Diseño y montaje de un banco de pruebas para detección y clasificación de fallas en rodamientos de bola para máquinas rotativas
El presente trabajo hace referencia al diseño y montaje de un banco de pruebas para detección y clasificación de fallas en rodamientos de bola para máquinas rotativas, implementando un algoritmo off-line que permite detectar y clasificar fallas por desgaste (leve o agresivo) de anillo exterior e int...
- Autores:
-
Blanco Rodríguez, John Jairo
Melgarejo Agudelo, Carlos Fabián
- Tipo de recurso:
- Trabajo de grado de pregrado
- Fecha de publicación:
- 2021
- Institución:
- Universidad Autónoma de Bucaramanga - UNAB
- Repositorio:
- Repositorio UNAB
- Idioma:
- spa
- OAI Identifier:
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- Acceso en línea:
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- Palabra clave:
- Mechatronic
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El presente trabajo hace referencia al diseño y montaje de un banco de pruebas para detección y clasificación de fallas en rodamientos de bola para máquinas rotativas, implementando un algoritmo off-line que permite detectar y clasificar fallas por desgaste (leve o agresivo) de anillo exterior e interior; utilizando redes neuronales artificiales (ANN) como técnica principal de clasificación. Mediante la implementación de tres kits de ejes con distintas condiciones (Condición norma, condición con falla externa y condición con falla interna) se realiza la toma señales de vibración mediante la integración de un sensor piezoeléctrico Dytran 3056D2, en conjunto con una tarjeta de adquisición de datos NI-9230. Posteriormente en una interfaz desarrollada en LabVIEW se realiza el procesamiento de la señal y en conjunto con MATLAB se obtienen los resultados de acuerdo con la falla tratada. |
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Mediante la implementación de tres kits de ejes con distintas condiciones (Condición norma, condición con falla externa y condición con falla interna) se realiza la toma señales de vibración mediante la integración de un sensor piezoeléctrico Dytran 3056D2, en conjunto con una tarjeta de adquisición de datos NI-9230. Posteriormente en una interfaz desarrollada en LabVIEW se realiza el procesamiento de la señal y en conjunto con MATLAB se obtienen los resultados de acuerdo con la falla tratada.INTRODUCCIÓN ............................................................................................................... 16 1. OBJETIVOS ................................................................................................................ 17 1.1. Objetivo General .................................................................................................. 17 1.2. Objetivos específicos ........................................................................................... 17 2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Y JUSTIFICACIÓN .................................. 18 3. ANTECEDENTES ....................................................................................................... 20 4. ESTADO DEL ARTE .................................................................................................. 21 5. MARCO TEÓRICO ..................................................................................................... 26 5.1. ¿Qué son los rodamientos?................................................................................... 26 5.2. Funciones principales de un rodamiento .............................................................. 26 5.3. Carga radial y axial en rodamientos ..................................................................... 27 5.4. Tipos de rodamientos ........................................................................................... 27 5.4.1. Rodamientos de bola .................................................................................... 28 5.4.2. Rodamientos de rodillo ................................................................................ 29 5.5. Partes de un rodamiento ....................................................................................... 31 5.5.1. Anillo interior / Anillo exterior: ................................................................... 31 5.5.2. Elementos Rodantes ..................................................................................... 31 5.5.3. Jaula.............................................................................................................. 31 5.6. Vida del rodamiento ............................................................................................. 31 5.6.1. Índice básico de carga .................................................................................. 32 5.7. Causas de fallas en rodamientos .......................................................................... 33 5.7.1. Falla Lubricación ......................................................................................... 33 5.7.2. Contaminación ............................................................................................. 34 5.7.3. Falla en Montaje y manipulación ................................................................. 34 5.7.4. Desalineamiento ........................................................................................... 35 5.7.5. Corrosión ...................................................................................................... 36 5.7.6. Falla Eléctrica............................................................................................... 36 5.7.7. Fatiga ............................................................................................................ 37 5.7.8. Mal Ajuste .................................................................................................... 37 5.8. Etapas de fallas en rodamientos ........................................................................... 38 5.8.1. Etapa I .......................................................................................................... 38 5.8.2. Etapa II ......................................................................................................... 38 5.8.3. Etapa III ........................................................................................................ 39 5.8.4. Etapa IV ....................................................................................................... 39 5.9. Principales técnicas de detección y diagnóstico de fallos en rodamientos .......... 39 5.9.1. Vibraciones .................................................................................................. 40 5.9.2. Redes Neuronales Artificiales ...................................................................... 43 5.9.3. Redes Neuronales Convolucionales ............................................................. 46 5.9.4. Máquinas de Soporte Vectorial .................................................................... 48 5.10. Spectral Density Power (PSD) ............................................................................. 51 5.10.1. Métodos ........................................................................................................ 52 5.11. Cross Power Spectral Density (CPSD) ................................................................ 52 5.11.1. Estimación del verdadero CSD .................................................................... 52 5.12. Coeficientes de Fourier ........................................................................................ 53 5.13. Ventana Hamming ............................................................................................... 53 6. DISEÑO METODOLÓGICO ...................................................................................... 55 6.1. Modelo en V ......................................................................................................... 55 6.2. Diseño mecánico .................................................................................................. 55 6.2.1. Análisis Estático ........................................................................................... 55 6.2.2. Diseño del eje para el banco de pruebas ...................................................... 58 6.3. Planos en SolidWorks .......................................................................................... 60 6.4. Selección de componentes ................................................................................... 62 6.4.1. Selección Acoples ........................................................................................ 62 6.4.2. Selección de rodamiento .............................................................................. 63 6.5. Selección de instrumentación ............................................................................... 64 6.5.1. Selección del motor ...................................................................................... 64 7.1.1. Selección de la carga .................................................................................... 66 7.1.2. Selección del variador de frecuencia............................................................ 66 6.1.1. Selección del acelerómetro .......................................................................... 68 6.1.2. Selección de la tarjeta adquisición de datos ................................................. 69 6.2. Selección de lenguaje de programación ............................................................... 69 11.1. Ensamble CAD .................................................................................................... 71 11.2. Selección de técnica de detección y clasificación ................................................ 72 11.3. Extracción de características ................................................................................ 72 11.3.1. Análisis de componentes principales ........................................................... 72 11.4. Clasificador Neuronal .......................................................................................... 73 11.4.1. Adaline ......................................................................................................... 73 11.4.2. Multilayer Perceptron................................................................................... 75 12. RESULTADOS Y EVIDENCIAS ........................................................................... 76 12.1. Banco de pruebas final ......................................................................................... 76 12.2. Protocolo de pruebas ............................................................................................ 77 12.3. Inducción de Fallas .............................................................................................. 78 12.3.1. Condición Normal ........................................................................................ 78 12.3.2. Falla Externa ................................................................................................ 79 12.3.3. Falla Interna ................................................................................................. 80 12.4. Interfaz LabVIEW ................................................................................................ 80 12.5. Calibración del sensor .......................................................................................... 83 12.6. Adquisición de datos, ........................................................................................... 84 12.6.1. Prueba 1: Condición Normal ........................................................................ 89 12.6.2. Prueba 2: Falla Externa ................................................................................ 91 12.6.3. Prueba 3: Falla Interna ................................................................................. 94 12.7. Análisis de espectros ............................................................................................ 96 12.8. Representación de datos obtenidos ...................................................................... 97 12.9. Problemas durante el desarrollo ........................................................................... 98 13. DETECCIÓN Y CLASIFICACIÓN DE FALLAS MEDIANTE REDES NEURONALES ................................................................................................................... 99 13.1. Red Neuronal Etapa entrenamiento .................................................................. 99 13.2. Análisis de espectros .......................................................................................... 104 13.3. Reducción de componentes ................................................................................ 105 13.4. Etapa de entrenamiento ...................................................................................... 106 13.5. Desempeño Etapa de prueba ........................................................................... 113 13.6. Comparación de estrategias................................................................................ 118 14. CONCLUSIONES ................................................................................................. 119 15. RECOMENDACIONES Y TRABAJO FUTURO ................................................ 120 16. BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................... 121 17. ANEXOS ............................................................................................................... 124PregradoThis paper deals with the design and assembly of a test bench for the detection and classification of ball bearings faults for rotating machines. The tests implement an off-line algorithm that allows detecting and classifying wear failures (slight or aggressive) of the outer and inner rings using artificial neural networks (ANN) as the classification technique. Through the use of three sets of axles under different fault conditions (standard condition, external fault condition, and internal fault condition) vibration signals are collected by integrating a Dytran 3056D2 piezoelectric sensor in conjunction with a NI-9230 signal acquisition module. Later, the signal processing is carried out in an interface developed in LabVIEW and together with Matlab the results are obtained according to the fault being analyzed.Modalidad Presencialapplication/pdfspahttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.5/co/Abierto (Texto Completo)info:eu-repo/semantics/openAccesshttp://purl.org/coar/access_right/c_abf2Atribución-NoComercial-SinDerivadas 2.5 ColombiaDiseño y montaje de un banco de pruebas para detección y clasificación de fallas en rodamientos de bola para máquinas rotativasDesign and assembly of a test bench for the detection and classification of failures in ball bearings for rotating machinesIngeniero MecatrónicoUniversidad Autónoma de Bucaramanga UNABFacultad IngenieríaPregrado Ingeniería Mecatrónicainfo:eu-repo/semantics/bachelorThesisTrabajo de Gradohttp://purl.org/coar/resource_type/c_7a1fhttp://purl.org/redcol/resource_type/TPMechatronicDetectionClassificationBall bearingFaultsOuter ringInner ringTechniqueANNSignalVibrationBall bearingsMachineryFrictionRolling contactRotary machinesMechanical designMecatrónicaCojinetes de bolasMaquinariaFricciónContacto de rodaduraMáquinas rotativasDiseño mecánicoDetecciónClasificaciónRodamientosFallasAnillo exteriorAnillo interiorTécnicaANNSeñalVibración[1] Jinglong, C., Yanyang, Z., Zhengjia, H., & Jing, Y. 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Master Thesis, University of Oklahoma, 2001.ORIGINAL2020_Tesis_John_Jairo_Blanco.pdf2020_Tesis_John_Jairo_Blanco.pdfTesisapplication/pdf12981975https://repository.unab.edu.co/bitstream/20.500.12749/12168/1/2020_Tesis_John_Jairo_Blanco.pdfac4fb814bc7af2a6656087f643efe5c0MD51open access2020_Licencia_John_Jairo_Blanco.pdf2020_Licencia_John_Jairo_Blanco.pdfLicenciaapplication/pdf260854https://repository.unab.edu.co/bitstream/20.500.12749/12168/2/2020_Licencia_John_Jairo_Blanco.pdfea8e7060922a3f8014c309d8873193f4MD52metadata only accessLICENSElicense.txtlicense.txttext/plain; charset=utf-81748https://repository.unab.edu.co/bitstream/20.500.12749/12168/3/license.txt8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33MD53open accessTHUMBNAIL2020_Tesis_John_Jairo_Blanco.pdf.jpg2020_Tesis_John_Jairo_Blanco.pdf.jpgIM Thumbnailimage/jpeg4630https://repository.unab.edu.co/bitstream/20.500.12749/12168/4/2020_Tesis_John_Jairo_Blanco.pdf.jpg80113e45debd9981e38809f3b842c5dbMD54open access2020_Licencia_John_Jairo_Blanco.pdf.jpg2020_Licencia_John_Jairo_Blanco.pdf.jpgIM Thumbnailimage/jpeg11007https://repository.unab.edu.co/bitstream/20.500.12749/12168/5/2020_Licencia_John_Jairo_Blanco.pdf.jpg5c75aee399910d81b5c6cd65eab366b8MD55metadata only access20.500.12749/12168oai:repository.unab.edu.co:20.500.12749/121682023-03-15 10:12:35.215open accessRepositorio Institucional | Universidad Autónoma de Bucaramanga - UNABrepositorio@unab.edu.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 |