Post on 22-Jul-2022
Técnicas de análisis de aceite
CAPITULO IV: TÉCNICAS DE ANÁLISIS DE ACEITE
4.1.- INTRODUCCiÓN
59
El lubricante es un elemento de vital importancia en la maquinaria que por muchos
es conocido como "la sangre de la máquina" puesto que cumple importantes
funciones sobre todo el equipo lubricado. Para la aplicación del presente trabajo el
lubricante es además una fuente de información ya que en el cumplimiento de sus
funciones transporta y contiene información sobre las más importantes causas de
falla de la maquinaria [15].
En la actualidad se dispone de muy buenas herramientas de seguimiento para
predecir con exactitud el estado de desgaste de las máquinas así como la
degradación del lubricante (aceite), de tal manera que se le deje en servicio ó se le
deseche de acuerdo a su estado real.
En motores diesel, una de las herramientas más importantes para predecir fallas la
constituye el análisis de aceite, puesto que el lubricante cumpliendo con una de
sus funciones es el medio de evacuación de todas las impurezas que se producen
y se forman en él. El análisis de aceite usado consiste en tomar muestras cada
cierto período de tiempo de funcionamiento del motor, generalmente coincidiendo
con el de cambio de aceite, para posteriormente evaluarlas con la finalidad de
determinar tanto el estado del motor como el del lubricante.
El estado del motor se detecta estableciendo principalmente el grado de
contaminación del aceite debido a la presencia de partículas de desgaste o
sustancias ajenas a éste. El estado del aceite se detecta determinando la
degradación que ha sufrido, es decir, la pérdida de la capacidad de lubricar
causada por una variación de sus propiedades físicas y químicas y de las de sus
aditivos. En la Tabla 4.1 se muestra la clasificación de las técnicas de análisis de
aceite empleadas para esta doble finalidad.
En el presente trabajo solo se abordarán las técnicas para identificar y cuantificar
el desgaste del motor y se mostrarán algunos métodos actuales para el
seguimiento del desgaste en motores diesel.
Diagnóstico del desgaste de motores diesel
Tabla 4.1.- Clasificación de las técnicas de análisis de aceite.
60
TECNICAS PARA IDENTIFICAR Y CUANTIFICAR EL DESGASTE DEL MOTOR
Espectrometría: De absorción atómica
De emisión atómica
De fluorescencia.
Ferrografía: Analítica
De lectura directa.
Recuento de partículas
Microscopía: Por televisión
Por televisión con barrido
Electrónica de barrido
Microanálisis de rayos X
TECNICAS PARA IDENTIFICAR Y CUANTIFICAR EL ESTADO DEL ACEITE
CONTAMINACION DEL ACEITE
Dilución con combustible
Dilución con agua
Contenido de materias carbonosas
Espectrometría infrarroja.
DEGRADACiÓN DEL ACEITE
Viscosidad
Basicidad
Detergencia / Dispersividad
Mancha de aceite
Constante dieléctrica
Espectrometría infrarroja.
TECNICAS MODERNAS PARA EL ANALlSIS DEL ACEITE Y DEL DESGASTE
Endoscopía
Análisis fractal.
4.2 ANÁLISIS PARA IDENTIFICAR Y CUANTIFICAR EL DESGASTE DEL
MOTOR
Se han desarrollado diversos métodos y técnicas de análisis del aceite para fines
de diagnóstico y predicción de averías en motores, de los cuales se consideran los
de más amplia aplicación como son los siguientes:
Técnicas de análisis de aceite
• Espectrometría
• Ferrografía
• Técnicas complementarias: Recuento de partículas
Colectores magnéticos
Microscopía
Microanálisis con rayos X.
4.2.1 Espectrometña
61
Es el método más ampliamente usado en la actualidad para el análisis cuantitativo
elemental de las partículas de desgaste presentes en el lubricante.
Esta técnica de medición se basa en las transiciones electrónicas entre capas
internas del átomo de cualquier elemento, que luego de ser excitado produce un
espectro electromagnético característico cuya apariencia sirve para identificarlo.
Según la Ley de Planck: cuando un electrón energético procedente de una
columna de electrones expulsa a un electrón de una capa de baja energía (E1),
otro electrón de una capa de alta energía (E2) ocupa la vacante, perdiendo
energía en el proceso. La energía perdida aparece como radiación emitida de
energía igual a E2 - E1 [5], tal como se muestra en la Fig. 4.1 .
•
Fig. 4.1 Principio básico de la espectrometría
Este fenómeno se representa matemáticamente con la siguiente ecuación:
Diagnóstico del desgaste de motores diesel
Donde: Me' =Energía del átomo excitado.
Meo = Energía del átomo en estado fundamental.
¿hv = Energía emitida de las diferentes longitudes de onda. A.
h = Constante de Planck.
v = Frecuencia de la radiación, v =cl A
c = Velocidad de la luz.
La aplicación de la ley de Plank da lugar a dos tipos de espectrómetros:
• Espectrómetro de absorción atómica
• Espectrómetro de emisión atómica
ESPECTRÓMETRO DE ABSORCiÓN ATÓMICA:
62
(4.1 )
En este tipo de espectrómetro que es uno de los más utilizados en el análisis de
aceites usados, la muestra se quema para llevar sus componentes a fase gaseosa
y estado elemental por disociación térmica. La fase gaseosa se ilumina con luz de
determinada longitud de onda según el elemento que se desea medir,
seguidamente los átomos en estado fundamental cuyos niveles se corresponden
con los de la longitud de onda incidente, absorben energía para promover
electrones a niveles superiores [16]. Cada elemento es sensible a una sola
longitud de onda y la cantidad de energía absorbida es proporcional a su
concentración en la mezcla, por ello, el espectro de absorción del elemento
presentará picos o líneas de absorción atómica, las cuales no son
monocromáticas pues presentan un ligero ensanchamiento de línea [16] debido a
que la absorción también se produce en un cierto rango en torno a ella. En la Fig.
4.3 se presenta el esquema de funcionamiento de un espectrómetro de absorción
atómica, observándose los cuatro sistemas básicos que lo componen. Un sistema
Técnicas de análisis de aceite 63
de iluminación para obtener la radiación característica del elemento a analizar,
lo
(2)detector
llama
10-I=FlogC
III
[E] ================IIII
Sistema deiluminación
Sistema de exitadón Sistema óptico Sistema electrónico
Fig. 4.2 Espectr6metro de absorción atómica
representado por la fuente de radiación, que puede ser de dos tipos :De emisión
continua o de emisión discreta. Un sistema de excitación para obtener átomos del
elemento en estado elemental, que consta de nebulizador, cámara de premezcla,
mechero y llama. Un sistema óptico para conducir las radiaciones características y
focalizarlas sobre el monocromador, constituido por lentes y espejos. Y un
sistema electrónico para detectar, amplificar y medir las radiaciones que salen del
monocromador.
La espectrometría de absorción atómica presenta como ventaja, que es una
técnica muy simple y los costos son relativamente bajos en comparación con los
de emisión atómica, en contraparte, el espectrómetro de absorción atómica
analiza los elementos uno por uno, por lo que incrementa los periodos de barrido,
haciendo más lento el registro de resultados.
ESPECTRÓMETRO DE EMISiÓN ATÓMICA:
Dispositivo empleado, para determinar la composición elemental de una muestra,
analizando la diferencia de energía emitida; utiliza la propiedad de los átomos que
Diagnóstico del desgaste de motores diesel 64
al ser excitados absorben energía que utilizan para promover algunos de sus
electrones a niveles superiores; cuando regresan a sus niveles originales, emiten
energía.
Existen dos tipos de espectrómetros de emisión atómica: de emisión de llama y sin
llama. Los primeros no tienen aplicación en el análisis de aceite y por ello solo se
consideran los segundos. Dentro de los espectrómetros de emisión atómica sin
llama se encuentran los de emisión de disco rotativo y los de emisión de plasma
de acoplamientos inductivo.
Espectrómetros de emisión de plasma de acoplamiento inductivo:
Es una de las técnicas más modernas para excitar la muestra, para ello se vale de
una corriente de alta frecuencia (15-50 MHz), que circula por una bobina metálica
de inducción generando un campo magnético cuyas líneas de fuerza están
orientadas axialmente respecto a un tubo de cuarzo alojado dentro de la bobina,
por el que fluye argón, nebulizando la muestra que se desea analizar. El campo
magnético acelera los iones y electrones induciéndolos a moverse en ondas
circulares dentro del tubo. Este movimiento produce un calentamiento (efecto
Joule) de los gases ionizados, formándose un plasma confinado toroidal con una
temperatura cercana a los 10000 K que atomiza y disocia la muestra que se
inyecta al centro del tubo. El espectrómetro de emisión de plasma consta de:
Antorcha que produce y mantiene el plasma, generador de radiofrecuencia que le
suministra energía, sistema óptico para diferenciar la radiación monocromática de
cada elemento y sistema de detección y tratamiento de la señal.
Su principal inconveniente es que no detecta las partículas de desgaste mayores de
5 IJm y su ventaja fundamental el permitir analizar simultáneamente diferentes
elementos, sin necesidad de lámparas ni mecheros distintos.
Espectrómetros de fluorescencia de rayos x:
Llamado así porque el espectro de fluorescencia policromático emitido por la
muestra al ser excitada por una haz de radiación producido por un tubo de rayos X
es descompuesto en sus componentes monocromáticas en función de sus
Técnicas de análisis de aceite 65
longitudes de onda, al difractarse en un monocristal de espaciado conocido tal
como se muestra en la Fig. 4.3. El haz difractado para cada posición angular del
monocristal incide sobre un detector, generalmente un detector de gas
proporcional de flujo o de centelleo, que convierte los fotones en impulsos
eléctricos
-
II
•tt
••on(~tolltubo de raros X I
28\••·
~istal
analbador
n1 .2dsenO
Fig. 4.3 Esquema del funcionamiento de un espectrómetro de fluorescencia de rayos X
4.2.2 Ferrografía.
Es una técnica analítica que permite la separación de las partículas pequeñas de
desgaste (Rango: 1 - 20 IJm), mediante inducción magnética (Fig. 4.4); por esta
razón, solo sirve para estudiar los contenidos de materiales ferromagnéticos,
incluidos los muy débiles y algunos como el aluminio o bronce, que no siendo
magnéticos, al desgastarse contra materiales ferrosos se comportan como
ligeramente magnéticos.
Entre las más relevantes ventajas de la Ferrografía se tienen:
• Es una técnica que permite la determinación cuantitativa y cualitativa de las
partículas de desgaste contenidas en un lubricante.
• El análisis ferrográfico permite determinar las causas que pueden producir un
fallo por desgaste y por lo tanto predecir la forma de remediarlo.
• El costo de los ferrogramas es relativamente bajo.
• Constituye virtualmente el único método sistemático para identificar el tipo de
Diagnóstico del desgaste de motores diesel 66
desgaste producido dentro de un motor.
• Posee una elevada efectividad de detección de partículas (0.1-20 ¡.Jm) que son
las más importantes para el monitorizado del desgaste.
Los principales inconvenientes son:
• La respuesta del ferrógrafo no es completamente lineal debido a la disposición
solapada de las partículas.
• La repetibilidad de las mediciones es baja.
• La interpretación de los ferrogramas necesita personal calificado, experto y
entrenado.
bomba
Su bs tr ato
recipientecolector
Fig. 4.4 Ferrógrafo
Utilidad:
• Detectar defectos de fabricación en motores.
• Seleccionar un filtrado del aire más efectivo.
• Monitorizar el desgaste del motor.
Se distinguen dos técnicas ferrográficas [17]:
muestrade aceite
- Analítica:
Es una técnica que permite la identificación de las causas de desgaste por medio
de un examen visual de la morfología, color y concentración de partículas.
Esta técnica utiliza magnetos permanentes de precisión para eliminar
sistemáticamente partículas que contienen hierro u otras partículas susceptibles
de un lubricante, para ser estudiadas mediante microscopía, lo que a su vez
suministra una exacta descripción de la forma y composición de las partículas,
Técnicas de análisis de aceite 67
permitiendo identificar los tipos de desgaste mediante análisis global del
ferrograma.
Técnica: Inicialmente se toma una pequeña cantidad de muestra diluida con
solvente y luego se hace pasar a lo largo de un portaobjetos de microscopio
inclinado, el portaobjetos esta rodeado por magnetos permanentes de precisión,
los cuales separan las partículas de distintos tamaños para luego ser estudiadas
(Fig.4.5)
Dispositivo antes delcoteclor
Dispositivo paragenerar vacio
Detalle: método de toma de muestra del aceite
Fig. 4.5 Ferrógrafo analítico.
Utilidad: Se utiliza para detectar partículas mayores que las que puedan ser
detectadas mediante espectrómetros de emisión atómica de rápido proceso, los
cuales están limitados a 10 Jlm, a su vez permite conocer la composición y
morfología de las partículas que revelan la causa del desgaste.
- De lectura directa o cuantitativa:
Permite cuantificar las partículas grandes y pequeñas de manera rápida. Las
partículas metálicas magnéticas, u otras, son fijadas en un tubo de vidrio por la
acción de un campo magnético y quedan posicionadas en función de su
susceptibilidad magnética y dimensiones.
Un contador digital permite medir la densidad óptica de los depósitos y, por lectura
directa, deducir los valores de cristales grandes "L" y pequeños "S". De esta
manera se puede determinar si el desgaste es de tipo normal, traducido en
Diagnóstico del desgaste de motores diesel 68
emisión de partículas pequeñas, o si el desgaste es grave donde predominarán las
partículas grandes. Este aparato se muestra esquemáticamente en la Fig. 4.6. [18]
Aceite Fijación deopacidades
DI = Superficie cubierta por partículas grandes.Os= Superficie cubierta por partículas pequeñas.
Fibra óptica
Lámpara
Fig. 4.6 Ferrógrafo de lectura directa.
Técnica: Una pequeña cantidad de muestra se diluye con solvente y se hace
pasar a través de un pequeño tubo capilar que corre a través de un campo
magnético. Las partículas con hierro se ubican sistemáticamente (de mayor a
menor) en el campo magnético a medida que la muestra fluye a través del tubo
capilar. Dos sensores ópticos se encuentran respectivamente cerca de la entrada
y la salida del tubo para medir la densidad de las partículas de hierro en cada uno
de los puntos.
Interpretación de resultados: Se obtienen dos lecturas escalares (sin unidades):
"L" (Iarge) o partículas grandes (aproximadamente> 5 micrómetros)
"S" (small) o partículas pequeñas (aproximadamente < 5 micrómetros)
Técnicas de análisis de aceite 69
Rango de los resultados:
(L o S) (grande o pequeño):
L+S =representa la concentración total de partículas. Es el mejor y más utilizado
índice de ferrografía de desgaste.
El porcentaje de PLP representa la concentración de partículas grandes en
relación con la concentración total.
PLP= (L-S) / (L+S)xl00 (4.1 )
Utilidad: La Ferrografía de lectura directa brinda información acerca de la
morfología (forma) y dimensión de las partículas en dos amplias categorías. Posee
la ventaja de no ser afectada por el tamaño de la muestra o la contaminación con
agua, y por lo tanto, es un ensayo que puede repetirse varias veces si el
procedimiento de muestreo es adecuado.
4.2.3 Colectores magnéticos.
Esta técnica como su nombre lo indica permite la separación, por atracción
magnética, de las partículas de la muestra que sobrepasan un determinado
tamaño, tales como las producidas durante el desgaste de fatiga. Las partículas
magnéticas recogidas, en su mayoría ferrosas, pueden utilizarse como fuente de
información en dos sentidos: Como indicadores de la tasa de desgaste y como
identificadores del tipo de desgaste que se está produciendo, igual que sucede
con la ferrografía; por esta razón, el uso de colectores constituye una técnica
simple y efectiva de monitorizado de la contaminación de lubricantes líquidos con
la finalidad de conocer el estado de una máquina. Una vez recogidas las partículas
se puede utilizar cualquier técnica de medición para determinar la tasa de
desgaste.
Descripción del equipo: Un colector consta de dos cuerpos; un cuerpo montado
permanentemente en el sistema de lubricación y un detector magnético que se
inserta en el primero de manera que el imán quede expuesto al lubricante; en el
cuerpo hay una válvula de cierre automático que permite la extracción rápida del
detector para su examen como lo evidencia la Fig.4.7, sin que haya pérdida de
Diagnóstico del desgaste de motores diesel 70
lubricante. El detector se debe retirar y analizar periódicamente colocando uno
limpio en su lugar, operación que se debe repetir cada 25 horas de
funcionamiento.
lCojinete
Bomba
t~. ~::: Deposito
Fig. 4.7 Colector magnético
Entre las desventajas de los colectores magnéticos se pueden mencionar las
siguientes:
Técnica costosa y poco eficaz.
No permite distinguir la composición de la partícula.
Método subjetivo, pues la identificación del tamaño y forma de las partículas
depende de la pericia del analizador.
4.2.4. Microscopía.
Es la técnica complementaria de todas las anteriores que permite inspeccionar las
partículas detectadas mediante ellas. Cuando el tamaño de las partículas es
mayor de1 ~m se utiliza el microscopio óptico convencional o el bicromático; si es
menor de este valor se deben utilizar otros métodos de microscopía como son:
MICROScopíA CUÁNTICA POR TELEVISiÓN: En ésta se reduce el tiempo que se
utiliza en la microscopía óptica, produciendo lecturas instantáneas del número y
Técnicas de análisis de aceite 71
distribución por tamaño de las partículas contenidas en un campo de visión
seleccionado, cuya imagen se toma con una cámara de televisión y se proyecta
sobre un monitor. Las señales producidas por el detector se procesan en un
computador y se clasifican según una serie de rangos de tamaño.
MICROScopíA POR TELEVISiÓN CON BARRIDO Y COMPUTADOR: Para esta
técnica se coloca sobre una placa portaobjetivo de un microscopio convencional la
muestra a examinar, de manera que pueda ser observada directamente o a través
de una cámara electrónica. El microscopio posee un computador programado para
efectuar el barrido de la muestra con la finalidad de obtener considerable
información respecto a ella.
MICROScopíA ELECTRÓNICA DE BARRIDO: En el microscopio electrónico de
barrido (Fig. 4.8), se hace incidir un delgado haz de electrones acelerados, con
energías desde unos cientos de eV hasta unas decenas de keV (50 keV), sobre
una muestra gruesa, opaca a los electrones. Este haz se focaliza sobre la
superficie de la muestra de forma que realiza un barrido de la misma siguiendo
una trayectoria de líneas paralelas.
BOb.·ln8S de-l (¡¡tri: ·.L\barrido ~JUju; :
Haz de electrones:
Generadordel barrido
de rayoscatódicos
Fig. 4.8 Microscopio electrónico de barrido
La señal emitida por los electrones y la radiación resultante del impacto se recoge
mediante un detector y se amplifica para cada posición de la sonda. Las
Diagnóstico del desgaste de motores diesel 72
variaciones en la intensidad de la señal que se producen conforme la sonda barre
la superficie de la muestra, se utilizan para variar la intensidad de la señal en un
tubo de rayos catódicos que se desplaza en sincronía con la sonda. De esta forma
existe una relación directa entre la posición del haz de electrones y la
fluorescencia producida en el tubo de rayos catódicos. El resultado es una imagen
topográfica muy ampliada de la muestra.
De todas las formas de radiación resultantes de la interacción del haz incidente y
la muestra hay dos realmente fundamentales en el microscopio de barrido: los
electrones secundarios y los electrones retrodispersados.
4.2.5 Microanálisis de rayos X.
Literalmente, microanálisis, es el análisis de muestras muy pequeñas o de
características muy pequeñas de las muestras por medio de cualquier técnica, no
obstante, históricamente, el término tiene un significado más concreto. Cuando
sobre una muestra inciden electrones de energía apropiada se producen rayos x
(RX), cuya energía y abundancia relativa dependen de su composición.
Este fenómeno se usa para analizar el contenido elemental de micro volúmenes
(en un rango general de una a cientos de micras cúbicas) y es lo que se conoce
normalmente como microanálisis [19].
Esta técnica es:
• Prácticamente no destructiva
• Permite analizar por separado cada partícula de desgaste desde 2 puntos de
vista, cualitativa y cuantitativamente.
• Es el método más fácil (y a veces el único) para analizar muestras
microscópicas.
• Es sensible a bajas concentraciones -los límites de detección mínimos (LDMs)
están por debajo del 0.1 % en los mejores casos y son menores de 1%-.
• Los requerimientos para la preparación de muestras son mínimos.
Existen dos tipos de microanálisis de RX:
• Por dispersión de longitudes de onda, en el que la emisión de RX se discrimina
por la difracción de una serie de cristales analizadores. Tiene la ventaja de
Técnicas de análisis de aceite 73
conseguirse unos límites de detección más bajos, pero la desventaja de tener
que buscar elemento por elemento.
• Por dispersión de energías, en el que la emisión de RX se discrimina
electrónicamente. Tiene la ventaja de obtenerse de manera simultánea todo el
espectro de elementos, pero la desventaja de unos límites de detección más
altos.
Intensidad de RX característicos:
• La probabilidad de que los RX característicos emitidos sean absorbidos antes
de que salgan de la superficie de la muestra.
• La fluorescencia secundaria, que es un resultado de la mencionada absorción.
Por ejemplo, RX característicos del elemento A pueden ser absorbidos por un
átomo del elemento 8 apareciendo una emisión característica de baja energía
del segundo elemento. La presencia de los elementos A y 8 en la misma
muestra hace que aumente la emisión característica del elemento 8 y
disminuya la del A. (efecto matriz)
Análisis:
Muchos aspectos del análisis están automatizados, pero se puede escoger entre
diferentes rutinas analíticas que varían de sistema a sistema.
Un espectro de dispersión de energía se presenta usualmente como un
histograma en donde el eje horizontal con unidades de energía y el eje vertical
número de cuentas o intensidad. Como se muestra en la Fig. 4.8; La energía de
las diferentes líneas tiene un valor determinado.
Fig. 4.9 Espectro de Rayos X
Diagnóstico del desgaste de motores diesel 74
Las cuentas que forman el resto del pico a uno y otro lado de la energía teórica de
la línea corresponden a variaciones aleatorias en la cantidad de carga que los RX
generan en el detector y al ruido que el circuito electrónico introduce en la señal.
La anchura de los picos a mitad de su altura dan indicación de la resolución del
detector que será mejor cuanto menor sea esta anchura. La multitud de pequeños
picos por encina de todo el espectro representan fluctuaciones estadísticas
Por último, una vez adquirido el espectro, con la ayuda de patrones o sin ellos y
mediante el software adecuado se puede realizar de forma automática el análisis
cualitativo, es decir, la identificación de picos y el análisis cuantitativo o cálculo de
la concentración de los diferentes elementos.
Perfiles de concentración:
La técnica consiste en obtener una gráfica de la intensidad de la señal de RX de
uno o varios elementos a lo largo de una línea de barrido entre dos puntos de la
muestra. Sirve para ver gráficamente como varia la concentración de uno o varios
elementos entre dos puntos. En la Fig. 4.10 se puede observar en detalle la
degradación de la concentración (en este caso del oro) a través de mapas de
perfiles de concentración.
Detalle de ladegradación de laconcentración deoro (Au)
Fig. 4.10 Mapas de perfiles de concentración
Mapas de RX:
La técnica consiste en obtener un mapa de intensidad de la señal de RX de uno o
Técnicas de análisis de aceite 75
varios elementos de la zona de la muestra que se este visualizando. Sirve para ver
gráficamente como están distribuidos los elementos en la zona seleccionada
asignando un color diferente a cada uno. Los mapas de RX ( Fig. 4.11) también
ofrecen una imagen que sé podría denominar semicuantitativa de la concentración
de los elementos mediante la densidad de puntos de un determinado color en la
zona.
Fig. 4.11 Mapas de rayos X
4.3 TÉCNICAS MODERNAS PARA El ANÁLISIS DEL ACEITE Y DEL
DESGASTE
4.3.1. Endoscopía.
Es una de las técnicas que ha tomado gran auge en la actualidad y se utiliza
principalmente en el monitorizado del desgaste en motores de combustión interna.
Consiste en introducir un cable de fibra óptica dentro del cuerpo a examinar para
determinar su funcionamiento interno[2D). Se hace uso para ello de un
endoscopio o boroscopio.
Mediante esta técnica se puede hacer Inspecciones visuales a:
• Motores.
• Cajas de engranajes.
• Turbinas de aviones.
• Cámaras de combustión.
• Sistemas de tuberías.
• Equipos de construcción.
Diagnóstico del desgaste de motores diesel
• Reactores nucleares.
• Intercambiadores de calor.
• Cilindros hidráulicos de grúas gigantes.
76
Este procedimiento presenta las siguientes ventajas:
• Observación de fenómenos que ocurren en lugares inaccesibles.
• 0.7mm lZJ y 14 m de longitud, auto iluminados, luz brillante, imagen magnificada
del área.
• Inspecciones más rápidas.
• El tiempo fuera de servicio es reducido.
• Mayor aprovechamiento del mantenimiento preventivo.
• Inspecciones interiores sin necesidad de desmantelar el equipo y estimación
de reparaciones necesarias.
Tipos de endoscopios:
Endoscopios flexibles: Se utilizan para la inspección de artefactos, equipos,
tuberías, cañerías, orificios y cavidades. La articulación dirigida remotamente y el
radio de torcimiento pequeño habilita el acceso a partes de áreas inaccesibles. La
iluminación integrada de luz fría de fibra óptica asegura una visibilidad excelente
en la Fig. 4.12 se presenta un ejemplo de este tipo de endoscopio.
Fig.4.12. Endoscopio flexible
Se encuentran disponibles en longitudes de 400 mm a 6 metros, con diámetros
exteriores de 3.5 mm a 10 mm.[21] Aparte de esto poseen ángulos de giro de
Técnicas de análisis de aceite
hasta 1800 de la punta bidireccional y 1400 de la punta de cuatro-vías.
77
Endoscopios ñgidos: Poseen gran rango de diámetros (1 mm a 19 mm) y
longitudes (7.6 cm a 365 cm), además cuenta con gran variedad de: cabezas de
visión (directa, ángulo recto, delantera oblicua o retrospectiva), amplificaciones y
campos de vista (Fig. 4.13). Tienen como mayor ventaja que puede Identificar
fallas tan pequeñas como 0.0005" (0.0127mm).
Fig. 4.13 Endoscopio rígido
ENDOscopíA EN MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA (MC!):
Se utiliza esta técnica en simples inspecciones a los componentes, en busca de:
desperfectos, grietas, rebabas, desgastes, perforaciones. Se centra
principalmente en el estudio de los fenómenos físicos y químicos que ocurren
dentro de la cámara de combustión.
Utiliza el siguiente procedimiento para el estudio del desgaste dentro de la cámara
de combustión: Se deben utilizar ventanas, pequeñas secciones transparentes de
cuarzo, Perspex o vidrio, aunque para ventanas muy pequeñas también se utiliza
zafiro. Las ventanas son montadas en la cabeza, paredes y corona del cilindro, se
usan espejos para reflejar la imagen fuera del motor y posteriormente procesarlas
tal como se muestra en la Fig. 4.14.
Diagnóstico del desgaste de motores diesel
Inyector
78
Culata
Ventana delanilloretenedor
Piston
Espejo
Ventana de la cabezadel pistón
Espejo
Imagenbaja
ACCESO ÓPTICO A UN MOTOR DIESEL
Fig. 4.14 Detalle del montaje y ventanas sobre la cámara de combustión para un estudio
endoscópico.
Sondas del tipo óptico-óptico:
Se usan fibras ópticas protegidas para soportar las elevadas presiones y
temperaturas de la cámara de combustión. Éstas pueden ser introducidas
a través de: La empacadura de culata del cilindro modificada, el pistón, las
paredes o la culata.
Las sondas ópticas se pueden construir dentro de las bujías, Fig. 4.15, o a través
de los sistemas de inyección para los motores diesel [22]. Se pueden utilizar una o
más sondas a la vez.
Técnicas de análisis de aceite
Fiber Optic Spark Plug
11111111
79
En el eleclrodo central se muestra la instalaciónde la fibra óptica
FclD¡roifIa Iluslrada del_dev!slóndelafibra OpIica. la.imagenos son _dasen 4 pionas
Fig. 4.15 Instalación de una fibra óptica sobre una bujía.
4.3.2. Análisis fractal.
Según K. Shirriff, un fractal es una forma geométrica áspera o fragmentada que
puede subdividirse en partes cada una de las cuales es (por lo menos
aproximadamente) una copia de tamaño reducido del todo. Se refiere a objetos y
estructuras cuya construcción, crecimiento o forma responde a reglas irregulares o
de fragmentación. Estas estructuras pueden ser caracterizadas por una dimensión
fractal, que es diferente a la dimensión topológica y normalmente fracciona!. Los
fractales son generalmente similares a sí mismos e independientes de la escala.
Por otra parte desde el punto de vista matemático, los fractales son cuadros que
resultan de las iteraciones de ecuaciones no lineales, normalmente en una vuelta
de la regeneración. Los gráficos de estos puntos producen imágenes y de estos se
desprenden dos propiedades importantes de los fractales:
- Similitud consigo mismos (self-similar)
- Dimensiones fraccionarias
Esta definición permite utilizar el concepto de dimensión fractal para la
caracterización de diversos objetos en la naturaleza, los cuales generalmente son
caóticos. El análisis fractal proporciona una descripción cualitativa de cómo el
espacio es ocupado por una estructura irregular, así el análisis fractal permite
comprender los sofisticados mecanismos de influencia que la morfología ejerce en
el comportamiento de la naturaleza y extiende considerablemente la posibilidad de
Diagnóstico del desgaste de motores diesel 80
explicar diversos fenómenos naturales [23].
Últimamente el análisis fractal se aplica con enorme éxito en mecánica de sólidos,
de tal manera que ahora se puede hablar sobre una nueva disciplina científica
llamada Mecánica Fractal del Sólido.
Aplicaciones:
Mecánica de materiales estructurales con microestructura multifractal.
Mecánica de las grietas auto-afines.
Mecánica de la fractura estadística.
Flujos multifásicos en medios porosos.
Análisis fractal v partículas contaminantes en aceites sin usar.
Frecuentemente se ha encontrado que incluso aceites lubricantes sin usar
contienen partículas metálicas y no metálicas en ciertas cantidades. Al ser
introducido en un sistema, pudiera causar corte de las superficies en contacto y en
algunos casos afectarían seriamente el comportamiento de la maquinaria.Para
demostrar esto, se realizó un estudio con el objetivo de examinar la
contaminación de los nuevos aceites lubricantes y de esta manera encontrar las
partículas contaminantes típicas y caracterizarlas por una descripción numérica.
Las partículas se originan debido a procesos "caóticos". Por tanto, la morfología de
la mayoría de ellas puede ser caracterizada adecuadamente por el método del
análisis fractal. La aplicación de la dimensión fractal para caracterizar la
morfología de las partículas ofrece una posibilidad de reducir la necesidad de
especialistas en el proceso de valoración de partículas.
En un estudio llevado a cabo por varios investigadores [24] también se aplicó la
técnica de ferrografía analítica para extraer las partículas, sepáralas y depositarlas
en envases de vidrio. Luego se examinó la morfología de las partículas metálicas y
no metálicas depositadas en los ferrogramas por medio de microscopio óptico
con luz bicromática y se determinó la composición química de cada tipo de
partícula a través de un análisis de energía de dispersión de rayos X.
Los micrográficos fueron luego procesados por un sistema de análisis de
imágenes por computadora (SEM) y se determinaron las dimensiones fractales de
contaminación aérea. El origen de las partículas metálicas es más difícil de
Diagnóstico del desgaste de motores diesel 82
CAPITULO V: METODOLOGíA DE DIAGNOSTICO DEL
DESGASTE DEL MOrOR MEDIANTE ANÁLISIS DE ACEITE.
5.1 INTRODUCCiÓN
En empresas de transporte con alto número de vehículos constituye un factor muy
importante a tener en consideración el mantenimiento que se lleva a cabo a sus
unidades. El desarrollo de un plan de mantenimiento predictivo aporta grandes
ventajas sobre otros tipos de mantenimiento, ya que persigue como objetivo el
anticiparse a la falla, evitando la avería, y optimizando el periodo del cambio de
piezas. Este objetivo da como resultado un aumento en la seguridad del vehículo y
una disminución de los costos tanto por reducción de reparaciones como por el
aumento de la vida útil del motor, además de ventajas sociales como la
disminución de consumos o de contaminación.
Para poder predecir fallas es necesario realizar un seguimiento periódico de los
síntomas del motor, de forma que se puedan apreciar cambios en su
comportamiento. Basado en este seguimiento, se puede conseguir un diagnóstico
adecuado sobre las causas de las posibles variaciones del síntoma, así como, que
tipo de falla se puede originar de este comportamiento y el modo de afrontarla,
todo ello antes de que se produzca la falla catastrófica.
En general los equipos empleados para el seguimiento suelen ser costosos y
requieren de personal calificado tanto para el manejo como para la interpretación
de los resultados obtenidos. Por tanto, los altos costos que supone la obtención de
un diagnóstico del estado del motor utilizando tales técnicas hace que su uso no
se justifique excepto en el caso de grandes flotas de vehículos.
La técnica del diagnóstico por análisis de lubricante es una herramienta muy
potente por la gran cantidad de información que se obtiene sobre el motor en
estudio [24]. Dado que se trata de una técnica que requiere la extracción del
componente a medir (lubricante), no es necesario que se lleven los equipos a la
empresa donde se encuentran los motores, sino que puede centralizarse en un
laboratorio especializado que dé servicio a múltiples flotillas de motores,
ofreciendo una solución económicamente rentable para las empresas.
Metodología de diagnostico del desgaste del motor mediante A.A 83
Los análisis de aceite se basan tanto en la determinación de las impurezas que se
encuentran en él, como en la cuantificación de la variación de sus propiedades
[25]. Interpretando dichas variaciones y relacionándolas con sus posibles causas,
se puede llegar a la predicción de averías.[26]
Ahora bien, en los párrafos anteriores referentes al análisis de aceite se ha hecho
alusión a términos como síntoma, falla, predicción de falla y diagnóstico de falla
entre otros, que a continuación se definirán ya que serán de uso frecuente a lo
largo de este capítulo.
Falla: Se define como el evento que produce un determinado efecto sobre una
máquina [27]. Sin embargo desde el punto de vista del diagnóstico no es lo más
significativo el evento, sino la condición previa que lo caracteriza y que permite
identificarlo y actuar sobre él.
Se puede establecer bajo esta premisa que, la falla es la finalización de la
capacidad de una máquina, sistema o elemento para realizar la función para la
cual ha sido diseñada.
Muchos autores no distinguen la diferencia entre los conceptos de falla y avería
por lo tanto, se utilizarán como sinónimos e indistintamente.
Síntoma: Es la manifestación externa del estado de un motor o sistema o del
funcionamiento de sus componentes, por lo que constituye la base fundamental de
todo proceso de diagnóstico, ya que, de su identificación, medición y correlación
con las fallas depende la realización de un buen diagnóstico.
Predicción de fallas: Es la medición sistemática y el análisis de tendencias de los
síntomas con el fin de evaluar su estado actual y predecir la probabilidad futura de
fallas.
Diagnóstico de fallas: Es el proceso de detección de síntomas, evaluación de su
condición actual y determinación de las causas de anomalía en un motor.
5.2. PROCESO DE DIAGNÓSTICO MEDIANTE ANÁLISIS DE ACEITE
En el proceso de diagnóstico del desgaste del motor a partir del análisis de aceite
usado es importante determinar el modo de funcionamiento del laboratorio donde
se van a realizar los análisis, y por tanto los flujos de información que se van a
Diagnóstico del desgaste de motores diesel 84
manejar y que formarán el conjunto de variables con las que trabajará el sistema.
Las etapas para obtener un diagnóstico del desgaste del motor mediante análisis
de aceite que involucran tanto al laboratorio como a la empresa propietaria de la
flota, son las siguientes:
1. Toma de muestras: Se lleva a cabo directamente en la empresa o donde se
encuentra el motor, por cualquiera de sus operarios, bajo las condiciones que a
continuación se enumeran:
- Establecer el lugar de la toma de la muestra, ya sea por el orificio de vaciado
del cárter o a través del tubo de medida de nivel, y realizar la toma siempre
en el mismo lugar, utilizando además el material adecuado, por ejemplo una
jeringuilla de extracción. El recipiente donde se va a guardar la muestra de
aceite debe estar limpio para no contaminar el aceite.
- Tener en cuenta la temperatura a la que se toma la muestra, preferiblemente
con el motor caliente. Tanto el lugar de la toma de la muestra como la
temperatura en que se realiza la misma son condiciones que no afectan
mucho a las medidas tomadas en el proceso de análisis, sin embargo, es
mejor definir una toma sistemática y realizar el proceso siguiendo siempre los
mismos parámetros.
- Considerar el período de tiempo transcurrido entre la toma de la muestra y el
momento de su análisis, ya que esta condición es capaz de producir altas
variaciones en las medidas obtenidas. Realizando medidas con diferencia de
tiempo de una semana sobre la misma muestra, se ha demostrado [28] que
las medidas obtenidas sobre la muestra después de la tercera semana
presentan variaciones en sus concentraciones metálicas superiores o del
orden del 6%. Así pues, es recomendable que se realicen los análisis durante
las tres primeras semanas siguientes a la toma de la muestra para garantizar
los resultados obtenidos.
- Por último, identificar completamente las muestras con todos los datos
referentes a ellas y al tipo de motor y vehículo del que proceden para su
respectivo envío al laboratorio.
2. Recepción de las muestras en el laboratorio: Cuando la muestra llega al
Metodología de diagnostico del desgaste del motor mediante A.A 85
laboratorio de análisis, entra a formar parte del sistema que realiza el proceso
de diagnóstico. Para ello, se informa a dicho sistema de la llegada de la
muestra de aceite usado y se le da de alta introduciendo los datos que la
identifican junto con la información del motor, que la acompaña. Una vez el
sistema tiene la información de las muestras recibidas, están listas para los
análisis correspondientes.
3. Análisis: Esta tarea es el núcleo del trabajo de laboratorio, y consistirá en la
realización a la muestra, de los análisis físicos y físico - químicos adecuados.
4. Interpretación de resultados: Los resultados del análisis son el punto de
partida del proceso de interpretación de resultados, que sin embargo, no son
los suficientes para ello. Esto es así porque los valores analíticos antes de ser
comparados con un sistema de referencia, deben ser corregidos de forma que
se tengan en cuenta condiciones tales como la edad del motor, las condiciones
de servicio, el tiempo de funcionamiento del aceite, etc., todas ellas influyentes
en el mayor o menor deterioro del aceite.
La información proveniente de los resultados de los análisis de las muestras se
almacena en una base de datos estable, que permite obtener mediante
tratamiento estadístico, los valores de las concentraciones metálicas
consideradas como normales, que son las que se utilizan como referencia para
comparar y caracterizar las concentraciones corregidas de cada uno de los
metales de desgaste que se consideren.
Dependiendo de los valores obtenidos por la caracterización y utilizando el
conocimiento de los expertos se logra diagnosticar el desgaste de las partes
del motor.
Por último, mediante el uso de las herramientas informáticas, el sistema de
diagnóstico que se presenta trata de reproducir algorítmicamente el razonamiento
que haría un grupo de expertos en aceite con toda la información detallada.
Para cada muestra analizada el sistema debe realizar el siguiente tratamiento:
1.- Corrección de las concentraciones medidas.
11.- Obtención de las concentraciones de referencia
111.- Evaluación mediante la asignación de índices.
Diagnóstico del desgaste de motores diesel 86
IV.- Actualización de las concentraciones de referencia.
v.- Obtención del diagnóstico.
5.3 CORRECCiÓN DE LAS CONCENTRACIONES METÁLICAS MEDIDAS:
Es necesario hacer un tratamiento previo a los resultados de los análisis de
laboratorio, ya que estos no expresan la contaminación real del aceite debido a
que están afectados por un conjunto de factores que en general los disminuyen.
Los factores que afectan las concentraciones metálicas medidas en el laboratorio
son:
• Técnicas de medición
• Sílice externo.
• Añadidos y consumo de aceite
• Filtro de aceite
• Composición del aceite
• Tiempo de servicio del aceite
El tratamiento previo a realizar consiste en calcular las concentraciones corregidas
que se suponen deberían existir en el aceite si no existieran los factores
mencionados.
Influencia de las técnicas de medición:
Los equipos utilizados para analizar el aceite y la técnica de medición empleada
introducen errores en las concentraciones medidas, si bien son intrínsecos a los
propios equipos, el no considerar su influencia puede llevar a una evaluación y
posterior diagnóstico erróneo del estado del motor.
Para corregir este error es necesario conocer la distribución de las partículas del
aceite, el mecanismo de desgaste, etc., los cuales no se pueden establecer con
anterioridad imposibilitando la corrección. Sin embargo, en la práctica se puede
suponer siempre y cuando las medidas se hagan con el mismo equipo que el
error es sistemático, por lo que su influencia sobre la velocidad de contaminación
es nula [29].
Influencia del Silicio externo:
El Silicio se trata de manera diferente a los demás elementos de desgaste porque
Metodología de diagnostico del desgaste del motor mediante A.A 87
proviene principalmente del exterior del motor y en menor cantidad del desgaste
interno del mismo. Por lo tanto, se debe determinar qué parte de la cantidad
medida es originada por el desgaste interno del motor o cual procede del exterior.
Un análisis estadístico realizado sobre la base de datos utilizada en el desarrollo
de este trabajo arrojó que el desgaste provocado por el silicio interno es constante
para motores con desgaste normal. Sin embargo, es imposible saber cuando un
aumento de la concentración medida se deba a desgaste anormal o a
contaminación externa por lo que se utilizará como criterio lógico de evaluación el
preguntar acerca del lugar de trabajo donde se encuentra operando el motor y
suponer que si el aumento de la concentración es pequeño y el ambiente no es
arenoso, es debido u originado por desgaste interno y si es grande y arenoso el
ambiente lo es por contaminación externa.
Internamente el silicio puede provenir de diversas fuentes:
• Desgaste de anillos, camisas, pistones.
• Utilización de materiales para juntas a base de compuestos de siliconas.
• Aditivos antiespumantes de ciertos aceites.
Influencia de los añadidos, consumo, filtrado y composición del aceite:
Los añadidos de aceite, debido al consumo interno o a las fugas, afectan
considerablemente las concentraciones por lo que es necesario compensar su efedo
sobre los resultados del análisis.
Cuando se produce el consumo de aceite es de suponer que los contaminantes que
pueda tener el aceite no se ven afectados por este hecho, por lo que la
concentración del lubricante que pennanece en el cárter no varía, pero su volumen
total disminuye; esto implica, si no se repone este aceite, que un nuevo aporte de
partículas producirá una mayor concentración de la que se tendría si no hubiera
consumo. Por la reposición a través de los añadidos del aceite nuevo se produce un
efedo de dilución, que reduce la concentración.
Otra influencia que se debe considerar es la del filtro de aceite ya que dependiendo
de su eficiencia de retención, puede captar una cantidad importante de partículas.
Actualmente la eficiencia de retención es superior al 90% para partículas de tamaños
superiores a 1O~ [30]
Diagnóstico del desgaste de motores diesel 88
Para obtener las concentraciones corregidas es necesario utilizar un modelo de
desgaste que permita calcular la velocidad de contaminación del aceite y el
desgaste del motor.
5.4. MODELO DEL DESGASTE
Los estudios que se han publicado con relación al seguimiento de motores
mediante análisis de aceite, tanto en el laboratorio como en el campo, en especial
los realizados en motores de autobuses de transporte humano, demuestran que la
contaminación del aceite aumenta en forma lineal o en forma aproximadamente
exponencial con el uso del aceite. En el primer caso la velocidad de contaminación
es constante y en el segundo caso es una función exponencial.
Para poder establecer el modelo del desgaste se citarán algunos autores, que se
han encargado del estudio de este fenómeno. En 1982 Hubert [31] publicó un
estudio sobre la medición y modelado de la velocidad de contaminación y la
eficiencia del filtro de aceite en motores diesel donde presentaba un modelo
matemático para predecir el comportamiento de las concentraciones en el cárter.
A partir de un balance másico del sistema obtuvo la siguiente expresión:
( J-eQtm - m
C(t) = Ca - bQ e v + bQ (5.1 )
Donde: C(t): es la concentración en el cárter después de un tiempo t, en mgll,
Ca: es la concentración de partículas en el cárter para un tiempo t=O, en
mg/l.
m: es la velocidad de contaminación, en mg/min.,
Q: es el caudal volumétrico de aceite que recorre el sistema de
lubricación, en I/min.,
V: es el volumen total de lubricante contenido en el cárter, en 1.
E: es la eficiencia del filtro
Según este modelo, la concentración del aceite varía exponencialmente
alcanzando una concentración de equilibrio dinámico, Ceq, cuando la velocidad de
Metodología de diagnostico del desgaste del motor mediante A.A 89
contaminación es igual a la velocidad de pérdida de contaminantes; su valor
obtenido para t= 00 en la Ec. 5.1 es:
mCeq =-
sQ(5.2)
La concentración de equilibrio es directamente proporcional a la velocidad de
contaminación e inversamente proporcional a la eficiencia del filtro y al flujo
volumétrico del aceite. En la Fig. 5.1 se presenta el diagrama de la línea de
concentración según la ecuación de Hubert.
400
Concentración deequilibrio
~ 300
lierJ1]O [min]
ConcenlJaci6n enel instante t
100
Concentración inicial
_8.-------------------,EQ.86e'Oü4I!-e82eouO+------r-------,-------r-------l
O
Fig. 5.1.- Variación de la concentración según el modelo de Hubert. (Jonson y Hubert, 1983)
En 1994. Fygueroa [29], presenta un modelo más real para calcular la velocidad
de contaminación del aceite y el desgaste del motor basado en el propuesto por
Espinoza [33], que considera la influencia combinada del filtro, consumo, añadidos
y la composición del aceite limpio. Efectuó un análisis similar al usado por Hubert
suponiendo una velocidad de contaminación constante. Este modelo
esquematizado en la Fig. 5.2, donde se representan los flujos de aceite dentro del
motor utiliza las siguientes suposiciones:
• Las partículas de desgaste se mezclan homogénea e instantáneamente con el
lubricante.
Diagnóstico del desgaste de motores diesel
F
90
p {M
í-----~-----I
I L II RItro I II Qf I
I II I ~ Os
~ CARTER I+-+ f'1 VD I---t--. --¡--+ s
I II IL ~
(5.3)
Fig. 5.2.- Flujos de aceite en el modelo utilizado por Fygueroa.
• El volumen de aceite acumulado por el filtro es cero (O).
• Las pérdidas de aceite son a caudal constante e igual al de los añadidos.
• El caudal de aceite que circula a través del filtro, el volumen total del lubricante
y el rendimiento del filtro no varían con el tiempo.
• La velocidad de contaminación es independiente del tiempo.
Al aplicar la ecuación de la conservación de la masa para el sistema se obtiene la
siguiente expresión:
dm-=P-F-Sdt
Para este modelo la velocidad de contaminación del aceite Pes:
(5.4)
Donde: M = Velocidad de contaminación por desgaste, en mg/min.
Ca = Concentración metálica del aceite nuevo en ppm.
QA = Caudal volumétrico promedio de aceite añadido, por unidad de
Metodología de diagnostico del desgaste del motor mediante A.A 91
tiempo. en I/min.
OA = AJt, donde A es el volumen total de aceite añadido, durante el
tiempo t de permanencia del aceite.
Ca OA = Velocidad de contaminación por el aceite añadido, en mg/min.
Puesto el caudal que circula por el filtro no varía, la velocidad de pérdida de masa
de contaminantes por consumo de aceite es:
S = QAm
(5.5)Vo
y como la velocidad de retención del filtro F, está dada por:
F = d2¡mVo
(5.6)
Donde: E= Rendimiento del filtro.
Of = Caudal volumétrico promedio del lubricante que circula por el filtro,
en I/min.
Vo = Volumen total en el cárter, en 1.
al reemplazar estas ecuaciones en la ecuación de conservación de la energía para
el sistema y despejando se obtiene la expresión general que gobierna el proceso
de contaminación del aceite por partículas sólidas:
dm-+Zm-P=Odt
donde:
(5.7)
eQ¡+QAZm = m = Velocidad de pérdida total de masa del contaminantes. (5.8)
Vo
dm
dtDiferencia de masa de contaminantes metálicos respecto al tiempo.
Diagnóstico del desgaste de motores diesel 92
la Ec. 5.7 es una ecuación diferencial lineal del primer orden de coeficientes
constantes (P y Z) cuya solución es:
e e -zt P(1- e-zr )= oe +----
QA
donde C = Concentración metálica medida en la muestra, en ppm.
Co= Concentración metálica inicial del baño de aceite.
(5.9)
Considerando que la concentración medida Cm (obtenida en el laboratorio), es
igual a la concentración C al cabo del tiempo t, se puede obtener la expresión
general para las concentraciones corregidas de la forma:
(5.10)
Esta ecuación calcula el valor de la concentración en el cárter teniendo en cuenta
los efectos combinados de consumo, añadidos, filtro y composición del aceite
cuando la velocidad de contaminación es constante.
En estudios efectuados por Fygueroa [29], demostró que el efecto del filtro es
despreciable por esta razón si se hace E =0, Y se sustituye en la Ec. 5.8 se
obtiene:
Z=ºA =~Vo tVo
y por lo tanto la Ec. 5.10 pasa a ser de la forma:
(5.11 )
A
(c -Ce va)m O -c
A a
V;1- e °
(5.12)
Esta expresión es la recomendada [34] para calcular la concentración corregida
teniendo en cuenta los añadidos y la composición del aceite limpio, despreciando
Metodología de diagnostico del desgaste del motor mediante A.A 93
la influencia del filtro y considerando la velocidad de contaminación constante.
El modelo que se utiliza en la presente tesis, para corregir las concentraciones
medidas, derivado del anterior se describe a continuación y será el usado por el
bloque de cálculo del sistema informático que se propone más adelante.
Se emplean las mismas suposiciones del modelo propuesto por Fygueroa, para
tener en cuenta la influencia combinada del filtro, consumo, añadidos y la
composición del aceite limpio, pero a diferencia de éste se supone una velocidad
de contaminación exponencial [33], de la forma siguiente:
(5.13)
En este caso la Ec. 5.7 para velocidad de contaminación variando
exponencialmente queda de la forma:
_dm_(,--t) + Zm(t) = P(t)dt
(5.14)
Resolviendo esta ecuación diferencial de primer orden se obtiene la siguiente
expresión:
t t
JZdl 1 JZdl
m(t)eO =fP(t)eO dt +eo
Donde: m(t)= masa de contaminantes sólidos en el instante t
Z= velocidad de pérdida total de masa de contaminantes.
P(t)= velocidad de contaminación del aceite.
(5.15)
Dividiendo la Ec. 5.14 por Vo para obtener concentraciones y sustituyendo la
velocidad de contaminación de la Ec. 5.13 se tiene:
t
Cm(t)eZl = fCmoBeBlél dt +C
o
que al integrar queda como sigue:
(5.16)
Diagnóstico del desgaste de motores diesel 94
(5.17)
El valor de la constante de integración (C), se obtiene utilizando la condición inicial
que establece que para t=O, la concentración Cm (to) = Cmo, por tanto:
(5.18)
Sustituyendo el valor de C y despejando Cm(t), se tiene la función que expresa la
variación de la concentración con el tiempo en presencia de fugas, añadidos, filtro
de aceite cuando la velocidad de contaminación varia exponencialmente:
C () CmoB r BI -ZI] Cm t = Le -e + moB+Z
(5.19)
La exponencial e-Zt del lado derecho de la Ec. 5.19 tiende rápidamente a cero para
los valores normales de rendimiento y caudal del filtro de aceite, por lo que la
concentración se puede expresar mediante la siguiente expresión:
Cm B BCm(t) = o e l +Cmo
B+Z(5.20)
En la Ec. 5.20 la concentración Cm(t) es conocida, ya que se mide, por lo tanto se
la puede utilizar para calcular B, y luego encontrar la concentración corregida con
la expresión:
(5.21 )
Donde: Cc(t)= es la concentración corregida para un tiempo t.
Cmo= es la concentración inicial del aceite nuevo.
B= factor conseguido aplicando la Ec. 5.20
El modelo propuesto para calcular la velocidad de contaminación y las
concentraciones corregidas, se validó utilizando los resultados obtenidos en un
ensayo ideado por Fygueroa, para validar su modelo, quien observó que los
Metodología de diagnostico del desgaste del motor mediante A.A 95
valores calculados con su modelo se acercaban mucho a los experimentales y que
el error máximo cometido es del orden del 6% por lo que consideró que el modelo
se ajustaba a la realidad.
Ahora bien, bajo el modelo propuesto y utilizado en la presente tesis se observó
que los valores calculados se acercaban en su totalidad a los experimentales con
un error máximo cometido del orden del 1%, lo cual valida las Ecs. 5.20 y 5.21,
que por tanto, se pueden utilizar para corregir las concentraciones de los
contaminantes metálicos.
En la Fig. 5.3 se muestra la comparación de los resultados de la experiencia de
Fygueroa y las concentraciones calculadas para modelo presentado en el trabajo
para el elemento hierro.
- Experimentales
- Mldelo Propuesto
fIfodelo de Fygueroa
205 10 15
TIempo [min]
E 100CLS; \e~ 90CII
"e~ 80l!!e88 70+------,-------,---,-------,u
O
Fig. 5.3.- Comparación de la variación de las concentraciones con el tiempo, entre el modelo
de Fygueroa y el propuesto.
Influencia del tiempo de servicio del aceite: con respecto a la relación existente
entre la concentración de elementos metálicos del aceite y sus kilómetros de
servicio, es evidente que, para un desgaste normal, la primera aumente
directamente con los segundos; este crecimiento es exponencial ya que el
aumento del número de partículas metálicas en el lubricante producen un
desgaste que a su vez genera más partículas de desgaste, las cuales al mismo
tiempo generan más desgaste y así sucesivamente, de tal forma que el efecto es
más acusado a medida que aumentan los kilómetros de utilización. Este
Diagnóstico del desgaste de motores diesel 96
comportamiento exponencial se ve contrarrestado por los añadidos de aceite
nuevo que al diluir el lubricante reduce la concentración de partículas, de manera
que el comportamiento resultante es lineal (especialmente si no se prolonga
excesivamente el servicio del aceite) de la forma:
Ccl = K¡ =K (5.22)C
c2K
2a
donde: Cc1 y Cci Concentraciones compensadas de un mismo metal presentes en
el aceite.
K1: kilómetros de referencia (primer cambio de aceite declarado para el
motor).
K2: kilómetros de aceite de la muestra analizada.
De esta expresión se puede evidenciar que cuando los kilómetros de referencia
(K1) son menores a los kilómetros de la muestra analizada la Concentración
corregida (Ce) disminuye; en caso contrario aumenta.
5.5 CONCENTRACIONES DE REFERENCIA:
Para poder establecer el grado de contaminación del aceite por partículas
metálicas es necesario evaluar las concentraciones metálicas corregidas, lo que
implica la comparación de estos valores con los que se consideran como
normales. Puesto que no existe ningún acuerdo respecto a una escala absoluta de
evaluación de las muestras, es de uso corriente calificar los resultados corregidos
con frases como alto, medio, bajo; o niveles como poco, medio, elevado: El criterio
para asignar las frases o niveles consiste en comparar los valores corregidos y
calificarlos según sean múltiplos de los valores considerados como normales, que
en adelante se denominarán concentraciones de referencia.
5.5.1 Obtención de las concentraciones de referencia:
Las concentraciones de referencia se deben obtener mediante el estudio
estadístico de una población de motores suficientemente numerosa para que sea
totalmente representativa de todos sus tipos y modelos. En la elaboración del
Metodología de diagnostico del desgaste del motor mediante A.A 97
presente trabajo se utilizaron las concentraciones obtenidas de una base de datos
contentiva de los resultados de aproximadamente 10.000 muestras de aceite
usado, suministrada por el grupo CMT de la Universidad Politécnica de Valencia.
El procedimiento seguido para obtener las concentraciones de referencia consta
de 3 etapas:
• Investigación preliminar: Mediante diagramas de caja y bigotes (box-whisker)
como el de la Fig. 5.4 se pone de manifiesto para cada población (elemento de
desgaste) hasta qué valor de concentración se puede ajustar una distribución
normal con una serie de puntos anómalos situados a la derecha y a la izquierda de
los bigotes, que por su calidad podrán ser desechados.
0.0 100.0 200.0 300.0 400.0
Concentración de hierro [ ppm]
Fig. 5.4 Diagrama de caja y bigotes para la concentración de hierro
• Investigación complementaria: utilizando por ejemplo un diagrama
probabilístico normal de la población o de su logaritmo, el cual se ajuste a la gran
mayoría de la población como se presenta en la Fig. 5.5; en el se observa que la
distribución es de tipo log-normal porque la regresión del diagrama probabilístico
del logaritmo de la concentración se ajusta a una recta.
Diagnóstico del desgaste de motores diesel 98
• Verificación: por medio de un histograma de frecuencias como el presentado
en la Fig. 5.6 se observa qué tan bien se ajusta la población a la distribución
propuesta.
En la investigación se pone de manifiesto que la población está representada en
su totalidad por una distribución lag-normal independiente del elemento
considerado. Por esta razón es de esperarse que el comportamiento de la gran
mayoría de la población de muestras de aceite usado sea el mismo para cualquier
metal considerado, es decir, que se ajuste con igual bondad al mismo tipo de
distribución poblacional.
99.9
99
o 95'a..!:::J 80E:::Jo 50ceCD.....
20SeCDe 5oQ.
1
0.1
-0.4 1.6 3.6 5.6 7.6
Log (concentración de Hierro)
Fig. 5.5 Diagrama probabilístico del hierro
Metodología de diagnostico del desgaste del motor mediante A.A
300-..e:::1oO
200
99
100
oo 40 80 120 160 200 240 280 320 360
Concentración de hierro (ppm].
Fig. 5.6 Histograma de frecuencias del hierro
5.5.2 Tipos de concentraciones de referencia:
Las concentraciones de referencia según la población sobre la cual se efectúa el
estudio estadístico, pueden ser de algunos de los siguientes tipos:
Concentración de referencia global: Es la correspondiente a toda la población de
muestras de aceite analizadas espectrométricamente. Tiene en cuenta todas las
marcas, modelos y motores a los que pertenecen a las muestras.
Concentración de referencia por marca: Es menos genérica que la anterior y
corresponde a una población de muestras de motores de un mismo fabricante. De
esta manera se obtiene un tipo menos general de referencia con la que comparar
los contenidos metálicos pertenecientes a una marca determinada.
Concentración de referencia de modelo: Se refiere a todas las muestras de un
mismo modelo de motor para poder tener en cuenta la existencia de distintos
modelos de motor pertenecientes a vehículos provenientes de un mismo
fabricante, ya que cada modelo posee unas características constructivas
específicas.
Diagnóstico del desgaste de motores diesel 100
Concentración de referencia del motor: Es la correspondiente a un motor
específico, se obtiene a partir de sus propias muestras y se utiliza para comparar
las muestras de aceite pertenecientes a un mismo motor.
GLOBAL
MOTOR I
Fig. 5.7: Tipos de referencias.
Las concentraciones de referencia del motor representan el desgaste normal de
un motor particular y se usan para comparar y calificar las concentraciones que se
obtienen de sus muestras.
Las concentraciones de referencia más genéricas son el punto de partida de la
concentración de referencia de un motor particular. Cuando se analizan muestras
de un motor por primera vez, se les asigna como concentración de referencia la de
su modelo; de no existir o conocerse ésta, se les asigna la de su marca; y si ésta
tampoco se conoce o existe, se les atribuye la global. Las concentraciones de
referencia serán más generales a medida que disminuye la información sobre el
motor cuyo aceite de analiza, como se muestra en la Fig. 5.7.
5.5.3 Actualización de la concentración de referencia:
La idea de actualizar las concentraciones de referencia, se fundamenta en el
hecho de que al cabo de cierto tiempo, cuando la tasa de partículas de desgaste
Metodología de diagnostico del desgaste del motor mediante A.A 101
de un motor alcance un equilibrio dinámico, se estabilicen en un valor
determinado.
Con la actualización se pretende que una concentración de referencia se acerque
a un determinado valor de forma amortiguada o sin oscilaciones alrededor del
mismo. Para conseguir esto se puede utilizar para la actualización una expresión
de ponderación lineal convergente del tipo:
n
AR+ ¿ej
R'= j=1
A+n(5.23)
Donde: A= Coeficiente de ponderación de la última concentración de referencia;
representa el tamaño de la población hasta la última actualización.
R= Última concentración de referencia.
R'= Concentración de referencia actualizada.
n= Número de muestras analizadas para la actualización. A+n es el
tamaño de la población en el momento de actualizar.
Gj= Valor que se utiliza para la actualización (concentración corregida, de
referencia de motor, de modelo o de marca).
ACTUALIZACiÓN DE LAS CONCENTRACIONES DE REFERENCIA DE MOTOR:
Cuando se analiza una muestra en particular, los valores de sus contenidos
metálicos corregidos Y, se emplean para obtener una concentración de referencia
con la cual comparar la próxima muestra, para este caso la Ec. 5.23 queda:
R' =Al\+Yv A+l
(5.24)
donde R 'v= Concentración de referencia actualizada de motor.
Rv= Ultima concentración de referencia de motor.
El coeficiente de ponderación A puede tener un valor fijo o ir variando a medida
que el número de muestras del motor vaya aumentando. Estudios de análisis de
Diagnóstico del desgaste de motores diesel 102
las influencias de las variaciones porcentuales de los valores corregidos sobre la
concentración de referencia [30], concluyeron que para que la concentración de
referencia siga el comportamiento de las muestras y al mismo tiempo se acerque a
un valor estable, el coeficiente de ponderación A debe permanecer invariable e
igual a 4.
ACTUALIZACiÓN DE LAS CONCENTRACIONES DE REFERENCIA DE MODELO:
La Ec. 5.23, en el caso de la actualización de esta concentración de referencia se
trasforma en:
B+n
N
B~+ IRvíR' = í=l
m (5.25)
donde R'm= Concentración de referencia de modelo.
RVf= Concentración de referencia de cada motor del mismo modelo.
n= Número de muestras del modelo analizadas en el último periodo.
Rm=Ultima concentración de referencia de modelo.
B= Coeficiente de ponderación de la población de muestras del modelo
que han sido analizadas.
Al igual que en el caso anterior el coeficiente B puede ser fijo o variable. Si es
variable y toma valores bajos, debido al carácter altamente sensible de la Ec.
5.25, puede que la concentración de referencia evolucione hacia un valor que no
es representativo de la población. Para la presente aplicación las referencias de
modelo se actualizarán cada 10 muestras analizadas correspondientes a un
mismo modelo de motor.
ACTUALIZACiÓN DE LA CONCENTRACIONES DE REFERENCIA POR MARCA:
La Ec. 5.25 en el caso de la actualización de la concentración de referencia de
marca queda de la forma:
Metodología de diagnostico del desgaste del motor mediante A.A
N
¿BJ\n¡R - __1=--,-1__
M - N
LB¡1=1
103
(5.26)
donde B¡= Coeficiente de ponderación para el modelo i.
RmF Concentración de referencia del modelo i.
N= Número total de modelos de la misma marca.
Rm=Concentración de referencia de marca actualizada.
En el caso de la actualización por marca donde la población de muestras es más
genérica que las anteriores, se actualizará cada 50 muestras analizadas.
ACTUALIZACiÓN DE LAS CONCENTRACiÓN DE REFERENCIA GLOBAL
Para actualizar la concentración de referencia global, la Ec. 5.24 queda:
M
LC¡RM¡Ra = "-¡=-~--
LC¡j=1
(5.27)
donde RG=Concentración de referencia global actualizada.
Rm¡e Concentración de referencia de la marca j.
M= Número total de marcas.
C¡= Número total de motores de la misma marca.
Dado que esta referencia es la más genérica de todas y puesto que la variación de
la concentración de referencia con el tiempo es pequeña se tomó como criterio
actualizar cada 100 muestras analizadas.
5.6 CONCENTRACIONES LíMITES
Son los valores de las concentraciones que distinguen los contenidos de las
partículas en tres clases, se denominan: límite de alerta (L1) que separa las
Diagnóstico del desgaste de motores diesel 104
concentraciones normales y las medias( valores por debajo del cual se encuentran
el 90% de la población); límite de alarma (L2) que separa las concentraciones
medias y altas (valores por debajo del cual se encuentran el 96% de la población).
ESCALA DE CARACTERIZACiÓN:
La escala de caracterización cuantitativa que se aplica en este estudio se
construye a partir de la diferencia relativa y de las concentraciones límites.
Diferencia relativa: para la caracterización de las concentraciones metálicas de las
muestras de aceite de motor se debe tener en cuenta la desviación respecto al
que se considera su desgaste normal, por esta razón se define un parámetro
adimensional de comparación Z que se llamará diferencia relativa, de la forma:
Y-RZ=-~
R
Donde: Y= Concentración corregida.
R= Concentración de referencia global.
DIFERENCIAS RELATIVAS LíMITES:
(5.28)
Son los valores de Z cuando se alcanzan las concentraciones límites L1 Y L2
Diferencia relativa de alerta Z ¡ = L¡ -1R
LDiferencia relativa de alarma Z 2 = _2 - 1
R
Fygueroa [33] demostró que estos valores son independientes del elemento de
desgaste considerado y estableció la diferencia relativa de alerta Z1 en 0,8; y la
diferencia relativa de alarma en 2.2, valores que se usan en este trabajo.
RANGO Y NIVEL DE LAS CONCENTRACIONES:
Para establecer los rangos para construir las escalas de evaluación cualitativa de
las muestras se emplean los valores de las diferencias relativas, de esta manera
se obtienen tres rangos que corresponden a diferentes niveles de desgaste:
Metodología de diagnostico del desgaste del motor mediante A.A
LNORMAL: 2 < _1 -1; 2 < 0.8
R
L1 L2MEDIO: --1<2 <--1 0.8<2 <2.2R R
LALTO: Z > _2 -1 Z > 2.2
R
105
Para presentar la evaluación cualitativa de las concentraciones metálicas, se
pueden emplear: palabras, números, colores, figuras indicadoras, etc. En el
presente trabajo de grado se utilizarán palabras, índices y colores para establecer
de forma clara y sencilla el nivel de contenido de metales de desgaste; además se
usarán cinco niveles para lograr una mayor precisión en la caracterización. Tal y
como se presenta en la Tabla 5.1.
Tabla 5.1: caracterización cualitativa de los contenidos de metales de desgaste.
ESCALA NIVEL
PALABRAS NORMAL MODERADA MEDIA ELEVADA EXAGERADA
íNDICE 1 2 3 4 5
COLOR AZUL AMARILLO ROJO
Z=Y-Rv
Rm0.8 1.5 2.2 4
5.7 íNDICE GENERAL DE DESGASTE DEL MOTOR
Representa en forma general el estado de desgaste del motor cuyo aceite se
analiza; se usa para que el usuario tenga una visión rápida del estado de sus
motores; se obtiene por la combinación de los siete índices de caracterización de
los metales de desgaste.
En el anexo 1 se recogen todas las posibles combinaciones de los siete índices de
desgaste individual y los valores correspondientes del índice general de desgaste
del motor.
Diagnóstico del desgaste de motores diesel
5.8 CLASIFICACiÓN DE LOS ELEMENTOS ESPECTROMÉTRICOS
106
Los contenidos metálicos de las muestras de aceite usado analizado se pueden
clasificar en tres tipos, según su procedencia: de partículas de desgaste, de
partículas contaminantes y de los aditivos del propio aceite. Aunque en el presente
trabajo solo se usaran las partículas de desgaste se presentan los elementos
pertenecientes a cada clase como se evidencia en la Tabla 5.2. Aunque los
elementos de desgaste son numerosos, los ocho listados son los más
sintomáticos del desgaste del motor y serán por tanto los que emplee el sistema
informático desarrollado más adelante (SISDAD).
Tabla 5.2: calcificación de los elementos espectrométricos
ELEMENTOS DE
DESGASTE
Aluminio
Cobre
Cromo
Estaño
Hierro
Níquel
Plomo
Silicio
ELEMENTOS DE
CONTAMINACiÓN
Bario
Boro
Silicio
Sodio
ELEMENTOS POR
ADITIVOS
Bario
Calcio
Silicio
Zinc
ORIGEN DE LOS ELEMENTOS DE DESGASTE
El desgaste puede provenir de varias partes del motor. En la Tabla 5.3 se indica
el origen más probable del material que se determina con el análisis
espectrométricos del aceite usado [34].
Metodología de diagnostico del desgaste del motor mediante A.A
Tabla 5.3: Origen de los elementos espectrométricos en un motor diesel
107
Motor Aluminio Cobre Cromo Estaño Hierro Níquel Plomo Silicio
Cojinetes )( X X X
Bujes )( X x
Árbol de levas X
Refrigerante X X X
Cigüeñal X
Camisa X X
Válvula Escape X X X
Cojinetes anti-fricción X X
Empaquetaduras X
Gasolina X X
Carcasa )( X
Tierra X
Aditivo X
Enfriador de Aceite X
Bujes de bomba de )(
aceite
Bomba de aceite )( X
Pistones )( X
Anillos X X
Engranajes X
Turbo )( X X
Guías de válvulas X X X
Tren de válvulas X
Bujes de bielas x X X X
Bielas X
El desgaste puede provenir de varias partes de una transmisión manual. La
Tabla 5.4 indica el origen más probable del material que se detecta con el análisis
del aceite
Diagnóstico del desgaste de motores diesel
Tabla 5.4 Origen de los elementos espectrométricos en trasmisiones manuales
108
Transmisiones Hierro Cobre Plomo Aluminio Silicio Cromo Estaño Sodio
Bujes '{ X
Embragues X . -ro.
Aditivo de X X XRefrigerante
Cojinetes anti-fricción X X
Engranajes X
Tierra X
Aditivo de Aceite X
Enfriador de Aceite X X
Bombas X X
El desgaste puede venir de varias partes de una transmisión automática. La
Tabla 5.5 indica el origen más probable del material que se detecta con el análisis
del aceite.
Tabla 5.5 origen de los elementos espectrométricos en trasmisiones automáticas
Transmisiones Automáticas Hierro Cobre Plomo Aluminio Silicio Cromo Estaño
Cojinetes X x y v
Bujes X
Aditivo de Refrigerante X X
Cojinetes anti-fricción X
Empaquetaduras X
Engranajes xTierra X
Ejes X
Válvulas X X
Sistema de diagnóstico automático para el desgaste en motores diesel 109
CAPITULO VI: SISTEMA DE DIAGNÓSTICO AUTOMÁTICO DEL
DESGASTE DE MOTORES DIESEL (SISDAD).
6.1 INTRODUCCiÓN
La gestión de mantenimiento hoy en día, específicamente en materia de análisis
de aceite se encuentra dirigida en su totalidad al desarrollo de herramientas
computacionales capaces de: adquirir y almacenar los conocimientos de expertos,
disminuir los tiempos de aplicación y generar mediante bases de datos registros
que permitan inferir modelos deterministicos o probabilísticos que anticipen
cualquier falla, aumentando la disponibilidad de los motores.
El Sistema de Diagnóstico Automático del Desgaste de Motores Diesel, se ha
concebido para predecir las fallas que se presentan en los motores, así como para
diagnosticar las posibles averías y las recomendaciones de verificación necesarias
provenientes de la recopilación de conocimientos de expertos en el área, y
además proporciona un histórico del comportamiento de los motores de cualquier
flotilla de una empresa, que permita establecer con mucha precisión los tiempos
de vida útil, disminuyendo considerablemente los gastos de mantenimiento.
6.2 ARQUITECTURA DEL SISDAD
Desde el punto de vista informático, el sistema diseñado, debe cumplir con los
siguientes propósitos fundamentales:
Almacenar todos los datos necesarios para el funcionamiento del sistema.
Sistematizar el cálculo de concentraciones corregidas e índices.
Asignar proposiciones de diagnóstico.
Generar una salida con los resultados de los análisis y del diagnóstico.
El registro de datos, el cálculo de las concentraciones corregidas, los índices y la
salida de resultados del análisis se efectúan con el sistema de análisis, la
asignación del diagnóstico y la emisión de la salida del correspondiente resultado se
Diagnostico del desgaste de motores diesel 110
llevan a cabo con el sistema de diagnóstico.
Para exponer el funcionamiento del sistema informático, se usará el diagrama de
flujo de datos que fue popularizado por DeMarco [35] y Sommerville [36] a través de
sus metodologías de análisis estructurado de sistemas. Los componentes del
sistema son:
Procesos: muestran lo que hace el sistema; tienen una o mas entradas y
salidas de datos; en los diagramas se representan mediante círculos
identificados con un número y su correspondiente nombre.
Tablas de base de datos: son divisiones pertenecientes a la base de datos,
en ellas se clasifican y ordenan los datos facilitando el manejo y la posterior
interrelación. Se representan por su nombre subrayado con línea
- Entidades externas: no pertenecen al sistema, pero proporcionan o utilizan
datos de el. Se representan como rectángulos nominados,
Flujo de datos: modela el movimiento de la información dentro del sistema.
Se representa con flechas etiquetadas con el nombre del flujo de datos.
6.2.1 Base de datos:
La información es el conocimiento transmisible, que ha de ser utilizado en
cualquier actividad humana. A medida que se toma conciencia del valor de la
información, se manifiesta la necesidad de impulsar la libre circulación de la
información. Las cualidades que debe poseer la información, y que hacen de ella
un recurso fundamental de las organizaciones y de los individuos, son:
Precisión: se puede definir como el porcentaje de información correcta
sobre la información total del sistema.
Oportunidad: se refiere al tiempo transcurrido desde el momento en que se
produjo el hecho que originó el dato hasta el momento en que la
información se pone a disposición del usuario.
Integridad: significa que ha de ser completa para poder cumplir sus fines.
5ignificatividad: ha de poseer el máximo contenido semántico posible, ya
que sin él no constituiría verdadera información. Esto lleva a que ha de ser
comprensible e interesante, lo que supone no proporcionar al usuario
Sistema de diagnóstico automático para el desgaste en motores diesel 111
grandes masas de información que por su volumen no puedan ser
asimiladas.
Coherencia: en sí misma, además de consistencia con las reglas
semánticas propias del mundo real al que ha de representar lo más
fielmente posible; esta cualidad se conoce en las bases de datos con el
nombre de integridad.
Seguridad: ha de estar protegida tanto frente a su deterioro -por causas
físicas o lógicas- como frente a accesos no autorizados.
Partiendo de esta premisa es que surge la importancia de las bases de datos que
según Elsmari [37], no son más que una 11 Colección de datos interrelacionados. Jl
Una base de datos (BO) debe tener las siguientes características:
- En primer lugar, una BO es un conjunto, colección o depósito de datos en un
soporte informático no volátil. Los datos están interrelacionados y
estructurados de acuerdo con un modelo capaz de recoger el máximo
contenido semántico. Oada la relevancia que tienen en el mundo real las
interrelaciones entre los datos, es imprescindible que la BO sea capaz de
almacenar estas interrelaciones.
- La redundancia de los datos debe ser controlada, de forma que no existan
duplicidades perjudiciales ni innecesarias, y que las redundancias físicas,
convenientes muchas veces a fin de responder a objetivos de eficiencia, sean
tratadas por el mismo sistema, de modo que no puedan producirse
inconsistencias.
- Las BO han de atender a múltiples usuarios y a diferentes aplicaciones.
- Otro aspecto importante de las BO es la independencia, tanto física como
lógica entre datos y tratamientos.
- La definición o descripción del conjunto de datos contenidos en la BO debe
ser única y estar integrada con los datos.
- La actualización y recuperación de los datos debe realizarse mediante
procesos bien determinados.
Diagnostico del desgaste de motores diesel
6.2.2 Base de datos del SISDAD:
112
Para la elaboración de la base de datos se utilizó información suministrada por el
grupo CMT de la Universidad Politécnica de Valencia (España) correspondiente a
cerca de 10.000 registros de pruebas realizadas a igual número de muestras de
aceite. Con esta información se diseñaron 10 tablas en las cuales se separó
convenientemente la información de la siguiente manera:
ACEITES: contiene el registro de aceites conocidos en el mercado con sus
características: marca, tipo, SAE, TBN, viscosidad a 40°C, viscosidad a 100°C,
punto de inflamación y grados API.
EMPRESA: contiene los datos de las empresas a las cuales se les prestará el
servicio: código, nombre, actividad, ubicación, teléfono, fax y correo.
INDICACIONES: contiene las expresiones para el diagnóstico, comentarios y
recomendaciones.
MOTORES: contiene características de identificación del motor como las son:
código, marca y modelo del motor.
MOTORES-MUESTRAS: contiene las características del motor al cual se presta el
servicio: código de muestra, uso del motor, unidad de uso del motor (kilómetros I
horas), uso del aceite, unidad de uso del aceite (kilómetros I horas), añadidos de
aceite, marca de aceite, tipo de aceite, número de SAE del aceite, capacidad del
cárter, lugar de trabajo, y modelo del motor.
MUESTRA: contiene las características de la muestra: Código del motor, código
de muestra, año, y fechas de toma de la muestra, de análisis de laboratorio y del
envío al SISDAD.
MUESTRADES: contiene los resultados de los análisis de desgaste: código de la
muestra, concentraciones medidas (Al, Cu, Sn, Cr, Fe, Ni, Pb, Si),
concentraciones corregidas, concentraciones de referencia, índices de desgaste e
índice general de desgaste del motor.
MUESTRAEDO: contiene las características del estado del aceite: código de
muestra, número SAE del aceite, y características de la degradación y
contaminación del aceite.
Sistema de diagnóstico automático para el desgaste en motores diesel 113
RESPONSABLE: contiene la identificación de la persona de contacto en la
empresa a la cual se le presta el servicio: código de la empresa, nombre del
responsable y teléfono del responsable.
TIPO MOTOR: contiene el registro de motores conocidos en el mercado con sus
características: marca, modelo, número de cilindros, diámetro del cilindro, carrera
del pistón, capacidad del cárter, tipo de admisión, uso, ambiente de servicio y las
concentraciones de referencia (Al, Cu, Sn, Cr, Fe, Ni, Pb, Si).
Las tablas anteriormente descritas interactúan entre sí, mediante una clave
principal, que para la base de datos es el código de la muestra y unas
relaciones lógicas tal y como lo muestra la fig. 6.1.
MARjIOTOR
COIUolOTORKMS_MOTORLNl_KMSKMS_ACEI1ELNl_ACEI1EAÑADIDOSMAR_ACETTTIP_ACETTSAECN'_CARTERLUGAlURAB
alDJU5II'ASAE -
MATCARBJ.LNl_MATCAROETER_LORliC_LAGUA_LINSOI._LTBI'UVlSCOS_LMATCARB_INOETERJNOn.OC_1NAGUA_IN
, INSOI._INTBN_INVISCOS_ININ2
. SI_IN
SI_LSCCc
alD.JU!SlR ..Al_MOJ_MSN~
CR_MFE_MNCMPIl_MSI~
AL...CcOJ_Cc51'CCcCR_CcFE_CeNCCcPIl_CeSI_CeAL_REFOJ_REFSN_REFCRJlEFFEJlEFNI_REFPIlJlEFSI_REFAl_1OJJ51'UCR_IFE_INI_IPB_ISI_I
MAR_MOTOR ""MODEL_MOT<II..M_CILOIAM_CILCARR_CILAOT_CARTADMISIONUSOAroeIENTf: ...
rc:~~-~;~---~i~_~
IMARACETT ..ITlPACEIT;SAE¡-,ITAN
IVlSC40IVlSCIOOiPIIE1CEt&JLAPI .,
Fig. 6.1 Diagrama de relaciones para las tablas de la base de datos de SISDAD.
6.3 SISTEMA DE ANÁLISIS
6.3.1 Gestión y procesamiento de datos
Como se estableció, el sistema debe gestionar los datos de:
Empresas y sus correspondientes responsables.
Características de los motores y aceites.
Muestras de laboratorio (concentraciones medidas).
Diagnostico del desgaste de motores diesel 114
Resultados de los análisis de cada muestra una vez efectuados los
tratamientos de: corrección, actualización de referencias y asignación de
índices.
6.3.2 Flujo de datos entre procesos
En el diagrama de la Fig. 6.2 se muestra el conjunto global de los procesos del
sistema y el flujo de datos entre ellos; se presentan las tablas de la base de datos
(Empresa, Motores, Aceites, Responsables, Muestrades) y se identifican los
procesos implicados (registrar datos medidos, organizar datos, obtener
concentraciones corregidas e índices, registrar empresas, motores y aceite, registrar
productos, elaborar informe de diagnóstico, comentarios y recomendaciones).
6.3.3 Descripción de los procesos:
1.- Registrar entrada.
Desde una entidad externa llamada Empresa se introducen los datos
característicos del usuario, y de la muestra junto con los resultados de los análisis
de las muestras. Estos valores son solicitados por una pantalla del programa y se
almacenan en la tabla MUESTRA DESGASTE; igualmente los datos del motor y
del aceite mediante el subproceso 1.2 se almacenan en la tabla MOTORES
MUESTRAS de la base de datos, como se presenta en el diagrama de la Fig. 6.3
2.- Obtener valores corregidos e índices.
Con los valores de concentraciones medidas, tomadas de la tabla de datos
MUESTRA DESGASTE Y los valores de capacidad de cárter y añadidos de la
tabla MOTORES-MUESTRAS, se calculan las concentraciones corregidas en el
subproceso 3.1, luego en el subproceso 3.2, con la concentraciones de referencia
ubicadas en la tabla TIPOMOTOR, se comparan y asignan los índices de
desgaste respectivos.
En el subproceso 3.3 se obtiene el índice general de desgaste del motor y en el
subproceso 3.4 se almacenan en la tabla MUESTRA DESGASTE. tanto los
índices por separado, de cada elemento de desgaste como el índice general de
desgaste del motor. Como se muestra en la Fig. 6.4
en
!Q)
~
~cg~
8"Q)
~~=:!"8'1:)
~Q)
~
~
~CI)(ji
~
~O~CI)
~~
w~t;t-«mC)
---{> W m~W:!:c
___-----jI Fabricantesexternos
Datos de motores
<J----(~ 5
Registrar::/
Datos muestra
RESPONSABLE
1
(./------'''' (~~,,\
1 \ 2'\ Datos muestra Datos muestra Obtener Concen-
(> Registrar,~ organizar datos~--{> raciones corregidaDatos medidos ) e
[ "":":~ ,-/ ~':...,"do d,' ,..U,. (~""'~;'") rií
,-- Dat.. d' """.~..".. ,ó..Umd.. ~
CIPO MOTOR
Empresa
4
RegistrarEmpresa yMotores(análisis)
EMPRESAMOTORES- I [
MUESTRA
Datos deEmpresa,Motores yacenes
-8"t:l:E !!!,9 E-0.2(1),=
ACEITES 1t>/ 6(Elaborar informe'
L----------------------Ir>/ de diagnóstico,comentrarios y
L ~ecomendaciones
"TI<p'enN"tiamoCIlQ.!!.CIl
IQ.IDDI:::J!!!:¡¡j'¡¡j'o<=.5,oiQ.
~
-4-4
0'1
Diagnostico del desgaste de motores diesel 116
1.1
I 1 Datos de[ Empresa análisis
¡ W/~ W
/ 1.2 \ o:::r datos del motor y 1---1>O...\ aceite I . O, J ~,.~
C>
w~ti... «
Introducir dato
1s 1-----1> U) C)
de la muestra W U)::JW~C
\:
C"\\Número 2 )
/~/
Fig. 6.3 Flujo de datos del proceso registrar entrada
1/~.
35"\
Generar ) <]I--D_a_to_s__--'Informe de Empresaresultados
~¿~~ resultados
EMPRESA I
Corregir losValores medidos
MUESTRADESGASTE
~'.
// Proceso\) Valores medidos
I Número 2
\ /~,,~ r
:~~~TIR:~_l:,,_ores_co_rr_eg_,dOs ---I I Valores Medidos, " ~ y corregidos
~32 \ MUESTRA
TIPO MOTOR -{> ASignar DESGASTE EMPRESAValores Indica )
~ /
]
:alores Corregidose Indicas
/ 33 Valores corregidos,(/ '-- Indicas, Indice de
(
Obtener desgaste del motor
Indica deDesgaste del~ Motor /J
~OSIOSI ~~~resdeI ~.s.gaste de la
~uestra
<}--(~:,~')~. -.---//
Fig.6.4 Flujo de datos del proceso obtener valores corregidos e índices.
Sistema de diagnóstico automático para el desgaste en motores diesel 117
Usando los datos almacenados en la tabla MUESTRA DESGASTE se genera el
informe de resultados de la muestra analizada, como lo evidencia el diagrama de
la Fig. 6.4
EMPRESA
Datos de laempresa
Datos delMotor y Aceite
Introducir }"Datos dely
Datosdel responsable
44
IntroducirDatos del
motor y acene
/
Datos delMotor y Aceíte
4.2
(Almacenar \
Datos /, de la empresa !
'" /~r
EMPRESA RESPONSABLE
/~
Almacenar )-------1[>MOTORES-\ Datos
\ Vehfculo MUESTRAS" /",~
Fig. 6.5 Flujo de datos del proceso registro de empresa, motor y aceite.
3.- Registro de empresa, motor y aceite.
De la entidad externa Empresa, como se muestra en la fig. 6.5, se obtienen los
datos de la empresa a la cual pertenece, el responsable, el tipo y marca del
motor, así como las del aceite que utiliza el motor y se almacenan en las tablas
EMPRESA, RESPONSABLE, Y MOTORES-MUESTRAS. Los datos de la
empresa que solicita el servicio mediante el subproceso 4.2, los del responsable
con el subproceso 4.3 y los datos del motor y aceite mediante el subproceso 4.5,
Diagnostico del desgaste de motores diesel 118
Datosdel Motor
Datos delAceite
FABRICANTES {:::"~'EXTERNOS I-----------j Tipo
~ Motor /
I
~/ 53 "\
(Introducir )
Caracterlsticas
\~Acelte /
Datos delAceite
~"
(
/ Alm:~nar \.\)TipoMotor í
~TMOTORES
/ 54 ."\
I \
(c:~~~ec;;::as )i---------C> ACEITES\ Aceite /
~~----.--/
Fig. 6.6 Flujo de datos del proceso registrar productos
4.- Registro de aceites y motores desde una entidad exterior.
En el diagrama de la figura 6.6 se muestra como de una entidad externa
denominada FABRICANTES EXTERNOS se toman y registran los datos de los
motores y las propiedades originales del aceite, que se introducen mediante los
subprocesos 5.1 y 5.3; estos datos serán almacenados posteriormente en las
tablas de datos MOTORES y ACEITES respectivamente.
5.- Elaboración de informe.
Por este proceso, procedentes de la tabla EMPRESA, llegan los datos de la
empresa: nombre, dirección, ubicación, teléfono, fax, correo electrónico y el código
de la empresa.
Sistema de diagnóstico automático para el desgaste en motores diesel 119
I EMPRESA
/~,
6.1 \
Atender \Petición )
/
Parametrosde petición
MOTORES- --------;
MUESTRAS JIEMPRESA ----~~
"O/--'~,RESPONSABLE -------jC> ( pre:u:mr \
MUESTRA ~/-q~asede Datos
DESGASTE ".
Informe
1Valores de losparámetrossolicitados
~'\( Presentar \
Informe de Iresultados í
\ .
'~'--~--//
Fig. 6.7 Flujo de datos del proceso presentar informe
Procedentes de la tabla RESPONSABLE llegan datos de la persona responsable:
nombre y teléfono. Los datos del motor: marca, modelo, capacidad del cárter,
añadidos y periodo de funcionamiento provienen de la tabla MOTORES; y de la
tabla MUESTRA DESGASTE: se obtienen: los valores medidos, las
concentraciones corregidas, los índices asignados a cada elemento de desgaste y
el índice general del estado de desgaste del motor. En el subproceso 6.1 se
reciben los datos de la petición y con ellos se formula la pregunta final de los
parámetros que se solicitan. En el subproceso 6.3 se presenta la hoja de
resultados, tal y como se muestra en el diagrama de la figura 6.7.
6.4 SISTEMA DE DIAGNÓSTICO
El sistema de diagnóstico es un programa informático que contiene expresadas en
forma simbólica la experiencia y conocimiento de los expertos [38] en forma de
Diagnostico del desgaste de motores diesel 120
reglas que se utilizan para diagnosticar las fallas de los motores, mediante un
proceso determinístico similar al que sigue un experto.
Su utilización en el diagnostico de los motores mediante análisis del aceite se
basa en lo siguiente:
• El proceso de diagnóstico es complejo y requiere de la existencia del expertos
que son escasos y se dificulta reunirlos constantemente
• A los motores se les realizan frecuentemente análisis similares.
• La cantidad de motores a analizar es frecuentemente grande y su complejidad
cada vez mayor.
• La adquisición de conocimientos necesarios para el uso de una técnica
probabilística constituye un proceso largo y costoso.
• La experiencia adquirida por una persona no es fácilmente trasmisible, la
mayor parte de las personas que la posee se jubilan o mueren sin compartirla.
Las anteriores razones hacen atractivo el uso de un sistema de diagnóstico
algorítmico como herramienta de ayuda al mantenimiento y principalmente al
diagnóstico de fallas de motores diesel en contraposición a un sistema experto, del
cual en su etapa previa. Además los sistemas expertos presentan algunas
desventajas como el hecho de que los datos e información a analizar son una
mezcla de tipo numérico, lógico y heurístico y la obtención de los conocimientos
de los expertos es una faena ardua que excede el objetivo del presente trabajo.
La herramienta informática diseñada (SISDAD), posee un sistema de diagnóstico de
tipo algorítmico que con los datos indispensables, tomados de las distintas tablas de
la base de datos, interacciona con el sistema de análisis para seguir las
instrucciones de su programa, asignar un diagnóstico y emitir una ta~eta que se
envía al usuario para informarle los resultados del sistema de diagnóstico.
La mayor dificultad encontrada en la construcción y aplicación del sistema de
diagnóstico, la constituye el empleo de la base de datos, ya que la asignación de
las proposiciones de diagnostico, a las que a continuación se hará referencia,
exige el examen de numerosos datos para la aplicación o no de sus reglas. Este
inconveniente se resuelve gracias al paquete informático utilizado (Visual Basic)
para la elaboración del programa, el cual es compatible con la estructura de las
Sistema de diagnóstico automático para el desgaste en motores diesel
tablas de la base de datos administrada con el paquete informático Acces.
6.5 PROPOSICIONES DE DIAGNOSTICO
121
La tarjeta de resultados que se obtiene mediante el programa SISDAD, debe
contener las proposiciones que los expertos emitirían al evaluar los resultados del
análisis espectrométricos de los elementos de desgaste del motor.
Las proposiciones, que se obtienen aplicando las reglas de diagnóstico que
utilizan los índices calculados por el sistema de análisis, son de 3 tipos [39]:
• Comentarios: expresión escrita que describe directamente los resultados
analíticos de los elementos de desgaste.
• Diagnóstico: son el resultado de aplicar las diferentes reglas de diagnóstico a
los valores obtenidos a partir de los resultados del análisis espectrométrico de
la muestra.
Recomendaciones: adjuntas a los diagnósticos, informan al usuario que
acciones debe tomar en función del diagnóstico emitido, para comprobarlo o
desecharlo.
Con toda este tipo de expresiones el usuario dispone de una información bastante
precisa de cual es el estado del motor, así como las medidas a tomar para
comprobar la falla.
6.5.1 Proposiciones de comentario
o Contenido de [ 1 1 ] ligeramente elevado. Se asigna cuando los índices de
uno, dos o tres elementos toman valores de 2 o 3.
o Contenido de [ , , ] elevado. Se asigna cuando los índices de uno, dos o
tres elementos toman valores de 4 o 5.
o Las concentraciones de la mayoría de los elementos son ligeramente
elevadas. Se asigna cuando el índice de desgaste del motor es ~ 3.
o Las concentraciones de la mayoría de los elementos son elevadas. Se
asigna cuando el índice de desgaste = 5.
Diagnostico del desgaste de motores diesel 122
o La concentración de los elementos es normal. Se asigna cuando el índice
de todos los elementos es = 1.
6.5.2 Proposiciones de diagnóstico
g Posible desgaste del conjunto camisa - anillos. Se asigna cuando el índice
de cromo es ~ 3.
D Posible desgaste de algún elemento del sistema de distribución. Se asigna
cuando el índice del níquel es ~ 3.
D Posible desgaste del conjunto pistón - camisa. Se asigna cuando el índice
del aluminio es ~3 y el del hierro ~ 2.
D Posible desgaste de cojinete de aluminio si lo posee o del pistón en caso
contrario. Se asigna cuando el índice de aluminio es ~ 3 Y el del hierro=1.
D Desgaste anormal de piezas a base de hierro no identificables. Se asigna
cuando el índice de hierro ~ 3 Y los del cromo, níquel y aluminio ~ 2.
D Posible desgaste de cojinetes. Se asigna cuando los índices del cobre y el
plomo son ~ 2 o cuando el índice del zinc ~ 2.
D Presencia de cobre debido posiblemente a fuga interna de refrigerante,
aditivos o desgaste de algún elemento Uunta, arandela, etc.) de este
material. Se asigna cuando el índice de cobre ~ 4 Y los de plomo y zinc ~ 2.
6.5.3 Proposiciones de recomendación
• Efectuar prueba de compresión y revisar consumo de aceite para evaluar
estanqueidad de grupo pistón - anillos - camisa. Se asigna cuando se ha
diagnosticado desgaste en algún elemento del grupo.
• Elevado desgaste del motor. Nuevamente se recomienda inspeccionar.
Posible necesidad de intervención. Se asigna cuando en tres muestras
consecutivas de un mismo motor se recomienda efectuar prueba de
compresión.
• Verificar presión de aceite para evaluar estado de cojinetes. Se asigna
cuando se diagnostica desgaste de estos elementos.
Sistema de diagnóstico automático para el desgaste en motores diesel 123
• Es muy probable que el elevado desgaste se deba a que el motor esta en
rodaje. Se asigna cuando el índice de desgaste del motor ~ 2 Y sus
kilómetros de utilización < 25.000 o 500 horas.
• Los resultados obtenidos pueden deberse a que se ha tomado la muestra
en un recipiente contaminado con gasolina. Se asigna cuando el índice del
plomo ~ 4 Y los del zinc y cobre s 2.
• En este vehículo se puede prolongar el período de cambio de aceite en
1000 Km. o 20 horas. Si el resultado del análisis de la degradación del
aceite es bueno. Se asigna cuando el índice de desgaste de motor es =1.
6.6 PROGRAMA DEL SISTEMA DE DIAGNOSTICO AUTOMÁTICO PARA EL
DESGASTE EN MOTORES DIESEL (SISDAD)
El manual de instalación y uso del programa se presenta en el apéndice A
6.6.1 Descripción del programa
A) Lleva fundamentalmente el control del mantenimiento predictivo y da
algunas recomendaciones de mantenimiento preventivo y correctivo de
motores diese!.
B) Es un sistema algorítmico y una herramienta útil para el ingeniero.
C) Permite obtener un registro de cada motor, perteneciente a cualquier
empresa, almacenado en la base de datos.
D) Posee un registro histórico de cada motor evaluado, actualizándose cada
cierto tiempo sus registros.
E) Posee un estudio estadístico que permite actualizar y ajustar la
concentraciones de referencia.
F) Evalúa las muestras de concentraciones metálicas suministradas, corrige
las concentraciones metálicas, compara con la concentraciones de
referencia, asigna los índices de desgaste para cada elemento analizado,
calcula y asigna el índice general de desgaste del motor diesel analizado.
G) Genera proposiciones de tres tipos: comentarios, diagnósticos y
recomendaciones.
El programa SISDAD ha sido elaborado con la herramienta informática Visual
Diagnostico del desgaste de motores diesel 124
Basic 6.0 modo empresarial, bajo ambiente Windows, siendo muy amigable para
el usuario. Utiliza una base de datos que se realizó en Access 2000, por ser una
herramienta poderosa y de fácil manejo.
6.6.2 Requerimientos del computador para el uso del programa
Para acceder y usar el programa S.I.S.0.A.O. se necesita un computador con las
siguientes características mínimas:
• Procesador de 1.3 GHz o superior
• 256 MB de memoria RAM.
• Resolución de pantalla de 800 x 600 píxeles
• Unidad de CO-ROM.
• Unidad de disco 3 %
• Monitor súper VGA
• Ambiente Windows 2000 o XP
• Conexión a Internet
• Impresora de tinta o cinta.
• La fecha y hora deben estar actualizadas.
• Los iconos deben ser para pantalla de 800 x 600 píxeles
Diagnóstico del desgaste de motores diesel
CAPITULO VII: CONCLUSIONES Y DESARROLLOS FUTUROS
7.1 CONCLUSIONES
Como conclusiones del presente trabajo se tiene las siguientes:
125
~ Se ha llevado a cavo una revisión general del mantenimiento,
especialmente del mantenimiento predictivo; de igual manera una revisión
general de la tribología enfocada principalmente en el desgaste y una revisión
particular sobre el desgaste en los motores diesel, logrando una recopilación y
síntesis de la bibliografía consultada con el objetivo de identificar y conocer
cuales son los factores que originan el desgaste sobre las diferentes partes del
motor para luego aplicarlas al diagnóstico.
~ Se realizó una revisión sobre las técnicas para identificar y cuantificar el
desgaste del motor mediante el análisis de aceite, tanto las tradicionales como
las más recientes, con la finalidad de conocer sus ventajas y desventajas y
seleccionar las más adecuadas para el seguimiento del estado del motor.
~ Se ha desarrollado y validado un modelo exponencial para tratar las
concentraciones de metales de desgaste obtenidas mediante análisis
espectrométrico de las muestras de aceite usado de motores diesel, que
permita corregir la influencia de la composición del lubricante, los añadidos
(reposiciones intermedias) y los kilómetros de uso tanto del lubricante como del
motor.
~ Se han utilizado de la bibliografía consultada, algunos métodos para
caracterizar las concentraciones metálicas corregidas que permita calificar
tanto cualitativa como cuantitativamente los resultados de los análisis.
~ Se ha llevado a cabo la recopilación de una serie de estudios que
correlacionan los síntomas (concentraciones de desgaste), con las fallas del
motor que los producen. Como resultado, se obtienen una serie de
proposiciones que simulan las que emitirían los expertos respecto a las
posibles fallas que lo puedan originar junto con algunas recomendaciones para
identificarlas y comprobarlas.
Conclusiones 126
.... Se ha propuesto, diseñado, desarrollado, y probado un sistema
automático de diagnóstico para el desgaste de motores diesel a partir de
muestras de aceite usado, donde se emplean las técnicas y métodos
desarrollados en el presente trabajo como son: almacenar los datos necesarios
para el funcionamiento del sistema, sistematizar el cálculo de concentraciones
corregidas e índices, asignar mediante un proceso determinístico similar al que
sigue un experto proposiciones tanto de diagnóstico como de comentario y
recomendación y generar una salida con los resultados de los análisis y el
diagnóstico.
.... Se ha obtenido una rutina informática de fácil instalación y manipulación
para ser utilizada como herramienta en investigaciones y desarrollos futuros,
así como en aplicaciones en la industria del trasporte.
7.2 DESARROLLOS FUTUROS
.... Como posible desarrollo futuro del tema investigado se plantea la
utilización un sistemas de inteligencia artificial (I.A.) al diagnóstico
específicamente un sistema experto para el diagnóstico del desgaste de
motores diesel teniendo como base el método determinístico presentado en
este trabajo.
.... Se sugiere por otra parte, la utilización de la lógica difusa (fuzzy) en un
sistema experto de diagnóstico que se base en el método determinístico
desarrollado. De esta manera aplicando la nueva metodología para tratar los
síntomas no como variable binaria como lo haría el sistema determinístico sino
variable difusa que lleve incorporado un tratamiento de certeza que optimice el
proceso, se conseguiría una mejora sustancial de la aplicación.
.... Así mismo se plantea la posibilidad de la aplicación de las redes
neuronales al método determinístico con idéntica finalidad; es decir lograr la
mejora del método utilizado.
.... Extender el uso de los métodos modernos de I.A. aplicados al diagnóstico
mediante el análisis de aceite, a otras técnicas de mantenimiento predictivo.
Diagnóstico del desgaste de motores diesel
BIBLIOGRAFíA
[1] FYGUEROA, S. (1997)
Mantenimiento de motores diese/.
Universidad de los Andes, Venezuela.
[2] Área de Mantenimiento Integral.
http.WWN.mantenimientointegral.com
[3] NAVA, J. (1996)
Teoría de mantenimiento definiciones y organizaciones.
Universidad de los Andes, Venezuela.
[4] La tribología. Herramienta eficaz para incrementar la productividad de los
equipos.
http.WWN.ingenierosdelubricación.com
[5] ALBARRAN, P. Elementos que constituyen la tribología.
http.WWN.ingenierosdelubricación.com
[6] AYEL, J. (1979)
Les diferentes formes tribologiques d'usure des surfaces métaliques.
Paris, Editions Technip.
[7] Eyre,P.(1981)
Sorne observations on the friction and wear of a hardened rider
Wear6
[8] ANTLER, M. (1969)
Processes of metal transfer and wear.
Wear R,7
[9] NOBREGA, F; FAIERSTEIN, R (1989)
Corrasao por fretting no compressor alternativo de CO2 da Nitrofertil. 5°
Congreso Ibero-Americano de Mechanical Engineers. Usboa.
[10] FARO, A; DYSON, A. (1960)
Piston ring friction.
The institute of Petroleum.
[11] PONS, L.; CHEVILLON, J. (1961)
127
Bibliografía 128
Compte rendu d'espériences réalisées sur moteur I'usure corrosive.
Traducción I.F.P.
[12] IOFA, Z.; BESPROSKURNOV, G. (1957)
Etude du mecánisme de la corrosión atmosphéric du fer en présence de
gaz sulfureux comme agresseur
Traducción I.F.P.
[13] CREE, J.; THIERY, J. (1961)
Un recherché sur les facteurs commandant I'usure des segments de
pistons au démarrage.
[14] SCHMIDT, K (1973)
Internal report CFR 4134.
Cummins Engine Company.
[15] JAMES, W.; CHASE, C. (1954)
The role of coagulants, absorbents and suspensoids in lubricating oi!.
Symposium on oil filtration in modern industry. Universidad de California.
[16] Monitoreo de aceites y costos de mantenimiento.
www.Proactivo.htm
[17] INASMET. (1962)
Espectrometría de absorción atómica.
Seminario sobre aspectos prácticos del mantenimiento predictivo mediante
análisis de aceite. San Sebastián
[18] CORSO, S.; ADAMO, R. (1985)
Incipient scuffing detection by ferrografhy in a diesel valve train.
SAE paper 852124
[19] Mantenimiento predictivo mediante el análisis de las partículas contenidas
en el aceite (1991).
Dpto. técnico de lubricantes SHELL..
[20] JONSON, G.; WHITE, W. (1970)
x-ray wavelengths and keV tables for nondiffractive analysis.
Philadelphia, ASTM
[21] DIERKHEIDE, U.; MEYER, P.; HENTSCHEL, W. (2001)
Diagnóstico del desgaste de motores diesel
Endoscópio 2d-PIV tor field measurements in IC engines.
4th. International Symposium on particle image Velocimefry. Alemania
[22] Tipos de Endoscopios
www.abqindustrial.com/Spanish/slxcopeintro.shtml.
[23] Fiber optic Spark plug
www.holomap.cpm/dpiv.htm
[24] Mandelbrot B.; Passoja D.; Paullay A. (1984)
Fractal character of fracture surfaces of metals. Nature
129
[25] SHILLlNG. A. (1965)
Los aceites para motores y la lubricación de los motores
Interciencia. Madrid
[26] Méthodes rapides d'analyse des huiles usagées (1971)
Publications de l'lstitut Fracais du Petrole.
Editions Technip. Paris
[27] Collacot, R. (1982)
Mechanical fault diagnosis and conditions monitoring.
Chapman and Hall. New York
[28] LAWES, G. (1987)
Scanining electron microscopy and X-Ray microanalysis
Jhon Wiley and Sonso New York
[29] MACIAN, V.; LERMA, M. (1997)
Desarrollo de un sistema automático de mantenimiento predictivo mediante
análisis de aceite.
111 Congreso Iberoamericano de Ingeniería Mecánica. La Habana.
[30] FYGUEROA, S. (1994)
Diagnostico del desgaste y el estado de motores de encendido por
compresión.
Servicio de publicaciones de la Universidad Politécnica de Valencia.
Valencia.
[31] STALEY, D. (1988)
Bibliografía 130
Correlating lube oil filtration efficiencies whit engine wear.
SAE paper 881825
[32] HUBERT, C.; BECK, J.; JHONSON, J. (1982)
A model and the methodology for determining wear particle generation rate
and filter efficiency in a diesel engine using ferrography.
[33] ESPINOZA, H. (1990)
Diagnostico de fallas en motores de encendido por compresión.
Tesis doctoral. Universidad Politécnica de Valencia. Valencia.
[34] FYGUEROA, S. (1994)
Diagnóstico de motores de encendido por compresión de automoción
mediante análisis de aceite.
Tesis doctoral. Universidad Politécnica de Valencia. Valencia.
[35] El origen de los metales.
www.origendelosmetales.htm
[36] DEMARCO, T. (1979)
Structured analysis and system specifications
NewYork.
[37] SOMMERVILLE, 1. (1989)
Software engineering.
London, Addison Wesley Publishing Company
[38] ELMASRI, R. (1997)
Sistema de base de datos: Conceptos fundamentales
España.
[39] ESPINOZA, H.; CARABALLO, J. (1996)
Desarrollo de un sistema experto para el diagnóstico de motores diesel
2A Jornadas científicas JOCIME. Pto. La Cruz. Venezuela
[40] MACIÁN, V.; LLORENS, J (1992)
Sistema de diagnóstico de motores diesel por análisis de aceite.
X Congreso Nacional de Ingeniería Mecánica. Madrid
Anexos
ANEXOS
ANEXO 1: íNDICE GENERAL DE DESGASTE DEL MOTOR
130
Combinaciones posibles de los elementos de desgaste individuales para la
obtención del índice de desgaste del motor.
íNDICE 1:
11111112111111
íNDICE 2:
22111113111111
íNDICE 3:
2221111 32222222222111 33111112222211 33211112222221 33221112222222 33222113211111 33222213221111 33222223222111 41111113222221
íNDICE 4:
3333333 4332211 4422111 44333224211111 4332221 4422211 44333314221111 4332222 4422221 44333324222111 4333111 4422222 44333334222211 4333211 4431111 51111114222221 4333221 44321114222222 4333222 44322114311111 4333311 44322214321111 4333321 44322224322111 4333322 44331114322211 4333331 44332114322221 4333332 44332214322222 4333333 44332224331111 4411111 44333114332111 4421111 4433321
Diagnóstico del desgaste de motores diesel
íNDICE 5:
4441111 5311111 5433333 5522222 5544411 55544414442111 5321111 5441111 5531111 5544421 55544424442211 5322111 5442111 5532111 5544422 55544434442221 5322211 5442211 5532211 5544431 55544444442222 5322221 5442221 5532221 5544432 55551114443111 5322222 5442222 5532222 5544433 55552114443211 5331111 5443111 5533111 5544441 55552214443221 5332111 5443211 5533211 5544442 55552224443222 5332211 5443221 5533221 5544443 55553114443311 5332221 5443222 5533222 5544444 55553214443321 5332222 5443311 5533311 5551111 55553224443322 5333111 5443321 5533321 5552111 55553314443331 5333211 5443322 5533322 5552211 55553324443332 5333221 5443331 5533331 5552221 55553334443333 5333222 5443332 5533332 5552222 55554114444111 5333311 5443333 5533333 5553111 55554214444211 5333321 5444111 5541111 5553211 55554224444221 5333322 5444211 5542111 5553221 55554314444222 5333331 5444221 5542211 5553222 55554324444311 5333332 5444222 5542221 5553311 55554334444321 5333333 5444311 5542222 5553321 55554414444322 5411111 5444321 5543111 5553322 55554424444331 5421111 5444322 5543211 5553331 55554434444332 5422111 5444331 5543221 5553332 55554444444333 5422211 5444332 5543222 5553333 55555114444411 5422221 5444333 5543311 5554111 55555214444421 5422222 5444411 5543321 5554211 55555224444422 5431111 5444421 5543322 5554221 55555314444431 5432111 5444422 5543331 5554222 55555324444432 5432211 5444431 5543332 5554311 55555334444433 5432221 5444432 5543333 5554321 55555414444441 5432222 5444433 5544111 5554322 55555424444442 5433111 5444441 5544211 5554331 55555434444443 5433211 5444442 5544221 5554332 55555444444444 5433221 5444443 5544222 5554333 55555515211111 5433222 5444444 5544311 5554411 55555525221111 5433311 5511111 5544321 5554421 55555535222111 5433321 5521111 5544322 5554422 55555545222211 5433322 5522111 5544331 5554431 55555555222221 5433331 5522211 5544332 55544325222222 5433332 5522221 5544333 5554433
131
Anexos
ANEXO 2: MANUAL DE USO DEL PROGRAMA SISDAD.
132
Instalación del programa SISDAü.
• Insertar el CD en la unidad correspondiente. El CD contiene el programa,la
base de datos y Visual 8asic 6.0, así que no es necesario poseerlo.
• Abrir el CD desde el explorador de Windows, buscar la carpeta PAQUETE,
luego abrirla e instalar el programa presionando el icono SETUP.
• Una vez instalado el programa retirar el CD.
• El programa quedará registrado en INICiO> todos los programas> SiSDAD.
DESCRIPCiÓN DE lOS MENÚS DEL PROGRAMA SISDAD.-
Una vez instalado el programa, se procede a ejecutar y aparecerá la pantalla de
presentación de la forma:
El programa S.I.S.D.AD. posee 3 menús (diagnostico, búsqueda e información)
de los cuales se dará descripción detallada a continuación:
1.- Diagnóstico:
Este menú constituye la parte principal del programa ya que posee el modulo de
cáiculo y análisis para las muestras ingresadas. Seleccionando el botón
Diagnóstico del desgaste de nlOtoles diesel 133
DIAGNOSTICO se accede a registrar los datos de empresa, motor, aceite y
muestras de laboratorio.
1.1.- Registro ¡ empresa: mediante esta pantalla se pueden ingresar y
registrar los datos de la empresa de tres formas: manual, por código, o por
búsqueda personalizada.
1.1.1 Registro I empresa! manual: Permite registrar de forma manual la
información de la empresa con nuevo ingreso, con los datos de:
Nombre, actividad, dirección, ubicación, teléfono, fax, correo
electrónico y los datos del responsable: nombre, teléfono. También
facilita ubicar cualquier empresa existente en la base de datos, solo
suministrando el nombre de la empresa, automáticamente se llenan
las demás casillas.
Nota: automáticamente se le asigna un código a la empresa ( se
muestra en el reporte final).
Anexos 134
1.1.2 Registrol empresa! código: permite ingresar el código de una
empresa ya existente y ubicarla en la base de datos, luego retorna a la
pantalla registrol empresa con todos las casillas llenas de esa
empresa.
Ingre&e el c6cigo de la erre:-esa 1Aceptar JCaru:elar 1
1.1 .3 Registrol Empresa! búsqueda personalizada: mediante esta función
se puede localizar una empresa en la base de datos con solo conocer
alguna característica, como lo es: la actividad, dirección ubicación,
teléfono, fax, correo electrónico, nombre del responsable, teléfono del
Diagnóstico del desgaste de motores diesel 135
responsable. Se selecciona cual es el renglón conocido y en la casilla
PARÁMETRO DE BÚSQUEDA se escribe el dato.
Una vez utilizada cualquier función de ingreso de la empresa (manual, código,
búsqueda personalizada) se presiona el botón CONFIRMAR e inmediatamente se
despliega una pantalla de consulta de la forma:
C~~::;;::::~""""'" " .~11 ~'lU il"" "''11 .••. i'""tI los datos son c.orredos? I[g ~ I I
Si se selecciona SI, registra, actualiza la base de datos con esa empresa y pasa a
la pantalla registro! motor, en caso contrario (NO), regresa a la pantalla de
registro empresa y permite editar algún dato erróneo o actualizar algún dato de la
empresa
1.2 Registro! Motor: por esta pantalla se ingresan los datos del motor, para la
marca y modelo se despliegan columnas con todos los motores registrados
existentes en la base de datos, mientras se llena este renglón se ubica si existe
Anexos 136
una marca o modelo similar registrado, en caso contrario se ingresa el nuevo
motor.
101_
E_
Nmm rCMgo r-I--
¡; ~de..., 10.5""-'--3---'. r HCIf..deuso
~deIe..ter(lt.)
Nii"nen>deClinltot '-;6-- 1775
MníooCirl
'"_ {'S_ {"
¡; Móvil r E"acion!m
~del,abaio
o_e r......,." no_
Una vez descrito el modelo y marca del motor se solicita un código motor que
permita identificarlo del universo de motores existente en la base de datos, para
ello se ingresa un serial de a hasta 1O dígitos o letra, esto permite tener un
historial de ese motor cuando se analiza consecutivamente. Aparte de esto se
solicitan los siguientes datos: los kilómetros de uso del motor si se selecciona
el uso MÓVIL o las horas de uso del motor si se selecciona uso
ESTACIONARIO. La capacidad del Cárter, el número de cilindros del motor, el
lugar de trabajo (ambiente arenoso - ambiente no arenoso) y la admisión
(normal, sobrealimentada e intercooler).
Nota: los datos de kilómetros de uso u horas de uso del motor y la capacidad
del cárter son indispensables por lo cual cuando no se suministran se despliega
una pantalla de información con el comentario 11 debe suministrar la capacidad
Diagnóstico del desgaste de motores diesel 137
del cárter". De no conocer dicho dato el sistema hará una inserción automática
de este valor. (capacidad del cárter: 30 Its.)
1.2 Registro I Aceite: a través de esta pantalla se ingresan los datos del
aceite; marca, tipo y SAE que usa el motor; de la misma forma que con los
datos del motor, se despliegan pantallas con los aceites contenidos en la base
de datos; de no conocerse la clase de aceite, se debe colocar en el renglón
marca de aceite NINGUNO, en el tipo de aceite NINGUNO y en el SAE
UNIVERSAL.
También se solicitan los datos del tiempo de uso del aceite en horas o
kilómetros y los añadidos de aceite (obligatorio).
De no suministrarse el dato añadidos el sistema no continuara hasta que se
inserte.
1.3 Registro I muestra: se presenta la pantalla para introducir los datos de los
análisis espectrométricos de las muestras, en los cuales figuran los contenidos
de aluminio, cromo, plomo, cobre, hierro, estaño, níquel y sílicio.
Anexos
E_.Nonilre =!AG=RU~=t>.BU=S=.SA ....
Cócigo IE.axmm
-.06dig0 Fechade Toma de N....... FechaAnMs;odeLab~<i:.=...=..=-:I14- h2l12r.llJ2 h2l12r.llJ2
R_dolal>u_ ...P.P.M.
Abiri>lI\IJ Cnno{C,¡ I'baoll'bl199.217 ra- 18.3
Cdlro(Cu)Híono(Fo¡
~ SicefiQ.9 [14 .Edallo(Sn) Niquol(Nij
~ ~
138
También se piden las fechas de toma de la muestra (extracción de la muestra
del motor) y de análisis de laboratorio y automáticamente se asigna y muestra
el código de la muestra en consideración.
Nota: no es obligatorio dar entrada a todos los elementos espectrométricos
solicitados, en caso de omisión de uno de ellos se adjudicara el cero como
valor. Para proteger la base de datos de actualizarse en forma errónea se
colocaron rangos de valores permitidos. Si se coloca equivocadamente un
valor y está fuera de rango aparecerá una pantalla de información con la
sentencia u el valor de xxxx esta fuera de rango"
o El valor del AkJmIr40 esta fuera del rango [O; 19.8]
I Aceptar I
1.3 Resultados: una vez almacenados, procesados y calculados todos los
elementos introducidos, se genera una pantalla de resultados que presenta los
análisis cuantitativos y cualitativos efectuados en el bloque de cálculo del
Diagnóstico del desgaste de motores diesel 139
programa. Contiene los valores de: nombre de la empresa. Código de la
empresa, código de la muestra (que se asigna automáticamente), kilómetros
del motor, fecha de emisión del diagnóstico. Y los resultados del análisis como
son:
• Concentraciones corregidas.
• índices de desgaste.
• índice general de desgaste del motor que de acuerdo al índice obtenido
cambia de color.
~CE COLOR-~~.~ 1
blanco
2 verde
I
3 crema
4 anaranjado
5 rojo~ ~
Anexos 140
Se presenta un grafico representativo de los niveles de concentraciones
obtenidas por comparación con las referencias.
Cada elemento posee un color único (aluminio = rojo; cobre = verde;
estaño = azul; cromo = amarillo; hierro = magenta; níquel = azul
aguamarina; plomo = gris; sílice = vinotinto).
1.4 Informe: se genera una pantalla imprimible en forma de planilla donde se
presenta el reporte de la muestra analizada; con los siguientes renglones:
• Empresa.
• Código.
• Actividad.
• Muestra.
• Responsable
• Fecha de emisión
• Fecha de toma de muestra
• Fecha de análisis.
• Marca de motor.
• Modelo de motor.
• Uso del motor.
• Añadidos.
• Una tabla contentiva de: elementos de desgaste, valor del
elemento(introducido por pantalla), concentración corregida, referencia
contra quien se compara cada concentración, valor de los índices
individuales, valor de índice general de desgaste del motor.
• Una sección con las sentencias adjudicadas de: Comentario,
diagnostico y recomendaciones.
Diagnóstico del desgaste de motores diesel
• SISDADREPORTE DE LA MUESTRA
141
Resonsable DLUIS FERNANDEZ
Empr esa AISA
Código JBAA Actividad' NTRANS t\.1uestra M-OOOOO015
Fecha de Emisión 2OJ1 OJ2003
Fecha de Toma 12/12J2002
Marca del Motor' AAAA
Modelo Motor' General
Elemento Muestra
AluminiO 12
Cobre 14
estaño 4
Cromo 5
Hierro 100
Nlquel 0.3
Plomo 18
Silice 14
Fecha del Analisls 12/1212002
Uso del Mo1or M
Ar,.'lCl!dos· 0.5
Referencia Coo{;entración corregida Indices6.6 12.0990 2
6.6 14.1148 2
1.6 4.03307 3
3.2 5.04168
42.7 100.693 2
0.7 0.29553 1
6.5 18.1447 3
11 14 1
Indice General de desgaste 3Tipo Descripción
e las concentraciones de la mayoría de los elementos son ligeramente elevadas
D Posible desgaste de cojinetes
R Es muy Probable que, el eIev8do desgaste se deba a que el motor esta en rodaje
R VerifIqUe presión de acele para evaluar estado de cojinetes
2.- Búsqueda:
Suministra información de cualquier información que se encuentre en la base de
datos, para ello se visualiza una pantalla con 7 opciones para realizar una
búsqueda especifica.
Diagnóstico del desgaste de motores diesel 143
Para acceder solo basta con pararse sobre cualquier letra mostrada e
inmediatamente aparecerá una pantalla con todos los términos cuyo nombre
comience con dicha letra.