Introducción
Las condiciones económicas y ambientales actuales, exigen un mayor grado de eficiencia en la generación distribuida con grupos electrógenos [1,2]. En este contexto, numerosos estudios se han centrado en la disponibilidad, monitorización y criticidad de los subsistemas que componen los grupos electrógenos [3-7]. La evaluación de los índices de consumo de aceite y combustible, su impacto ambiental [8, 9, 10], así como el diagnóstico de los fallos que ocurren en sus componentes [11,12] son temas de gran interés para la comunidad técnica que busca una explotación más eficiente de estos equipos.
Un problema típico en los emplazamientos de motores fuel-oíl es la ocurrencia de fallos en el sistema de refrigeración. El proceso de enfriamiento en los motores Hyundai 9H25/33 incluye una la etapa de refrigeración de alta temperatura y una etapa de refrigeración de baja temperatura [12]. En ambos casos, la extracción de calor resulta vital para conservar la viscosidad del aceite pues su disminución puede causar un aceleramiento en el desgaste por fricción de las piezas, como son los cilindros, culatas, pistones, cuerpos de las válvulas de escape, el colector de escape, los turbo-compresores, inyectores, así como las coronas de los pistones, en especial, en motores de alta potencia o caballaje [13]. Por otra parte, el incremento de la temperatura del aire de carga por la salida de servicio de los electro-ventiladores utilizados para la refrigeración del agua de baja temperatura del motor origina un proceso deficiente de mezcla aire-combustible que se evidencia en el estado de inyección y la potencia por cilindro, aumentando el consumo de combustible con respecto a la media del motor.
En este artículo se propone, un banco de ensayo para simular condiciones reales de carga axial y radial, a fin de generar patrones de vibración mediante los cuales caracterizar los fallos que ocurren en los rodamientos empleados por los electro-ventiladores del sistema de refrigeración de los motores Hyundai (2,5 MW) y así satisfacer las condiciones anteriores. El banco de ensayo propuesto y losanálisis aquí desarrollados son la principal contribución de este trabajo, y resultan de interés para la gerencia del emplazamiento de generación distribuida (GD) donde se desarrolla la investigación puesto que no existe ningún estudio previo que analice los fallos de los electro-ventiladores en el sistema refrigeración del agua de baja temperatura del motor. Para el análisis de las vibraciones y caracterización de los fallos, en el presente trabajo se empleó el Método de Impulso de Choque y se consideró la velocidad angular, temperatura de los rodamientos y tiempo de explotación bajo condiciones reales. A partir del banco de ensayos diseñado se determinó la existencia de desajustes entre los rodamientos 6005zz y el alojamiento de los mismos. Además, se confirmó la relación de este fenómeno con el incremento de los valores de vibración, y temperatura una vez que se pierde la lubricación en el rodamiento, así con la disminución de los valores de velocidad angular hasta el momento en que el rodamiento y electro-ventilador quedaban fuera de servicio. Como parte de la solución propuesta a este problema, se recomendó la sustitución de los rodamientos rígidos de bolas 6005zz por los rodamientos de rodillos cónicos 32005x.
Métodos y Materiales
El presente estudio se desarrolla en un emplazamiento de generación distribuida (GD) donde existen 24 motores Hyundai 9H25/33 y 672 electro-ventiladores. En este emplazamiento, como promedio, unos siete motores quedan anualmente fuera de servicio a causa de las unidades de ventilación, fundamentalmente debido a problemas en sus rodamientos. El análisis integral de estos electro-ventiladores requiere considerar la velocidad angular y temperatura de sus rodamientos, así como su régimen de trabajo bajo condiciones reales.
Seguidamente se describen las condiciones y características del banco de ensayos diseñado. Se describe, además, la instrumentación empleada y las variables de interés para la aplicación. Por último, se resume el Método de Impulso de Choque empleado para detectar fallos que están asociados a problemas en la instalación del rodamiento y a una lubricación insuficiente.
Condiciones de explotación y características del banco de ensayos
El proceso de refrigeración en los motores Hyundai 2,5 MW considera cuatro unidades de ventilación para la refrigeración del sistema de alta temperatura y otras 24 unidades de ventilación para la refrigeración del agua de baja temperatura que se encuentran distribuidas como muestra la figura 1. Todas las unidades de ventilación se encuentran protegidas por una estructura metálica que impide la medición directa de vibraciones. En consecuencia, se dificulta determinar el estado real de los rodamientos, y obtener patrones de fallos que permitan hacer el diagnóstico de los mismos de manera adecuada.
Como solución a este problema se diseñó el banco de ensayos mostrado en la figura 2 el cual permite simular los valores de carga real a los que se encuentran sometidos los rodamientos 6005zz.Está formado por una estructura que aísla cada uno de los elementos mecánicos de la superficie de contacto, con tal de evitar las resonancias y vibraciones externas. La estructura del banco es lo suficientemente pesada como para evitar que la misma se desplace por el efecto de las vibraciones. Las piezas son fijadas a la estructura mediante pernos a fin de que sea posible modificarla.
Tal como se muestra en la figura 2(a), entre los elementos fundamentales del banco se incluye un motor eléctrico con regulador de velocidad, varios puntos de apoyo, y un pedestal con transductor. Los análisis de vibraciones realizados con el banco de ensayo fueron dirigidos a detectar los siguientes problemas: desalineación, desequilibrio y falta de fijación. El motor eléctrico de corriente alterna (240 V - 60 Hz) empleado alcanza un valor de hasta 1550 rpm para generar el movimiento rotatorio a los elementos mecánicos del banco. Tal como se muestra en la figura 2(b), la fijación del transductor al banco de ensayos se realizó mediante imán, por lo que el material de la zona a colocar el transductor se construyó de material ferromagnético. Las mediciones se realizaron tanto en el plano axial como en el plano radial al eje. Para simular los valores de carga real en el banco de ensayo se necesitó calcular la fuerza del aire (
donde se considera que la velocidad inicial del aire (
El valor
donde la potencia del ventilador es
A fin de lograr estos valores de carga radial y axial durante los experimentos, se aplica un torque en la chumacera y en el eje interno del banco de ensayos, figura 3. El ajuste de este torque se calibra utilizando celdas de carga de medición radial y axial. Una vez calculada la fuerza circunferencial y determinadas las reacciones de apoyo, se determinó que los valores de torque deben ser de 20 N-m y 160 N-m, respectivamente
La figura 3 muestra tres vistas del dispositivo diseñado como parte del banco de ensayos para generar los valores reales de carga axial y radial que presenta el rodamiento durante su explotación.
Variables de interés e instrumentación empleada
La temperatura y el número de revoluciones son variables críticas para el diagnóstico de los fallos que pueden ocurrir en los electro-ventiladores del sistema de refrigeración de los motores Hyundai (2,5 MW), pues caracterizan la condición real de los rodamientos. La operación normal de un rodamiento se establece a partir de los valores nominales proporcionados por el fabricante [15]. En este caso, la temperatura debe ser inferior a 110 ºC, para rodamientos con diámetros exterior hasta 240 mm. En tanto, para los valores de velocidad angular se toma como patrón el valor de 1100 rpm.
Para el estudio de los fallos de los electro-ventiladores se realizó la medición de temperatura y velocidad angular durante un periodo de 14 meses (junio-septiembre), a fin de tener mediciones en cada una de las estaciones del año, pero fundamentalmente de los meses de verano. Un total de 15 mediciones bajo condiciones reales de explotación fueron realizada mensualmente. En el caso de la temperatura, las mediciones se realizaron mediante una pistola termo-gráfica tipo IR-364, con termómetro de rango -50 ºC a 900 ºC. Para la medición de los valores de velocidad angular se empleó un Estroboscopio (SMS 300B, precisión 0,01 %). Como instrumentación en el banco de ensayos diseñados se empleó el colector de datos VIBROTIP (ISO 10816), con sensor piezo-eléctrico con rango de frecuencias de 10 Hz a 1 KHz, y rango de medición 0-50 mm/s / 0-2 in/s RMS. El uso de este sensor puede verificarse en la figura 2(a).
Análisis de las señales de vibración adquiridas
Numerosos son los enfoques de diagnóstico de fallos que en la actualidad emplean las señales de vibración para determinar la condición de un rodamiento [16,17]. Entre ellos, el presente trabajo empleó el Método de Impulso de Choque. Esta es una técnica que utiliza el valor máximo de impulso de choque (dBn) para indicar la intensidad de choque en la conducta rotativa del rodamiento y así detectar daños iníciales en la rodadura [17, 18]. Los impulsos de choque se generan en la superficie de contacto entre el elemento de rodadura y el anillo de rodadura del rodamiento. Dicha superficie origina variaciones en la presión de la película de aceite, que separa las superficies móviles, así como también las colisiones entre las crestas de las superficies. Estos factores dan lugar a impulsos de choque que se extienden a través del rodamiento, la envuelta del rodamiento y cualquier pieza de máquina que esté adyacente. En estos casos, el ‘nivel valle’ de impulsos de choque indica el nivel de ruido base del rodamiento, el cual se incrementa debido a problemas de lubricación, desgaste general de rodadura, juego insuficiente del rodamiento o daños progresivos por instalación inapropiada. Los valores cresta entre 0 dBn y 20 dBn corresponden a un estado de funcionamiento normal. Los impulsos de choque con valores superiores, junto con un valor valle relativamente bajo, indican que el rodamiento está dañado o que existen partículas extrañas en el lubricante. En tanto, elevados valores de valle junto a valores cresta ligeramente superior, indican problemas en la instalación del rodamiento y una lubricación insuficiente.
Resultados y Discusión
Medición de vibraciones a partir del banco de ensayos diseñado
Para realizar las mediciones de este trabajo se tomaron en consideración el estado del rodamiento y el número de revoluciones que presentaba en el momento en el cual se sustituyó. Para las mediciones se utilizaron un total de ocho rodamientos diferentes, un rodamiento 6005zz nuevo, cuatro rodamientos con un total de 4000 horas de operación continuas y tres rodamientos con 6000 h de operación. Las mediciones se realizaron en un intervalo de tres horas utilizando el banco de ensayos diseñado. Una muestra del estado de los valores valle y cresta resultante del experimento se representa en la figura 4.
Los resultados mostrados en la figura 4 revelan el deterioro creciente del rodamiento hasta llegar a la completa inutilización a las 6000 horas de operación. En la figura 4a) se analiza la operación de un rodamiento totalmente nuevo. En este caso los valores de valle y cresta obtenidos se encuentran por debajo de los 20 dBn, lo cual indica que no existen problemas de lubricación, ni presencia de daños en alguno de sus elementos. Para rodamientos con 4000 horas de explotación, la figura 4b) muestra una tendencia hacia un estado de operación crítico. En este caso se observan valores valle entre 9 y 12 dBn, lo cual evidencia que los problemas de lubricación comienzan a traer consecuencias. Este mismo fenómeno se comprueba para valores de cresta que varían entre 11 y 24 dBn, punto en el cual es inminente la necesidad de engrasar el rodamiento y volver a realizar las mediciones, y en caso tal de que las misma mantengan su valor, debe sustituirse. Para rodamientos con 6000 horas de explotación se obtuvieron valores de valle entre los 12 dBn y 18 dBn. Por otra parte, a las 6000 horas de explotación los valores de cresta se encuentran entre 45 dBn y 54 dBn lo cual indica debe realizarse la sustitución del rodamiento por el estado tan desfavorable que presentan los elementos que lo componen.
En tanto, la figura 5 muestra como el aumento de los valores de temperatura debido al deterioro en la lubricación del rodamiento produce una disminución de la velocidad angular en el motor. Este deterioro se confirma para valores límites de valle y cresta que sobrepasa los permitidos.
Chequeo y sustitución de rodamientos
Dado que los principales esfuerzos a los cuales están sometidos los electro-ventiladores se originan por la existencia de cargas axiales y no radiales, el uso de los rodamientos 6005zz de bolas resulta inadecuado Considerando los resultados anteriores, y teniendo en cuenta el elevado número de unidades de ventilación fuera de servicio por la operación de rodamientos 6005zz, se propuso su sustitución por rodamientos 32005x de rodillos cónicos. A continuación, se presenta una comparación de la capacidad de carga dinámica
Los ensayos realizados muestran que con la disminución de la carga
Por otra parte, la capacidad de carga dinámica sin la aparición de la fatiga por cariado, para una duración de un millón de ciclos es:
Mientras el tiempo de vida útil del rodamiento, viene dado por:
Donde
Rodamiento 6005zz | Rodamiento 32005x | ||
---|---|---|---|
Carga dinámica máxima por Catálogo | 8 800 N | Carga dinámica máxima por Catálogo | 23 500 N |
Carga dinámica real | 12 831,7 N | Carga dinámica real | 15 027,8 N |
Se recomienda adicionar al banco de ensayos un módulo para generar y medir las condiciones reales de temperatura a las que se encuentra expuesto el rodamiento; esta es una limitación del banco.
Conclusiones
Mediante los experimentos realizados, se determinó la existencia de desajustes entre los rodamientos 6005zz y el alojamiento de los mismos. Además, se confirmó la relación de este fenómeno con el incremento de los valores de vibración y la pérdida de lubricación en el rodamiento hasta el momento en que el rodamiento y electro-ventilador quedaban fuera de servicio. Los resultados obtenidos mostraron que los rodamientos 6005zz no son adecuados para este tipo de electro-ventilador dada la carga axial a la cual está expuesto el mismo, recomendándose su sustitución por los rodamientos de rodillos cónicos 32005x.