³Diseño de un protocolo para identificación de fallas a...

MEMORIAS DEL XXIV CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 19 al 21 DE SEPTIEMBRE DE 2018 CAMPECHE, CAMPECHE, MÉXICO

Tema A1a Diseño Mecánico: Identificación de fallas de forma prematura utilizando la señal de aceleración durante un ciclo de apertura y cierre.

“Diseño de un protocolo para identificación de fallas a partir de las vibraciones mecánicas”

Velázquez Silva Anahía, Ramírez Reivich Alejandrob

a Universidad Nacional Autónoma de México, Av. Universidad 3000 C.P. 06800 Ciudad de México, México b Universidad Nacional Autónoma de México, Av. Universidad 3000 C.P. 06800 Ciudad de México, México

*Velázquez Silva Anahí. Dirección de correo electrónico: [email protected]

R E S U M E N

En esta investigación se plantea el desarrollo de una metodología para la identificación de la pérdida de la función de

los sistemas a partir de las vibraciones transmitidas a todos sus elementos durante su desempeño. Utilizando un

refrigerador y considerando las puertas del mismo como objeto de estudio se sabe que la puerta de cualquier sistema

evita el flujo de energía entre el interior y el ambiente en que se desempeña, por tal motivo se propone el diseño un

protocolo de pruebas, que considera la instrumentación de un gabinete para monitorear variables como la aceleración,

fuerza y posición de los elementos que lo componen. Posteriormente se analiza la tendencia de la señal descrita durante

el ciclo de apertura y cierre para identificar los componentes que influyen directamente en el comportamiento de la puerta

y con ello determinar el gradiente de pérdida de función del sistema.

Palabras Clave: Puerta, Vibración, Falla, Aceleración, Bisagra, Sello térmico.

A B S T R A C T

In this research the development of a methodology for the identification of the loss of the function of the systems is proposed

from the vibrations transmitted to all its elements during its performance. Using a refrigerator and considering the doors

of it as an object of study, it is known that the door of any system prevents the flow of energy between the interior and the

environment in which it operates, for this reason the design proposes a test protocol, which considers the instrumentation

of a cabinet to monitor variables such as acceleration, force and position of the elements that compose it. Subsequently,

the trend of the signal described during the opening and closing cycle is analyzed to identify the components that directly

influence the behavior of the door and thereby determine the gradient of loss of function of the system.

Keywords: Vibration, Loss of function, Methodology, Refrigerator, Door.

1. Introducción

El desarrollo tecnológico que se ha conseguido con el paso del

tiempo, ha generado en los usuarios un elevado nivel de

exigencia en cuanto al funcionamiento de los sistemas que

consume, es decir, requieren dispositivos sofisticados pero

con un limitado o nulo rango de fallas de operación. [1]

Actualmente la tecnología se encuentra inmersa en todos

los sectores, desde la industria hasta el ámbito doméstico en

donde las personas interactúan con sistemas simples cuya

función principal es facilitar la vida a los usuarios. Es

precisamente el hogar, en el que se desempeña el objeto de

estudio de esta investigación, el refrigerador.

Conforme a los datos publicados por la Secretaría de

Energía en 2015, en México, el consumo energético en el

sector doméstico equivale al 25% del consumo de energía

eléctrica nacional [2]. Es decir, de 8528.868 [petajoules],

213.222 [petajoules] se consumen de forma anual en los

hogares [3]. Tomando como ejemplo un refrigerador de 15

pies cúbicos que consume anualmente 840 Kilowatts-hora, se

sabe que cuando el refrigerador rebasa su ciclo de vida útil, el

consumo energético tendrá un incremento de hasta el 70% en

el consumo anual [4].

La principal razón del aumento energético del sistema se

debe al intercambio de aire a baja temperatura entre el interior

del gabinete y el ambiente en que se desempeña. Un

refrigerador está compuesto de diversos subsistemas, pero son

las puertas las que influyen de forma directa en el correcto

ISSN 2448-5551 DM 18 Derechos Reservados © 2018, SOMIM


desempeño del sistema ya que su función principal es

mantener la cavidad interior totalmente sellada, cuando las

puertas no se encuentran colocadas correctamente, es decir,

presentan una desalineación significativa con respecto a su

posición original, pueden generarse diferentes efectos que

modifican el funcionamiento general del sistema, estos son:

• Enfriamiento: Representa una disminución significativa en

la capacidad del refrigerador para mantener el aire frío en

el interior. Si el sello está dañado, influye directamente en

la forma de mantener la temperatura dentro del rango de

operación estipulado por el fabricante.

• Condensación: El exceso de escarcha y la acumulación de

humedad en el interior del congelador y refrigerador surgen

como resultado de una puerta mal cerrada. Cuanto mayor

es el ingreso de aire permitido dentro del refrigerador,

mayor la humedad que se puede generar.

• Consumo desmedido de energía: Cuando existe

intercambio de calor debido a la desalineación de la puerta,

el compresor tiene que ejecutar un mayor número de ciclos

para mantener la temperatura adecuada en el interior, lo

que implica un mayor consumo de energía eléctrica.

• Pérdida de rigidez: El gabinete está formado por paredes

huecas que se unen entre sí con espuma de poliuretano, este

material brinda rigidez al sistema en general y da el soporte

necesario para que pueda contener el peso, sin embargo, la

pérdida de rigidez dependerá de la densidad del producto

ya que si se somete a los hidrocarburos clorados, libera el

aire que contiene en su estructura.

1.1. Estado del arte

A nivel mundial existen diversos sistemas que determinan el

ciclo de vida de las puertas, desarrollando protocolos

complejos con equipos sofisticados que someten las puertas a

pruebas destructivas por medio de la aplicación de cargas

repetitivas, al ser sistemas instrumentados permiten identificar

el momento en que la puerta dejó de realizar su función

correctamente y en ese momento la prueba se detiene. Durante

la investigación previa se identificaron dos tipos de sistemas

que tienen como tarea principal analizar el comportamiento de

las puertas, siendo el sector automotriz el de mayor desarrollo.

El primero de estos sistemas se conoce comúnmente como

“Sistema físico de detección de fallas” o “Bancos de pruebas

para detección de fallas”.

Estos sistemas tienen como tarea recrear de forma

acelerada el ciclo de vida útil del objeto para identificar si éste

cumplirá o no con la función para la que fue diseñado y

trabajando durante el periodo establecido, ejemplo de este tipo

de sistemas se muestra en la figura 1.

El segundo sistema se le denomina VDST por su nombre

en inglés “Virtual Door Slam Test”, éste a diferencia de un

sistema físico, permite realizar un análisis a partir de una

simulación y un modelo tridimensional del objeto de estudio.

En una prueba virtual se pueden recrear casi todas las

condiciones mecánicas bajo las que se desempeña el objeto y

a partir de ello predecir la durabilidad del objeto en función de

los ciclos realizados. Generalmente se analizan variables que

influyen de forma directa con el comportamiento del sistema,

como:

Aceleraciones

Velocidades

Desplazamientos

Fuerzas de impacto

Deformaciones

Desgaste de los elementos

Flujo de aire

Cargas

Simulación del desempeño

Este comportamiento se compara contra propiedades

mecánicas que forman parte de la base de datos del software

[5].

Es cierto que las simulaciones son una representación

fehaciente del avance tecnológico y brindan la facilidad de ver

cómo se comportará el sistema antes de manufacturarlo pero

aún no existe el VDST que permita obtener datos con un error

igual a cero, es decir, un sistema certero que involucre las

condiciones ambientales reales bajo las que trabajará el

sistema y considere sus efectos, por lo que cada prueba virtual

sin excepción se coteja contra una prueba real. En la figura 2

se muestra un ejemplo de un VDST realizado por el equipo

Toyota. [6]

1.2. Planteamiento

Esta investigación representa una etapa temprana de un tema

complejo como lo es el estudio de la confiabilidad de sistemas

mecatrónicos, es por ello que en este artículo se plantea el

Figura 2 VDST realizada por el equipo Toyota Auto Body

Figura 1 Banco de pruebas para puertas automotrices (Daimler

Chrysler, 1996)



desarrollo de un protocolo de pruebas que permita identificar

la pérdida de la función en los componentes significativos de

las puertas de refrigerador antes de que se origine una falla y

en el menor número de ciclos posible, partiendo de la

tendencia de vibración descrita en cada ciclo de apertura y

cierre. Para conseguirlo se plantea la siguiente metodología de

trabajo.

Etapa 1: Reconocimiento de los componentes

significativos del sistema “puerta”

Etapa 2: Identificación de los conceptos mecánicos

relevantes en el análisis, tales como vibraciones mecánicas.

Etapa 3: Diseño e instrumentación del sistema.

Etapa 4: Adquisición y procesamiento de la información.

Etapa 5: Identificación del gradiente de pérdida de función

a partir de los datos obtenidos.

Con base en los estudios realizados en la industria de los

electrodomésticos en México durante el año 2016 para el

planteamiento de esta investigación [7], se determinó que un

refrigerador se abre y cierra aproximadamente un millón de

veces durante los diez años de vida útil estimados, esta cifra

es diez veces más que los ciclos de apertura y cierre estudiados

en un automóvil, lo que significa que es uno de los

electrodomésticos con el que se interactúa con mayor

frecuencia en un hogar. Durante este tiempo son varios los

factores que originan la desalineación de las puertas, entre

ellos se encuentran los alimentos colocados en la puerta

sumados a la excesiva fuerza de impacto durante la apertura y

cierre.

Para probar que los gabinetes funcionen de forma correcta,

se colocan dentro de una cámara climática y se abren y cierran

por un millón de ciclos. Se considera que un ciclo completo

comprende desde la apertura total de la puerta partiendo de un

estado de reposo hasta que se cierra y regresa al reposo, con

una pausa entre ambas acciones; en la figura 3 se muestra la

distribución de los tiempos durante un ciclo.

Cada ciclo tarda en ejecutarse 4.5 segundos, si la prueba

consiste en 1 millón de ciclos, durará 1250 horas que

corresponden a 52.08 días, lo que representa gastos excesivos

y gran tiempo invertido para detectar una falla en el sistema.

Con base en esta información, se propone la idea de ejecutar

un protocolo que permita identificar la tendencia de

comportamiento por cada elemento y ayude a predecir las

fallas antes de que ocurran.

2. Componentes del sistema

Un refrigerador está compuesto de una gran cantidad de

elementos, desde tornillos y tuercas hasta un sistema de

refrigeración que, si bien es cierto no ha sido modificado

termodinámicamente desde su creación, sí se han

implementado mejoras para hacerlo más eficiente.

El refrigerador que se utilizó durante esta investigación

para validar el protocolo y demostrar la hipótesis propuesta,

es un refrigerador modelo GNS23GMHES de 33 pulgadas de

ancho y configuración “french door” lo que significa que tiene

el congelador en la parte inferior.

Es importante mencionar que la puerta del cajón del

congelador no se considera parte de esta investigación, pero sí

lo son ambas puertas que cubren el gabinete del refrigerador.

El refrigerador utilizado en esta investigación se muestra en la

figura 4.

Durante la observación del comportamiento del

refrigerador se identificaron tres elementos fundamentales que

se involucran directamente con el desempeño de las puertas,

estos son la bisagra, el sello térmico y la espuma de

poliuretano, los cuales se describen a continuación.

2.1. Elemento de sujeción: bisagras

El elemento principal del sistema son las bisagras pues son el

elemento que permite que la puerta tenga movilidad, es decir,

permitir la apertura y cierre de la puerta. Otra función de las

bisagras es colocar la puerta en su posición correcta lo cual se

vuelve complicado a medida que se incrementa el peso que

puede soportar la puerta (debido a los alimentos), a medida

que pasa el tiempo la superficie sobre la que se sujeta la

bisagra pierde rigidez (problema originado por la degradación

de la espuma de poliuretano).

Observando el comportamiento de la puerta durante el

ciclo de apertura y cierre se puede identificar que la bisagra

superior forma parte del sistema de sujeción de la puerta. Se

puede asegurar esto último debido a que en la superficie sobre

la que se fija la bisagra superior es el punto en el que se genera

Apertura 2 s

Estado de reposo

Cierre 2 s Pausa 0.5 s

Estado de reposo

Ciclo

Figura 3 Distribución del tiempo durante un ciclo de apertura y

cierre.

Figura 4 Refrigerador 33" configuración "French door" (GE,

GNS23GMHES) utilizado como objeto de estudio en esta

investigación.



mayor esfuerzo, esfuerzo que es proporcional a la carga que

se le coloca a la puerta.

En la figura 5 se puede observar que la bisagra superior se

compone de siete elementos de los cuales tres son piezas de

acero (soporte fijo, brazo de palanca y soporte de fuelle), un

eje que se comporta como fuelle para el brazo de palanca, dos

tornillos que sujetan la bisagra al gabinete y un resorte que

actúa como precarga para que el brazo de palanca guie la

puerta durante su recorrido.

Con el paso del tiempo el diseño de las bisagras se ha vuelto

más complejo al integrar más componentes. En el caso de la

bisagra del refrigerador, específicamente la superior, se

observa que su funcionamiento obedece al principio del brazo

de palanca que analizado de forma matemática se comporta

como un convertidor de energía.

2.2. Elementos de amortiguación: sello térmico

El principal elemento de amortiguación en un refrigerador

es el sello de neopreno o goma que se encuentra alrededor de

la puerta y del lado interior de la misma, así como en el marco

del gabinete. Este sello cumple con dos funciones importantes,

reducir el impacto y sellar de forma hermética.

Para reducir la fuerza de impacto el sello de goma se ayuda

de su geometría para disipar la energía que le imprime la

puerta al impactar sobre el mismo, en la figura 6 se puede

observar la sección transversal del sello de goma.

La geometría le permite comportarse como una minúscula

cámara de aire que reduce el impacto en el instante en que la

puerta toca el gabinete, posteriormente y hasta que la puerta

llega a su posición final el aire contenido comienza a escapar

lentamente y permanece comprimido hasta que la puerta se

vuelva a abrir.

Es cierto que el reducir la fuerza de impacto es un

parámetro importante para prevenir deformaciones en el

gabinete, pero no es la función más importante que desempeña

este elemento, su función principal es mantener la cavidad

interior del gabinete cerrada herméticamente para conservar

los alimentos a las temperaturas adecuadas evitando la

transferencia de energía entre el interior y exterior del

gabinete.

2.3. Elemento de soporte: espuma de poliuretano

Existe otro elemento que brinda soporte al refrigerador y

compone un gabinete en más del 80% de su totalidad, la

espuma de poliuretano como se conoce comúnmente es un

compuesto de polioles con catalizadores. Este material rellena

todas y cada una de las paredes del refrigerador, así como los

volúmenes que se generan entre las cavidades de los

accesorios en las puertas.

La espuma de poliuretano brinda rigidez al gabinete ya que

en ausencia de la espuma, un gabinete carecería de forma,

además se utiliza la espuma de poliuretano por su alta

capacidad de aislamiento térmico, esta característica se debe a

la muy baja conductividad térmica que posee el gas espumante

atrapado en el interior de las celdas cerradas [8].

Para asegurar el correcto funcionamiento de la espuma, se

debe seleccionar la densidad adecuada de la misma, en la

figura 7 se muestran las gráficas de caracterización de la

espuma, obtenidas de ensayos de tracción y compresión en

función de la densidad, lo que indica que a mayor densidad

tienen mayor rigidez. (UNE 92-120)

En la figura 7a se observa la curva que describe la espuma

de poliuretano en un ensayo a compresión, lo cual denota que

el incremento de la densidad es proporcional a la presión que

puede resistir. En la figura 7b se puede ver de igual forma la

curva que describe la espuma de poliuretano cuando se somete

Pivote

Brazo de

palanca

Soporte de

fuelle

Resorte (precarga)

P

i

v

o

t

e

Pernos de sujeción

Eje de giro

de la puerta

Soporte fijo

Figura 5 Bisagra superior de refrigerador GNS23GMHES

Puerta

Tornillo de

sujeción

Sello de goma

Clip de

anclaje

I

M

A

N

Figura 6 Sección transversal del sello de goma

7a 7b

Figura 7a Gráfica de la espuma de poliuretano sometida a un

ensayo de compresión. 7b Gráfica de la espuma de poliuretano

sometida a un ensayo de tracción



a un ensayo de tracción en el que nuevamente la relación entre

presión y densidad es proporcional.

La espuma rígida de poliuretano es un material sintético,

altamente reticulado y con estructura celular

predominantemente cerrada (el porcentaje de celdas cerradas

se encuentra por encima del 90%). La densidad de la espuma

de poliuretano que se utiliza para aislamiento térmico se

encuentra generalmente en el rango de 30-100 [kg/m3] (UNE-

EN 12667:2002).

A pesar de ser un polímero de ingeniería y ser resistente al

envejecimiento, la falla se origina cuando la espuma contenida

entre las paredes libera el aire encapsulado en sus celdas, lo

que origina que el refrigerador pierda rigidez.

3. Identificación del gradiente de pérdida de función

La importancia de esta investigación radica en la posibilidad

de identificar los elementos que pierden su función con mayor

rapidez, es decir, identificar el gradiente de pérdida de función

de los elementos que componen el refrigerador durante el

ciclo de vida útil.

La identificación del elemento que ocasiona el posible

modo de falla se consigue a partir de un análisis frecuencial

(trabajo futuro en la investigación) y temporal de las señales

que describen de forma correcta el comportamiento de los

elementos durante pruebas de apertura y cierre bajo

parámetros controlados como velocidades y aceleraciones

constantes que producen la misma fuerza de apertura y cierre

de puertas.

3.1. Desarrollo de prueba de impacto a partir de los datos

obtenidos en el mapa sensorial

Partiendo de los sistemas actuales, en esta investigación se

plantea como propuesta de valor el desarrollo de un protocolo

que permita identificar a partir de las señales de aceleración,

el gradiente de pérdida de función de los componentes

significativos del refrigerador sin necesidad de realizar

pruebas de larga duración.

A partir de los datos adquiridos durante las etapas previas

en las que se realiza el reconocimiento del sistema, se diseñó

una prueba en la que su puede identificar el comportamiento

de los elementos que componen el sistema. De forma general,

la prueba consiste la apertura y cierre de un refrigerador

instrumentado y adquirir las señales del comportamiento de

las mismas por medio de los sensores previamente

seleccionados.

La acción de abrir y cerrar las puertas la realizarán

diferentes usuarios quienes realizarán el ciclo en la forma

habitual. Para la realización de esta prueba se considera que la

puerta es un cuerpo rígido, por tal motivo se colocan

acelerómetros en la superficie de la puerta sobre la línea

horizontal sobre la que se encuentra el centro de gravedad.

Durante la prueba únicamente se abrirá y cerrará la puerta

izquierda ya que es la que tiene el panel de sellado hermético.

3.2. Objetivos

Determinar por medio de los sensores colocados en el

sistema las gráficas de aceleración y fuerza que describe el

sistema durante el ciclo de apertura y cierre

3.3. Componentes

Refrigerador de estudio GE-GNS23GMHES

2 acelerómetros Kistler 8704B500

1 acelerómetro de carga Kistler 8044

1 celda de carga Kistler 9712B250

DAQ NI USB 6341

Acondicionador de señal Kistler LabAmp

3.4. Protocolo para detección del gradiente de pérdida de

función

Los dos acelerómetros piezoeléctricos se colocarán en las

puertas, uno se colocará en la puerta móvil y el otro se

colocará en la puerta fija. El propósito de colocar los

acelerómetros en la misma línea de acción radica en que al

impactar la puerta móvil contra el marco del gabinete,

instantáneamente la aceleración y velocidad de ambas puertas

serán las mismas debido a que en el momento en que se lleva

a cabo el impacto el sistema se detiene.

La celda de carga deberá colocarse al igual que los

acelerómetros sobre el eje horizontal del centro de gravedad,

la diferencia es que la celda se fijará debajo de la manija ya

que es el punto en que se registra la mayor fuerza de impacto.

En la figura 9 se observa el diagrama de cuerpo libre del

gabinete desde la vista superior, en la figura 9a se describe el

momento en que se realiza la apertura de la puerta, así como

las fuerzas que influyen en este comportamiento, al abrir la

puerta se aplica una fuerza (Fp1) y el gabinete reacciona con

una fuerza en sentido contrario (Fg1) que se opone a este

movimiento. En la figura 9b se puede observar el momento

en que se realiza el cierre de puertas, cuando la puerta impacta

en el gabinete transmitirá una fuerza (Fp2) que será absorbida

por el gabinete y la regresará al sistema en sentido contrario

(Fg2). En ambos diagramas se señala la reacción de la bisagra

Figura 8 Sección de la espuma de poliuretano de un refrigerador



ante este movimiento.

Adicional a los sensores colocados hasta este momento, se

colocará un acelerómetro de carga en el gabinete, esto con la

finalidad de identificar cómo se transmite la vibración por el

sistema completo, ya que el gabinete representa una inercia de

gran magnitud y se debe identificar si este efecto es benéfico

y perjudicial para el desempeño de las puertas.

Sobre el eje de giro de la puerta izquierda se colocará

también un potenciómetro de precisión, éste servirá para

monitorear el ángulo de apertura y cierre de la puerta y

comparar el desempeño de la misma contra su posición.

Una vez que los sensores se colocaron de forma correcta,

por medio de una interfaz gráfica desarrollada en NI

LabView se adquirirán las señales de aceleración de cada

puerta, la fuerza de impacto, la aceleración del gabinete y la

posición angular. La prueba se deberá realizar como se explica

a continuación.

Paso1: El refrigerador deberá colocarse en piso firme y

nivelado, además de tener las puertas completamente

cerradas.

Paso 2: El usuario se colocará de frente al refrigerador en

la postura en que comúnmente adopta para abrirlo.

Paso 3: Se iniciará la adquisición.

Paso 4: El usuario abrirá la puerta izquierda del

refrigerador a su totalidad (160⁰), esperará medio segundo

y procederá a cerrarla completamente.

Paso 5: Se detendrá la interfaz.

Paso 6: La prueba deberá repetirse diez veces por cada

usuario.

La razón principal de que la adquisición se inicie antes y se

detenga después, consiste en evitar la pérdida de información

al momento de separar la puerta del sello hermético y los

efectos inerciales del gabinete cuando la puerta impacta. En la

figura 10 se muestra la pantalla de trabajo de la interfaz

realizada para adquisición y análisis de las señales de

vibración y carga correspondientes a los sensores colocados

en el refrigerador.

Esta interfaz permite comunicar la computadora con los

sensores a través de un acondicionador de señales que provee

la alimentación adecuada a los mismos dependiendo su tipo,

es decir, si son piezoeléctricos o sensores de carga. La interfaz

permite adquirir datos con una frecuencia F=0.00016 [s] es

decir, 6250 muestras por segundo.

Figura 10 Interfaz para adquisición y procesamiento de datos

(desarrollada en LabView 2014)

Cada uno de los canales se configuró de la siguiente forma:

Canal 1: Acelerómetro de puerta móvil (línea blanca).

Canal 2: Acelerómetro de puerta fija (línea roja).

Canal 3: Celda de carga (línea verde).

Canal 4: Acelerómetro de carga (línea azul).

3.5 Realización de la prueba

La prueba la realizaron de forma aleatoria una muestra de diez

personas, anatómicamente distintas con la finalidad de

identificar el patrón de movimiento que cada una desempeña

al interactuar con un refrigerador. Al término de la prueba se

obtuvo información relevante, las características físicas de

cada usuario tales como fuerza, peso, estatura e incluso el

género influyeron para obtener trayectorias de apertura y

cierre distintas. Las trayectorias descritas por la puerta se

clasificaron como apertura y cierre normal, es decir, sin

empujar la puerta con una fuerza de gran magnitud y apertura

y cierre abrupta, refiriéndose a los ciclos en los que las

personas si imprimieron gran fuerza para impulsar la puerta y

cerrarla.

Es importante mencionar que únicamente se adquieren las

señales del comportamiento de un ciclo a la vez ya que de esta

forma el refrigerador regresa a su posición de equilibrio y no

almacena energía que se pueda transmitir de un ciclo a otro

modificando el comportamiento de los elementos.

En la figura 11 se observa la gráfica que describe el sistema

durante de la interacción de un usuario con el refrigerador

durante el ciclo de apertura y cierre normal. En ella se pueden

identificar dos zonas de relevancia, la zona uno es la magnitud

de la aceleración producida al abrir la puerta y la zona dos es

la magnitud de aceleración al cerrar la puerta.

Figura 9 Diagrama de posicionamiento de los sensores (Visto desde

un plano superior)

9a 9b



En el momento en que se realiza el cierre de puerta se

puede observar la reacción de la puerta fija y (línea

anaranjada) la cual absorbe la energía durante el impacto y la

regresa a la puerta. La línea morada representa el

comportamiento dinámico de la celda de carga.

Es importante mencionar que cuando la puerta se abre y

cierra de forma normal se produce una vibración de mayor

magnitud (3.8G) generada por la fuerza necesaria para romper

la inercia del sello hermético, comparada con la aceleración

detectada por la fuerza para cerrar la puerta (1.8G). Si se

analiza este comportamiento se puede pensar en el diseño de

un sello hermético que evite el intercambio de calor pero que

no requiera una mayor fuerza para liberar la puerta.

El siguiente ciclo significativo es el que ocurre cuando se

registran un ciclo de apertura y cierre acelerado, en ocasiones

las personas sueltan la puerta antes de que ésta impacte con el

gabinete, otras veces la guían hasta que ésta hace contacto con

el gabinete lo que indica que se ha cerrado. Las gráficas que

se generan durante esta prueba se muestran en la figura 12, al

igual que la prueba anterior, la línea azul representa la

aceleración de la puerta móvil, la línea anaranjada describe la

señal de aceleración de la puerta fija y la línea morada es la

fuerza que se aplica al sistema durante todo el ciclo.

Nuevamente se pueden identificar dos zonas de interés en

la gráfica, la zona uno que representa la apertura y la zona dos

que representa el momento en que se realiza el cierre de la

puerta. En este tipo de ciclo se puede observar que cuando la

puerta se abre y cierra de forma acelerada, la aceleración que

se produce al abrir la puerta es de menor magnitud lo que se

traduce como una menor fuerza para romper la inercia del

sello térmico. Caso contrario al momento en que se cierra la

puerta ya que debido a la fuerza que se le imprimió durante la

trayectoria de cierre se consigue una mayor excitación a los

elementos lo que produce una vibración de mayor magnitud.

4. Resultados

A partir de la obtención de datos de todas las pruebas

realizadas a lo largo de esta investigación se pueden arrojar

resultados que influyen de forma directa en la caracterización

del sistema, así como brinda datos duros del comportamiento

del mismo para identificar las zonas problemáticas y que

pueden tener mayor repercusión a lo largo de la vida útil del

sistema.

Figura 13 Comparación de señal de aceleración filtrada.

Para identificar el gradiente de pérdida de función del

sistema se realizó un análisis de la señal de aceleración que

describe el comportamiento de la puerta en movimiento, cada

señal adquirida tiene la naturaleza de la señal que se muestra

en la figura 13, la línea azul representa la señal original, sin

embargo al ser una señal ruidosa no muestra el

comportamiento real del sistema y por tal motivo fue

necesario aplicar un filtro sencillo para obtener la señal

fundamental de aceleración. Para realizar el filtrado de la señal

se utilizó una herramienta que se desprende de la transformada

de Fourier y se le conoce como wavelet de Daubechies [9].

Una vez aplicado el filtro, la señal fundamental de la vibración

se representa por la línea amarilla.

Para la obtención del gradiente de pérdida de función se

aplicó el filtro a cada una de las iteraciones de apertura y

cierre. La figura 14 muestra diez iteraciones en las que se

observa la aceleración de la puerta móvil, en la zona uno se

destaca el momento en que se abre la puerta que por la

naturaleza de la prueba es de menor magnitud que el momento

cuando ésta se cierra (zona dos).

Figura 14 Gráfica en la que se muestran 10 ciclos de apertura y cierre

acelerado para identificación del gradiente de pérdida de función (Señal

Figura 11 Gráfica de apertura y cierre de forma normal (señal

adquirida con una tasa de muestreo de 6250 muestras por segundo)

Figura 12 Gráfica de apertura y cierre de forma acelerada (señal

adquirida con una tasa de muestreo de 6250 muestras por segundo)



adquirida a 6250 datos por segundo y realizada por usuario de 1.75 [m]

y 68 [Kg])

Con este protocolo se puede reducir significativamente el

tiempo que dura una prueba actual ya que no es necesario

realizar 1, 000,000 de iteraciones para determinar el

comportamiento del sistema y con ello el posible modo de

falla. Basándose en que la frecuencia natural de un elemento

no cambia, la señal temporal tendrá siempre la misma

tendencia por lo que se analiza el primer ciclo ya que es

cuando todos los elementos están en la posición correcta y al

cabo de diez iteraciones se analiza el último ciclo, es decir, se

compara el primero contra el último ciclo para identificar la

variación entre la magnitud de cada pico y valle de la gráfica.

La comparación para esta prueba se muestra en la figura 15.

Los resultados obtenidos de esta prueba reflejan de forma

directa el desgaste de los componentes del gabinete que

aunque son cifras de magnitudes pequeñas, representan la

medida en que el componente se aleja del comportamiento

ideal.

En las gráficas se puede observar la disminución de la

magnitud de la vibración en el desempeño de los

componentes, sin embargo, el deterioro de los mismos se debe

a una combinación de efectos mecánicos por la aplicación de

cargas repetitivas y la influencia de las condiciones

climatológicas bajo las que el sistema opera.

Es importante mencionar que los cambios de temperatura

influyen de forma directa en el comportamiento de los

elementos, pues las variaciones de la misma provocan

cambios en la estructura molecular de los materiales,

provocando la aceleración en el deterioro del sistema.

Al ser una prueba en la que se tiene la influencia humana,

se consigue un movimiento preciso en cada iteración por lo

que un filtro básico permite rescatar la señal fundamental de

la puerta y analizar de esta forma su trayectoria ya que el ruido

provocado por el usuario al abrir y cerrar no es significativo

en comparación con la vibración del sistema.

5. Conclusiones

A lo largo de esta investigación se ha trabajado en el desarrollo

un protocolo que tenga la versatilidad de ser aplicable a

distintos sistemas que presenten un comportamiento similar,

es decir, sistemas que puedan abrir y cerrar, así como algunos

otros que desempeñen una tarea de forma repetida.

Este trabajo representa la base de una larga y compleja

investigación que implica el desarrollo de un sistema flexible

de predicción de fallas en tiempo real que pueda utilizarse para

“medir” la confiabilidad de sistemas mecatrónicos complejos.

De forma general un ciclo de apertura y cierre de un

refrigerador es una acción que se ha vuelto común en nuestra

vida cotidiana y aunque parezca un problema trivial repercute

directamente en el funcionamiento del electrodoméstico y este

a su vez implica elevados costos de fabricación debido a su

constante rediseño. Al realizar un análisis de este tipo en el

que se trata de identificar la ciencia que existe detrás de esta

acción se obtienen resultados interesantes que sirven para

plantear el rediseño de los elementos principales. El análisis

del comportamiento del sistema es la primera parte del

protocolo ya que genera los parámetros para seleccionar los

instrumentos adecuados obtener así las señales del

comportamiento del sistema para realizar un análisis

cuantificable de cada una de las variables involucradas tales

como aceleración (vibración), velocidad, posición y fuerza.

A partir de las variables identificadas en este análisis se

realizará un modelo matemático que describa el

comportamiento dinámico del sistema, el cual permita

analizar el desempeño ideal de cada uno de los elementos, se

plantea que a medida que el modelo matemático sea

mayormente detallado, permitirá aproximar de una mejor

manera el comportamiento real del sistema.

Finalmente un análisis frecuencial y temporal permitirá

determinar el comportamiento de los elementos que influyen

directamente en los momentos importantes del ciclo que es

cuando la puerta se libera del sello hermético y cuando la

misma cierra totalmente (en gráficas se identifican como dos

impactos). Esta información sirve de apoyo para caracterizar

el comportamiento de los elementos y a partir de esto predecir

cuál de ellos presentará una mayor probabilidad de falla.

Agradecimientos

Este artículo se desprende de una investigación

complementaria a un proyecto PAPIIT con número de registro

IT102318: Investigación y análisis de la influencia del efecto

de amortiguamiento electromagnético en la atenuación de

vibraciones en sistemas actuados por tensores. Por lo cual se

agradece a esta organización los recursos otorgados para el

desarrollo del protocolo.

REFERENCIAS

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fallas en electrodomésticos, Ciudad de México:

UNAM, 2016.

[2] S. I. A. Silva, "Procuraduría Federal del

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https://www.gob.mx/profeco/documentos/electrodom

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Figura 15 Gráfica comparativa entre el primer y el último ciclo



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refrigeradores?state=published.

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