadas en el tejido. Así que se debe tomar una decisión sobre las ventajas
relativas de una penetración más profunda (baja frecuencia), versus una
resolución más alta (mayor frecuencia).
Las fuentes de ultrasonidos son generalmente obleas de
cerámica templada de un material tal como PZT,
que son excitados por la aplicación de un voltaje de corriente alterna a la
frecuencia de diseño. La tensión provoca vibración mecánica por el efecto
piezoeléctrico.
Los escáneres de ultrasonido pueden detectar la acumulación
de placas en las arterias. Además de la imagen directa del estrechamiento del
vaso, la información Doppler puede ser convertida en imágenes en falso color,
que puede perfilar la velocidad del flujo. El flujo en una región de
obstrucción, debe estar a una velocidad más alta para mantener el caudal de
flujo, y esa información de velocidad es la confirmación de un estrechamiento
del vaso.
Como siempre, he incluido estas reflexiones en mi blog
“Historias del LEAN”:
Que disfrutéis cada hora del fin de semana
Un cordial saludo
Alvaro Ballesteros
