Caracterización de variables operacionales según RAM

| 27 junio 2017 | Respuesta

RESUMEN

El uso de las herramientas de análisis de ingeniería de confiabilidad se pueden expandir a más tipos de análisis.  Así como en Análisis RAM la meta es entender matemáticamente el comportamiento de las tasas de fallas, las tasas de paradas y las tasas de reparaciones, la base principal es lograr entender con esa misma metodología el comportamiento de otras variables. En éste caso, analizando el comportamiento operacional de los motores Diesel utilizados en el transporte masivo de Bogotá (Transmilenio) usando bio-combustible.

Se fundamenta en en entendimiento de las variables operacionales básicas como lo son la temperatura y las vibraciones durante operación regular y en determinar un comportamiento según la ingeniería de confiabilidad.

Consiste en analizar el comportamiento de un tipo de biocombustible específico: B20, ACPM con 20% de alcohol a base de aceite vegetal usado.  Se efectuaron cuatro sesiones de pruebas en el patio del Portal Norte para Transmilenio Bogotá a veintisiete buses. Como primera medida, se efectuaron pruebas de condiciones operacionales determinando las temperaturas normales de operación con una  Pistola Infrarroja en puntos críticos de operación (Culata y Bloque). Adicionalmente, se efectuaron pruebas de Análisis de Vibraciones en los mismos puntos. Como primer paso se caracterizó el comportamiento de Gases (CO2, CO, Hidrocarburos, S2, O2), teniendo en cuenta el kilometraje de cada vehículo. Se analizó adicionalmente el rendimiento de los vehículos caracterizándolos por su tipo de recorrido o ruta.  El protocolo de toma de datos fue unificado para la toma de cada una de las pruebas; con el fin de garantizar una comparación con criterio investigador de tipo exploratorio.  Los resultados obtenidos no fueron diferentes a los estimados desde un principio, ya que estudios anteriores efectuados por otras entidades mostraron resultados similares en otros países como  Brasil. Lo que no se esperaba encontrar con un significativo resultado, es el comportamiento de los resultados en cuanto a Análisis de Vibraciones, ya que se obtuvo una importante diferencia de vibraciones en puntos relevantes de operación (Bloque y Culata). Esta variación fue significativa para buses de corto kilometraje; aunque en vehículos de alto kilometraje tiene el mismo comportamiento pero menos marcado.  Esto significa que la variación de la Vida Útil de los motores debe variar de alguna forma con el uso de estos combustibles. Este trabajo intenta mostrar estos resultados, partiendo del Análisis de Gases.

ABSTRACT

 At the beginning of this Project, the principal idea consisted of analyzing the behavior of a type of a specific biofuel: B20, ACPM with 20% of alcohol based on vegetable worn oil. Four tests were effected in the court of the North Portal Transmilenio to twenty-seven buses. As a first measure, tests to determine the normal operation temperatures were effected with a Infrared pistol in critical operational points (Breech and Block); additionally Vibrations Analysis were also done in the same critical points. The first step was to characterize the behavior of different gases (CO2, CO, Hydrocarbons, S2, O2), bearing in mind the distance in kilometers of every vehicle. The performance of the vehicles was analyzed characterizing it for their type of route or service. The information capture protocol was unified for the capture of each one of the tests; in order to guarantee a comparison with criterion investigative of exploratory type. The obtained results were not different from the estimated ones from a beginning, since previous studies effected by other entities showed similar results in other countries as it is Brazil. What was not expecting to find as a significant result, is the behavior of the results for Analysis of Vibrations, since an important difference of vibrations was obtained in relevant points of operation (Breech and Block).  This variation was significant for buses of short distance in kilometers; though in vehicles of high distance in kilometers has the same behavior but less marked. This means that the variation of the Useful Life of the engines must change some way with the use of these fuels. This work tries to show these results, departing from the Gas Analysis.

Palabras Clave: Análisis de Gases (Gases Analysis), Analisis de Vibraciones (Vibrations Analysis), Biocombustibles (Biofuels), Medio Ambiente (Environment), Motores Diesel (Diesel Engines), Vida Útil (Useful Life).

 

INTRODUCCIÓN

Es indiscutible la necesidad existente en pensar en el cambio de combustibles en vehículos que operen con combustible fósil convencional.  La mirada está fijada principalmente en los vehículos de transporte masivo, ya que son éstos los que transportan la mayor cantidad de personas; y representan la mejor y más cercana solución en ciudades complejas. Transmilenio es la empresa insignia de la Alcaldía Mayor de Bogotá, proyecto que ha venido creciendo de manera importante; y a la vez se han concentrado esfuerzos financieros, sociales y de infraestructura en la ciudad de Bogotá. Transmilenio está conformado por varias empresas, las cuales son accionistas de una flota de vehículos que cumplen con ciertos requisitos para operar en Bogotá.  Ciudad Móvil, empresa que posee aproximadamente ciento cuarenta vehículos, y siguen adquiriendo más vehículos, opera como Portal del Norte clasificado e identificado con la letra AXXX en cada vehículo. Esta empresa ha efectuado estudios de biocombustibles y desarrollado pruebas y plantas prototipo, y está interesada en proponer una solución concreta respecto al uso de combustibles, más amigables con la ciudad. Por tal motivo, ha promovido estudios relacionados con este tema.

Materiales y métodos

Para iniciar el proyecto, el primer paso fue desarrollar pruebas preliminares en las instalaciones de la Universidad Libre, con motores Diesel, con el fin de tener en cuenta el diseño del protocolo de toma de datos. La segunda medida, fue efectuar la capacitación de manejo y operación de los equipos de medición a los integrantes del grupo de investigación.

  • Equipo de análisis de gases TESTO XL350
  • Equipo de análisis de vibraciones PRUFTECHNIK VibScanner
  • Pistola infrarroja FLIR I7

Figura 1: TESTO XL 350, VibScanner PRUFTECHNIK

Estos equipos que se utilizaron durante las pruebas iniciales, fueron los mismos equipos que se implementaron para el desarrollo del proyecto. Estos se utilizaron durante todas las tomas de datos que se realizaron en los buses articulados dispuestos por Ciudad Móvil S.A. Estos equipos de medición son calibrados y certificados una vez al año, por la empresa representante en Colombia.

El protocolo fue avalado por el grupo de investigación, después de haber analizado y procesado los primeros datos (primera toma en Ciudad Móvil). Se efectuaron tres tomas de datos más; debido a que se requiere validar la toma de datos por cantidad de datos, ya que la varianza de datos de las dos primeras pruebas generaba incertidumbre de los resultados. Por tal motivo, se programaron dos tomas de datos más, para validar y justificar los resultados obtenidos.

Puntos de Medición

De acuerdo al estudio del estado del arte en el tema, las consideraciones de condiciones de toma de datos para gases fueron tomadas en cuenta. Con el fin de determinar la temperatura más adecuada para análisis de gases (Temperatura de operación), a cada vehículo se le efectuaron cuatro tomas con ACPM regular y cuatro tomas con Biocombustible B20. Para la toma de datos de Vibraciones, se determinaron los puntos más vulnerables y relevantes en Vibraciones que son: Culata (Tres Puntos) y Bloque (Cuatro Puntos). Cada vez que se efectuaba la toma de datos de gases, se efectuaba al mismo tiempo la toma de datos de Vibraciones.

 

Figura 2: Modelo de Motor objeto de análisis, Volvo DH10A.

El protocolo fue cambiado en las pruebas iniciales en la Universidad Libre, y como era de esperar, se cambiaron en el momento de toma de datos en la primera prueba en Ciudad Móvil Portal Norte. Después de ese momento, se siguió el protocolo sin modificaciones hasta terminar todas las mediciones.

Primera Toma de datos

La primera prueba consistió en determinar  las características generales del motor de un móvil seleccionado aleatoriamente y hacerle un seguimiento detallado a las variables de temperatura hasta que éste llegara a sus condiciones de operación normal. El motor Volvo DH10A presenta las siguientes características:

 Características comunes: La serie DH10A está basada en el motor anterior, TH104 anterior.

  • Características: Estructura horizontal, alimentación de turbocompresor y volumen cilíndrico de 9.6 litros, enfriador de aire de admisión en un circuito, separado del sistema de refrigeración ordinario. Sistema de lubricación con dos filtros de todo paso y refrigeración de pistón por medio de inyección de aceite debajo de los pistones. La parte superior de los pistones está basada en el modelo re – entry es decir, el modelo con el que se consigue una rotación de aire más favorable y por tanto una combustión más completa. El sistema de inyección es de control electrónico (EDC).

Figura 3: Estabilización de Temperatura

Pruebas aleatorias de Vibraciones

Se determinaron las temperaturas de trabajo normal con el vehículo operando a velocidad ralentí. De cada uno de los puntos seleccionados a analizarse, todos los puntos de muestra se localizaron a lo largo de la bancada del motor, en donde se seleccionaron cuatro, y las tres primeras culatas. Se realizaron las mediciones de vibraciones desde el primer momento en que el vehículo arrancó a operar con los tiempos de medición de temperatura; es decir, por cada dato de temperatura hay una medición de vibraciones para cada punto. Con esto se pudo ver como las vibraciones se iban normalizando a medida que el motor se iba calentando (Figura 3).

Figura 4: Variación de vibraciones por uso de B20.

Toma de Datos

Para la segunda prueba se seleccionó un grupo patrón de 8 vehículos con las mejores condiciones de ajuste de toda la flota. Se realizaron los análisis de gases y vibraciones basándonos en los datos obtenidos en la prueba No. 1, con la que pudimos determinar las condiciones operacionales normales del motor. Una vez con estos datos se procedió a realizar las pruebas para estos buses.

En esta prueba se realizó todo el procedimiento de la primera prueba, es decir, la toma de datos para el análisis de vibraciones se desarrolló de la misma forma que en la primera, realizando los ajustes de acuerdo a la corrección que se hizo al protocolo. Además, se comenzó con la medición y análisis de gases de emisión de los vehículos operando con ACPM. Con la implementación de los protocolos realizados en la primera prueba, resultó mucho más simple la toma de los datos y el registro de los mismos.

Descripción general del procedimiento, tercera prueba.

Para el desarrollo de la tercera prueba, primeramente se inspeccionaron los equipos, para comprobar que estuvieran calibrados y en normal funcionamiento para realizar las pruebas.Una vez comprobado esto, se inspeccionaron los buses a usar en la prueba y se verificó que se encontraban en sus parámetros de funcionamiento normales. Se tuvo en cuenta la temperatura de operación después de revisar e inspeccionar los equipos de medición y los buses. Se realizó una previa limpieza de los puntos del motor en donde se llevan a cabo la toma de datos y se procedió a realizar la misma. Este procedimiento se realizó para medir las vibraciones y temperatura en los puntos sobre el motor. Para la toma de datos de los gases se esperó a que el motor estuviera en la temperatura de operación normal.

Esta tercera prueba se realizó primero con ACPM y después con Biodiesel. Para esto, fue necesario realizar un procedimiento que consistió en realizar la mezcla de ACPM con Biodiesel , para lo que se tomó un tanque de 5 galones, en el cual primero se colocaron 4 galones de ACPM y 1 de Biodiesel para de esta forma obtener una mezcla B20, es decir 20% del biocombustible y 80% de ACPM. Además se realizó un cambio en el sistema de abastecimiento del combustible, en el cual se desconectaron los inyectores del tanque del bus para conectarlos a un contenedor con los 5 galones de la mezcla de Biodiesel.

 Tabla 1: Comportamiento de análisis de gases de uno de los vehículos.

 

# de bus Kilometraje Velocidad ralenti (rpm) H2 O2 CO CO2
A092 695134 550 37 21.1 28 0.03
A092 695134 550 29 20.98 36 0.02
A092 695134 550 22 21.01 32 0.06
A092 695134 550 22 20.93 48 0.04
A092 695134 550 30 20.97 44 0.04
A092 695134 550 31 20.98 34 0.03
A092 695134 550 28 21.01 35 0.04
A092 695134 550 26 20.95 32 0.06

La información registrada de acuerdo con la configuración del equipo efectuada desde un principio, arroja la media de toma de análisis, por lapso de tres minutos por toma. El procedimiento fue efectuado de la misma manera para todos los vehículos, con y sin uso de Biocombustible.

En la prueba, se utilizaron los equipos de medición de gases, el analizador de vibraciones, y la pistola infrarroja, además de tanques de almacenamiento para el Biodiesel,  especializados de Ciudad Móvil, y de operarios de los buses articulados y los buses operadores de Transmilenio A004 y A092. El analizador de vibraciones, el cual funciona colocando un palpador en el punto marcado para luego esperar 10 segundos a que éste guarde la información en la memoria del analizador de vibraciones, se utilizó en cada una de las tomas de datos de gases, en las cuales del analizador de gases  introduce una sonda por el escape del bus y el analizador indica los datos de los gases importantes para esta investigación.

Descripción general del procedimiento cuarta prueba.

La cuarta prueba y toma de datos se programó debido a que los resultados obtenidos del análisis de gases que se había realizado en la anterior prueba, (implementándose Biodiesel al 20% ),no fueron muy acordes a lo que se esperaba de acuerdo a resultados de otras pruebas realizadas en diferentes empresas, por lo que, para obtener unos datos más concluyentes, se decidió realizar de nuevo. Se seleccionaron los buses No. A013 Y A093, siendo el A013 el bus al cual se le realizaron las pruebas con el biocombustible. Las pruebas que se realizaron a este bus fueron las de análisis de gases y de vibraciones, tanto con ACPM como con la mezcla de Biodiesel seleccionada.

Se tuvo la colaboración de uno de los técnicos de Ciudad Móvil S.A. para hacer todo el procedimiento de cambio, tanto de la entrada como de la salida de combustible a los inyectores al galón de biocombustible usado para el desarrollo de la prueba. No se presentaron inconvenientes técnicos durante la operación.

Resultados

Con el objetivo de validar los datos, se hizo uso de un Software específico para fines educativos, especializado en el procesamiento de datos basado en Ingeniería de Confiabilidad. El análisis de los datos fue de tipo estadístico, teniendo en cuenta la varianza y cantidad de datos.

El resultado obtenido por este estudio no se aleja en ningún momento, en cuanto al análisis de gases, de lo esperado. Fueron respuestas esperadas según resultados de gases, con la existencia de  una baja de CO2 e Hidrocarburos.

Tabla 2: Resultados del análisis de gases de los vehículos bi-articulados.

 

COMBUSTIBLE # de bus H2 ppm O2  % CO ppm CO2 %
Biocombustible A013 18 21.02 19 0.14
A013 13 20.99 19 0.08
A013 23 21.13 28 0.14
A013 15 21.14 1 0.03
A013 16 21.02 50 0.06
A013 17 21.02 25 0.04
A013 22 21.1 11 0.05
promedio  17.7142857 21.06 21.8571429 0.07714286
ACPM # de bus H2 ppm O2  % CO ppm CO2 %
A093 29 21.18 13 0.11
A093 19 21.02 42 0.29
A093 18 20.86 28 0.14
A093 25 21.08 26 0.08
A093 31 21.03 46 0.29
   promedio 24.4 21.034 31 0.182

      La reducción de contaminantes es realmente visible, ya que reduce en un 35% la contaminación por Hidrógeno, CO2 y disminuye el consumo de Oxigeno en un 2%.   Es decir, es un resultado realmente esperado, pero sin saber a ciencia cierta en qué medida era de esperarse.

La sorpresa inesperada es el resultado del comportamiento de vibraciones, ya que se encontró una variación importante en Vibraciones (Disminución de Vibraciones) en Bloque y Culata.

 

Figura 5: Variación de Vibraciones en Culata

El comportamiento encontrado en todos los puntos de medición de vibraciones, se manifestó en todos los puntos de la misma manera, teniendo una reducción importante de 22% hasta el 54%.

El consumo de combustible de los vehículos fue determinado por medio de pruebas de ruta, obteniendo el siguiente resultado:

 

Figura 6: Variación de consumos de combustibles según la ruta de vehículos.

El consumo de vehículos por ACPM es igual a: 6.28 Km/gal, el consumo de vehículos por BIO B20 es igual a: 6.19 Km/gal. Se eleva el consumo (baja de rendimiento en poco grado). Desafortunadamente, no fue posible medir la potencia de los motores, ya que para ésta medición se requiere un dinamómetro.

 

Éste estudio fue realizado con la ayudad de la universidad Santo Tomas de Aquino de Bogotá en el año 2009 con los entonces estudiantes de Ingeniería Mecánica: Mauricio Ortíz, Gustavo Arce y Albertto Mora, bajo la dirección de Ing. Iván Darío Gómez.

Discusión

Si es posible poder utilizar las herramientas y metodologías de ingeniería de confiabilidad para lograr hacer un análisis de cualquier variable (en éste caso operacional), con fin de caracterizar el comportamiento de operación de un activo. Lo que se busca en ésta propuesta es,  así como en la confiabilidad, entender por medio de la estadística el comportamiento de la degradación de un activo por medio de las fallas e intervenciones. Es posible entender el comportamiento de variables operacionales tales como la temperatura y vibración con el fin de caracterizar su estándar de función.

Se encontró una variación importante, en cuanto al comportamiento de las vibraciones en puntos críticos, de principalmente rotacionales. Su disminución se vio en una medida importante, y es evidente que esto impacta de manera significativa en la variación de la vida útil de los motores. Esto sería un motivo de investigación realizando éste mismo análisis en diferentes ciclos de vida útil de los equipos analizados.

La caracterización de las variables operacionales para análisis de vida útil, de operación, seguridad y hasta  de costos es viable aplicar éste tipo de metodología.

En el análisis RAM es totalmente posible asimilar las distribuciones al comportamiento de una variable operacional con el fin de delinear o modelar un comportamiento.

REFERENCIAS

[1] Ecopetrol, Artículo Perspectivas del escenario petrolero en América Latina 2009, 2009.

[2] Petróleo Brasilero s.a. – Petrobras, Publicación biocombustibles 50 preguntas y respuestas sobre este nuevo mercado, 2008.

[3] Federación Nacional de Biocombustibles de Colombia, Presente y futuro de los biocombustibles en Colombia, 2007.

[4] Fedepalma, “Visión y Estrategias de la Palmicultura Colombiana: 2000-2020”: 2007.

[5] ECOPETROL – ICP y CENIPALMA, Informe proyecto Evaluación de mezclas de biodiesel de palma como combustible diesel,Colombia, 2006.

[6] Ministerio de Minas y Energía, Desarrollo y Consolidación del Mercado de Biocombustibles en Colombia, 2007.

[7] Agudelo, J. et al. Pruebas cortas en ruta en un vehículo tipo microbús con biodiesel de palma colombiano. Scientia et Technica Año X, No 24, Mayo 2004.

 

Categoría: Artículo técnico

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