Introducción a los ensayos de vibraciones

Simular la vida cotidiana de cualquier producto forma parte integral de su proceso de pruebas y validaciones. Los ensayos con vibradores permiten predecir los modos de fallo de un producto o componente y monitorizar su comportamiento dinámico con el objetivo de mejorar su fiabilidad.

Nuestro experto 

BRIAN ZIELINSKI-SMITH Brian Zielinski-Smith

Licenciado con honores en diseño de ingeniería. Forma parte de Brüel & Kjaer desde 2016 (con base en Royston, Reino Unido) y es nuestro Director de Producto para vibradores, amplificadores y sistemas de vibración.

Correo electrónico brian.zielinski-smith@hbkworld.com

Descargar las diapositivas de la presentación: An Introduction to Shaker Vibration Testing (PDF)
Preguntas y respuestas del webinario sobre ensayos de vibraciones
Hay varios elementos diferenciadores: el rango de frecuencia, los límites de desplazamiento y velocidad, y la precisión del control. Todo ello está publicado y puede consultarse en Sistemas para ensayos de vibraciones, para que cada persona haga sus propias comparativas.
Los vibradores ofrecen ventajas en términos de reproducibilidad, mejora estadística de los GDL, fiabilidad, medida, precisión de resonancia y control. Sin embargo, los martillos de impacto son más baratos, más rápidos, más fáciles de usar y, si el usuario tiene la experiencia necesaria, a menudo ofrecen una precisión suficiente.
Los vibradores pueden ser muy útiles para validar modelos en los que solo se considera el neumático, en los que las medidas de referencia son funciones de transferencia de la rigidez dinámica. Estas medidas no pueden obtenerse en los ensayos de rodaje de neumáticos, que están pensados para los ensayos de homologación clásicos.
Sí. Todo ello forma parte del software de control y las posibilidades son flexibles. Es posible definir manual o automáticamente una frecuencia de interés (dentro del rango del vibrador).
El desplazamiento/movimiento real de la armadura varía de un sistema a otro y depende del perfil de ensayo que se utilice. Se puede consultar información sobre el desplazamiento en las fichas técnicas, que se encuentran en la sección de nuestra web Sistemas para ensayos de vibraciones 

El desplazamiento es alto a bajas frecuencias (típicamente inferiores a 20 Hz), ya que la amplitud de la aceleración exige más movimiento para alcanzar las variaciones de velocidad de interés. La comprobación se puede llevar a cabo mediante cálculos, a cualquier frecuencia y para cualquier amplitud. Si se utiliza 3 sigma en los ensayos aleatorios, el valor pico teórico es igual a 3 × RMS.
Eso depende totalmente del producto y de las propiedades de sus materiales. Hay pruebas típicas de quemado térmico que sirven para identificar puntos débiles en placas de circuito impreso, uniones soldadas y componentes eléctricos. Suelen consistir en someter un producto a temperaturas extremas y también pueden incluir vibraciones aleatorias.

Estos ensayos térmicos pueden llevarse a cabo, por ejemplo, entre -40 y +70 °C para componentes comerciales, o entre -54 y +93 °C en el caso de componentes militares. El tiempo que se somete el dispositivo objeto de la prueba a una temperatura dada también es variable y depende de su masa térmica. Típicamente, el mínimo son 2 horas y el máximo 16 horas.
El sistema de control digital controla de forma adaptativa la respuesta mecánica no lineal de cualquier vibrador. El vibrador electrodinámico LDS tiene un sistema de protección contra sobrecarrera. El PA también tiene límites que cortan la corriente y la tensión si se intenta hacer un ensayo imposible. Alcanzar la función de transferencia es misión del controlador. Si no consigue alcanzarla, el controlador detiene el ensayo basándose en distintos parámetros y tolerancias de protección. El controlador tiene almacenados todos los límites del vibrador, y notifica el fallo de cualquier parámetro antes, durante y después del ensayo.
Si, debido a la situación, el amplificador se encuentra en un entorno más caliente de lo normal y sin climatización, la temperatura ambiente puede hacer que se sobrecaliente.
Hay que proteger el vibrador con barreras térmicas. También se deben emplear acelerómetros y cables resistentes a la temperatura. Además, debe tenerse en cuenta la temperatura en la calibración de los acelerómetros. Por último, se debe usar un perno aislado para montar los acelerómetros. Al finalizar el ensayo, deben evitarse los choques de temperatura y llevar el entorno hasta la temperatura ambiente de forma controlada antes de entrar en el recinto.
El diseño de estos elementos debe tener en cuenta muchos factores y debe estar a cargo de un ingeniero de diseño experimentado. Algunas de las consideraciones son:
  • Los materiales preferidos son el aluminio y las aleaciones de magnesio, debido a su buena relación entre resistencia y masa y sus buenas propiedades de amortiguación.
  • La masa debe ser baja, la rigidez debe ser alta y el espesor debe ser como mínimo de 20 mm.
  • La tolerancia de planicidad debe ser la especificada. También se requiere un buen equilibrio/centro de gravedad.
  • Todos los orificios de la interfaz deben estar escariados, de modo que sea posible utilizar arandelas planas y tornillos de cabeza hueca.
  • Deben emplearse insertos de acero en la interfaz con la plantilla.
  • Debe existir una separación mínima entre orificios de 100 mm, siguiendo un patrón cuadrado donde sea posible. Debe valorarse cómo controlar y dónde posicionar los acelerómetros utilizando orificios con rosca 10/32.
Este cálculo es interno y no incluye una configuración dinámica con accesorios y productos. Por ello, es difícil hacer un cálculo preciso sin efectuar antes una medición. La tensión varía con la velocidad y la corriente varía según los requisitos de aceleración y fuerza. Por otro lado, la velocidad y la aceleración también dependen de las características de la configuración general y de la frecuencia. Lo mejor es medir durante un ensayo de bajo nivel y confirmarlo con la referencia utilizando un factor de proporción para los ensayos futuros.
Sí, este tipo de entrada es posible a través del controlador de vibraciones. PSD se refiere a un espectro de señales aleatorias y se utiliza como un perfil de control para el vibrador. Si el vibrador ofrece el rango de frecuencia del ensayo, responderá a la señal de control y proporcionará la totalidad del espectro definido por el perfil PSD. Las únicas restricciones son los límites pico del vibrador (D, V, A y fuerza) con respecto a los valores demandados por la entrada PSD y por el cálculo de GRMS.
En general, se puede considerar que la masa del acelerómetro es insignificante en comparación con la de la viga. El acelerómetro solo debe tenerse en cuenta cuando su masa se aproxima a la de la muestra. Si la proporción es superior a 10:1, el error está dentro de la incertidumbre de medida declarada en los resultados generales del ensayo.
Un barrido lineal se expresa en Hz/segundo, mientras que un barrido logarítmico se expresa típicamente como oct/minuto, o bien como dec/min. Por lo tanto, el tiempo del ensayo para un barrido lineal es el rango multiplicado por el número de Hz en cada segundo. Para el barrido logarítmico se utiliza un cálculo logarítmico:

FAQ22 shaker testing

El control real viene dado por el feedback de medida del acelerómetro, mediante el cálculo de la amplitud de aceleración equivalente al desplazamiento para cada frecuencia. La frecuencia de transición puede calcularse comparando el aumento de la aceleración con el desplazamiento:

FAQ23 Shaker testing
G = Constante 9.80665 m/s² o 386.0885826772 in/s²
D = Desplazamiento de pico a pico
Esta es una pregunta de “prestaciones frente a coste”, ya que son totalmente distintos entre sí. La refrigeración por agua es más compleja, aunque su principio de funcionamiento es similar. La principal diferencia radica en que la armadura y las bobinas incorporan una circulación de agua o de aire para disipar el exceso de calor. Nuestro vibrador refrigerado por aire más grande es de 80 kN. Si se desean prestaciones más altas, los LDS llevan un sistema de refrigeración por agua más eficiente.
Varía de un sistema a otro. Todos los detalles pueden consultarse en las fichas técnicas: Sistemas para ensayos de vibraciones
El ruido varía de un sistema a otro. Todos los detalles pueden consultarse en las fichas técnicas: Sistemas para ensayos de vibraciones 
RoR y SoR se describen en la mayoría de las especificaciones de las pruebas:
  • Random-on-Random: bandas estrechas de ruido sobre una banda más amplia de energía aleatoria
  • Sine-on-Random: frecuencias sinusoidales puras sobre una banda más amplia de energía aleatoria
Las frecuencias más bajas son de 1 Hz para una trunnion sólida y de 5 Hz para un soporte aislado, pero también depende de la muestra de ensayo. La magnitud de los desplazamientos depende del tamaño del vibrador, Típicamente, para un vibrador de rango medio refrigerado por aire, el máximo es de ±25 mm entre 5 Hz y 10 Hz.
Sí, pero solo durante periodos muy cortos. En caso de funcionamiento prolongado en esas condiciones pueden sufrir daños que acortan la vida útil de los componentes del vibrador. Para obtener resultados óptimos, lo mejor es mantenerse siempre en torno al 80% de la capacidad nominal. Esta recomendación es aplicable a todos los vibradores del mercado.
Por otro lado, es recomendable sobredimensionar el vibrador para evitar problemas causados por errores de medición, respuestas dinámicas, tolerancias de la posición de control y errores de cálculo generales en la práctica frente a los valores teóricos. En fábrica los probamos al 100% de su capacidad nominal en condiciones estrictas, pero no esperamos que nuestros clientes hagan lo mismo. Los valores máximos se proporcionan con carácter orientativo, para una configuración perfecta, con el fin de aplicar límites al 80% del valor calculado. Típicamente hay una incertidumbre general de medición del 10%, lo que significa que un límite del 90% ya supone una restricción de la capacidad real de medida.
Normalmente, un ensayo de caída describe una caída física sobre una superficie y está pensado para observar daños debidos al impacto. Por tanto, no son ensayos de choque clásicos y no es posible realizarlos con un vibrador. El choque que produce un vibrador puede compararse con el de una máquina de caída libre y permite controlar correctamente varios impactos pulsos clásicos.
Los barridos sinusoidales suelen utilizarse para estudiar en detalle las resonancias. Pueden utilizarse para probar la resistencia o la durabilidad de un producto, dentro de las pruebas iniciales de desarrollo.