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.

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.

20 40

400 1000

2000 3000

Mk4 Mk3

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

Distortion (%)

Frequency (Hz)

Comparison at 100V output

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

20 40 400 1000 2000 3000

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 Fuente de

Potencia

Excitador Características

Generales

Mecánico Motores eléctricos

de rotación fija o

variable

Levas, brazos

articulados, biela-

manivela, …

Frecuencias muy

limitadas (5-60 Hz)

Funcionan a

desplazamiento

constante

Carencia de

servocontrol

ElectroHidráulico Fuente hidráulica Actuador hidráulico

instrumentado

y controlado

mediante

servoválvulas

de altas

prestaciones que

modulan el paso de

aceite al pistón.

La superficie de

Rangos de frecuencia

típicos desde 0.1Hz

hasta 500Hz.

Aplicaciones

especiales hasta 1000

Hz.

Prestaciones reducidas

en frecuencias

superiores.

Grandes

vibración puede

alcanzar grandes

dimensiones

desplazamientos.

Grandes superficies de

ensayo.

Sistemas muy

amortiguados,

permiten ensayos con

cargas descentradas,

elevadas y piezas

sueltas.

Electrodinámico Amplificador

electrónico de

potencia

con salida

conformada en

corriente de alto

nivel

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)