Articulo vibraciones

La elección de sistema de ensayos de vibración, ¿cual es el adecuado para mi
necesidad?
Por: Jorge de Pedro Alvarez
Antes de entrar en los diferentes tipos de maquinas de ensayo de vibraciones, una
pequeña introducción sobre los ensayos de vibración que espero proporcionará
suficiente información a los no iniciados para entender las diferencias entre los sistemas
disponibles.
El objeto de la realización de ensayos sobre productos es siempre el mejorar nuestro
conocimiento sobre el mismo y sobre su comportamiento futuro, bien por búsqueda de
sus debilidades o bien por análisis de sus componentes.
Para que los resultados de estos ensayos sean de utilidad, siempre deben cumplirse al
menos dos condiciones principales:
1.- El ensayo debe ser repetible. Independientemente de que se trate de ensayos
de vibración como los que nos preocupan o de cualquier otro tipo de ensayo, este debe
poder ser realizado en distintos lugares y momentos sin que esto deba afectar a los
resultados del mismo.
Supongamos pues que no cumplimos esta primera condición y que nos
encontramos realizando un ensayo en la fase de diseño de nuestro producto que nos
descubre una debilidad del mismo que se muestra como una rotura de uno de sus
componentes cuando es sometido a una vibración determinada, nosotros creemos en
nuestros resultados y reforzamos el componente “frágil” (con el consiguiente aumento
del coste de fabricación del equipo), el siguiente paso lógico seria repetir el ensayo y
asegurarnos que el componente “frágil” ya no lo es tanto y no se rompe. Pues bien, si
nuestro sistema de ensayos no es capaz de repetir exactamente el mismo ensayo, no
podremos saber si hemos solucionado nuestra fragilidad o es que ahora el ensayo es
menos severo.
Si esta misma situación no se produjera en la fase de desarrollo de nuestro
producto sino que lo hiciera en fases avanzadas de la producción, el problema se
incrementaría exponencialmente ya que nos supondría la vuelta a la fase de diseño, o las
quejas de nuestros clientes.
Aunque esto pueda parecer una obviedad, no son pocos los casos donde el
sistema utilizado para la realización del ensayo o las condiciones de realización del
mismo, tales como temperatura y humedad relativa de la sala no son controladas y
ensayos teóricamente iguales no nos proporcionan los mismos resultados.
2.- El ensayo debe reproducir el entorno. Cuando se trata de la realización de
ensayos ambientales (dentro de los cuales se incluyen los ensayos de vibración) la
severidad del ensayo depende de la fase del producto en la que lo realicemos y del
ambiente en el que el producto desarrollara su vida útil.
¿Cómo reproducimos el entorno?, Si lo que buscamos es certificar nuestro
producto contra un estándar o cumplir las especificaciones a las que nos obliga nuestro
cliente debemos usar las severidades indicadas teniendo en cuenta detalles como los
puntos de medida o los sistemas de amarre que deberían estar definidos en las mismas,
si no fuera así, deben aclararse con el peticionario del ensayo para evitar futuros
problemas.
Cuando no existe especificación definida para el ensayo debemos ser nosotros
los que la creemos en base a resultados obtenidos de medidas en campo o nuestro
conocimiento del entorno en el que se desarrollara la vida útil de nuestro producto. Si
éste es el caso, no olvidar nunca tener en cuenta la interfase de nuestro producto con el
mundo que le rodea.
Sobre la severidad.
En el grupo de ensayos que nos ocupa, los de vibración, la severidad viene
definida por tres parámetros principales: El tipo de vibración, la frecuencia o rango de
frecuencias del ensayo y el nivel de los mismos.
•
El tipo de vibración: Si representamos en una gráfica el movimiento frente
al tiempo (aunque en la mayoría de los casos lo haremos en base a la
frecuencia) obtendremos una señal cuyo perfil nos indicará el tipo de
vibración al que estamos sometiendo a nuestro producto, que corresponderá
a uno de los siguientes grupos.
•
Senoidal: La representación del movimiento corresponde a una función
seno, donde en un rápido vistazo podemos conocer su amplitud y
frecuencia.
•
Random o Aleatoria: La representación es una señal no predecible en el
tiempo y que no corresponde a ningún modelo particular, mas parecida a
un ruido eléctrico. A efectos prácticos, su aleatoriedad se limita mediante
promedios ya que si fuera ilimitada se pondría en grave peligro tanto el
sistema de ensayos como el producto.
En este caso, para conocer la amplitud y la frecuencia no basta con un
rápido vistazo sino que son necesarias algunas operaciones matemáticas
más complejas. Siendo otro el objeto de este artículo, nos bastara saber
que la señal puede descomponerse en señales más sencillas de distintas
amplitudes y frecuencias con las que obtendremos un valor promedio de
amplitud y un rango de frecuencias.
•
Choque clásico: La forma de la señal no es definitoria del tipo ya que
pueden ser muchas (semiseno, diente de sierra, triangular, etc...) pero
siempre se tratará de un pulso con una duración limitada.
•
La frecuencia o el rango de frecuencias: Como hemos visto, dependiendo
del tipo de ensayo, nuestro movimiento tendrá una frecuencia o varias (un
rango de frecuencias).
•
El nivel de ensayo: El nivel de un ensayo de vibración puede estar definido
en aceleración, velocidad o desplazamiento, aunque normalmente será
aceleración lo que utilicemos, los tres parámetros están interrelacionados por
medio de la frecuencia de modo que conociendo dos de los cuatro
(aceleración, velocidad, desplazamiento y frecuencia) podremos calcular los
demás.
Los sistemas de vibraciones
El sistema ideal de vibraciones es aquel que no representa limitación alguna con
respecto a la severidad del ensayo, para lo cual dispone de una capacidad de
desplazamiento infinito, alcanzando velocidades infinitas y una fuerza infinita que
permite aceleraciones infinitas independientemente de la carga para poder recorrer los
desplazamientos infinitos a frecuencias inifitas. Ah, y un tamaño para cualquier
producto… Suena poco probable ¿verdad?, por eso solo es ideal.
La realidad de los sistemas de vibración es que por la propia filosofía de diseño
de los mismos están más limitados en unas capacidades que en otras, haciendo que sean
el equipo perfecto para una aplicación, pero no para todas. Haciendo un símil sencillo,
un coche deportivo es ideal para un circuito, pero no le llevaríamos a una barbacoa en el
campo y si tuviéramos un 4x4 podríamos ir a pescar a recónditos lugares, pero no será
igual de manejable en una ciudad.
Mi necesidad, mi sistema.
Ciertos ensayos de transporte están dirigidos sólo a la comprobación de que el
embalaje en el que transportamos nuestro producto es suficiente para que este no se
dañe durante el transporte, con especificaciones muy sencillas en las que no se busca un
conocimiento mas profundo de nuestro producto, sino una comprobación general de su
embalaje.
Los sistemas mecánicos para ensayos de vibración están formados por una
superficie móvil de tamaño suficiente para un palet tipo y capacidad para aguantar pesos
del rango de 1000 Kg. Esta superficie suele estar montada sobre un conjunto mecánico
que bien puede ser de levas, biela-manivela o de brazos articulados, de modo que se
transmite el movimiento de un motor eléctrico a la superficie donde habremos anclado
nuestra muestra bajo ensayo (DUT), que normalmente será nuestro producto embalado
para enviar.
Sistema de vibración mecánico, imagen cortesía de Lansmont Corporation.
La principal ventaja de este tipo de sistemas es su precio, ya que dadas las
características de los mismos son sistemas muy limitados en frecuencia (suelen tener
rangos de 5 a 60Hz) y en capacidad de programación (siempre obtendremos el mismo
desplazamiento en su uso) se convierten en sistemas para un tipo muy particular de
ensayos.
La información que obtenemos de este tipo de ensayos es muy limitada, lo cual
los convierte en ensayos de comprobación o de final de producción más que de diseño o
de certificación.
Cuando lo que necesitamos es un conocimiento más a fondo de nuestro producto
o certificarnos de cara a nuestro cliente, los ensayos de transporte necesitan seguir un
perfil de vibraciones que bien será nuestro particular si hemos tomado nuestras propias
medidas en campo o bien corresponderá a una norma de vibraciones en transporte.
Normalmente, este tipo de normas de transporte incluyen perfiles con altas
severidades en lo que se refiere a niveles de desplazamiento, pero no así en frecuencia o
aceleración. Además, suelen ensayarse grupos de equipos tal y como se van a
transportar, lo cual supone cargas pesadas y con cierta altura.
Entonces tenemos, ensayos a media-baja frecuencia, con altos desplazamientos y
cargas altas y pesadas. ¿Qué nos implica esto a la hora de seleccionar nuestro sistema de
vibraciones?
•
•
•
Dado que las frecuencias no serán altas, nos será suficiente con que nuestro
excitador tenga un rango de hasta unos 500 Hz (dependiendo del ensayo, pueden
ser menos).
Los desplazamientos serán altos, normalmente por encima de 75 mm,
necesitamos sistemas que tengan recorridos mayores de eso.
Cargas pesadas y elevadas, lo que implica que la fuerza necesaria para
acelerarlas será alta (fuerza=masa x aceleración) y que el excitador deberá soportar los
momentos de fuerza producidos debidos a la altura de la carga y la desviación de
su centro de gravedad durante la vibración.
Los sistemas electrohidráulicos utilizan la potencia que les suministra una central
hidráulica de alta presión y caudal para generar movimiento en un actuador sujeto a una
superficie donde anclaremos nuestra DUT para excitarla.
Fuente de potencia hidraulica con bomba sumergida, imagen cortesía de QUIRI Hydromécanique
Los actuadores hidráulicos están formados por un vástago alojado dentro de un cilindro
o cuerpo. Dicho vástago es “empujado” y lubricado por la presión del aceite, mientras
que la relación de longitud y grosor del vástago y cuerpo los hacen sistemas
especialmente resistentes a los momentos laterales.
Lógicamente, para que el vástago no esté siempre empujando y lo que seria un
movimiento continuo positivo se convierta en una vibración, el caudal de aceite
proveniente de la fuente de potencia debe ser controlado y regulado mediante
servoválvulas.
La frecuencia máxima de un sistema de vibraciones electrohidráulico al igual que la de
un actuador hidráulico, es un valor muy fácilmente deformable (aunque muy
complicado de aumentar) ya que dependiendo del fabricante del sistema, este valor
máximo de frecuencia puede indicarse como la frecuencia máxima a la que el excitador
puede vibrar independientemente de la fuerza necesaria (normalmente cercana a 0N) o
la frecuencia máxima a la que podemos utilizar su máxima fuerza (la indicada en sus
especificaciones técnicas).
El uso de distintas tecnologías para la fabricación servoválvulas y acumuladores, hace
que se encuentren en el mercado sistemas de vibración electrohidráulicos de muy
distintos rangos de frecuencia que se encuentran entre 0.1 Hz y 500 Hz con sus
máximas fuerzas, frecuencias mayores si disminuimos la fuerza.
El uso del aceite en vibración permite también el uso de distintos actuadores colocados
en distintos ejes mediante acoplamientos esféricos, de modo que permiten la generación
de vibración en distintos ejes al mismo tiempo. Para ello se inyecta aceite a alta presión
(en este caso no es necesario un gran caudal), en el acoplamiento esférico de modo que
no existe contacto metal-metal, lo cual reduce el ruido, el desgaste y la distorsión
proveniente de otro tipo de uniones y permite el ensayo de reproducción de la realidad
mas fiel alcanzable. Por ejemplo, cuando viajamos dentro de un coche, la vibración que
sufrimos no es solo en el eje vertical (proveniente de los baches de la carretera), sino
que también existen unas componentes grandes provenientes de las curvas, las frenadas
y aceleraciones, etc… Estas mismas aceleraciones las sufren todos los componentes del
vehiculo o nuestro producto durante el transporte y son aplicables no solo al caso del
coche, suceden en todos los medios de transporte.
Sistema de vibración electrohidráulico, imagen cortesía de Team Corporation
El uso de los sistemas electrohidráulicos no queda limitado a los ensayos de transporte
ya que son totalmente programables con el uso de servocontroladores de vibración, pero
debemos tener en cuenta los detalles comentados para saber si nuestra necesidad se
ajusta a lo que pueden ofrecernos o si por el contrario otro grupo de sistemas es nuestra
solución ideal.
¿Qué hay de la alta frecuencia?, mi especificación de ensayo me exige buscar
resonancias hasta 1000 Hz, ensayar a 2000 Hz, choques con aceleraciones altas,
velocidades de 2 m/s… Especificaciones con estas severidades o parecidas son muy
típicas cuando se trata de ensayos para automoción o el mundo ferroviario, y ni que
decir tiene cuando se trata de simular la vibración que sufren los productos que forman
parte o se embarcan en aviones, satélites, etc… o cuando buscamos tener un
conocimiento mas profundo de nuestro producto mientras lo estamos desarrollando o
mejorando.
Cuando nuestras necesidades de ensayo contienen algunos de estos parámetros (altas
frecuencias o velocidades, piezas pequeñas donde debemos buscar resonancias) los
excitadores electrodinámicos, nos proporcionan las características necesarias para ello.
Basándose en los mismos principios electromagnéticos que hacen que la membrana de
un altavoz vibre al compás de la música (F(t) = B x n x l x i(t), donde B es la intensidad
de campo, n es el número de espiras en la bobina móvil, l es la longitud de cada espira, e
i(t) es la corriente que circula por las mismas), los excitadores electromagnéticos
aprovechan un campo magnético creado mediante un electroimán o un imán permanente
para generar vibración al hacer pasar una corriente eléctrica por una bobina situada en
medio del campo magnético.
Principio de funcionamiento de un excitador electrodinámico
La instalación en nuestro laboratorio de ensayos es mas sencilla y limpia que en el caso
de los sistemas electrohidráulicos, ya que no es necesario aceite ni ningún otro fluido
que conlleve el riesgo de fugarse y ensuciar nuestro laboratorio. La energía que usamos
para generar la fuerza necesaria para la vibración es eléctrica.
Desde un servocontrolador programaremos la vibración que deseamos obtener en
nuestro producto, amarrado a la parte móvil del excitador. Nuestro servocontrolador
enviara una señal eléctrica del nivel y tipo adecuados a nuestro ensayo, el amplificador
la convertirá en una señal de una potencia mayor y se generara la excitación. El bucle
queda cerrado mediante un sensor de aceleración, velocidad o desplazamiento que
enviara los resultados al servocontrolador para que corrija la señal enviada para obtener
la vibración deseada en nuestro producto.
Sistema de vibración electrodinámico con mesa deslizante, imagen cortesía de LDS
Al basar todo el proceso de la generación y control de la vibración en dispositivos
electrónicos, la reproducibilidad y fidelidad de los ensayos de vibración
electromagnéticos siempre ha sido mayor que en el caso de los sistemas
electrohidráulicos, mas aún hoy en día que mediante el uso de transistores IGBT la
distorsión de la señal en el amplificador se reduce por debajo del 0.2%. Y otra ventaja
importante del uso de la electrónica, cuando no usemos toda la potencia de nuestro
sistema, podemos reducir la corriente que usamos para generar el campo magnético, lo
que supone una reducción del consumo del sistema completo y de nuestras facturas.
Comparison at 100V output
0.6
0.5
0.4
Distortion ( %)
0.3
0.2
0.1
0
Mk3
20
40
400
Mk4
1000
2000
Frequency (Hz)
3000
20
40
400
1000
2000
3000
Mk4
0.44
0.4
0.17
0.17
0.21
0.23
Mk3
0.42
0.41
0.34
0.35
0.36
0.56
Diferencias en la distorsión: MOSFET contra IGBT
Desde un punto de vista mecánico, los sistemas electrodinámicos están diseñados para
sacar el mayor provecho posible de la potencia eléctrica utilizada. Si tenemos en cuenta
que fuerza=masa x aceleración, y que la fuerza de un sistema es un parámetro fijo cuyo coste
de aumento es muy grande, es primordial para la mayoría de los fabricantes de
excitadores electrodinámicos y sus usuarios el aprovecharla al máximo, obteniendo los
mayores niveles de aceleración posibles para nuestro producto.
Para ello, el diseño de los excitadores electrodinámicos se realiza mediante técnicas
CAD con dos principales metas:
•
Que el rozamiento de los elementos móviles sea mínimo en el eje del
movimiento y la resistencia al movimiento perpendicular máxima,
reduciéndose la pérdida de fuerza y aumentando la resistencia a los
momentos laterales, de modo que aunque siempre será menor que en el caso
de los sistemas electrohidráulicos, alcanza valores del orden de los 5250
N/Mm.
•
Que la masa de los elementos móviles sea la menor posible, cuanto menor
sea la masa de éstos, mayor será la que podamos poner de nuestro producto
para obtener los mismos valores de aceleración.
Parte móvil de un excitador electrodinámico, imagen cortesía de LDS
Y después de todo esto, ¿cual es el adecuado para mi necesidad?
No hay una respuesta universal para esta pregunta, como no la hay para la mayoría de
ellas, pero si algunas pistas para encauzarlo y la ayuda de un especialista antes de tomar
la decisión final:
Tipo de Sistema
Mecánico
Fuente de
Potencia
Motores eléctricos
de rotación fija o
variable
ElectroHidráulico
Fuente hidráulica
Excitador
Levas, brazos
articulados, bielamanivela, …
Actuador hidráulico
instrumentado
y controlado
mediante
servoválvulas
de altas
prestaciones que
modulan el paso de
aceite al pistón.
La superficie de
Características
Generales
Frecuencias muy
limitadas (5-60 Hz)
Funcionan a
desplazamiento
constante
Carencia de
servocontrol
Rangos de frecuencia
típicos desde 0.1Hz
hasta 500Hz.
Aplicaciones
especiales hasta 1000
Hz.
Prestaciones reducidas
en frecuencias
superiores.
Grandes
Electrodinámico
Amplificador
electrónico de
potencia
con salida
conformada en
corriente de alto
nivel
vibración puede
alcanzar grandes
dimensiones
desplazamientos.
Grandes superficies de
ensayo.
Sistemas muy
amortiguados,
permiten ensayos con
cargas descentradas,
elevadas y piezas
sueltas.
Elemento rígido
con bobina móvil
que vibra en
presencia de un
campo
electromagnético
producido
por un electroimán
o un imán
permanente.
Convierte potencia
eléctrica en
potencia mecánica
por métodos
electromagnéticos
Permiten operar a altas
frecuencias (2000 Hz
y mayores)
Altos niveles de
aceleración y de
velocidad.
Desplazamientos
limitados (25 mm, 50
mm, 75 mm)
Funcionamiento muy
condicionado a bajas
frecuencias ( < 5Hz)
Resistencia limitada a
momentos laterales.
Baja distorsión (<5%)
Poco inerciales (bueno
en búsqueda de
resonancias)
y poco amortiguados
(malo para ensayos
con piezas sueltas)