UNIDAD TICOMAN
SECCIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN .
Optimización Centrada en el Mantenimiento
Aplicada al Módulo de Potencia del Túnel de Viento A-X/8M
TESIS
QUE PARA OBTENER EL GRADO DE MAESTRO EN INGENIERÍA AERONÁUTICA PRESENTA:
José Arturo Correa Arredondo
DIRECTORES DE TESIS
Dr. Tiburcio Fernández Roque Dr. J. Félix Vázquez Flores
………
México septiembre del 2009
Maestría en Ingeniería Aeronáutica, opción Mantenimiento y
Producción
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iii
iv
Resumen
Se propone un proceso de optimización del mantenimiento preventivo y correctivo y se aplica al Módulo de Potencia del Túnel de Viento A-X/8M, con el objetivo de reparar y dejar a este equipo en mejores condiciones de funcionamiento que las originales, aprovechando la oportunidad de participar desde su diseño, construcción y modo de operación.
Se realizó un acopio de información para delinear un marco teórico a partir de la definición del concepto, formas y principios de funcionamiento de los túneles de viento; continuando con temas de mantenimiento, optimización, diseño, ergonomía, reglamentación, confiabilidad y aerodinámica. El marco teórico se complementó con experiencias y aspectos prácticos, al haber participado en la operación de este túnel y otros ubicados en distintas instancias dedicadas a la enseñanza y a la investigación, tanto nacionales como en España. Con el sustento de este acervo, se realizó un diagnóstico para cuantificar el daño en este túnel de viento, se investigaron las causas que lo provocaron y se hizo una detección de anomalías susceptibles de convertirse en más fallas, así como una búsqueda de puntos u oportunidades de mejora. Completado el diagnóstico, se realizó un análisis de la problemática para proponer soluciones, las cuales se apoyaron en los conocimientos teóricos, matizadas por soluciones empíricas, suposiciones razonadas y experiencias indirectas, que si bien no son exactas, sí han demostrado tener un alto grado de precisión y utilidad.
El propósito de este trabajo se logró gracias a los siguientes resultados: el rediseño y la construcción de la estructura de soporte de los ventiladores, el diseño y construcción de cuatro plataformas aisladoras de vibración y un registro de acceso lateral para inspeccionar y dar mantenimiento en el interior del Módulo de Potencia. Además, se concluyeron los diseños para fabricar un mecanismo de elevación-nivelación-desplazamiento, un sistema más seguro de fijación mecánica de las hélices a las flechas de los motores y una brida-unión flexible que conectará al Módulo de Potencia con el resto del túnel. También se efectuaron trabajos documentales como el catálogo de partes del Módulo de Potencia; la propuesta de un manual de mantenimiento e instrumentos complementarios al manual de operación tales como la inspección pre-arranque, una lista de verificación del encendido de los ventiladores y un cuaderno de bitácora para iniciar el registro rumbo a la conformación de una base de datos indispensable en la determinación de la confiabilidad.
Se concluyó que la aplicación de un mantenimiento correctivo puede repercutir en otros beneficios cuando se tiene la posibilidad de intervenir desde el diseño y la fabricación de una máquina. Gracias a los trabajos de rediseño, diseño y construcción realizados, este túnel de viento ha extendido su vida útil. Ahora es más seguro y se ha incrementado su mantenibilidad en virtud de que todas las modificaciones hechas y propuestas estuvieron basadas en criterios ergonómicos al permitir un acceso completo y rápido para realizar inspecciones y trabajos de mantenimiento preventivo y correctivo tanto a los motores como a las hélices y a que los materiales utilizados son baratos y de fácil adquisición, los procesos de manufactura se realizaron con la infraestructura disponible y los elementos que se integraron son refaccionables. Los beneficios completos se lograrán al terminar la fabricación de los niveladores y la brida, con los cuales se estima una reducción de entre 6 y 16 veces del tiempo necesario para lograr un acceso total, versátil y con seguridad a todos los elementos del Módulo de Potencia. Por último, se destacan las previsiones para su crecimiento ya que con algunas modificaciones menores se podrán agregar 4 ventiladores más, incrementando con ello la velocidad del flujo de aire en éste túnel.
v
Abstract
Due to the opportunity of participating in its design, construction and operation, a proposal is submitted for the optimization of the preventive and corrective maintenance for the Power Module of the A-X8/M Wind Tunnel, in order to repair and maintain this equipment in better operating conditions than the original ones.
Information regarding maintenance of wind tunnels was complied, in order to establish a theoretical frame from the concept definition, forms and principles of the operation of the wind tunnels, and also maintenance, optimization, design, ergonomics, regulation, trustworthiness and aerodynamics. The theoretical frame was complemented with experiences and practical aspects of this tunnel’s operation and also with other tunnels in Mexico and in Spain. With this background an investigation and diagnosis was made to quantify the damage to this wind tunnel, sustained when one of the fans departed from its shaft. The causes were investigated and other anomalies susceptible to become faults were considered as well as possibilities of improving other components. Once the diagnosis was made the problem was analyzed and based on the theoretical knowledge, practical solutions, reasoned suppositions and indirect experiences, several solutions were proposed. Some of them may not be mathematically exact, but they have practically demonstrated their usefulness.
As a result of the above, the following solutions were proposed: fans support structure redesign, four vibration insulating platforms and a detachable side panel to provide access to the Power Module, were designed and constructed. Additionally a system using hydraulic jacks for elevating, leveling and displacing the Power Module was designed, a safer method of attaching the fans to the motor´s shaft was devised and a flexible canvas coupling sleeve to connect the Power Module to the tunnel´s body was designed. Documentary works such as Power Module parts catalogue were prepared, the Maintenance Manual including instruments operation manual, pre-start inspection list (walk-around), and fans starting procedure check list, it is recommend, to carry a tunnel log-book.
A preventive or corrective maintenance may be beneficial if done by an engineer who participated in the design and manufacture of the tunnel, as an iterative process to modify and improve its safety, operation and reliability.All the proposed modifications were based on ergonomic criteria, such as the side panel to allow fast access to the Power Module fans and motors, to carry out preventive and corrective maintenance and the use of cheap materials that are easy to acquire; the manufacturing processes are attainable with the available infrastructure and the integrated elements commercially available at present. The complete benefits will be obtained when the leveling system and the canvas coupling are finished, and it is expected that the time to access the Power Module and its elements will be reduced from 6 to 16 times. Finally, the possibility of increasing the tunnel´s operating range by adding 4 more ventilators can be carried out with a small modification, increasing the tunnel´s operating speed.
vi
Prefacio
La Humanidad está inmersa en una revolución global, cuyos contrincantes son tecnólogos y comerciantes de este mundo donde las fronteras territoriales, mercantiles, de comunicación y culturales son cada vez menos tangibles.
Los combates, aunque no bélicos, sí son hostiles, reñidos y destructivos, por lo que “vencer o morir”, (prosperar o arruinarse), estriba en ser o no ser competitivos, es decir, la derrota o la victoria dependen de sutiles diferencias que se logran a través de la optimización, para superar al adversario con una fracción en los índices de eficiencia y desempeño; en reducir por unos centavos los costos de producción; en convencer al cliente de que nuestro producto es el más confiable, es el más seguro, es el más ecológico y es el más barato.
Optimizar es el arte de realizar algo de la mejor manera posible y no hay una receta universal para hacerlo, ni un límite de máxima optimización, aunque sí se reconoce como una característica básica e indispensable de la competitividad.
Un frente de batalla toral se ubica en las instituciones de enseñanza e investigación, como instancias formadoras de recursos humanos y generadoras de tecnología, siendo ambos pertrechos esenciales para participar en la contienda.
Es aquí en donde este trabajo de tesis toma partido. Se desarrolla en la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad Ticoman, aprovechando el proyecto de diseño y construcción de un túnel de viento, el cual ya forma parte del equipamiento del Laboratorio de Aerodinámica.
La ESIMET, en su papel de escuela de ingeniería con visión competitiva, apoya y promueve la realización de proyectos con esta filosofía de optimización. En su fase inicial, el proyecto aludido consistió en el diseño y construcción de un túnel de viento, ideado para complementar aspectos académicos de este plantel.
En una siguiente fase del proyecto, con la participación de la Sección de Estudios de Posgrado e Investigación a través de este trabajo de tesis, se propone la Optimización Centrada en el Mantenimiento, como una faceta más del mantenimiento cuya característica peculiar no se restringe solo a la preservación, sino además procura la vigencia y actualidad de la máquina. Se trata de un análisis diagnóstico y una síntesis de medidas tendientes a optimizar la productividad integral del mantenimiento y de aspectos implicados desde el diseño y la fabricación de la máquina, su ergonomía, los procedimientos, la normatividad aplicable, sin descuidar la fiabilidad y la seguridad.
J. Arturo Correa A.
Profesor de la ESIMET
vii
Agradecimientos a:
Dios,
a quien debo todo y lo abrevio a continuación:
Carlos y Dolores,
mis padres, por su ejemplo y amor.
Guadalupe mi esposa,
por su amor, comprensión, paciencia y apoyo.
Arturo y José Carlos, mis hijos por su amor y paciencia.
Fernando, Teresita, Juan Carlos, Mª de los Ángeles, Ricardo y Javier, mis hermanos, por su solidaridad y apoyo.
Reconocimientos a:
Tiburcio Fernández R.
y Félix Vázquez F.
Directores de esta tesis, profesores, compañeros de trabajo y amigos.
Por sus consejos, impulso y apoyo.
Alfredo Rosas Antonio Mosqueda
Eduardo Liceaga Félix Vázquez Gastón Salazar Gustavo García Hilario Hernández
Jorge Mosqueda Jorge Sandoval Marcos Fragoso Pedro Santa María Tiburcio Fernández
Profesores de la maestría, por su disposición y dedicación para compartir conocimientos y experiencias.
IPN, ESIME Ticoman Institución y escuela, mi otra casa.
COTEPABE, COFAA, IPN
Por la licencia con goce de sueldo para estudiar esta maestría.
viii
Índice
PáginaActa de revisión de tesis ii
Carta de cesión de derechos iii
Resumen iv
Abstract v
Prefacio vi
Agradecimientos y reconocimientos vii
Índice viii
Acrónimos xi
Glosario xiii
Figuras Tablas
1. Introducción 1.1
1.1 Antecedentes 1.2
1.2 Justificación 1.5
1.3 Hipótesis 1.6
1.4 Objetivo 1.8
1.5 Descripción por capítulo 1.9
1.6 Alcances 1.11
1.7 Metodología 1.14
2. Estado del Arte 2.1
2.1 Historia 2.2
2.1.1. Antecedentes de la invención del túnel de viento 2.2
2.1.2. Inventores del túnel de viento 2.3
2.1.3. Definición 2.4
2.2. Clasificación 2.6
2.3. Descripción 2.7
2.3.1. Túnel de viento de circuito abierto 2.7
2.3.2. Túnel de viento de circuito cerrado 2.10
2.4. Sistemas de potencia 2.13
2.4.1. Energía 2.13
2.4.2. Motor 2.14
2.4.3. Control 2.16
2.4.4. Impulsor 2.24
2.5. Mantenimiento en túneles de viento 2.26
2.5.1. Edades relativas de los túneles de viento 2.28 2.5.2. Tiempos de operación en los túneles de viento 2.29
3. Consideraciones teóricas 3.1
3.1. El contexto 3.2
3.2. Mantenimiento 3.3
3.2.1. Definición 3.3
3.2.2. Mantenimiento correctivo 3.3
3.2.3. Mantenimiento preventivo 3.3
3.2.4. Sistema de mantenimiento 3.4
3.2.5. Mantenimiento programado 3.4
3.2.6. Mantenimiento no programado 3.4
3.2.7. Mantenimiento predictivo 3.5
3.2.8. Servicios programados 3.5
3.2.9. Servicios especiales 3.6
3.2.10. Pruebas operacionales 3.6
3.2.11. Mantenimiento productivo 3.7
ix
3.2.12. Mantenimiento autónomo 3.7
3.2.13. Mantenimiento Basado en el Tiempo, MBT 3 .7
3.2.14. Mantenimiento Basado en las Condiciones, MBC 3.8
3.2.15. Mantenimiento Productivo Total, MPT 3.8
3.2.16. Mantenimiento Basado en la Confiabilidad, MCC 3.10
3.3. Optimización 3.11
3.3.1. Definición 3.11
3.3.2. Optimización matemática 3.11
3.3.3. Métodos de optimización 3.12
3.3.4. Optimización clásica 3.12
3.3.5. Optimización con restricciones 3.12
3.3.6. Optimización estocástica 3.13
3.3.7. Optimización con información no perfecta 3.13
3.3.8. Optimización multiobjetivo 3.13
3.3.9. Programación no lineal 3.14
3.4. Diseño 3.15
3.4.1. Definición 3.15
3.4.2. Diseño conceptual 3.16
3.4.3. Diseño preliminar 3.17
3.4.4. Diseño detallado 3.17
3.5. Ergonomía 3.18
3.5.1. Definición 3.18
3.5.2. Medicina del trabajo 3.19
3.5.3. Filosofía del trabajo 3.19
3.5.4. Psicología del trabajo 3.19
3.5.5. Sociología del trabajo 3.19
3.5.6. Antropometría 3.20
3.5.7. Antropometría aplicada y espacio de trabajo 3.20 3.5.8. Dimensiones estructurales del cuerpo humano 3.21 3.5.9. Dimensiones funcionales del cuerpo humano 3.23
3.5.10. Uso de los datos antropométricos 3.24
3.5.11. Diseño para individuos extremos 3.24
3.5.12. Diseño para promedios adaptables 3.25
3.6. Reglamentación 3.27
3.6.1. Ámbito institucional 3.27
3.6.2. Programa de Mediano Plazo, PMP 3.28
3.6.3. Programa Operativo anual, POA 3.28
3.6.4. COFAA 3.28
3.6.5. Gestión administrativa del mantenimiento 3.29
3.6.6. Ámbito nacional e internacional 3.30
3.6.7. F.A.A. 3.30
3.6.8. D.G.A.C. 3.31
3.6.9. A.T.A. 3.31
3.7. Fiabilidad 3.33
3.7.1. Definición y antecedentes 3.33
3.7.2. Autores de la fiabilidad 3.33
3.7.3. Deducción 3.34
3.8. Aerodinámica. Análisis de los ventiladores 3.37
3.8.1. Definición de Aerodinámica 3.37
3.8.2. Definición de hélice 3.37
3.8.3. Definición de ventilador 3.38
3.8.4. Principio de funcionamiento 3.39
x 3.8.5. Teoría del elemento de pala
Página
3.41
3.8.6. Parámetros geométricos y aerodinámicos 3.41
3.8.7. Tracción y torque 3.43
4. Diagnóstico 4.1
4.1. Marco de auscultación 4.2
4.1.1. Referido a la máquina 4.2
4.1.2. Referido al entorno 4.2
4.2. Sintomatología detectada 4.3
4.2.1. Máquina inoperante 4.3
4.2.2. Magnitud del daño 4.3
4.2.3. Manual de mantenimiento 4.4
4.2.4. Alta vibración 4.4
4.3. Diseño 4.4
4.4. Ergonomía 4.6
4.4.1. Antropometría 4.7
4.4.2. Por limitaciones de fuerza 4.8
4.5. Mantenibilidad 4.10
4.5.1 Desmontaje por separado de cada ventilador 4.10 4.5.2. Desmontaje de todo el conjunto de ventiladores 4.12
4.6. Confiabilidad 4.15
4.7. Reglamentación 4.16
4.7.1. Recursos económicos 4.16
4.7.2. Recursos humanos 4.18
4.7.3. Espacio y tiempo 4.19
4.7.4. Reglamentación externa 4.20
4.8. Efectos mecánicos de los ventiladores 4.21
4.8.1 Hipótesis: Desplazamiento indebido de las hélices 4.22
4.8.2. Hipótesis: Efecto mecánico. 4.23
4.9. Optimización 4.26
5. Propuestas de solución 5.1
5.1. Optimización vía el diseño y la construcción 5.3
5.1.1. Estructura principal tubular 5.4
5.1.2. Base de la estructura principal 5.6
5.1.3. Hélices y ventiladores 5.7
5.1.4. Plataformas aisladoras de vibración 5.11
5.1.5. Mantenibilidad y Ergonomía 5.14
5.1.6. Elevadores con carretilla 5.16
5.17. Brida de unión 5.19
5.2. Optimización vía la documentación, normas y procedimientos 5.21
5.2.1. Catálogo de partes 5.21
5.2.2. Manual de mantenimiento 5.21
5.2.3. Manual de operación 5.23
5.3 Optimización prospectiva 5.27
6 Conclusiones y recomendaciones 6.1
7 Fuentes de consulta 7.1
8 Anexos 8.1
xi
Acrónimos
A.T.A. Transport Association of America , Asociación del Transporte Aéreo, EE. UU.
APU Auxiliary Power Unit, Unidad de Potencia Auxiliar en una aeronave.
CA Corriente Alterna.
CAD Computer Aided Design (Diseño Asistido por Computadora)
CC Corriente Continua.
CIAAC Centro Internacional de Adiestramiento de Aviación Civil, México.
CMB Ciencias Medico-Biológicas, Área del conocimiento.
COFAA Comisión de Operación y Fomento de Actividades Académicas, IPN, México.
CONACyT Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología, México.
COTEPABE Comité Técnico de Prestaciones a Becarios, COFAA, IPN.
CSA Ciencias Sociales y Administrativas, Área del conocimiento.
CU Ciudad Universitaria, de la UNAM, México, D.F.
D.G.A.C. Dirección General de Aviación Civil, México.
DOV Dispositivo Oclusor de Velocidad, designación en este trabajo.
ECU Escuela, Centro o Unidad, entidades académicas del IPN.
ESIME Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica.
ESIMET Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Unidad Ticoman.
ETSI A Escuela Técnica Superior de Ingenieros Aeronáuticos, UPM, Madrid España.
EUITA Escuela Universitaria de Ingenieros Técnicos Aeronáuticos, UPM, Madrid España.
F.A.A. Federal Aviation Administration, Administración Federal de Aviación, EE. UU.
F.A.R. Federal Aviation Regulations, Regulaciones Federales de Aviación, EE. UU.
FAM Fuerza Aérea Mexicana.
HDF High Density MDF o tabla de fibra de alta densidad.
H/H Horas hombre (tiempo laborado).
ICAO International Civil Aviation Organization, Organización Internacional de Aviación Civil.
ICFM Ingeniería y Ciencias Físico-Matemáticas, Área del conocimiento.
IDR “Ignacio Da Riva”, Instituto Universitario de Microgravedad de la UPM.
IES Instituciones de Educación Superior, en el IPN.
IIE Instituto de Investigaciones Eléctricas, Cuernavaca Morelos, México.
IIUNAM Instituto de Ingeniería de la UNAM, México D.F.
IMFIA Instituto de Mecánica de los Fluidos e Ingeniería Ambiental, Montevideo, Uruguay.
IPN Instituto Politécnico Nacional, México.
LDF Low Density MDF o tabla de fibra de baja densidad.
LEA Línea Estratégica de Acción, en el IPN.
MBC Mantenimiento Basado en la Confiabilidad.
MBT Mantenimiento Basado en el Tiempo.
MCC Mantenimiento Centrado en la Confiabilidad. Siglas en inglés RCM MDF Medium Density Fiberboard o tabla de fibra de media densidad.
MIS Modelo de Integración Social, en el IPN.
xii
MRB Maintenance Review Board, Consejo Revisor del Mantenimiento, ICAO.
MSG Maintenance Steering Group, Grupo Director del Mantenimiento (http://www.ntsb.gov/Events/2000/AKA261/docket/117976.pdf).
NACA National Advisory Committe for Aeronautics, Comité Asesor Nacional de Aeronáutica, E.U.A.
NASA National Aeronautics and Space Administration, Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio, EE. UU.
NIOSH National Institute for Occupational Safety and Health, Instituto Nacional para la Seguridad en el Trabajo y de Salud, E.U.A.http://www.cdc.gov/niosh/
NTF Langley National Transonic Facility.
OAMP On Aircraft Maintenance Planning Report.
OEM Objetivos, Estrategias y Metas, en el IPN.
ONERA Office National d’Etudes et de Recherches Aérospatiales [Organización de Investigación Aeroespacial Nacional Francesa] u Oficina Nacional de Estudios e Investigación Aeroespaciales, Francia
PC Personal Computer o CP: Computadora Personal.
PDI Programa de Desarrollo Institucional, en el IPN PIMP Programa Institucional de Mediano Plazo, IPN, México.
PLC Programable Logic Control o CLP: Control Lógico Programable.
PNL Programación no lineal, método matemático.
PNP Padrón Nacional de Posgrado del CONACyT, México.
POA Programa Operativo Anual, IPN, México.
SEPI Sección de Estudios de Posgrado e Investigación, ESIMET.
SNI Sistema Nacional de Investigadores, México.
ULDF Ultra Low Density MDF o tabla de fibra de ultra baja densidad.
UNAM Universidad Nacional Autónoma de México UPIS Unidades Politécnicas de Integración Social, IPN UPM Universidad Politécnica de Madrid, España.
X-A/8M Designación local y temporal para el túnel de viento experimental que se desarrolla en el laboratorio de Aerodinámica, [X-experimental, A- aerodinámica, 8M- 8 motores].
xiii
GLOSARIO
Carenado Revestimiento de fibra de vidrio, plástico u otro material que se adapta a las motocicletas y a algunos bólidos con fines ornamentales y
aerodinámicos.
Currentilíeo Forma aerodinámica de un cuerpo u objeto que favorece el paso de un fluido a su alrededor.
Driver "Manejador" o variador de velocidad de motores eléctricos.
Extradós Línea superior (convexa) de un perfil aerodinámico o superficie exterior convexa de un ala.
Intradós Línea inferior de un perfil o superficie inferior de un ala.
Mantenibilidad Ser susceptible de recibir un mantenimiento exitoso y se mide con el tiempo necesario para reparar la maquina.
Politopo En geometría significa, en primer lugar, la generalización a cualquier dimensión de un polígono bidimensional, o un poliedro tridimensional.
Superficie alar Área proyectada por un ala ignorando la presencia del fuselaje.
Velcro Sistema de cierre o sujeción formado por dos tiras de tejidos diferentes que se enganchan al entrar en contacto.
Refacción Hond. y Méx. Recambio, pieza para sustituir a otra igual.
Trazabilidad Propiedad del resultado de una medición o de un patrón tal que esta pueda ser relacionada con referencias determinadas, generalmente patrones nacionales o internacionales, por medio de una cadena ininterrumpida de comparaciones. Glosario del
CENAM,http://www.imcyc.com/laboratorio2004/metrologia.htm#glosario
xiv
Figuras
Página 1-1 IPN, vista aérea de la Unidad Profesional Adolfo López Mateos. 1.2
1-2 Vista aérea de la ESIME Unidad Ticoman. 1.2
1-3 Laboratorios de la ESIME Unidad Ticoman. 1.3
1-4 Túnel de viento X-A/8M. 1.3
1-5 Fisuras y fallas en ensambles. 1.4
1-6 Hélice dañada. 1.4
1-7 Diagrama de flujo que muestra la metodología que se propone para la Optimización Centrada en el Mantenimiento.
1.14 2-1 Primeros registros de artefactos científicos para volar. 2.2 2-2 Alberto Santos Dumont El 23 de octubre de 1906, voló cerca de 60 metros. 2.3 2-3 Fotografía original del histórico primer vuelo del “Flyer I”,1903. 3 vistas del Flyer I. 2.3 2-4 Túnel de viento diseñado y construido por los hermanos Wright. 2.4 2-5 “Tanto se mueve el aire contra la cosa, como la cosa contra el aire”. 2.4
2-6 Clasificación de túneles de viento. 2.6
2-7 Compendio de 19 túneles de viento. 2.7 a 2.13
2-8 Configuraciones de túneles de circuito abierto. 2.7
2-9 Aplicación de un túnel de viento vertical, de circuito abierto y de presión:
simulación de caída libre.
2.8 2-10 Estos túneles son conocidos como de Capa Limite o Atmosféricos. 2.9 2-11 La baja turbulencia que es posible lograr en túneles de succión permite hacer
visualización del flujo inyectando chorros de humo o gases coloreados.
2.9 2-12 Configuración típica de un túnel de viento de circuito cerrado. 2.10 2-13 Vista en planta de varios túneles. Comparación de dimensiones. 2.11 2-14 Diferentes secciones de pruebas de algunos túneles de viento. 2.11 2-15 Experimento y esquema de un túnel de viento vertical. 2.12
2-16 Sección de pruebas con paredes moldeables. 2.12
2-17 Componentes principales de un Sistema de Potencia de cualquier túnel de viento. 2.13 2-18 Motor de túnel Leybold Didactic GMBH-U1,110-220 V CA. 2.14 2-19 Motor de túnel TE-80, Plint and Partners, Ltd 220 V CA @ 3000 rpm 1/50 HP. 2.14 2-20 Motor del túnel TE44, Plint&Partners Ltd. 220 V CA @ 1750 S-1 18.5 kW. 2.14 2-21 Motor del túnel TE92, Plint&Partners Ltd 220 V CA @ 3400 S-1 0.9 kW. 2.14
2-22 Motor del túnel del IIE, de CD, 30 HP. 2.15
2-23 Motor como el del túnel del IIUNAM, de CA, 70 HP. 2.15
2-24 Túnel de viento A9 de IDR/UPM, España. 2.15
2-25 Motor de gasolina Mitsubishi GS12R-PTK 676 KWatt @1500 rpm. 2.16 2-26 Motor marino a diesel. Mitsubishi’ SU engine.S16U-MPTA 2059 KWatt @750 rpm. 2.16 2-27 Turbina Hidráulica Pelton, para caídas de agua de gran altura. 2.16 2-28 (a) Estación de botones para encender y apagar el ventilador y (b) Modulo de
Potencia del túnel TE-44.
2.18 2-29 Control de velocidad manual con obturador y manivela del túnel TE-44. 2.18 2-30 Descripción gráfica del mecanismo para el control de velocidad del túnel de viento
TE-92.
2.19 2-31 Módulo del control de velocidad del túnel de viento de succión TE-92. 2.19
2-32 Cambio de velocidad con poleas. 2.20
2-33 Motor de inducción, bifásico, de 220 V CA. Motor de inducción bifásico, de 220 V CA.
2.21 2-34 Túnel de viento del Instituto de Investigaciones Eléctricas, IEE, Cuernavaca
Morelos.
2.22 2-35 Panel de control para el encendido, ajuste de velocidad y paro del ventilador. 2.23
2-36 Túnel de viento del IIUNAM. 2.24
2-37 Diferentes tipos de hélices que funcionan como impulsores. 2.24 2-38 Algunas configuraciones de impulsores de flujo axial basados en hélices. 2.25
xv
Figura
2-39 Impulsor del túnel de viento S1MA.
Página
2-40 Ventilador centrífugo con transmisión. 2.25
2-41 Ventilador centrífugo con acoplamiento directo. 2.26
2-42 Túnel de viento de Honda. El ventilador mide 5.3 m de diámetro. 2.27 2-43 Peugeot, Citroën y Renault… invirtieron en dos túneles de viento 36 millones de
euros.
2.27 2-44 AUDI invirtió 30 millones de dólares en esta instalación, incluye tres túneles de
viento.
2.27
2-45 BMW, varios equipos de F1. 2.27
2-46 Modelo del A340 2.28
2-47 Modelo del A318. 2.28
2-48 Modelo completo del AXXX/380. 2.28
2-49 Mitad del modelo del AXXX/380. 2.28
2-50 Prueba de un turborreactor del AXXX/380. 2.28
2-51 Incremento del tiempo requerido de pruebas en túneles de viento conforme ha transcurrido el tiempo.
2.30 3-1 Los túneles de viento ocupan un lugar preponderante en el sector dedicado al
estudio.
3.2
3-2 Evolución del mantenimiento. 3.8
3-3 Mínimo de la función f(x) = x2 – 5. 3.13
3-4 Daniel P. Raymer. 3.15
3-5 Fases del Diseño. 3.16
3-6 Peso medio y altura media de 6672 adultos. 3.21
3-7 Diagramas de las características estructurales del cuerpo humano. 3.22 3-8 Aplicación de las dimensiones estructurales del cuerpo Humano. 3.23 3-9 Trayectoria Técnico-Administrativa del mantenimiento en el IPN. 3.27 3-10 Formato PP07-M Registro de necesidades de mantenimiento. 3.29 3-11 La V-1 fue desarrollada en Peenemünde por la Luftwaffe alemana. 3.32 3-12 Curva helicoidal como resultado de dos desplazamientos. 3.37
3-13 Variedad de aplicaciones de las hélices. 3.38
3-14 El Módulo de Potencia actual tiene 4 ventiladores. 3.38
3-15 Principales componentes de una hélice. 3.39
5-16 Segmento de una ala en donde se observa la distribución de presiones. 3.40
3-17 Segmento de una pala de hélice. 3.40
3-18 Ubicación del sistema para su análisis, trayectoria helicoidal para un elemento de pala.
3.42
3-19 Un elemento de pala aislado. 3.43
3-20 Fuerzas diferenciales que se producen en un elemento de pala. 3.43 4-1 “Al túnel de viento le duele su Sección de Potencia”. 4.2
4-2 Posición relativa de las hélices. 4.3
4-3 La vibración se debe a 40 caballos de potencia,… 4.4
4-4 Método de ensamble de los tableros de MDF. 4.5
4-5 Solamente la zona de motores presentó daños de consideración. 4.6
4-6 Dimensiones de algunos espacios de trabajo. 4.6
4-7 La entrada y la Sección de Pruebas de este túnel de viento tienen una sección transversal de 120 x 120 cm.
4.7
4-8 Vista interior del túnel. 4.7
4-9 No se recomienda desmontar los ventiladores en forma manual. 4.8 4-10 Maniobra para desmontar los ventiladores utilizando una grúa. 4.10 4-11 Maniobra con montacargas tipo “pato” para separar el Módulo de Potencia. 4.13 4-12 La grúa y el gato se pueden combinar para un sinnúmero de maniobras. 4.14
4-13 Analogía de fuerzas de extracción. 4.21
4-14 Mecanismo típico de acoplamiento con base en chaveta, chavetera y tornillo opresor.
4.22 4-15 Cada pala puede estar contribuyendo a la tracción
con diferentes valores.
4.23
xvi
Figura
4-16 Mecanismo de acoplamiento de las hélices.
Página
4.24 5-1 Proceso general y cíclico, que considera cinco fases para el desarrollo de una
máquina e incorpora su optimización teniendo como eje el mantenimiento.
5.2 5-2 Dimensiones originales y básicas para ubicar los ventiladores. 5.3
5-3 Bosquejo general de la nueva estructura. 5.4
5-4 Diseño geometral. En la vista lateral se muestran las extensiones tubulares para instalar otros cuatro motores.
5.4 5-5 Ubicación del centro de gravedad con 4 ventiladores. 5.4
5-6 Trazo de precisión de la estructura con CAD. 5.4
5-7 Acoplamiento de precisión, corte en fresadora. 5.5
5-8 Ensamble con soldadura de arco eléctrico. 5.5
5-9 Aspecto general de la estructura tubular principal. 5.5
5-10 Opciones geométricas al usar el perfil “C”. 5.6
5-11 Ensamble con soldadura de arco eléctrico. 5.6
5-12 Aspecto general de la estructura de la base principal del Módulo de Potencia. 5.7
5-13 Es un mecanismo auto asegurable. 5.8
5-14 Motor eléctrico de 10 CV a 220 V CA @ 1730 rpm. 5.9
5-15 Posición de cada motor en la estructura de soporte. 5.9
5-16 Piezas que conforman a los ventiladores. 5.10
5-17 Vista general y detalles del diseño de las plataformas aisladoras de vibración. 5.11 5-18 Adaptación de soportes aisladores de vibración tipo sándwich. 5.12 5-19 Los ventiladores conservan su ubicación pero la nueva estructura de soporte
(derecha), los independiza del resto del túnel.
5.14
5-20 Registro lateral para inspección y mantenimiento. 5.15
5-21 Mecanismo para nivelar, elevar y trasladar el Módulo de Potencia. 5.16 5-22 Los elevadores con carretilla aumentan la mantenibilidad del Módulo de Potencia. 5.18 5-23 Vista que detalla la instalación de la brida que une aerodinámicamente al módulo
de potencia con el resto del túnel y los aísla de las vibraciones mecánicas.
5.19
5-24 Dimensionado de la franja de lona y velcro. 5.19
5-25 Túnel de viento en su versión completa. 5.20
5-26 Módulo de Potencia en su versión de 8 motores. 5.20
5-27 Aspecto general del módulo de potencia, extendido a 8 motores. 5.20
5-28 Modulación del túnel de viento A-X8/M. 5.21
5-29 Ejemplo de una fracción del formato y estructura que se propone para la elaboración del Manual de Mantenimiento del túnel de viento A-X/8M.
5.22 5-30 El túnel de viento XA-8M produce en su parte frontal, una succión cuya velocidad
de flujo esta cercana a los 90 km/h y en su descarga, alrededor de los 60 km/h.
5.24
5-31 Inspección visual alrededor del túnel 5.24
5-32 Formato propuesto para una lista de verificación. 5.25
5-33 Cuaderno de Bitácora. Documento para llevar un registro de información relevante de la operación del túnel.
5.26
xvii
Tablas
Página
2-1 Túneles de viento y sus sistemas o mecanismo para el control de la velocidad del flujo de aire.
2.17
2-2 Edades de algunos túneles de viento. 2.29
2-3 Ponderación de la carga de trabajo, horas/semestre de operación de túnel de viento en la ESIMET.
2.31
3-1 Dimensiones estructurales del cuerpo humano 3.22
4-1 Actividades, requerimientos y tiempos para el desmontaje por separado de cada ventilador
4.11 4-2 Actividades, requerimientos y tiempos para el desmontaje en bloque de todo el
conjunto de ventiladores
4.13
5-1 Listado de partes de la estructura principal. 5.5
5-2 Listado de partes de la base principal. 5.6
5-3 Listado de partes de los cuatro ventiladores. 5.9
5-4 Plataformas aisladoras de vibración. Listado de partes de los cuatro ventiladores. 5.13
5-5 Listado de partes de los elevadores con carretilla. 5.17
5-6 Concentra las modificaciones rumbo a la optimización. 5.20 5-7 Capitulado que se propone para elaborar el Manual de Mantenimiento. 5.22
1. 1
1.
Introducción
1. 2
1.1. Antecedentes
El Instituto Politécnico Nacional, IPN, es la institución educativa, rectora de la educación tecnológica pública en México y es también líder en la generación, aplicación, difusión y transferencia del conocimiento científico y tecnológico, Para lograrlo, su comunidad forma integralmente profesionales en los niveles medio superior, superior y posgrado, realiza investigación y extiende a la sociedad sus resultados, con calidad, responsabilidad, ética, tolerancia y compromiso social [1/1].
Como una institución innovadora, incluyente, flexible, de calidad, con impacto en el desarrollo nacional, se posiciona estratégicamente en el escenario nacional e internacional, con una gestión eficiente y eficaz; una comunidad académica centrada en el conocimiento, que forma profesionales en los niveles medio superior, licenciaturas y posgrado, comprometidos con su Institución y que fomenta la justicia, la cultura y el respeto a la diversidad [1/2].
El modelo de investigación del IPN está basado en redes de cooperación nacional e internacional, plenamente vinculado con los sectores productivo y social, que fomenta la generación, uso, circulación y protección del conocimiento en sectores estratégicos que promueven la competitividad, la equidad y el mejoramiento de la sociedad.
El IPN se conforma por Escuelas, Centros y Unidades, con una infraestructura, instalaciones y equipamiento que requieren una constante actualización además de un mantenimiento intenso, oneroso e ineludible para el cumplimiento de su planeación estratégica y el alcance de sus objetivos.
En la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad Ticoman, ESIMET, como parte del IPN, se desarrollan proyectos de investigación congruentes con la visión y misión institucionales, tal es
Figura 1-1
IPN, vista aérea de la Unidad Profesional Adolfo López Mateos.
Figura 1-2
Vista aérea de la ESIME Unidad Ticoman.
1. 3 el caso de un túnel de viento aquí designado como A-X/8M, resultado de una propuesta de estudio de investigación1, por la cual se diseñó y construyó la sección de pruebas, el difusor intermedio, la sección de potencia y la plataforma móvil.
Este proyecto fue motivado por la necesidad de contar con un túnel de viento para complementar las actividades curriculares. Su potencial se extiende desde la realización de prácticas para las asignaturas de la Academia de Aerodinámica de la Carrera de Ingeniería en Aeronáutica y de algunas materias de la reciente carrera de Ingeniería en Sistemas Automotrices que se imparten en el mismo Plantel, hasta el apoyo en proyectos de investigación y trabajos de vinculación y servicio externo.
Además de su apoyo en trabajos y tareas que suelen derivarse de los proyectos curriculares con fines de titulación y los cursos, seminarios y/o diplomados que se ofertan como especialización, educación continua, actualización y posgrado.
Finalmente se destaca su potencial, en apoyo a los proyectos de investigación y para realizar trabajos de servicio externo, en el campo de la vinculación académica y tecnológica con el sector productivo y otras entidades de investigación científica.
Se considera que es un proyecto especial por su carácter de auto-equipamiento, es decir, el producto físico de la investigación se queda en la institución y representa un importante ahorro además de contribuir para lograr una independencia tecnológica.
La Propuesta de Estudio de donde se derivó este túnel de viento, cumplió con su propósito de construir un prototipo funcional, el alcance comprometido fue satisfecho y su puesta en operación dio continuidad al proyecto.
1 “Construcción de un Túnel de Viento de Circuito Abierto”, IPN, 2001, Registro DEPI 200708.
Figura 1-3
Laboratorios de la ESIME Unidad Ticoman, zona del hangar.
Figura 1-4 Túnel de viento X-A/8M.
1. 4 En las pruebas iníciales de este túnel, se revelaron dificultades en el uso de la instrumentación para medir parámetros aerodinámicos dentro de la sección de pruebas. Parámetros tales como velocidades, presiones, coeficientes de sustentación y resistencia al avance.
Durante la utilización de este túnel, se empezaron a presentar fallas estructurales, deformaciones, (figura 1-5) y el desprendimiento de una hélice, (figura 1-6), situación que evidenció además problemas de seguridad para efectuar inspecciones y trabajos de mantenimiento preventivo y correctivo.
Esta tesis toma la oportunidad de participar en la continuidad de este proyecto, dada la importancia que representa este túnel para el plantel y por su congruencia con el posgrado.
Los esfuerzos se suman y enfocan para proponer un enfoque diferente del mantenimiento, desde su concepción teórica hasta su aplicación en un caso real.
Figura 1-5
Fisuras y fallas en ensambles.
FIGURA 13
Este Módulo de Potencia llegó al fin de su vida útil como soporte para los ventiladores.
Los esfuerzos estructurales y la fatiga por vibraciones empezaron a provocar fallas estructurales.
MOTORES INSTALADOS DIRECTAMENTE A LA ESTRUCTURA DEL MÓDULO
DE POTENCIA
NÓTESE EL DESPRENDIMIENTO DE ALGUNOS COMPONENTES DE LA ESTRUCTURA
Figura 1-6 Hélice dañada.
1. 5
1.2. Justificación
Son tres motivaciones las que dan origen a esta tesis:
Contribuir al sostenimiento de una de las principales fortalezas del IPN, constituida por su planta física de laboratorios y talleres, a través de impulsar el auto-mantenimiento y el auto- equipamiento.
Fomentar la vinculación académica y tecnológica de la ESIMET con el sector de la Aviación, tanto nacional como internacional, al relacionar su licenciatura y posgrado en Ingeniería Aeronáutica por medio de este tipo de trabajos, en donde se adoptan la filosofía y métodos típicos del mantenimiento como son aplicados en la aviación, con el ánimo de inducir su incorporación en el espacio institucional, y así beneficiar tanto al proceso de formación de recursos humanos como al equipamiento, siendo el Módulo de Potencia del túnel de viento A-X/8M el objeto de estudio en donde se prueba la hipótesis aquí planteada.
Enriquecer el trabajo académico, especialmente el docente por la oportunidad de trasladar conocimientos y experiencias a través de la impartición de asignaturas y la posibilidad de ofrecer opciones de desarrollo y continuidad desde las tareas y trabajos escolares de investigación hasta los proyectos y temas de tesis con fines de titulación profesional.
1. 6
1.3. Hipótesis
Cuando se da mantenimiento a una máquina, lo menos que se espera es que vuelva a funcionar
“casi” como cuando era nueva, asumiendo y aceptando que ya ha consumido parte de su vida útil.
Un mantenimiento especializado, como el que se aplica en la aviación, hace que la máquina (la aeronave), vuelva a funcionar como cuando era nueva, es decir, después de efectuar un mantenimiento mayor, el tiempo transcurrido de vida útil de la máquina virtualmente se regresa a cero.
Un mantenimiento más riguroso, como lo es el Mantenimiento Centrado en la Confiabilidad, además de dejar a la máquina como nueva, la hace más segura, es decir, se logra cierta capacidad de pronosticar y cuantificar la ocurrencia de fallas y de esta manera planear y programar el mantenimiento para prever un paro repentino y/o evitar accidentes. Este tipo de mantenimiento se aplica en industrias en donde la producción no debe detenerse, ya sea por las grandes pérdidas económicas que ello significa o porque son potencialmente peligrosas, como ocurre por ejemplo en la Aviación, en la del Acero o en la Química [1/3].
Estos tipos de mantenimiento tienen como propósito común hacer que la máquina funcione correctamente, que su vida útil dure lo que el fabricante indica, o que en algunos casos se incremente. El mantenimiento más riguroso además, pretende asegurar que la máquina funcione correctamente en el momento y durante los lapsos que se le requirieran.
Ahora bien, ¿qué pasa cuando la máquina se hace obsoleta pero aún funciona? Puede ocurrir que gracias a un buen mantenimiento, se tenga una máquina “nueva” pero antigua. Esta condición se reflejaría en una pérdida de competitividad, ya que sus parámetros de eficiencia seguramente serían bajos en comparación con otras máquinas más modernas. También puede ocurrir que las refacciones, la instrumentación, los materiales, u otros recursos complementarios a la máquina se hayan descontinuado, y que junto con la evolución de la normatividad y las condiciones comerciales, condenarían a esta máquina a terminar sus días en la chatarra o en un museo.
La condición antes señalada se acentúa en máquinas (o equipos) costosos y cuyas vidas útiles suelen medirse en decenios, un ejemplo representativo son las aeronaves, en donde se encuentran muchos ejemplos de aviones que rondan los 30 años de edad y que siguen volando,
1. 7 aunque con grandes problemas y limitaciones, tales como sus elevados consumos de combustible;
tienen restricciones para aterrizar y despegar en aeropuertos debido al alto nivel de ruido que producen; presentan dificultades para conseguir refacciones y componentes para su mantenimiento, entre otros.
Otro ejemplo son los túneles de viento. Son máquinas cuyas vidas útiles se equiparan e incluso superan a las de los aviones con los que comparten una estrecha afinidad ya que las primeras son una valiosa herramienta para diseñar a las segundas.
Para ello, se propone como hipótesis la Optimización Centrada en el Mantenimiento como un método aquí ideado para máquinas que requieran conservar su vigencia, sin descuidar la confiabilidad, la mantenibilidad y la seguridad, en virtud de la posibilidad de intervenir en su diseño y construcción, para incorporar modificaciones que hagan más eficiente el proceso de mantenimiento, desde el monitoreo, su inspección, mantenimiento preventivo, mantenimiento en línea y reparaciones mayores.
Esta propuesta incluye seis aspectos que son intrínsecos en una máquina, los cuales deben ser examinados a fin de obtener un diagnóstico que revele puntos de oportunidad para plantear soluciones de optimización y/o modernización del sistema, constituido éste por la máquina y su entorno.
Dichos aspectos son:
1- Consideraciones de mantenimiento desde el diseño de la máquina.
2- Relación hombre-máquina o ergonomía.
3- Reglamentación.
4- Modus operandi o procedimientos.
5- Confiabilidad y Seguridad.
6- Tecnológicos que influyen o son precursores del deterioro de la máquina.
El supuesto a demostrar es la sinergia que es posible lograr a partir de una reconcepción fundamental y una visión holística de los aspectos antes mencionados, ahora como eventos simultáneos que comparten datos y actividades comunes y en donde la clave para la optimización radica en lograr un compromiso balanceado entre la teoría, la experiencia y la conciencia del entorno para conjugar capacidades intelectuales, destrezas manuales y recursos disponibles.
1. 8
1.4. Objetivo
Desarrollar un proceso de optimización del Módulo de Potencia del Túnel de Viento A-X/8M, en torno a su mantenimiento preventivo y correctivo, con el propósito de reparar y reintegrar a este equipo a su línea de producción en mejores condiciones de operación que las originales, y al mismo tiempo alcanzar los siguientes objetivos secundarios:
1.4.1. Incorporar una modificación de diseño que favorezca sus características físico-ergonómicas para efectuar inspecciones y dar mantenimiento.
1.4.2. Plantear una solución tecnológica que disminuya los efectos de deterioro de la máquina e incremente su vida útil.
1. 9
1.5. Descripción por capítulo
El Capítulo 1 contiene los antecedentes, la hipótesis y el propósito de este trabajo. Se resume su contenido y se acotan sus alcances. Inicia con una exposición del escenario en donde se desarrolla este trabajo y muestra las condiciones actuales del túnel de viento A-X/8M, en torno al cual se propone la Optimización Centrada en el Mantenimiento.
En el Capítulo 2 se expone un panorama general sobre el tema. Inicia con un poco de historia y continúa con las definiciones y descripción del concepto. Se presenta una clasificación de túneles de viento y se abunda en los sistemas de potencia más utilizados. Se presenta una investigación sobre cómo se aplica el mantenimiento en otros túneles de viento, las experiencias y anécdotas de personal técnico que los opera y las alusiones contenidas en la literatura, manuales y documentos en general, relativas al mantenimiento de túneles de viento.
En el capítulo 3 se delinea el contexto donde se ubica el asunto que motiva este trabajo, y se propone un compendio de temas teóricos que presumiblemente serán útiles en la búsqueda de soluciones y mejoras.
En el Capítulo 4 se hace un análisis diagnóstico para detectar y dimensionar la problemática. Se consideran los siguientes enfoques:
El referido a los aspectos de diseño, ergonomía y funcionalidad para detectar puntos de oportunidad que permitan hacer más eficiente los trabajos de inspección, aplicación del mantenimiento preventivo y efectuar trabajos de reparación mayor, por medio de la incorporación de modificaciones, registros, accesos, mecanismos, etc.
Por otro lado se contempla el análisis de aspectos mecánicos que intervienen en el deterioro de la máquina y que son precursores de fallas potenciales. Se estima que el aspecto más representativo son las vibraciones producidas por el desbalance de componentes en movimiento tales como los motores y las hélices así como por la disimetría de las fuerzas aerodinámicas y la consecuente generación de turbulencia en el flujo de aire.
1. 10 Otro enfoque considera el tema del mantenimiento en el contexto del Sistema Institucional.
Aquí se revisan los aspectos administrativos, económicos, lineamientos y políticas contenidas en instrumentos tales como el Plan Institucional de Desarrollo, el Plan de Mediano Plazo y el Programa Operativo Anual. Se presume que la burocracia intrínseca en el sistema es mejorable en beneficio del mantenimiento de este túnel de viento y es extensible al demás equipo.
Por último, se analizan los procedimientos vigentes y la participación del factor humano. La logística, los tiempos y movimientos y el entorno en general se revisan para buscar sinergias en pro del mantenimiento.
En el Capítulo 5 se proponen las soluciones. Estas tienden a incrementar la confiabilidad y seguridad del equipo en su condición actual además de fincar previsiones y criterios para que en un futuro se asegure el registro histórico necesario para implantar el Mantenimiento Centrado en la Fiabilidad, MCF (o RCM: Reability Centered Maintenance).
En virtud de ser un túnel de viento diseñado y construido en la institución, y a que se conoce el interés de proseguir con su desarrollo para incrementar su potencial y por lo tanto su utilización, se decidió aprovechar este trabajo de tesis, el cual pondera las consideraciones que deben hacerse para que el tema del mantenimiento forme parte integral de su diseño.
Las soluciones se apoyan en conocimientos teóricos e información de corte estadístico, matizado por soluciones empíricas, suposiciones razonadas y experiencias indirectas, que si bien no son completamente exactas, sí han demostrado un alto grado de veracidad y utilidad.
1. 11
1.6. Alcances
La Optimización Centrada en el Mantenimiento se restringió al Módulo de Potencia del túnel de viento A-X/8M.
Para analizar la problemática y explorar las posibilidades de optimización, en el marco teórico se sugirieron siete tópicos con los cuales se elaboró un diagnóstico y se propusieron las soluciones.
En congruencia con el objetivo de esta tesis, dichas soluciones se desarrollaron bajo la consigna de que deberían ser realizables aprovechando los recursos disponibles.
Se efectuaron trabajos de mantenimiento preventivo y correctivo para hacer que este túnel volviera a funcionar, pero ahora con una mejor confiabilidad y seguridad además de incorporar algunas modificaciones tendientes a optimizar aspectos que van desde las maniobras de inspección, mantenimiento preventivo, mantenimiento correctivo, hasta su propia operación.
Con respecto a la estructura de soporte de los ventiladores, se consideró cambiar sustancialmente su diseño geometral, ahora con base en materiales metálicos, con dimensiones tales que, sin interferir demasiado con la operación de los ventiladores, se logró una capacidad sobrada para soportar el peso y las vibraciones, desconsiderando la necesidad de un análisis estructural.
Del diagnóstico, se desprendió la conclusión de que aún no es el momento de aplicar algunos de los métodos de optimización matemática mostrados en el capítulo 4, debido a que muchas de las variables que intervienen en la problemática se desconocen, o son del tipo aleatorio, o son datos poco confiables o se presentan conflictos entre objetivos. Además, la falta de información histórica del comportamiento funcional de las partes que componen el túnel, impide por el momento un análisis de confiabilidad.
En compensación a lo anterior, se optó por incrementar la mantenibilidad en virtud de que todas las modificaciones hechas y propuestas estuvieron basadas en criterios ergonómicos, mejorando el acceso para realizar inspecciones y trabajos de mantenimiento preventivo y correctivo tanto a los motores como a las hélices y a que los materiales utilizados son baratos y de fácil adquisición.
Por último, se destacan las previsiones para su crecimiento ya que con algunas modificaciones menores se podrán agregar 4 ventiladores más, incrementando con ello la velocidad del flujo de aire en éste túnel.
1. 12
1.7. Metodología
La Optimización Centrada en el Mantenimiento es un proceso iterativo como el mostrado en la figura 1-7, que inicia con una problemática cuya solución implica dos beneficios simultáneos: resuelve los problemas y aporta mejorías, tanto a la máquina como al sistema. Tiene iteraciones internas que conectan a la problemática con el acopio de información y con el diagnóstico para ampliar en cada ciclo la perspectiva de los problemas, sus posibles causas, sus soluciones e inclusive, las oportunidades de mejora. Las iteraciones externas permiten valorar los beneficios a través de una realimentación que reinicia el proceso cada vez que se presenta una nueva necesidad de aplicar mantenimiento.
Este proceso se aplicó al Módulo de Potencia del túnel de viento A-X/8M, cuya problemática estaba encabezada por una falla de tal magnitud que demandó la aplicación de un mantenimiento mayor.
Con el acopio de información se delineó un marco teórico a partir de la definición del concepto, formas y principios de funcionamiento de los túneles de viento; continuando con temas de mantenimiento, optimización, diseño, ergonomía, reglamentación, normatividad, confiabilidad y aerodinámica. Cabe señalar que la variedad y cantidad de tópicos que resultaron del acopio de información, fueron inferidas y su utilidad varió en función de las conclusiones que resultaron de cada análisis.
Figura 1-7
Diagrama de flujo que muestra la metodología que se propone para la Optimización Centrada en el Mantenimiento.
1. 13 El marco teórico se complementó con experiencias y aspectos prácticos, al haber participado en la operación de este túnel y otros ubicados en distintas instancias dedicadas a la enseñanza y a la investigación, tanto nacional como internacional.
Con el sustento de este acervo, se realizó un diagnóstico para cuantificar el daño en este túnel de viento, se investigaron las causas que lo provocaron y se hizo una detección de anomalías susceptibles de convertirse en más fallas, hasta concluir con una búsqueda de puntos u oportunidades de mejora. En esta parte del proceso, se establecieron ciclos en donde se fue acumulando conocimiento y experiencia por cada iteración (interna), para mejorar y acelerar el arribo a un diagnóstico cada vez más completo y preciso de la problemática. Concluido el diagnóstico, se jerarquizó la problemática y los puntos de mejora para decidir un orden de atención.
Se analizaron, diseñaron y aplicaron las soluciones, que además de resolver los problemas, aportaron acciones tendientes a mejorar las condiciones de aplicación del mantenimiento así como de operación de la máquina.
2. 1
2.
Estado
del Arte
2. 2
2.1. Historia
2.1.1. Antecedentes que motivaron la invención del túnel de viento
La idea de volar incitó al hombre a desarrollar una gran cantidad de artefactos, entre los primeros diseñadores, de los cuales existe evidencia gráfica, figuran el pintor e inventor italiano Leonardo Da Vinci (1452-1519)[2/1], [2/2]
y el ingeniero de minas sueco Emanuel Swedenborg (1688-1722)[2/3].
Estos personajes dejaron un interesante y vasto legado científico que incluye bosquejos de ingeniosas máquinas voladoras, de las cuales, aunque no hay evidencia de que hayan funcionado, si hacen patente que ambos hombres se adelantaron a sus épocas. Los avances tecnológicos de aquellos días no eran suficientes para cubrir los requerimientos, especialmente de materiales y procesos de manufactura para construir esas aeronaves.
Posteriormente el inglés sir George Cayley (1773- 1857)[2/4], matemático y hábil mecánico estudió sistemáticamente los problemas del vuelo. Conocía la capacidad de sustentación aerodinámica que podía producir un ala combada y distinguía este hecho del de la resistencia al avance. Tenía un claro concepto de los elevadores posteriores y de la hélice como medio de propulsión. Llegó a la conclusión de que en su época no existía la posibilidad tecnológica para construir un motor capaz de permitir un vuelo autónomo, razón por la cual se dedicó con bastante éxito al diseño y construcción de planeadores, (1808 a 1857).
Figura 2-1
Primeros registros de artefactos científicos para volar.
2. 3
El brasileño Alberto Santos Dumont, (1873–1932)[2/5], figura 2-2, fue el primer hombre en despegar a bordo de un avión impulsado únicamente por un motor alternativo en Paris (1906), sin embargo, no se preocupó por llevar registros oficiales ni protegió sus derechos como autor lo cual ha motivado gran polémica para ser considerado como el primero en realizar esta hazaña.
2.1.2. Inventores del túnel de viento
A partir de 1899, los hermanos Wright, figura 2-3 (izquierda)[2/6], iniciaron un proceso sistemático y bien documentado para estudiar las posibilidades del vuelo. Aprovecharon la información existente, desde Da Vinci hasta el alemán Otto Lilienthal, (1848-1896) y el estadounidense Samuel Langley, (1834-1906). Los Hermanos Wright comparten el título de pioneros de la aviación mundial junto con Santos Dumont.
Figura 2-2
Alberto Santos Dumont El 23 de octubre de 1906, voló cerca de 60 metros a una altura de 2 a 3 metros del suelo con su 14-bis, en el
campo de Bagatelle en París.
Figura 2-3
Arriba a la derecha, Fotografía original del histórico primer vuelo del “Flyer I”,1903. Abajo a la derecha, tres vistas del Flyer I.
