FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA
Análisis de fallas críticas de sistemas auxiliares para incrementar la confiabilidad del rodillo
compactador volvo en la municipalidad de Acopalca.
Canahualpa Carhuamaca, Tito Walther
Huancayo 2018
Canahualpa, T. (2018). Análisis de fallas críticas de sistemas auxiliares para incrementar la confiabilidad del rodillo compactador volvo en la municipalidad de Acopalca. (Tesis para optar el título de Ingeniero Mecánico). Universidad de Nacional del Centro del Perú Facultad de Ingeniería Mecánica, Huancayo-Perú.
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Repositorio Institucional - UNCP
Análisis de fallas críticas de sistemas auxiliares para incrementar la confiabilidad del rodillo compactador volvo en la municipalidad de Acopalca.
1
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ
FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA
TESIS
Presentado por:
TITO WALTHER CANAHUALPA CARHUAMACA
Para optar el título de:
Ingeniero Mecánico Huancayo – Perú
2018
ANÁLISIS DE FALLAS CRÍTICAS DE SISTEMAS AUXILIARES PARA INCREMENTAR LA
CONFIABILIDAD DEL RODILLO COMPACTADOR
VOLVO EN LA MUNICIPALIDAD DE ACOPALCA.
A S E S O R
Mg. Wuilber Clemente De la Cruz
AGRADECIMIENTO
Quiero dar gracias al Dios por bendecirme para llegar hasta donde he llegado, porque hiciste realidad este sueño anhelado.
Agradezco a mis padres Walther y Olga, que su lucha da resultado, a mis hermanos Félix, Elvis y Fanny que han estado presente conmigo en todo el transcurso de mi vida, apoyándome hasta alcanzar mis metas, así formando parte de este gran logro personal.
DEDICATORIA
A mis queridos padres quienes forjaron mis pasos e invalorable sacrificio de exigencia haciendo posible mi formación profesional.
RESUMEN
El presente trabajo investigación es de tipo tecnológico y de nivel aplicativo, para cuyo efecto se utiliza el diseño con grupo control; pre prueba y pos prueba, se evalúa los comportamientos de desempeño de trabajo de los sistemas auxiliares con el objetivo de incrementar la confiabilidad del motor diésel del rodillo compactador.
La disminución de la presión y la temperatura atmosférica en regiones montañosas afecta a la densidad del aire y su composición en el múltiplo de admisión, y en consecuencia a los fluidos operantes de los otros sistemas, de toda máquina térmica. Teniendo como consecuencia fallas no comunes y disminución de su confiabilidad durante su funcionamiento.
Por lo tanto para incrementar la confiabilidad se aplicó estrategias mediante el cual se define las fallas, los tipos de falla: Fallas funcionales y fallas críticas en los sistemas auxiliares, como: admisión de aire, suministro de combustible, sistema de refrigeración, lubricación y sistema electromecánico;
también se realiza un análisis de las estrategias del mantenimiento que se va a implementar para trabajos de la máquina sobre 4000 msnm., logrando así corregir positivamente la potencia del motor en 88 kW, puesto que éste motor trabajaba con 74 kW originando fallas críticas. Como también se recupera el comportamiento de los parámetros energéticos originales; además se logra incrementar la confiabilidad del rodillo compactador.
Palabras claves:
Fallas críticas, confiabilidad, sistemas auxiliares.
ABSTRACT
The present work is of technological type and of applicable level, for which purpose the design with control group is used; pre-test and post-test, work performance behaviors of the auxiliary systems are evaluated in order to increase the reliability of the diesel engine of the roller compactor.
The decrease in pressure and atmospheric temperature in mountainous regions affects the density of air and its composition in the multiple of admission, and consequently to the operating fluids of the other systems, of every thermal machine. As a consequence, uncommon failures and diminished reliability during operation.
Functional faults and failures in auxiliary systems, such as air intake, fuel supply, cooling system, lubrication and electromechanical system; An analysis of the maintenance strategies that can be implemented for machine work over 4000 masl is also performed, thus positively correcting the engine power by 88 kW, since the engine operated with 74 kW causing critical failures. The behavior of the original energy parameters is also recovered; In addition, it is possible to increase the reliability of the roller compactor.
Keywords:
Critical failures, reliability, auxiliary systems.
ÍNDICE GENERAL
Página
Asesor………...i
Agradecimiento………ii
Dedicatoria ………...iii
Resumen ………..iv
Abstract ………..vi
Índice general ………..vii
Índice de figuras o ilustraciones………...….xiii
Índice de cuadros o tablas……….xiv
Introducción………....1
CAPITULO I PLANTEAMIENTO DEL ESTUDIO 1.1 Fundamentación del problema……….………3
1.2 Formulación del problema……….………..………...7
1.2.1 Problema General……….………...7
1.2.2 Problema Especifico………....7
1.3 Objetivos de la investigación……….…...…….8
1.3.1 Objetivo general……….………….…………...8
1.3.2 Objetivos específicos……….……..……….…...8
1.4 Justificación………..…...8
1.5 Limitaciones del estudio………...9
CAPITULO II MARCO TEÓRICO 2.1 Antecedentes de la investigación………...10
2.2 Bases teóricas……….…..12
2.2.1 Sistemas Auxiliares………....12
2.2.2 Fallas críticas en los sistemas auxiliares………19
2.2.3 Confiabilidad de los equipos……….…20
2.2.4 Características técnicas del motor del rodillo compactador………....24
2.2.5 Parámetros de condiciones ambientales a diferentes alturas……….25
2.3. Bases Conceptuales….….………..……….…...26
2.3.1 Definiciones conceptuales……….26
2.3.2 Definiciones operacionales………...27
2.4 Hipótesis………..…..……….………....28
2.4.1 Hipótesis general……….28
2.4.2 Hipótesis especificas………..28
2.5 Operacionalizacion de variables………...29
CAPITULO III METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN 3.1 Método de investigación………...31
3.2 Tipo de Investigación………..………..31
3.3 Nivel de investigación………..…………...31
3.4 Diseño de investigación………...31
3.5 Muestra o unidad de observación………..32
3.6 Técnicas e instrumentos de recolección de datos………...…32
3.7 Procedimiento de recolección de datos………..………..34
CAPITULO IV PROCESO DE ANALISIS DE FALLAS CRÍTICAS 4.1 Características normales de funcionamiento del motor diésel...…..35
4.2 Fallas críticas por trabajos a más de 4000 msnm….………..……...35
4.3 Diagnóstico de los síntomas previstos …………. ……..……….39
CAPÍTULO V RESULTADO DE LA INVESTGACION 5.1 Presentación de resultados……….. ..49
5.1.1 Evaluación y diagnóstico de los sistemas auxiliares antes de su corrección………...49
5.1.2 Evaluación y diagnóstico de los sistemas auxiliares después de su corrección………...52
5.1.3 Resultados Finales de los indicadores de mantenimiento…………...56
5.2 Análisis estadístico de los resultados………. .57
5.2.1 prueba de significancia……….62
5.3 Prueba de hipótesis………..……….………..62
5.4 Discusiones e interpretación de resultados……….63
5.4.1 Discusiones……….63
5.4.2 Interpretación………..66
5.5 Aportes y aplicaciones……….67
CONCLUSIONES. ……….………...68
RECOMENDACIONES...69
BIBLIOGRAFÍA………..…….……….70
ANEXOS ...72
INDICE DE FIGURAS
Figura 1.1 Ingreso a la localidad e Acopalca………...5
Figura 1.2 Mejoramiento de vías y carreteras………...5
Figura 1.3 Rodillo compactador SD100FC-VOLVO………...6
Figura 1.4 Moto niveladora JHON DEER 770D………6
Figura 1.5 Cargador frontal volvo………7
Figura 2.1 Eficiencia del turbo compresor ………..15
Figura 2.2 Sistemas de equipos en serie……….22
Figura 2.3 Sistemas de equipos en paralelo………23
Figura 4.1 Mapa del turbo compresor seleccionado...………...47
INDICE DE TABLAS
Tabla 2.1 Operacionalizacion de la variable Independiente “fallas
criticas”...30
Tabla 2.2 Operacionalización de la variable dependiente “confiabilidad”..…...30
Tabla 3.1 Instrumentos de medición………33
Tabla 4.1 Análisis de modos, y efectos de falla potenciales sobre los 4000 msnm……….37
Tabla 4.2 Datos de referencia para determinar las variables analíticamente…39 Tabla 4.3 Valores de los coeficientes A Y B para motores diésel….…………..43
Tabla 4.4 Datos de referencia para hallar variables a todo nivel……….44
TABLAS DE LOS SISTEMAS AUXILIARES ANTES DELA CORRECCIÓN Tabla 5.1 Parámetros del sistema de admisión de aire……….49
Tabla 5.2 Parámetros del sistema de suministro de combustible………....50
Tabla 5.3 Parámetros del sistema de enfriamiento………50
Tabla 5.4 Parámetros del sistema de lubricación-tipo de aceite 20W40………51
Tabla 5.5 Parámetros del sistema electrónico………51
TABLAS DE LOS SISTEMAS AUXILIARES DESPUÉS DE LA CORRECION Tabla 5.6 Parámetros del sistema de admisión de aire……….53
Tabla 5.7 Parámetros del sistema de suministro de combustible………53
Tabla 5.8 Parámetros del sistema de enfriamiento………54
Tabla 5.9 Parámetros del sistema de lubricación-tipo 5W40………...55
Tabla 5.10 Parámetros del sistema electromecánico………....56
Tabla 5.11 Contrastes no paramétricos de indicadores de mantenimiento…...56
Tabla 5.12 Contrastes paramétricos de TMEF por semana (antes)………57
Tabla 5.13 Contrastes paramétricos de TPPR por semana (antes)…………...58
Tabla 5.14 Contrastes paramétricos de TMEF por semana (después)………..58
Tabla 5.15 Contrastes paramétricos de TPPR por semana (después)………..59 Tabla 5.16 Contrastes paramétricos de confiabilidad………....60 Tabla 5.17 Resumen estadístico de confiabilidad del rodillo compactador…....60 Tabla 5.18 Estadísticas de muestras relacionadas………62 Tabla 5.19 Prueba de significancia………...62
INTRODUCCIÓN
La potencia del motor diésel modelo cummins del rodillo compactador disminuye con la altitud y las condiciones ambientales de trabajo; debido principalmente a que la presión en el cilindro es menor a lo largo de todo el ciclo del motor, si bien otros efectos relacionados con la incorporación del combustible, lubricación, enfriamiento, electromecánico y admisión de aire del motor también influyen. Todo ello provoca una pérdida de potencia indicada. Y disminuye los indicadores de mantenimiento como la confiabilidad, por tanto se ha agrupado en cinco capítulos:
Capítulo I: Se identifica el problema en el campo de rodillos compactadores especialmente en la marca Volvo motor cummins, con el fin de mejorar su confiabilidad del mencionado compactador, tomando en cuenta las condiciones físicas y químicas del medio ambiente.
Capítulo II: Se plantea el marco teórico, en base a los objetivos trazados. Se analiza cuidadosamente todos los factores relativos físicos y de medio ambiente con la actividad que realiza de acuerdo a las condiciones del trabajo y a las características peculiares del servicio.
Capítulo III: Se plantea la metodología de la investigación para resolver el problema de fallas críticas, que dicho sea paso disminuye la confiabilidad, la investigación es de tipo tecnológica y de nivel aplicativo, para esto vamos a utilizar los datos del rodillo compactador, especialmente aquellos variables que intervienen en la potencia del motor, de los sistemas auxiliares.
Capítulo IV:, Se realiza el análisis de fallas críticas entre normales y anormales originados por cambio de medio ambiente de un nivel a otro no considerado por el fabricante. Seguidamente se corrige los parámetros de cada sistema auxiliar para corregirlo positivamente, luego se efectúa el seguimiento
correspondiente para determinar el incremento de la confiabilidad de rodillo compactador en estudio.
Capítulo V: En este capítulo se presenta el resultado del trabajo Se discute y analiza del resultado de la investigación a fin de corroborar con los resultados y poder comprobar la hipótesis planteada en el incremento de la confiabilidad, así como las implicancias del resultado del presente trabajo, con interpretaciones y comentarios del análisis de las fallas críticas.
Tito Walther Canahualpa C.
CAPITULO I
PLANTEAMIENTO DEL ESTUDIO 1.1 FUNDAMENTACION DEL PROBLEMA
“La localidad de Acopalca tiene su fuente de crecimiento económico en el comercio de frutas, productos agrícolas y ganaderos. Por lo que se encuentra en la mejora de vías y carreteras para su trasporte.
Por lo tanto la municipalidad viene ejecutando estos proyectos con equipos tales como: un cargador frontal, una motoniveladora y un rodillo compactador; donde este último presentaba deficiencia en su operatividad y por lo tanto no era confiable”. (Palomino, 2016, P.12)
“Por consecuencia, se tenía paradas no programadas del equipo por fallas funcionales que afectaban a los sistemas auxiliares del motor diésel del rodillo compactador, que disminuía la confiabilidad.
La reducción de la potencia y la aparición de fallas en los sistemas auxiliares por trabajar en regiones montañosas incrementan cuando este trabaja sobre los 4000 msnm. por efecto de factores climáticos” (Palomino, 2016, P.12)
Relación del problema con la teoría
En el análisis y evaluación de fallas de sistemas auxiliares de un motor diésel en altura se presenta dentro de los sistemas auxiliares descritas en la teoría como son:
“Fallas en el sistema de admisión de aire: presión y variación de densidad del aire atmosférico” (Garret, 2002, P. 36)
“Fallas en el sistema de refrigeración: temperatura del refrigerante y temperatura de trabajo del motor diésel” (Widman, 2005, P.5)
“Fallas en el sistema de lubricación: caudal, viscosidad, degradación, temperatura y presión del aceite motor” (Albarracín, 1993, p. 68)
“Fallas en el sistema de suministro de combustible: Emisión excesiva de humo negro, temperatura de trabajo del combustible, consumo de combustible” (Maples, 1989, p. 62).
“Fallas en el sistema electrónico con sulfataciones de borne de batería, sulfatación en los arneses y otros” (Volvo Perú, 2010, p.200)
Investigaciones que han resuelto el problema.
Bardalez (2012), en su tesis titulada “ESTUDIO TEÓRICO DEL EFECTO DE LA ALTITUD Y LA UTILIZACIÓN DE MEZCLAS BX SOBRE EL FUNCIONAMIENTO DE MOTORES ENCENDIDOS POR COMPRESIÓN”, Implementa una metodología que consistió en calcular por separado las variaciones en las características del motor debido a la altitud y mezclas BX, luego se sumaron para encontrar la disminución total en el rendimiento del motor diésel debido al efecto de la altitud. Mostrando de este modo tablas porcentuales, las cuales permiten determinar la variación de la potencia y eficiencia que un motor de encendido por compresión de aspiración natural puede desarrollar y el consumo específico y volumétrico de combustible para distintas mezclas diésel-biodiesel a diferentes altitudes sobre el nivel del mar.
Barahona (2013), en su tesis titulada “SELECCIÓN E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE SOBREALIMENTACIÓN, PARA MEJORAR LA EFICIENCIA EN UN VEHÍCULO HYUNDAI H100 MOTOR DIESEL 2.6 QUE TRABAJA SOBRE 3200 MSNM”, Se investiga las variaciones múltiples existentes, sus diseños y aplicaciones, para así seleccionar un turbo compresor de mejores prestaciones que nos permite mejorar la eficiencia volumétrica con su correspondiente incremento en la potencia del motor. Debido a que el sistema turboalimentado admite una cantidad mayor de aire al interior del cilindro, de esta forma mejorando la interacción entre las moléculas del aire que ingresa al cilindro y aprovechando de mejor manera la combustión.
Figura 1.1 Ingreso a la localidad de Acopalca.
Fuente: Municipalidad de Acopalca
Figura1.2 Mejoramiento de vías y carreteras Fuente: Municipalidad de Acopalca
Figura 1.3 Rodillo compactador SD100FC-VOLVO Fuente: Municipalidad de Acopalca
Figura 1.4 Moto niveladora JHON DEER 770D Fuente: Municipalidad de Acopalca
Figura 1.5 cargador frontal VOLVO Fuente: Municipalidad de Acopalca 1.2 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA
1.2.1 PROBLEMA GENERAL
¿Cómo efectuar el análisis de las fallas críticas de los sistemas auxiliares para lograr incrementar la confiabilidad del rodillo compactador VOLVO en la municipalidad de Acopalca?
1.2.2 PROBLEMAS ESPECÍFICOS
¿Cómo efectuar el análisis de las fallas críticas en el sistema de admisión de aire para lograr incrementar la confiabilidad del rodillo compactador VOLVO en la municipalidad de Acopalca?
¿Cómo efectuar el análisis de las fallas críticas en el sistema de suministro de combustible para lograr incrementar la confiabilidad del rodillo compactador VOLVO en la municipalidad de Acopalca?
¿Cómo efectuar el análisis de las fallas críticas en el sistema de enfriamiento para lograr incrementar la confiabilidad del rodillo compactador VOLVO en la municipalidad de Acopalca?
¿Cómo efectuar el análisis de las fallas críticas en el sistema de lubricación para lograr incrementar la confiabilidad del rodillo compactador VOLVO en la municipalidad de Acopalca?
¿Cómo efectuar el análisis de las fallas críticas en el sistema electromecánico para lograr incrementar la confiabilidad del rodillo compactador VOLVO en la municipalidad de Acopalca?
1.3 OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN 1.3.1 OBJETIVO GENERAL
Analizar las fallas críticas de sistemas auxiliares con medios empíricos y técnicos para incrementar la confiabilidad del rodillo compactador VOLVO en la municipalidad de Acopalca.
1.3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Analizar las fallas críticas en el sistema de admisión de aire para lograr incrementar la confiabilidad del rodillo compactador VOLVO en la municipalidad de Acopalca.
Analizar las fallas críticas en el sistema de suministro de combustible para lograr incrementar la confiabilidad del rodillo compactador VOLVO en la municipalidad de Acopalca.
Analizar las fallas críticas en el sistema de enfriamiento para lograr incrementar la confiabilidad del rodillo compactador VOLVO en la municipalidad de Acopalca.
Analizar las fallas críticas en el sistema de lubricación para lograr incrementar la confiabilidad del rodillo compactador VOLVO en la municipalidad de Acopalca.
Analizar las fallas críticas en el sistema electromecánico para lograr incrementar la confiabilidad del rodillo compactador VOLVO en la municipalidad de Acopalca.
1.4 JUSTIFICACIÓN
La razón del presente estudio surge de la necesidad de incrementar la confiabilidad del rodillo compactador volvo en la municipalidad de Acopalca, ya que este equipo presentaba fallas mecánicas durante su operatividad, y no se tenía avance en los trabajos de mejoramiento de vías y carreteras.
Por lo que se busca resolver el problema de como incrementar la confiabilidad del motor diésel del rodillo compactador Volvo.
IMPORTANCIA DEL TEMA DE INVESTIGACIÓN .La importancia radica en obtener las características del motor, cuando trabaja en una zona que esta fuera de la altitud recomendada, ya que esto implica que el peso de
las pérdidas mecánicas crece frente a una potencia indicada que disminuye y que por lo tanto la pérdida relativa de potencia efectiva sea incluso menor que la indicada.
También radica en ampliar conocimientos en el monitoreo, control y solución de problemas que afectan los sistemas auxiliares al motor propiamente dicho, así como la identificación de los efectos de las fallas.
En base a los fundamentos teóricos y prácticos, se aplica una técnica adecuada al problema de fallas críticas sobre los 4000 msnm., de funcionamiento de este tipo de maquinaria, como consecuencia de ello se parte el estudio de los fenómenos físicos y químicos del fluido operante agente de la energía térmica, con el cual se acciona los mecanismos y sus accesorios del tren de fuerza, Por consiguiente, la tesis se enfoca de una manera clara sobre el problema, donde cualquier persona o profesional del área automotriz puede entender y mejorar en todo tipo de máquina.
1.5 LIMITACIONES DE ESTUDIO
Este trabajo de investigación, tuvo como limitaciones lo siguiente:
Se tuvo poca información de registros, documentos y manuales de información para obtener el historial del equipo.
No se contaba con el software inside (escáner de motor diésel cummins) para escanear el motor diésel Cummins del rodillo compactador Volvo.
CAPITULO II MARCO TEORICO 2.1 ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN
La tesis “ESTUDIO TEÓRICO DEL EFECTO DE LA ALTITUD Y LA UTILIZACIÓN DE MEZCLAS BX SOBRE EL FUNCIONAMIENTO DE MOTORES ENCENDIDOS POR COMPRESIÓN”, presentado por : Bardalez (2012)
,
para optar al título profesional de: Ingeniero Mecánico en la Facultad de Ciencias e Ingeniería de Pontificia Universidad Católica del Perú.Concluye que “la eficiencia del motor en altura es menor porque la presión atmosférica y la densidad del aire decrecen con la altitud, por lo tanto la combustión se ve afectada porque hay menos moléculas de oxígeno en el aire para reaccionar con el combustible. La menor presión atmosférica hace que la presión en todo el ciclo termodinámico sea menor lo que afecta la auto-detonación del combustible y el empuje total que recibe el pistón por la explosión, disminuyendo su potencia. En el caso de estudio de esta tesis;
la potencia baja en un 46% de la potencia nominal del motor, es por eso que el motor cummins DM6015 que puede desarrollar 283 KW de potencia a nivel del mar, vera limitada su potencia a 153 KW”. (Bardalez, 2012, p.92) Se usó la metodología de esta tesis para poder hacer los cálculos de la potencia indicada del motor diésel para trabajos en altura.
En la tesis de “SELECCIÓN E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE SOBREALIMENTACIÓN, PARA MEJORAR LA EFICIENCIA EN UN VEHÍCULO HYUNDAI H100 MOTOR DIESEL 2.6 QUE TRABAJA SOBRE 3200 MSNM”, presentado por: Barahona y Sarango (2013), para optar
Grado de: Ingeniero Automotriz en la Facultad De Mecánica Escuela De Ingeniería Automotriz-Riobamba Ecuador.
Concluye que “con la utilización de equipos especiales, para la medición de potencia y porcentaje de opacidad de los gases de escape, se estableció que el motor Hyundai H100 atmosférico, necesita la implementación del sistema de sobrealimentación. El turbocompresor seleccionado para la sobrealimentación, que cumple con los requisitos óptimos para el correcto funcionamiento del sistema de admisión, es el Turbocompresor GARRETT serie GT 1544.Lográndose incrementar el 66,8 % de la potencia nominal del motor Hyundai H100”. (Barahona; Sarango, 2013, p. 99)
Se usó la metodología de esta tesis para poder seleccionar un turbo compresor y hacer los cálculos de mejora de la potencia indicada del motor diésel para trabajos en altura.
En la tesis “APLICACIÓN DE MANTENIMIENTO PREDICTIVO EN EL SISTEMA DE LUBRICACION PARA EL ESTUDIO DEL ANALISIS DE ACEITE USADO EN UN MOTOR DE COMBUSTION INTERNA”
presentado por: Barquisimeto (2013), para titularse como Ingeniero Mecánico en la facultad de Ingeniería Automotriz de La Universidad De Cancún – México.
Esta tesis se enfoca en el análisis y monitoreo del aceite lubricante. Debido a los fenómenos que debe enfrentar: altas y bajas temperaturas, productos de la combustión y residuos que pueden contaminar el lubricante, altos esfuerzos, entre otros.De cuyo trabajo se concluye lo siguiente.
“Se establece el control de parámetros de características físico-químicas y de la concentración de metales en el aceite lubricante usado. Esto nos permite la detección temprana de niveles de contaminación; determinando el periodo de rellenado o reemplazo del aceite lubricante en el motor diésel para su buen desempeño caso contrario de no cumplir con los parámetros de degradación de viga útil del aceite para los trabajos exigidos de se debe de seleccionar otro tipo de aceite que cumpla con las exigencias de trabajo para el sistema de lubricación de un motor diésel”. (Barquisimeto, 2013, p.95) Se usó la metodología de esta tesis para poder evaluar y seleccionar otro tipo de aceite motor para el motor diésel cummins que desarrolla su trabajo a más los 4000 msnm.
La tesis “APLICACIÓN DEL MANTENIMIENTO CENTRADO EN LA CONFIABILIDAD A MOTORES A GAS DE DOS TIEMPOS EN POZOS DE ALTA PRODUCCIÓN” presentado por:Da Costa (2010) para optar el Título de Ingeniero Mecánico en la Pontificia Universidad Católica Del Perú.
Esta tesis realiza un estudio al modo de falla de sus motores en su área de trabajo respectiva; donde presentan fallas en sus diferentes sistemas. Se ejecuta una adecuada estrategia de mantenimiento, que identifique las fallas más comunes y el modo de solucionarlas efectivamente.
Donde se halla la siguiente conclusión:
“Mediante la determinación del Tiempo medio entre Falla (MTBF) y el tiempo medio por reparación (TMPR) nos permitió determinar la frecuencia óptima de intervención de cada uno de los motores analizados a través del análisis de modos y efectos de fallos potenciales (AMEF). Estableciendo tareas de mantenimiento preventivo y correctivo de cada uno de los motores logrando así incrementar la confiabilidad y prolongar la vida útil de los motores. De acuerdo al AMEF y la clasificación obtenida a través del NPR (Número de Prioridad de Riesgo), de los 124 modos de falla analizados, se obtuvo lo siguiente: a. 26 fallas inaceptables (21.0%). b. 43 fallas de reducción deseable (34.7%). c. 55 fallas aceptables (44.3%)”. (Da costa, 2010, p.86)
Se usó la metodología de esta tesis para aplicar el AMEF (análisis de modos, y efectos de fallos potenciales) para las fallas que presentaba el motor diésel del rodillo compactor volvo.
2.2 BASES TEÓRICAS
2.2.1 SISTEMAS AUXILIARES
“Los sistemas auxiliares de un motor diésel son aquellos que desarrollan los procesos internos térmicos, físicos y mecánicos en su complejidad de fluidos operantes y componentes que están ligados para el desarrollo de trabajos en serie cumpliendo con las exigencias de desempeño para el cual fueron diseñados”. (Jovaj, 1982, p.21)
Entre los más principales sistemas auxiliares tenemos:
A) SISTEMA DE SUMINISTRO DE COMBUSTIBLE. “En los motores de combustión interna la energía térmica necesaria para realizar el trabajo
mecánico, se obtiene como resultado de las reacciones químicas entre el combustible introducido al cilindro y el oxígeno del aire”. (Jovaj, 1982, p.39)
“El aire se comprime a gran presión en el interior de la cámara de combustión, de este modo alcanza la temperatura adecuada para la inflamación del combustible, siendo introducido en la cámara de combustión a gran presión. Este inyector está debidamente regulado para que la cantidad de combustible y el momento en que debe ser inyectado sean precisos, obteniendo una mezcla perfecta y por consiguiente un buen funcionamiento del motor”. (Jovaj, 1982, p.39)
Tiene los siguientes componentes:
- Depósito o tanque - Filtro separador de agua - Bomba de baja presión
- Bomba manual de purga de aire - Filtros de combustible
- Baypas
- Bomba de alta presión - Common rail
- Inyectores con electroválvula(Jovaj, 1982, p.39) El número de cetano y la altitud.
Se indica lo siguiente:
“Entre mayor sea la altitud mayor será el requerimiento de cetano. El número de cetano mide la calidad de ignición de un diésel”. (Maples, 1989, p. 62).
“El combustible diésel se convertirá en un gel a partir de temperaturas entre - 2 grados Celsius .El motor no encenderá porque el combustible está congelado. Por lo tanto en zonas donde las temperaturas están debajo de estos rangos, se debe de abastecer de un tipo de combustible que utilice aditivos para disminuir el punto de congelamiento del combustible”.
(Maples, 1989, p. 62).
Además de tener presente la relación de compresión (aire/combustible).
Para la regulación de sus presiones. (Maples, 1989, p. 62).
B) SISTEMA DE ADMISION DE AIRE “Para realizar el ciclo de trabajo de un motor de combustión interna es necesario introducir al cilindro la carga fresca del aire o la mezcla aire combustible”.(Jovaj, 1982, p.81)
“Ya que el aumento o disminución de presión en el cilindro; depende del régimen de velocidad del motor, de las resistencias hidráulicas en todos los elementos del sistema, del área de las secciones de paso por donde se desplaza la carga fresca y de la densidad del aire”. (Jovaj, 1982, p.81)
“En los motores con sobre alimentación; el aire se introduce al cilindro después de comprimirlo previamente en el compresor a una presión mayor que la presión atmosférica y la temperatura del aire será más alta que la temperatura del medio ambiente”. (Jovaj, 1982, p.84)
Tiene los siguientes componentes:
- Filtro centrífugo
- Filtros principales (primario y secundario) - Indicador de obstrucción
- Turbo-alimentador - Cooler o post-enfriador - Múltiple de admisión
- Válvula de admisión(Jovaj, 1982, p.82) El turbo compresor
“En los motores sobrealimentados el aire se introduce al cilindro después de comprimirlo previamente en el compresor”.(Jovaj, 1982, p.83)
“Incrementar la presión aumenta la potencia del motor debido a la mayor densidad del aire”. (Garret, 2002, p. 5)
“Esta mayor densidad implica más moléculas de oxígeno, lo cual significa que el motor puede responder incrementando la cantidad de combustible que mezcla con ese oxígeno. Cuando se queman el combustible y el oxígeno, el resultado es una compresión más poderosa con cada golpe del pistón, y por lo tanto, la potencia de salida del motor”. (Garret, 2002, p. 5).
“Entonces para seleccionar el turbocompresor de acuerdo a la entrada de aire se utiliza el diagrama de Garret”. (Garret, 2002, p. 36)
“A/R pequeños generan presión a bajas rpm con bajos volúmenes de aire (lbs/min) y no tienen buena velocidad máxima, por lo que su temperatura
de operación se podría salir de las zonas de más eficiencia a medida que suben las revoluciones”. (Garret, 2002, p. 36)
“A/R Grande: tiene más tendencia a abarcar hacia a la derecha, dejando espacio sin cobertura a bajas revoluciones, su función optima está en altas revoluciones pero su caracol tan grande y sus alabes tan grandes difícilmente los empuja un motor pequeño”. (Garret, 2002, p. 36)
“La serie GT se destaca por sus amplias Zonas de Eficiencia generalmente a bajas índices de proporciones de presión.
Esto quiere decir, que a antes de que el turbo revolucione a la mitad de sus rpms ya tienes buen volumen de Aire disponible suficiente para reducir el retraso del turbo''. (Garret, 2002, p. 36)
Grafico 2.1 Eficiencia del turbo compresor Fuente: catalogo Garrett _V5_serie GT P.25 Sistema post-enfriado o turbocooler
“Llamamos turbo al sistema de sobrealimentación que ayuda a comprimir el aire que circula hasta el motor, enviando así más oxígeno para mezclar con una mayor cantidad de combustible. De esta manera al elevar la cantidad de combustión, se obtiene un aumento de potencia”. (Jovaj, 1982, p.221)
“El post-enfriado es el radiador aire-aire que enfría el aire que ingresa a los cilindros para incrementar la densidad del aire y por ende la cantidad de oxígeno, logrando así incrementar la potencia del motor”. (Jovaj, 1982, p.244)
“En consecuencia, en estos últimos años toda máquina térmica se fabrica con ambos elementos mecánicos a fin de disminuir la relación masa- potencia del motor de combustión interna”. (Jovaj, 1982, p.224)
C) SISTEMA DE REFRIGERACIÓN.
“El incesante incremento de la potencia de las maquinas térmicas que se observa en los últimos años da lugar al aumento de la cantidad de calor que se transfiere al sistema de refrigeración y la inevitable elevación de sus dimensiones y masa”. (Jovaj, 1982, p.601)
“En los motores de la actualidad se emplean 2 tipos de sistemas de refrigeración: por agua y por aire”. (Jovaj, 1982, p.601)
“La efectividad del sistema de refrigeración por agua se eleva por el aumento de la circulación del líquido, su temperatura máxima y la cantidad de calor disipada en el radiador por unidad de área”. (Jovaj, 1982, p.601)
“La efectividad del sistema de refrigeración por aire se caracteriza por la uniformidad de los campos de temperatura en las paredes de los cilindros y culatas tanto en dirección radial como a lo largo de su altura”. (Jovaj, 1982, p.601)
“Con el sistema de refrigeración se mantiene estable el estado térmico del motor y se asegura la temperatura más adecuada, con la cual se logra óptimos rendimientos de desempeño del motor”. (Jovaj, 1982, p.601) Tiene los siguientes componentes:
- Tanque de expansión - Radiador
- Tapas de control de presión - Bomba de agua
- Chaquetas de cilindros y culata - Termostato
- Filtro de agua(Jovaj, 1982, p.602) El refrigerante y la altitud
“Si operamos con una temperatura por debajo de este rango (85ºC):
Aumentamos el consumo de combustible porque el sistema ajusta la mezcla para la temperatura del motor”. (Widman, 2005, p. 5)
“Aumentamos el consumo de aceite y desgaste de piezas porque ellas están diseñadas para expandir hasta su tamaño y tolerancia normal cuando están en el rango correcto de temperatura”. (Widman, 2005, p. 5)
“Reducimos la potencia del motor por la pérdida de compresión y la falta de temperatura para una combustión eficiente”. (Widman, 2005, p. 5)
“Causamos herrumbre en el sistema de escape por la falta de evaporación del agua residual de la combustión”. (Widman, 2005, p. 5)
Anticongelante
“El anticongelante tiene una temperatura de ebullición más alta que la del agua pura”. (Widman, 2005, p. 7)
“Eso significa que puede absorber más calor, o permitir que las paredes de los cilindros se calienten más sin hervir y sin eliminar con la ebullición una gran cantidad de calorías. La temperatura más alta del motor, de la culata, de la junta de retenes, así como la de los pistones y aros, aumenta la fricción y con ella la posibilidad de recalentamiento. El anticongelante sólo debe añadirse al líquido de refrigeración navegando en zonas donde haya riesgo real de heladas”. (Widman, 2005, p. 7)
Bomba de agua en vacío.
“Sin duda, que el motor gire durante unos segundos sin agua de refrigeración no perjudica a ningún elemento vital, excepto al rotor de la bomba de agua”. (Widman, 2005, p. 3)
“Los rotores se sirven de la propia agua que impulsan como lubrificante. Al girar en seco sufren y sus rotores entran en cavitación”.(Widman, 2005, p.3) D) SISTEMA DE LUBRICACIÓN.
“Los cojinetes de deslizamiento del cigüeñal funcionan sometidos a cargas y velocidades que varían continuamente, además la cantidad de presión, temperatura y viscosidad del aceite que se les suministra son variables por lo que el aceite lubricante debe de cumplir funciones muy importantes tales como de lubricar, hermetizar y refrigerar los componentes que tienen contactos con sus superficies”. (Jovaj, 1982, p.590)
“Además en función de la potencia del motor y de las condiciones de trabajo se utilizan sistemas de lubricación de 2 tipos: con cárter húmedo y seco”.
(Jovaj, 1982, p.590)
“El sistema con cárter húmedo es la que se encuentra en este caso en la cubeta del cárter y el sistema de lubricación con cárter seco la cantidad fundamental del aceite se encuentra en recipientes especiales dispuestos fuera del motor o dentro del carter”.(Jovaj, 1982, p.590)
Tiene los siguientes componentes:
- Depósito de aceite - Bomba de lubricación
- Válvula reguladora de presión - Filtro de aceite lubricante - Galerías de conducción - Termostato
- Cooler o enfriador de aceite (Jovaj, 1982, p.590) El aceite motor en trabajos de altura
“El sistema de lubricación juega un papel muy importante en el funcionamiento de cualquier tipo de máquina cuando trabaja a una altitud no recomendada del fabricante de la máquina. En este caso se mide las partículas de contaminación y elementos degradables además del punto de congelación”. (Albarracín, 1993, p. 68)
Contaminantes en altura:
“Óxidos metálicos, procedentes de la oxidación de piezas y desgaste de las mismas que originan igualmente desgaste abrasivo.
Combustibles, que diluyen el aceite”. (Albarracín, 1993, p. 68)
“Productos procedentes de la degradación de los aceites, como barnices y lacas que resultan del proceso de envejecimiento del aceite”. (Albarracín, 1993, p. 68)
Degradantes en altura: “Se reduce su capacidad para cumplir sus funciones por alteración de sus propiedades. Envejecimiento prematuro de aditivos del aceite”. (Albarracín, 1993, p. 68)
E) SISTEMA DE SUMINISTRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA.
En el equipo eléctrico de los motores, además del equipo de encendido, se incluye el equipo de carga que rellena la energía a la batería la cual es
usada por el equipo de arranque, que enciende el motor. El equipo de carga consiste en el alternador, que genera electricidad, y el regulador, que mantiene el voltaje constante de la electricidad generada. El equipo de arranque consiste en el arrancador. La batería adicionalmente está siendo usada como un dispositivo de almacenaje eléctrico que también es usado como creador del suministro de energía.
Tiene los siguientes componentes:
- Batería
- Sistema de carga eléctrica - Sistema de arranque - Display y testigos
- Luces principales y secundarios - Alarma
2.2.2 FALLAS CRÍTICAS EN LOS SISTEMAS AUXILIARES
“Las fallas críticas principales que se presentan son por el trabajo del motor diésel sobre los 4000 msnm., por efecto de factores climáticos, es decir, el balance aire - combustible está por debajo del requerimiento (tiene la relación estioquiometrica desfavorable y esto afecta en forma negativa al desempeño de sus sistemas auxiliares), en consecuencia, se presenta de la siguiente manera”. (Amendola, 2002, p.56)
En el sistema de admisión de aire.- “La presión de entrada al múltiplo de admisión está por debajo del estándar y con baja densidad del aire, originando fallas críticas en otros sistemas auxiliares que a continuación se indica”. (Amendola, 2002, p.56)
En el sistema de suministro de combustible.- “La emisión de los gases de escape con alto contenido de humo negro, por falta de oxígeno en el cilindro del motor diésel”. (Amendola, 2002, p.57)
En el sistema de refrigeración. “El líquido refrigerante demora en ser derivado al radiador para su enfriamiento y recirculación. (Falla funcional de sus compontes internos)” (Amendola, 2002, p.57).
En el sistema de lubricación.- “El aceite lubricante demora en llegar hasta los últimos componentes de fricción por incremento de la viscosidad del aceite”. (Amendola, 2002, p.57)
En el sistema eléctrico.- “Incremento de sulfato en las conexiones en los sistemas de arranque y carga, así como en los sensores”. (Amendola, 2002, p.58)
“En consecuencia, el mal funcionamiento o desempeño de un activo, sistema o componente que se presenta en un motor representa un riesgo potencial, por lo cual es esencial entender cómo se presenta, entendiendo la forma en que los equipos fallan, podremos diseñar mejores acciones correctivas o preventivas”. (Amendola, 2002, p.58)
“En este caso, las acciones no solo es tarea de mantenimiento. Estas acciones también, son derivadas del proceso de análisis de modos de falla, de modo que a cada modo de falla le corresponde una tarea. Podemos definir entonces un modo de falla, como “la forma” en que un equipo o activo falla”. (Amendola, 2002, p.56)
“Es importante para el entendimiento de la falla, poder identificar los dos diferentes estados de falla que se pueden presentar (“culpa” y “fracaso”);
primeramente, aquel estado de falla, en el cual un activo simplemente deja de funcionar y otro, en el cual el activo no desempeña su función conforme a un estándar de desempeño deseado o bien, conforme a las necesidades que el usuario tiene, pero no necesariamente deja de funcionar. Es esta última condición, es la que más nos interesa estudiar y la denominamos
“falla funcional”, así, una falla será aquella que evita que un activo desempeñe su función conforme a un estándar de desempeño definido”.
(Amendola, 2002, p.56)
2.2.3 CONFIABILIDAD DE LOS EQUIPOS
“Desde hace varios años se practican estudios pruebas con objeto de minimizar todas las funciones del mantenimiento de equipo pesado, como el tiempo dedicado al mantenimiento planificado, los tiempos de parada , la cantidad de reparaciones o repuestos, la falta de conocimiento y habilidades del personal que interviene en las máquinas (instalación, operación y conservación) y, en fin, todo aquello que de una u otra forma tiene que hacerse para permitir que los recursos sujetos a mantenimiento continúen operando satisfactoria y económicamente durante todo su ciclo de vida dentro de la calidad esperada”. (Ocampo, 1996, p. 67)
LA CONFIABILIDAD
“La confiabilidad se relaciona básicamente con la tasa de fallas (cantidad de fallas) y con el tiempo de reparación.
Mientras el número de fallas de un determinado equipo vaya en aumento o mientras el tiempo medio de operación de un equipo disminuya, la confiabilidad del mismo será menor”. (Ocampo, 1996, p 70)
“La confiabilidad se define como la probabilidad de que un equipo no falle, es decir, funcione satisfactoriamente dentro de los límites de desempeño establecidos, en una determinada etapa de su vida útil y para un tiempo de operación estipulado, teniendo como condición que el equipo se utilice para el fin y con la carga para la que fue diseñada”. (Ocampo, 1996, p 70)
“Conforme un equipo está operando, su confiabilidad disminuye, es decir, aumenta la probabilidad de que falle; las rutinas de mantenimiento planificado tienen la misión de diagnosticar y restablecer la confiabilidad perdida”. (Ocampo, 1996, p 70)
CONFIABILIDAD DE SISTEMAS
“Un sistema es un conjunto de elementos interrelacionados dentro de las unidades de proceso que tienen una función específica de acuerdo a su operatividad. Y es esta operatividad la cual debemos garantizar; y dado que la confiabilidad individual de cada elemento afecta directamente a todo el sistema, nuestro objetivo es poder garantizar la confiabilidad del sistema a través de sus componentes. También una sola máquina o equipo constituye un sistema”. (Ocampo, 1996, p 80)
LA CONFIABILIDAD EN SERIE
“Se llama motor o sistema en serie al que está instalado a continuación de otro, por lo que el servicio pasa del primero al segundo y así sucesivamente;
con esta disposición, si cualquiera de los sistemas deja de funcionar, se afecta de inmediato el servicio”.(Ocampo, 1996, p 86)
A B
Grafico 2.2 Sistemas de equipos en serie Fuente: Ocampo, 1996, p 86
III II
I
Confiabilidad:
Para el caso del ejemplo:
Rs= R1xR2xR3………..…2.1
“Cuando dos o más sistemas se encuentran proporcionado un servicio y están instalados en serie, según se muestra en el grafico 2.2, disminuyen su confiabilidad ya que se comportan en una forma similar a una cadena compuesta de varias eslabones, soportando una carga; en cualquier momento, la cadena puede fallar a través del eslabón más débil”.(Ocampo, 1996, p 88)
“La confiabilidad de un sistema con componentes en serie Rs es igual al producto de las confiabilidades de sus componentes.
Como los motores o cursos están compuestos de sistemas, los subsistemas por equipos, por componentes, y así sucesivamente; y todo ellos intervienen de una u otra forma en proporcionar el servicio comportándose como “eslabones” con respecto al suministro de este, sólo tenemos que analizar cuales consideramos que están debajo de la confiabilidad esperada, debido al tipo y frecuencia de fallas que presentan, con el objeto de poner mantener cualquier sistema (eslabón) o parte de este, para aumentar su confiabilidad. Esta operación se facilita utilizando primero a los sistemas más simples, tomando en cuenta el tipo, cantidad y frecuencia de fallas que ha tenido y en fin, todo aquello que no muestre en forma práctica la confiabilidad del sistema”. (Ocampo, 1996, p 88) “Una vez terminada este análisis inicial, se continúa con los subsistemas y así sucesivamente. Esto nos muestra que, para lograr una alta confiabilidad en el área de responsabilidad, normalmente no es necesario duplicar sistemas completas, sino solamente parte o partes que muestren una baja confiabilidad”. (Ocampo, 1996, p 88)
LA CONFIABILIDAD EN PARALELO Llamado también sistemas redundantes el cual es más complejo, a la vez también más costosos y por lo tanto de mayor confiabilidad. Esto significa que algunas funciones pueden de estar duplicadas, triplicadas, etc. (Ocampo, 1996, p 88)
SISTEMAS DE PARALELO ACTIVO:
Sistemas de dos unidades.
Ambas unidades están funcionando.
Sólo se requiere una.
Falla el sistema si las dos unidades fallan.
Grafico 2.3 Sistemas de equipos en paralelo.
Fuente: Ocampo, 1996, p 90 Confiabilidad:
Rs = R1 + R2 – R1xR2………..2.2 CONFIABILIDAD DE UNA MÁQUINA.
“La confiabilidad es la probabilidad de una máquina, de estar funcionando sin fallas durante un determinado tiempo; en las condiciones de operación dadas.
Por lo tanto se mide con TMEF (tiempo medio entre fallas) Y TMPR (tiempo medio para reparaciones), entonces la Confiabilidad por TMEF Y TMPR, se determina mediante la siguiente ecuación”. (Morrow, 1974, p.235)
CONF: (
TMEFTEMEF+TMPR
) ∗ 100
...2.3“En la confiabilidad intervienen los indicadores del tiempo medio entre fallas y el tiempo medio para reparar, ambos se miden ante mantenimientos no planificados, como el mantenimiento correctivo y el mantenimiento de emergencia”. (Morrow, 1974, p.238) “Esta ecuación debe ser usada para equipos que son de uso continuo, pues no considera los tiempos en que el equipo se encuentra en reserva. Para equipos de uso continuo, la ecuación vista anteriormente parte del horómetro de trabajos continuamente y sus paradas”. (Morrow, 1974, p.238)
Si descomponemos cada uno de los indicadores en sus ecuaciones básicas, tendremos lo siguiente:
Tiempo medio entre fallas (TMEF)
TMEF =
∑HET∑N°F……….………..2.4
Donde:
∑HET: Sumatoria de horas efectivas de trabajo del equipo.
∑N°F: Sumatoria del número de fallas por mantenimiento correctivo o de emergencia. (Morrow, 1974, p.238)
“Cabe recalcar que no se considera las horas por parada de mantenimiento preventivo además este indicador se controla en frecuencias de tiempo; ya sea por día, semanal, mensual o trimestral donde nos muestra el estado de operatividad del equipo.
Tiempo medio para reparación (TMPR)
TMPR =
∑HMC∑N°F………...2.5
Donde:
∑HMC: Sumatoria de horas por mantenimiento correctivo o de emergencia del equipo.
∑N°F: Sumatoria del número de fallas por mantenimiento correctivo o de emergencia del equipo”. (Morrow, 1974, p.239)
2.2.4 CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DEL MOTOR DEL RODILLO COMPACTADOR
Los compactadores de rodillo de la serie SD100FC Volvo se impulsan con un motor diésel Cummins turboalimentado y post-enfriado de 93 kW (125 CV).
Este modelo está disponible con tracción de eje y son adecuados para una amplia variedad de aplicaciones. Para proyectos más exigentes donde se requiera una capacidad de avance en pendiente superior, están disponibles en tracción de rodillos y tracción de ejes. (Volvo Perú, 2010, p.14)
A) DATOS TECNICOS DEL MOTOR EN ESTUDIO:
MOTOR
“Marca/Modelo: Cummins 4BT3.9 con turbocompresor e intercooler Potencia nominal al régimen especificado: 93 kW (125cv).
Revoluciones por minuto máximo: 2200 RPM.
Consumo específico de combustible: 298,91 g/kWh.
Presión de compresión del cilindro: 17 + 1 = 18 bar.
Número de cilindros: 04 Cilindrada: 3,9 litros
Diámetro / carrera: 110 y 120 mm.
Altitud de funcionamiento max: 3 200 msnm.
Sistema de inyección: common rail
Admisión de aire: sobrealimentado y post-enfriado” (Volvo Perú, 2010, p.22)
2.2.5 PARAMETROS DE CONDICIONES AMBIENTALES A DIFERENTES ALTURAS.
A) CONDICIONES AMBIENTALES
Cuando el motor trabaja en altura, las condiciones ambientales varían Según a los siguientes datos. (Atlas Copco, 2006, p.55)
Condiciones de trabajo a 4 000 msnm:
Presión a 4,0 km sobre el nivel del mar: 0,616 bar Temperatura a 4,0 km sobre el nivel del mar: - 8°C Densidad a 4,0 km sobre el nivel del mar: 0,819 kg/m3 Condiciones de trabajo a 3 200 msnm:
Presión a 3,2 km sobre el nivel del mar: 0,683 bar Temperatura a 3,2 km sobre el nivel del mar: 14 °C Densidad a 3,2 km sobre el nivel del mar: 0,891 kg/m3
B) CONDICIONES ATMOSFÉRICAS Y FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR DIESEL.
La densidad del aire
“Con una densidad del aire baja (poca concentración de oxigeno), un motor funcionaria con una relación aire / combustible rica, ya que la cantidad de aire suministrada a las cámaras de combustión seria poca para el volumen de combustible entregado, al contrario ocurriría con una densidad de aire alta, la cantidad de ésta seria mucha para la cantidad de combustible suministrado, mezcla aire/combustible pobre”. (La Puerta, 2006, p.1)
“Recordemos que, los motores entregan buena potencia con el menor nivel de emisiones de escape cuando funcionan con una relación estequiometria de 14.5:1, 14.5 partes de aire por una de combustible. (Lambda =1) con mezclas diferentes a estas, ya sean ricas o pobres el motor no dará toda
su potencia, producirá mayores emisiones contaminantes”. (La Puerta, 2006, p.1)
Temperatura del aire después del turbo compresor
“La temperatura incide inversamente en la densidad del aire, cuando ésta aumenta, la densidad del aire disminuye, con bajas temperaturas la densidad aumenta.
Por lo tanto en sistemas turbo alimentados se implementa el inter-cooler para incrementar la densidad del aire antes de ingresar a la cámara de combustión”. (La Puerta, 2006, p.4)
Altitud (presión atmosférica):
“La altitud disminuye notablemente la potencia indicada, y por tanto la potencia efectiva, desarrollada por un motor diésel, en todo el rango de regímenes de giro. Sin embargo este efecto reduce el turbocompresor hasta cierta altura, pudiendo incluso llegar a compensarse tal reducción a alto régimen”. (La Puerta, 2006, p.7)
“Se ha obtenido una expresión-graficas que permite calcular el incremento de relación de compresión del turbocompresor, necesario para evitar considerables pérdida de potencia al aumentar la altitud”. (La Puerta, 2006, p.7)
2.3 BASES CONCEPTUALES
2.3.1 Definiciones conceptuales La investigación tiene dos variables:
Variable independiente: Fallas críticas Variable dependiente: Confiabilidad
V. I. Fallas críticas.- Es el desempeño deficiente de un activo que se manifiesta frecuentemente, disminuyendo los indicadores de mantenimiento, en este caso, por trabajar sobre 4000 msnm, por desmedro del comportamiento de las variables importantes que intervienen en el funcionamiento del motor, por ejemplo, la presión de boost que debe de estar dentro de las especiaciones técnicas, así como la temperatura de régimen de trabajo debe estar dentro del rango previsto por el fabricante y muchas otras.
Las fallas críticas se miden a través de pruebas de potencia, consumo de combustible, degradación de aceite y consumo de agua, así como
desgastes prematuros en los elementos que trabajan a fricción mecánica y otro tipo de desgaste. Siendo las dimensiones de cada prueba respectivamente: C.V. y/o kW a un rpm.; galones/hora; un cuarto de galón/hora y litros/segundo. En cuanto a degradación de aceite se miden por partes por millón de partículas de contaminación del aceite.
V. D. Confiabilidad.- La confiabilidad sobre 4000 metros sobre nivel del mar significa que el equipo no presente falla durante un determinado periodo de tiempo y en las condiciones de trabajo exigido, sin aumentar los costos de operación y mantenimiento, es decir, si una máquina trabaja en un medio que los parámetros externos están fuera de los límites permisibles, seguramente disminuirá su condiciones establecidas por el fabricante. En este caso, los factores externos que coadyuvan con el buen funcionamiento no son óptimos.
2.3.2 Definiciones operacionales
Para el manejo del análisis de fallas críticas de los sistemas auxiliares, se tiene que tomar en cuenta, en primer lugar los fluidos operantes tanto interno como externo que intervienen en el funcionamiento; también las dimensiones de cada variable, así como el registro de las fallas críticas del RODILLO COMPACTADOR SD100FC sobre 4000 msnm. En consecuencia se define cada variable:
V.I. Fallas criticas.- Basada en los siguientes sistemas auxiliares.
Sistema de admisión de aire: Se mide la variación de densidad del aire y la presión de boost.
Sistema de suministro de combustible: Se mide el exceso emisión de humo negro en el múltiplo de escape.
Sistema de enfriamiento: Se mide la temperatura de régimen de trabajo del motor diésel en su mínima y máxima potencia.
Sistema de lubricación: Se mide la viscosidad, las partículas de contaminación, elementos degradables, elementos contaminantes y temperaturas de escurrimiento del aceite.
Sistema electromecánico: Se mide con la vida útil.
V. D. La Confiabilidad.-Tiene como dimensiones: tiempo medio entre fallas y tiempo promedio para reparación.
2.4 HIPÓTESIS
2.4.1 HIPOTESIS GENERAL
El análisis de las fallas críticas de sistemas auxiliares se realiza mediante el diagnostico empíricos, técnicos, registro de fallas e historial del equipo, nos permitió incrementar la confiabilidad del rodillo compactador volvo en la municipalidad de Acopalca.
2.4.2 HIPOTESIS ESPECÍFICAS
1.- El análisis de fallas críticas en el sistema de admisión de aire, se realizó mediante la medición de presión y densidad, en base a ello se implementó un turbo compresor para incrementar la confiabilidad del rodillo compactador Volvo en la municipalidad de Acopalca.
2.- El análisis de fallas críticas en el sistema de suministro de combustible, se realizó mediante la medición de opacidad de los gases, en base a ello se realizó el mantenimiento correctivo a los inyectores para incrementar la confiabilidad del rodillo compactador Volvo en la municipalidad de Acopalca.
3.- El análisis de fallas críticas en el sistema de lubricación, se realizó mediante la medición del tiempo de lubricación del motor diésel, en base a ello se seleccionó otro tipo de aceite motor para incrementar la confiabilidad del rodillo compactador Volvo en la municipalidad de Acopalca.
4.- El análisis de fallas críticas en el sistema de enfriamiento, se realizó mediante la toma de mediciones de temperatura de trabajo del motor diésel, en base a ello se evaluó la falla funcional del termostato , bomba de agua, el radiador y el fluido refrigerante para incrementar la confiabilidad del rodillo compactador Volvo en la municipalidad de Acopalca.
5.-El análisis de fallas críticas en el sistema electromecánico, se realizó mediante la medición de tiempo de funcionamiento de sus componentes eléctricos, en base a ello se implementó un mantenimiento preventivo cada 125 horas de trabajo para incrementar la confiabilidad del rodillo compactador Volvo en la municipalidad de Acopalca.
2.5 OPERACIONALIZACIÓNDEVARIABLES
Tabla 2.1 Operacionalización de la variable independiente
“fallas críticas”
Dimensión Indicador unidades Tratamiento
Sistema de admisión de aire
La variación de densidad del aire en altura hace que pierda potencia el motor diésel.
Potencia (KW)
Implementar un turbo
compresor para incrementar la presión y densidad en el múltiplo de admisión.
Sistema de suministro de combustible.
La excesiva emisión de humo negro indica que hay una mezcla incorrecta de aire
combustible.
Opacidad(K)
Mantenimiento a los
inyectores; en un probador de inyectores para que exista una buena mezcla de aire-combustible y así poder reducir la emisión de humo negro.
Sistema de lubricación
La demora de lubricación a inicios del arranque hace que se genere desgaste prematuro en los metales del motor
Tiempo (seg.)
Selección de un aceite que trabaje a las condiciones ambientales del lugar;
para recuperar el tiempo de lubricación.
Sistema de enfriamiento
El
funcionamiento deficiente del sistema de refrigeración hace que el
Temperatura (°C)
Seguimiento del régimen de trabajo de temperatura del motor diésel para el
mantenimiento y/o cambio del termostato, bomba de agua y refrigerante.
motor se recaliente
Sistema
electromecánico
La formación de
sulfataciones y corrosiones en el circuito eléctrico hace que disminuya la vida útil.
Vida útil (Hr.)
Realizar un mantenimiento preventivo cada 125 hr. De trabajo.
Tabla 2.2 Operacionalización de la variable dependiente
“confiabilidad”
Dimensión Indicador unidades Instrumentos
TPEF Horas de
trabajo efectivo del equipo hasta que se presenta una
falla
Tiempo(Hr.) Cronometro
TPPR Horas
promedio por mantenimientos
correctivos no planificados
Tiempo(Hr.) Cronometro
CAPITULO III
METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN 3.1 METODO DE INVESTIGACION
“El método de investigación es el método sistémico por que el propósito del presente trabajo de investigación es estudiar el objeto mediante la determinación de sus elementos, sus relaciones y límites para observar su estructura y la dinámica de su funcionamiento de las fallas críticas y parámetros energéticos que interviene en el comportamiento operacional del motor diésel del rodillo compactador”. (Espinoza, 2014, p 91).
3.2 TIPO DE INVESTIGACION
“El presente trabajo de investigación es de tipo tecnológico porque se aplica el conocimiento científico para analizar el problema de fallas críticas originados por factores climatológicos y otros de orden técnico para la reformulación del plan de mantenimiento basado en los indicadores del mismo”. (Espinoza, 2014, p 90).
3.3 NIVEL DE INVESTIGACIÓN
“Las características del desarrollo obedecen a una investigación aplicativa porque se aplica los resultados de la investigación tecnológica para incrementar la confiabilidad del comportamiento de los sistemas auxiliares del motor diésel de rodillo compactador SD100FC-VOLVOy poder mantener la vida útil en trabajos a diferentes niveles del mar”. (Espinoza, 2014, p 90).
3.4 DISEÑO DE LA INVESTIGACIÓN
“El diseño de la investigación que se desarrolló fue el diseño con grupo control, pre prueba y post prueba donde se realizó mediante el análisis de fallas críticas registradas a la fecha, luego la elaboración de un plan de
mantenimiento siguiendo el comportamiento de las variables internos y externos que afectan el normal funcionamiento; a diferentes alturas sobre el nivel del mar, consiguiendo la solución al problema de fallas existentes en el motor y sus sistemas auxiliares, ubicado en el rodillo compactador Volvo”. (Espinoza, 2014, p 100).
Diagrama:
GE O1 X O2 Dónde:
X: tratamiento aplicado al conjunto de fallas de sistema auxiliares.
O1 y O2: Observación de la confiabilidad antes y después del tratamiento.
3.5 UNIDAD DE OBSERVACION
La muestra está constituido por un rodillo compactador SD100FC-VOLVO que trabaja en las obras civiles de la municipalidad de Acopalca, Huancayo, especialmente en los trabajos de obras civiles.
3.6 TÉCNICAS E INSTRUMENTOS DE RECOLECCIÓN DE DATOS
La técnica que se utilizó para construir o seleccionar los instrumentos que nos permitan obtener datos de las fallas críticas de sistemas auxiliares del rodillo compactador volvo sobre los 4000 msnm son:
Técnica documental.-para extraer información de libros, registros, manuales, datos estadísticos y catálogos.
Técnica empírica entre las cuales tenemos.
Observación: utilizando fichas, formularios, lista de verificación, hojas de registro de fallas.
Medición: Donde se hace uso de instrumentos de medición (Espinoza, 2014, p 107).
Tabla 3.1 Instrumentos de medición Instrumentos de
medición
Imagen Características Función
Cronometro
Es un reloj cuya precisión de trabajo es el tiempo.
Mide el tiempo en segundos, minutos y horas.
Pirómetro
Dispositivos típicos en la medida de temperaturas de cualquier materia.
Mide la
temperatura de una sustancia
sin la
necesidad de tocarla
Manómetro
Dispositivo diseñado
herméticamente para fines físicos
Mide la presión de fluidos contenidos en recipientes cerrados.
Tacómetro
Instrumento de medida de mayor precisión digital de rpm de un eje.
Mide la
velocidad (rpm) de giro de un eje.
Multímetro
Instrumento electrónico digital.
Mide
directamente magnitudes eléctricas activas.
Opacímetro
Máquina para el control de
gases en
vehículos diésel
Mide la
opacidad de emisión de
humos de
vehículos diésel.
Fuente: Snap-on tolos/Igardi herramientas S.A.
3.7 PROCEDIMIENTO DE RECOLECCION DE DATOS
En el presente trabajo de investigación las técnicas para el procedimiento de recolección de datos son:
Autorización del Jefe taller para realizar las evaluaciones y análisis de fallas del rodillo compactador volvo.
Se recopila el historial de fallas de los últimos meses del equipo
Se toma las mediciones de parámetros para ver cómo está trabajando el equipo.
Se identifica y se toma nota de los fluidos operantes que están trabajando en los sistemas auxiliares del motor diésel.
Se toma nota de los datos técnicos del manual del fabricante para corroborar sus parámetros de funcionamiento.
CAPÍTULO IV
PROCESO DE ANÁLISIS DE FALLAS CRÍTICAS
En el proceso de análisis de fallas críticas para incrementar la confiabilidad, se indica los datos técnicos del motor cummins, las fallas por trabajar a más de 4000 msnm. , se desarrolla el AMEF y se realiza el cálculo de la potencia indicada analíticamente a más de 4000 msnm.
4.1 CARACTERISTICAS NORMALES DE FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR DEL RODILLO COMPACTADOR EN ESTUDIO
Marca/Modelo: Cummins 4BT3.9 con turbocompresor e intercooler
Potencia nominal al régimen especificado: 93 kW (125cv).
Revoluciones por minuto máximo: 2200 RPM.
Consumo específico de combustible: 298,91 gr/kWh.
Relación de compresión: 17
Presión de compresión del cilindro: 17 + 1 = 18 bar.
Número de cilindros: 04
Cilindrada total de los 4 cilindros: 3,9 litros
Diámetro / carrera: 110 y 120 mm.
Altitud de funcionamiento máxima: 3 270 msnm.
Sistema de inyección: common rail
Admisión de aire: sobrealimentado y post-enfriado (Volvo Perú, 2010, p.22)
4.2 FALLAS CRÍTICAS POR TRABAJAR MAS DE 4000 m.s.n.m.
A la hora de ejecutar una obra de construcción, siempre es importante evaluar previamente o durante el proceso del desarrollo del trabajo el rendimiento de las máquinas que se utilizarán para saber si cumple con las
expectativas de la obra, si la máquina trabaja en condiciones normales de funcionamiento, especialmente cuando se altera el límite de altura para la que está diseñado, sabiendo que los fluidos energéticos del motor varían por las condiciones del medio ambiente, es decir por los factores externos (m.s.n.m). Por ello en el presente estudio se evalúa la potencia de la maquinaria en mención.
Las fallas críticas se presentan inicialmente en la dificultad de arranque en frio todas las mañanas al inicio del trabajo, seguido por la expulsión de humo negro por el tubo de escape y por ende disminuye la potencia del motor diésel.
Este problema arrastra otras fallas comunes en los sistemas auxiliares de:
Admisión de aire
Suministro de combustible
Sistema de refrigeración
Sistema de lubricación
Sistema electromecánico
Del motor diésel que nos obliga realizar un análisis, como se muestra en la siguiente tabla 4.1.
