Estrategias de control de vibraciones para sistemas de vibración

Los ensayos de vibración se llevan a cabo en sistemas formados por una carga útil, un sistema de fijación y una armadura. Casi todos se desarrollan en un rango de frecuencia en el que se producen resonancias mecánicas. Los ensayos se controlan por medio de la aceleración, de acuerdo con la siguiente ecuación básica, que es válida para una masa constante:

fuerza = masa × aceleración (f = ma)

Sin embargo, en condiciones de resonancia, la masa efectiva no se mantiene constante. Un control poco preciso de la vibración puede llevar a aplicar una aceleración insuficiente o excesiva a la carga útil y, en el peor de los casos, puede sobrecargar la armadura y dañarla. La solución consiste en colocar acelerómetros de control. Ahora bien, la elección de su ubicación es uno de los aspectos más críticos de cualquier ensayo de vibración.

De entrada, no existen unas posiciones de control activo de las vibraciones que resulten universalmente adecuadas. Pero, por desgracia, unas posiciones incorrectas pueden resultar en daños en el equipo de vibración o afectar a las aceleraciones que se aplican a la carga útil. Hay una serie de principios que deben tenerse en cuenta:

• Todas las estructuras mecánicas presentan resonancias.
• Cuanto más grande es una estructura, más baja es su frecuencia de resonancia.
• Si aumenta la masa pero no la rigidez, la frecuencia de resonancia tiende a ser más baja.
• Si aumenta la rigidez pero no la masa, la frecuencia de resonancia tiende a ser más alta.
• Cuando aparece una resonancia puramente axial en un sistema libre, el desplazamiento siempre es máximo en los extremos.

 

Selección de las posiciones de control

La finalidad más evidente de los acelerómetros de control es limitar la aceleración a la que se somete la carga útil. Si la carga útil es grande o si el rango de frecuencia es amplio, en algún momento aparecerán una o varias resonancias. Como resultado, se producirán diferencias en los niveles de aceleración en distintos puntos del sistema de fijación. 

Si, en un ensayo, solo hay un acelerómetro de control en una única posición, el bucle de control solo controla la aceleración en esa posición. Si tenemos la mala suerte de que esa posición coincide con un nodo de resonancia, en el que hay poco o ningún movimiento, puede ocurrir que la aceleración en el resto de la estructura sea cien veces más (o más incluso) que el valor de control. 

Para determinar si un acelerómetro de control se encuentra sobre un nodo, hay que fijarse en la señal de control, que muestra la dinámica del sistema. Una caída brusca de la señal indica resonancia, mientras que un incremento brusco indica antirresonancia. Si se produce antirresonancia, hay que cambiar las posiciones de control. En la figura siguiente se muestran ejemplos de gráficas de control correctas e incorrectas.

No es fácil determinar un punto que esté siempre alejado de un nodo, porque la posición de los nodos varía con la frecuencia. Por ello, deben utilizarse varias posiciones de acelerómetro. La mejor zona para colocar los acelerómetros, con el mínimo riesgo de encontrar un nodo, es en los extremos del sistema. Si no es posible, los monitores deben ajustarse a unos niveles de corte que impidan que el vibrador pueda dañarse.

 

Ensayos aleatorios vs. sinusoidales

Un ensayo aleatorio y uno sinusoidal requieren sistemas de control distintos para el vibrador. 

Ensayos sinusoidales

El amplificador monitoriza la tensión y la corriente que se suministra al vibrador. Si cualquiera de estos valores sobrepasa un nivel predefinido, el amplificador detiene el ensayo. En un ensayo con niveles altos, si la posición de control se encuentra en un nodo, la corriente de control aumentaría por encima del nivel de corte, con lo que el sistema se detiene.

Ensayos aleatorios

El amplificador monitoriza el valor eficaz de la tensión y la corriente de una forma similar al caso anterior. Si la posición de control está en un nodo, el amplificador no detiene el ensayo mientras la tensión y la corriente totales se mantengan por debajo del nivel de corte. Por tanto, puede ocurrir que el ensayo continúe aunque el vibrador genere más fuerza de la necesaria. 

Como complicación adicional, hay una gran cantidad de "energía libre" a la frecuencia de resonancia de la propia armadura. A esa frecuencia, se necesita muy poca tensión y corriente para guiar la armadura. Por tanto, existe la posibilidad de que el vibrador aplique una fuerza excesiva, hasta el punto de dañar la armadura, sin que el amplificador corte el ensayo. Como medida de protección, se debe colocar un acelerómetro de control en un extremo del sistema, porque se moverá de manera similar a la armadura en el extremo contrario.

 

Buenas prácticas para las estrategias de control

Siga las buenas prácticas siguientes para maximizar la vida útil de sus equipos:

1. Coloque siempre un acelerómetro en un extremo del sistema, ya sea para controlarlo o para monitorizarlo. Utilice la ecuación f = ma para definir la máxima aceleración teórica.
2. Las mesas deslizantes grandes pueden requerir varios acelerómetros de control, que deben colocarse en puntos de los extremos. Las esquinas y el centro de la mesa vibran a niveles distintos. La frecuencia de vibración es más alta en las esquinas.
3. Realice barridos sinusoidales de bajo nivel en todo el rango de frecuencias del ensayo, para caracterizar el sistema de fijación y la carga útil. Haga pruebas aleatorias de bajo nivel si no se pueden hacer barridos sinusoidales. Este caso "bajo nivel" significa aproximadamente 12 dB por debajo del nivel del ensayo que desee realizar.
4. Revise el control, para garantizar que no permite que se sobrepase el nivel nominal.
5. Utilice los resultados para modificar la estrategia de control, si es necesario.
6. Preste atención a la energía que queda fuera de la banda de frecuencia durante el funcionamiento aleatorio. El ancho de banda debe ser al menos 1,5 veces la frecuencia máxima de control.
7. Si esa energía es elevada o del mismo orden que la energía controlada, debe investigarse antes de realizar el ensayo.
8. Si se produce algún problema, fíjese en el registro de aceleración en tiempo real; puede dar una indicación de problemas que no son visibles en el dominio de frecuencia.
9. Si todo va bien, puede aplicar el nivel del ensayo.

Estas medidas ayudan a evitar que el vibrador sufra daños. Si no se toman estas precauciones, el vibrador generará más fuerza o niveles de aceleración más altos de los previstos, lo cual reduce su vida útil. 

 

Descubra los sistemas de ensayos de vibración LDS y los acelerómetros de HBK:

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