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Transcripción |
| Fred |
Hola y gracias por invitarme a presentar en Discovery Summit Americas 2020. Mi nombre es Fred Girshick y voy a hablar sobre la investigación de lubricantes utilizando la regresión no lineal JMP. |
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Entonces, mi agenda, haré algunas presentaciones sobre mí y mi campo técnico, un poco sobre los antecedentes de la investigación de lubricantes, |
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Explicaremos los tipos de preguntas que queremos responder utilizando herramientas estadísticas, daremos algunos ejemplos de modelos no lineales, mostraremos cómo realizo un análisis no lineal y, finalmente, hablaremos sobre las conclusiones y los planes para el futuro. |
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Bueno, les presento el edificio donde trabajo. |
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¿Quién soy yo? |
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Si alguno de ustedes gritó 24601, obtendrá puntos extra en el examen final. Mi nombre es Fred Girshick. Soy investigador de una empresa de productos químicos especializados; pueden ver nuestro logotipo en la esquina superior derecha. |
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Somos fabricantes de aditivos químicos para lubricantes y combustibles. Contamos con un grupo de estadística global. |
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Para obtener ayuda en situaciones más complejas, recomendamos a los investigadores que realicen sus propios análisis estadísticos o que profundicen en los datos, comprendan mejor los supuestos y las fuentes de error. |
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Mi experiencia se centra en diversos tipos de aceites para motores de combustión interna alternativos. |
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Automóviles, camiones de carretera, maquinaria de construcción todoterreno, ferrocarriles, aviación, motores estacionarios. Y mi especialidad durante los últimos 19 años son los motores grandes, aunque "grandes" es un término relativo. Así que, más adelante, les mostraré a qué me refiero cuando hablo de un motor grande. |
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Anteriormente fui usuario de SAS. Actualmente soy usuario de JMP. No me considero un usuario avanzado. |
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Puede que tenga un nivel intermedio. Tiendo a repetir el mismo tipo de análisis una y otra vez porque, en general, me hago las mismas preguntas repetidamente. Todavía estoy aprendiendo. Me gustaría ampliar mis conocimientos y adquirir mayor experiencia. |
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Soy mejor en Microsoft Excel que en JMP, así que uso Excel para preparar el conjunto de datos para importarlo a JMP, y muy a menudo exporto los resultados a Excel, simplemente porque soy más hábil con las herramientas gráficas y luego los exporto a PowerPoint para la presentación al cliente o a Word para |
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...para un informe técnico. |
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No voy a hacer una demostración en vivo en tiempo real de cómo usar JMP. Así que solo tengo capturas de pantalla y les mostraré qué haría ahora y qué haría ahora. |
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motores, transmisiones, engranajes, bombas, motores eléctricos. Los lubricantes pueden ser sólidos, líquidos o gaseosos. |
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Me especializo en aceites líquidos para motores. |
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detergente, dispersante y antioxidante, etc. |
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Ahora bien, dentro de cada uno de esos tipos de aditivos existen muchas opciones químicas diferentes, por lo que el detergente no es una sola cosa, sino una familia de productos. Y, por supuesto, no todos los aceites de motor contienen todos los tipos de aditivos. Solo se utiliza lo necesario. |
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para la eficiencia. |
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La charla de hoy se centrará en los lubricantes líquidos, los aceites de motor, para motores de combustión interna alternativos (RICE). Son los que normalmente se encuentran en los coches. |
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Detergente, dispersante, antioxidante, antidesgaste, modificador de fricción. Un ejemplo de cada uno. Por ejemplo, el detergente podría ser sulfonato de calcio. |
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poliisobutileno anhídrido succínico poliamina (PIBSA/PAM). |
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El antioxidante es... podría ser un fenol impedido. El antidesgaste podría ser una molécula compleja de dialquilditiofosfato de zinc (ZDDP). |
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Y un modificador de fricción, algo como el dioleato de glicerol. Notarás que todos ellos tienen una parte más polar de la molécula y una parte menos polar. |
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En términos generales, la parte polar es la que le confiere su función y la parte no polar es la que la hace soluble en petróleo. |
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Y ahora les explicaré a qué me refiero con motores grandes. Aquí tienen un ejemplo de uno de nuestros laboratorios. |
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Entonces, motores grandes. Primero, ¿qué no es un motor grande? Este es un auto. Es el auto de mi esposa. Tiene un motor razonablemente potente de 200 caballos de fuerza. |
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Ese no es un motor grande. ¿Qué me dices de los camiones que circulan por la autopista, generando potencia y transportando mercancías? No, tienen unos 500 caballos de fuerza. Eso no es un motor grande. Un ejemplo de motor grande que me viene a la mente es el de una locomotora de ferrocarril. |
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Aquí tienen una imagen de un motor de locomotora siendo instalado. El contorno rojo representa el motor y la persona que lo instala se ve a su alrededor, lo que da una idea de su tamaño. |
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Los motores estacionarios de gas natural, que son el tema de la charla de hoy. |
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Solo dame mi puntero láser. |
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Aquí tienen un ejemplo de uno de esos motores de 5900 caballos de fuerza. El verde. Y al final está la persona que lo está reparando. |
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Otro ejemplo de motor grande es el motor marino de un barco. Aquí vemos un motor marino. Este en particular genera 98 000 caballos de fuerza, y ahí está la persona que lo repara. A esto me refiero cuando digo motores grandes: son realmente enormes. |
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El tipo de preguntas que queremos responder en la investigación de lubricantes, cosas como qué tan bien predice esta prueba de banco el rendimiento real en el mundo real, ya sabes, si estoy haciendo pruebas de cribado, pruebas de banco. |
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¿Cómo influye la concentración de un aditivo en el rendimiento? ¿Cuánto debo añadir? ¿Cómo afecta la estructura del aditivo al rendimiento? ¿Qué ocurre si alargo o ramifico la cadena de hidrocarburos? ¿Y si modifico la proporción entre la parte polar y la no polar? |
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¿Puedo predecir el rendimiento a partir de la composición? ¿Con solo observar la molécula puedo predecir lo que hará? |
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¿Cuánto tiempo durará el producto antes de que sea necesario cambiarlo? En tu coche, te dicen que cambies el aceite cada 3000 millas, 5000, 7500 o 10 000, dependiendo de a quién le preguntes. |
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¿Qué tan superior es mi producto premium a mi producto de línea principal? ¿Existe alguna diferencia entre ellos? ¿Tienen una propuesta de valor? ¿Cómo se compara mi producto con el de la competencia? Este es el tipo de preguntas que hacemos. |
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Ahora, hablemos de no linealidad. ¿Qué quiero decir con no linealidad? En el ámbito de las ecuaciones, en el ámbito de la estadística, no linealidad significa no linealidad en los parámetros, no en las variables. |
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Bien, juguemos una partida muy rápida de lineal o no lineal... |
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no lineal. Entonces y es igual a mx más b. Esta es la ecuación lineal clásica. |
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Si no haces nada más, ya lo sabes. |
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Bueno, ¿qué pasa con una ecuación cuadrática? Ahora tengo x al cuadrado. Y eso no es lineal. Es una ecuación cuadrática, pero a, b y c son los parámetros. Son lineales. También es una ecuación lineal. |
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¿Y qué hay de la regresión cúbica? Es lo mismo. Cualquier polinomio será lineal en los parámetros. Por lo tanto, se trata de una regresión lineal. |
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a por e elevado a bx. Entonces tengo un preexponencial... exponencial a, y tengo b en el exponente, pero esta ecuación se puede reescribir fácilmente como logaritmo y ahora es nuevamente una ecuación lineal. Entonces simplemente haría una regresión del logaritmo de y sobre x. |
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Y es igual a A más B x elevado a C. Así que esto no es e elevado a x. Es x elevado a algo. Y esto es no lineal. Por lo tanto, este es un ejemplo de una ecuación no lineal. |
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Y es igual a A sobre x más b. |
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De acuerdo. A y B están en lugares diferentes. Hay una suma, pero puedo reescribirla si tomo los recíprocos. Entonces haría una regresión de 1 sobre y contra x, y entonces se convierte en una situación lineal. |
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Y es igual a A por x sobre b más x. |
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Esto es no lineal. Esto es muy clásico de Michaelis-Menten, algo que tiene que ver con la biología y |
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cinética enzimática. |
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Y aquí tenemos una ecuación algo compleja. Esta es la ecuación que vamos a usar hoy. Y es claramente no lineal. |
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Así que el ejemplo que he elegido para hoy es un motor de gas natural. |
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oxidación, por lo que durante el funcionamiento, el aceite se oxida. Esta es una imagen de uno de los motores. |
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donde realizamos la prueba. Esta es una estación compresora. El contorno azul representa el motor, el contorno rojo el compresor que acciona, la bomba, y esa estructura bastante grande resaltada en verde al fondo es el radiador. |
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En general, para nuestros propósitos, la oxidación es la degradación causada por la reacción con el oxígeno. |
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Ahora bien, estrictamente hablando, en clase de química se aprende que la oxidación puede ocurrir sin oxígeno. Tiene que ver con la pérdida de electrones, pero eso no es lo que sucede aquí. Ejemplos comunes son cuando las rodajas de manzana se ponen marrones o cuando la leche vieja se agria. |
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Como ya hemos mencionado, los aceites de motor están compuestos principalmente por moléculas de hidrocarburos. Durante el funcionamiento del motor, están expuestos a altas temperaturas. |
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La combustión del combustible genera radicales libres que penetran en el aceite y promueven la oxidación. Los radicales libres son fragmentos moleculares con electrones desapareados. |
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Son inestables y reactivos, y atacan a otras moléculas para aparear sus electrones. Durante la combustión del combustible, las moléculas se desintegran para formar estos fragmentos. |
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La oxidación del aceite del motor conlleva consecuencias indeseables como el espesamiento del aceite. Por lo tanto, se requiere una viscosidad mayor a la necesaria para el diseño del motor. |
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También reduce el rendimiento de combustible, ya que hay que mover un líquido más denso. La oxidación forma ácidos que pueden corroer las piezas metálicas. Además, la oxidación provoca depósitos que pueden obstruir los conductos de aceite, impidiendo que el motor reciba lubricación o dificultando el movimiento de las piezas, provocando que se peguen entre sí. |
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En nuestro sector, la oxidación se suele medir mediante infrarrojos y las unidades son absorbancia por centímetro. Los fabricantes de motores publican límites a partir de los cuales se debe cambiar el aceite. Por lo tanto, cuando la oxidación alcanza cierto nivel, es necesario cambiar el aceite para mantener la garantía. |
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En el diseño de prueba del que hablaré hoy, había dos fabricantes diferentes de motores de gas natural, a los que he llamado X e Y para no mencionar nombres y hacerlo genérico. |
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Había tres aceites, a los que he llamado azul, rojo y verde, o a, b y c para este ejemplo. Y era un diseño 3x2, así que cada aceite estaba presente en cada diseño de motor. |
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En total... estuvo en funcionamiento durante unos 14 meses, lo que equivale a 10.000 u 11.000 horas de operación. Eso son unos 15 meses, entre 14 y 15 meses de operación continua a más del 95% de la carga máxima. |
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Los motores solo se apagaban cuando era necesario cambiar el aceite. |
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Ahora, si piensas en ese período de tiempo, |
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Si usted, si condujera su automóvil cerca de su potencia máxima del motor, y digamos que a una velocidad promedio de 70 millas por hora, eso serían 700,000 millas de prueba. |
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Ahora, para el ejemplo de hoy, solo voy a examinar en detalle uno de los modelos de motor, el que he llamado x. |
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Se tomaron muestras de petróleo cada semana o cada 10 días, por lo que hay un total de aproximadamente 600 muestras. |
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Se mencionaron muchos parámetros relacionados con 20 propiedades del petróleo. |
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También examinamos el motor, realizamos mediciones físicas del desgaste y de los depósitos. Por ahora, solo me centraré en la oxidación. |
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Aquí está el conjunto de datos. Ha sido truncado. Lo he simplificado para mostrar solo lo que se necesita para hoy. Así que las variables de color |
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es la formulación del aceite, el azul, verde y rojo. El aceite es variable, esa es la edad del aceite en horas. Entonces, esas son las horas desde el último cambio de aceite, mientras que la prueba son las horas acumuladas, el total desde que comenzó la prueba, y Ox es la oxidación en estas unidades de absorbancia por centímetro. |
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Ahora verán las filas; las he codificado por colores. Por ejemplo, para el aceite que he llamado aceite azul, he coloreado los marcadores de azul, y para el rojo, de rojo, etc. También les he asignado formas. Así, el fabricante del eje x tiene un cuadrado y el fabricante del eje y tiene un círculo. |
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Ahora bien, como ya he dicho, el conjunto completo de datos es mucho más extenso que esto. |
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Bien, entonces tomemos nuestro conjunto de datos. |
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graficar los datos. |
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Siempre es lo primero que haces. |
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Entonces en JMP, |
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Entonces, lo que haré, repito, no haré una demostración en vivo de JMP. Así que mostraré la acción. |
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En la izquierda, las palabras y esa flecha significan que es una acción y luego habrá un círculo rojo que muestra dónde se realiza. Entonces, use la plataforma de gráficos, aparece un cuadro, Creador de gráficos, |
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Y eso nos lleva a este recuadro, el Creador de gráficos. |
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Así que tomemos el petróleo como la variable x. Simplemente haga clic en él y arrástrelo hacia abajo. |
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Y en ausencia de una Y, se muestra como un histograma. |
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Y entonces ox es nuestra variable dependiente; ox, la variable y y obtienes esto |
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Ahora bien, hay un valor atípico evidente. Incluso yo me doy cuenta. Lo eliminaremos más tarde. |
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Así que tiene un aspecto bastante desordenado. |
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Así que voy a separar a los dos fabricantes de equipos originales (OEM). |
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Entonces, si tomo OEM y lo pongo en superposición, |
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Ahora tengo azul y rojo, simplemente JMP elige los colores. Así que resulta que el azul es el eje x y el rojo es el eje y. Y se puede ver que los dos modelos de motor se comportan de forma muy diferente. |
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El azul obviamente tiene una vida útil más corta; el rojo tiene una vida útil más larga del aceite. Así que por hoy, solo vamos a analizar un... |
