ES2307895T3 - Amortiguacion de vibraciones. - Google Patents
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Abstract
Estructura (20) que comprende: (i) un primer componente (1, 6) estructural que tiene una o más frecuencias resonantes; (ii) un segundo componente (2) estructural relativamente insensible a dicha una o más frecuencias resonantes y acoplado al primer componente (1, 6) estructural; y (iii) un aparato de amortiguación dispuesto para amortiguar selectivamente vibraciones del primer componente (1, 6) estructural a una de dichas una o más frecuencias resonantes; en la que el aparato de amortiguación comprende (a) al menos un sensor (7) montado para detectar vibraciones de dicho primer componente estructural; (b) al menos un generador (17, 18) de vibración para generar vibraciones para amortiguar las vibraciones del primer componente (1, 6) estructural, estando acoplado dicho al menos un generador (17, 18) de vibración al segundo componente (2) estructural y estando alejado del primer componente (1, 6) estructural; (c) un controlador (8), acoplado a dicho al menos un sensor (7) y a dicho generador (17, 18) de vibración, para identificar resonancias del primer componente (1, 6) estructural a partir de características de una señal recibida desde dicho al menos un sensor (7), y para controlar la frecuencia y fase de las vibraciones generadas por el generador (17, 18) de vibración, estando alejado dicho controlador (8) del primer componente (1, 6) estructural; en el que dicho controlador (8) está dispuesto para generar dichas vibraciones de tal manera que el primer componente (1, 6) estructural se amortigua mediante una fuerza que varía periódicamente que tiene una frecuencia correspondiente a y sustancialmente en cuadratura de fase con una vibración resonante del primer componente estructural; de tal manera que el al menos un generador (17, 18) de vibración genera vibraciones que se transmiten a través del segundo componente (2) estructural al primer componente (1, 6) estructural para amortiguar vibraciones del primer componente (1, 6) estructural.
Description
Amortiguación de vibraciones.
La presente invención se refiere a aparatos y
métodos de amortiguación de vibraciones en estructuras y en
equipos, sistemas o subestructuras conectados o acoplados a tales
estructuras. En particular la invención tiene aplicación, aunque no
aplicación exclusiva, a aparatos y métodos para la amortiguación
selectiva de vibraciones en vehículos y embarcaciones tales como
aeronaves, barcos y submarinos.
Mediante el término "estructuras" se
incluyen conjuntos de componentes hechos de materiales sólidos
unidos entre sí mediante contacto físico, medios fluidos o
influencia magnética para cumplir un requisito global, por ejemplo,
un edificio, puente, aeronave o barco.
Todas las estructuras tienen frecuencias
naturales de vibración o resonancia que pueden excitarse mediante
fuerzas aplicadas a la estructura. Una estructura normalmente tiene
un número de tales frecuencias naturales de resonancia
correspondientes cada una a un modo de vibración particular. Por
ejemplo, una estructura cilíndrica tendrá frecuencias resonantes
correspondientes a modos axial, radial y circunferencial de
vibración respectivamente, determinándose las frecuencias por los
materiales y dimensiones geométricas del cilindro. En algunas
estructuras, en las que las frecuencias naturales se excitan en una
condición de funcionamiento o ambiental en la que va a utilizarse
la estructura, la resonancia resultante se convierte en un
problema puesto que ocasiona ruido, vibración o daño estructural.
En la práctica común estos problemas se tratan cambiando la
estructura o bien:
\bullet para cambiar su rigidez y por tanto su
frecuencia natural moviendo por tanto la frecuencia resonante
alejándola de la frecuencia de la condición de funcionamiento o
ambiental que estimula ese modo de resonancia, o
\bullet para cambiar las características de
amortiguación de la estructura aplicando materiales adecuados a la
misma para reducir la amplitud de las resonancias, por ejemplo
baldosas acústicas.
Un método novedoso de supresión de estos
problemas de vibración resonante se describe en nuestra solicitud
de patente británica 2.361.757. Este comprende detectar el
comienzo de un modo de resonancia particular de una estructura y
aplicar una fuerza a la misma a una frecuencia seleccionada para
amortiguar ese modo.
Una característica de los métodos conocidos de
amortiguación de estructuras resonantes es que para ser efectivos
la detección de modos y aplicación de soluciones de amortiguación
tienen que aplicarse en, o próximos a la posición en la estructura
en la que la resonancia está provocando amplitudes de vibración
máximas. El acceso al punto de amplitud máxima para aplicar una
fuerza de amortiguación o materiales de amortiguación no siempre es
fácil o posible, mientras que la aplicación de materiales de
amortiguación está limitada por el espacio, el peso y la
compatibilidad química. Además la aplicación de amortiguación a
estructuras completadas también puede estar limitada por el coste,
el tiempo de parada y la contaminación de las áreas resonantes de
la estructura.
Un objeto de la presente invención es
proporcionar aparatos y métodos de control, desde una parte de una
estructura, de la amplitud de uno o más modos resonantes de
vibraciones de otra parto de la estructura, alejada, o de un
sistema alejado conectado o acoplado a la misma.
Según la presente invención en un aspecto de la
misma se proporciona una estructura según la reivindicación 1.
Si hay dos o más sensores pueden utilizarse para
detectar la frecuencia, la amplitud y el modo de las vibraciones
de la estructura resonante.
El al menos un sensor puede ser un dispositivo
electromecánico, tal como un transductor piezoeléctrico,
acelerómetro, galga extensométrica, sonda de velocidad y
desplazamiento, galga de fuerza, sensor fotosensible o sensor de
proximidad dependiendo de la frecuencia que va a medirse y de la
disposición física en la que va a colocarse. El sensor puede ser
sensible a dos o más frecuencias de resonancia de la estructura
resonante para producir señales correspondientes para la aplicación
al controlador.
El sensor puede producir señales eléctricas
alternas a una o más frecuencias y/o amplitudes predeterminadas
indicativas de la detección de dicha una o más frecuencias
resonantes, o puede producir un control eléctrico o una señal o
pulso de disparo en respuesta a esa detección.
El generador de vibración puede ser un actuador
o vibrador inercial electromagnético, o un actuador o vibrador
inercial electrohidráulico, o un actuador o vibrador inercial
piezoeléctrico, o un actuador o vibrador inercial
magnetoestrictivo, o un actuador o vibrador inercial
electrostático.
El controlador puede ser un controlador
electrónico digital que tenga circuitos de entrada analógico a
digital y de salida digital a analógico para la recepción y
transmisión de señales analógicas alternas de entrada y salida
desde el al menos un sensor y hasta el al menos un generador de
vibración respectivamente y un software o circuito de retardo de
fase digital para ajustar el sincronismo y fase de las señales de
salida con respecto a las señales de entrada. El software o
circuito de retardo de fase puede adaptarse para ajustar la fase de
las señales de salida de tal manera que las vibraciones generadas
por el generador de vibración provoquen que la estructura resonante
se amortigüe mediante una fuerza que varía periódicamente que tiene
una frecuencia correspondiente a y sustancialmente en cuadratura de
fase con una vibración resonante de la estructura resonante.
Según la presente invención en un aspecto
adicional de la misma se proporciona un método según la
reivindica-
ción 5.
ción 5.
A continuación se describirá la invención sólo a
modo de ejemplo y con referencia a los dibujos adjuntos de los
que;
la figura 1 es una vista lateral en sección
esquemática de un casco, mecanismo de propulsión y hélices de una
embarcación marina, y
la figura 2 es un diagrama de bloques
esquemático de un aparato para controlar las vibraciones de las
hélices de la embarcación mostrada en la figura 1.
En referencia primero a la figura 1, una
embarcación (20) marina comprende un casco (4) que aloja una unidad
de propulsión (no mostrada) dispuesta para proporcionar potencia
para hacer girar un eje (2) portahélice soportado en uno o más
cojinetes lisos que incluyen un cojinete (5) liso de bocina y que
transmiten el empuje desde una hélice (1) que tiene un número de
palas (6) de hélice a través de cojinetes (3) de empuje en una
chumacera (30) de empuje al casco (4).
La rotación de la hélice (1) y sus palas (6)
genera una fuerza de propulsión que se trasmite a través del eje
(2) portahélice y los cojinetes (3) de empuje y sus chumaceras
(30) de empuje al casco (4) que se mueve por tanto por el agua.
Fuerzas inestables sobre las palas (6) de
hélice, debido a variaciones en el flujo del agua, hacen vibrar la
hélice (1). Cuando la frecuencia de la vibración es igual a un modo
resonante de vibración de las palas (6), la amplitud de estas
vibraciones aumenta dando como resultado un aumento en el ruido,
aumento de flujo de agua inestable y fallo potencial de las palas
debido a fractura por fatiqa o plástica. El eje (2) portahélice y
el casco (4) no son resonantes a la frecuencia resonante de las
palas (6) de hélice.
La vibración de las palas crea una onda de
sonido oscilante a su frecuencia resonante que se desplaza a través
del eje (2) portahélice no resonante hacia el casco (4) no
resonante a través del cojinete (3) de empuje.
En referencia ahora a la figura 2, en la que por
conveniencia a componentes comunes con la figura 1 se les ha dado
números de referencia idénticos, un aparato de amortiguación
selectiva comprende:
un acelerómetro (7) montado en y para la
rotación con el eje (2) portahélice a bordo del cojinete (5) y que
tiene un enlace telemétrico (no mostrado) a un receptor (7')
estacionario montado adyacente al eje (2).
El receptor (7') está conectado a una entrada
(9) analógica de un controlador (8) digital. El controlador (8)
tiene un circuito de conversión de señal analógica a digital (A a
D) (no mostrado) en su interfaz con la entrada (9) analógica. Tiene
un circuito o software de retardo de desplazamiento de fase (no
mostrado) conectado para recibir señales digitales desde el
circuito A a D y para aplicar un retardo de tiempo y desplazamiento
de fase apropiados a esas señales mediante técnicas de
procesamiento de señal digital convencional, y un circuito de
conversión digital a analógico (no mostrado) conectado para recibir
las señales digitales retardadas y desplazadas en fase y para
proporcionar señales de salida analógicas correspondientes en una
salida (10) del controlador (8).
La salida (10) del controlador (8) está
conectada a un generador (40) de vibración que comprende un sistema
(11) de medición de empuje modificado. El sistema (11) de medición
de empuje es un sistema convencional, montado normalmente dentro
de una chumacera (3) de empuje del barco, para medir la fuerza de
empuje (indicada por la flecha T) sobre el casco generada por la
hélice (1). Es un dispositivo hidráulico que incluye almohadillas
(12) de empuje en contacto de fluido con un collar (13) en el eje
(2), que acciona los pistones (14) en los cilindros (15) conectados
hidráulicamente a una galga (16) de presión calibrada para indicar
empuje.
La modificación al sistema (11) de medición de
empuje para permitirle actuar como un generador de vibración,
comprende un dispositivo (17) de pistón y cilindro adicional en el
que el pistón se mueve mediante un solenoide (18) que a su vez está
conectado para responder a las señales de salida analógicas del
controlador (8). El pistón actúa sobre el fluido hidráulico del
sistema de medición de empuje a través de una línea (19) hidráulica
conectada a las líneas hidráulicas del sistema de medición de
empuje a través de una pieza (20) en T.
Podrían utilizarse otros generadores de
vibración. El generador de vibración puede ser por ejemplo un
vibrador tal como el vibrador accionado hidráulicamente descrito en
el documento GB2 255 387 (Dowty Aerospace Wolverhampton Ltd), o un
dispositivo de cancelación de vibración de masa soportado y
accionado magnéticamente tal como se describe en el documento GB 1
281 369 (MAS Research Ltd), o un vibrador inercial electromagnético
por ejemplo el modelo IV 46 suministrado por Gearing and Watson Ltd
de Hailsham en East Sussex, o uno o más actuadores dentro de la
estructura de una manera similar a la descrita en el ejemplo
posteriormente.
En funcionamiento el acelerómetro (7), detecta
la onda de sonido oscilante (indicada por las flechas v) que llega
a lo largo del eje (2) portahélice desde las palas (6) de hélice
resonantes y envía una señal correspondiente a través del enlace de
telemetría y el receptor (7') a la entrada (9) del controlador (8)
electrónico.
El controlador (8) electrónico identifica la
resonancia de las palas de hélice a partir de las características
de frecuencia, fase y modo de la señal recibida que digitaliza. El
controlador (8) electrónico procesa la señal digitalizada para
generar una señal analógica de amortiguación de resonancia de las
palas de hélice en la salida (10), corregida en fase para permitir
el desplazamiento de fase debido a los tiempos de transmisión de
onda de sonido desde y a las palas (6) de hélice y retardos
introducidos por el propio controlador (8) electrónico.
La señal de amortiguación activa y desactiva el
solenoide (18) en consecuencia. El solenoide (18) hace oscilar el
pistón en el cilindro (17) a una frecuencia correspondiente a la
señal de amortiguación requerida. Los movimientos del pistón varían
la presión de aceite en el sistema {11) de medición de empuje
hidráulico en consecuencia. La presión oscilante en el sistema (11)
de medición de empuje actúa a través de pistones (14) de medición
de empuje y las almohadillas (12) de empuje para crear una señal de
onda de sonido de control en el eje (2) portahélice. La onda de
sonido de señal de control se transmite axialmente a lo largo del
eje a las palas (6) de hélice. La señal de control está desfasada
para generar una fuerza de amortiguación en las palas (6) de hélice
a la frecuencia y modo de vibración de pala resonante.
El controlador (8) garantiza que la fuerza de
amortiguación es sustancialmente proporcional a la velocidad de las
palas, debido a la resonancia, y se aplica para oponerse a este
movimiento de las palas. La fuerza de amortiguación máxima se
aplica cuando la velocidad de las palas está en o próxima a su
máximo. Esta velocidad está desfasada sustancialmente 90° con la
fuerza que excita esta resonancia. Se apreciará que desviaciones
relativamente menores a partir de la fase precisa de la velocidad
máxima (por ejemplo \pm 10°) no afectarán mucho al efecto de
amortiguación de la fuerza de amortiguación porque la velocidad de
movimiento de las palas (6) no varía rápidamente cerca de la
velocidad máxima en cada ciclo.
Se les ocurrirán ahora a los expertos en la
técnica muchas modificaciones y variaciones sobre los métodos y
aparatos descritos en el ejemplo. Por ejemplo, se apreciará que
aunque se ha descrito una aplicación de la invención con referencia
a las vibraciones resonantes de las palas de hélice de una
embarcación marina, el concepto podría aplicarse igualmente en
otras situaciones, por ejemplo, a la amortiguación selectiva de
vibraciones inducidas por flujo de aire turbulento en alas de
aeronaves. En la aplicación de aeronaves la detección de estas
vibraciones podría efectuarse dentro del fuselaje de la aeronave
mediante un sensor unido a un larguero de ala principal y podrían
aplicarse fuerzas de amortiguación al ala a distancia a través de
un actuador que actúa en una sección a bordo del larguero de ala
alejado de la fuente de vibraciones en la punta del ala, o a través
del sistema de tren de aterrizaje hidráulico de la aeronave,
utilizando las ruedas como agitadores inerciales.
Es bien conocido que las vibraciones inducidas
por flujo de aire turbulento de un ala de una aeronave dependen de
la velocidad. En la práctica esto limita la velocidad segura
máxima de una aeronave a una inferior a la que podría conseguirse
de otro modo dada la capacidad de los motores a reacción modernos.
Superar esta velocidad segura máxima expondría al riesgo de
vibraciones estructurales del ala, llevando a fallo catastrófico de
la estructura de la aeronave. Amortiguando las frecuencias
resonantes de las estructuras de ala de una manera según la
invención es probable que la aeronave pudiera volar a velocidades
más próximas a las teóricamente posibles dado el rendimiento de los
motores a reacción modernos.
Otras aplicaciones podrían incluir la
amortiguación selectiva a distancia de resonancias de un puente o
un edificio detectando esas resonancias o aplicando vibraciones
correctivas en partes no resonantes del puente o edificio
conectadas o acopladas a la parte resonante.
Claims (7)
1. Estructura (20) que comprende:
(i) un primer componente (1, 6) estructural que
tiene una o más frecuencias resonantes;
(ii) un segundo componente (2) estructural
relativamente insensible a dicha una o más frecuencias resonantes y
acoplado al primer componente (1, 6) estructural; y
(iii) un aparato de amortiguación dispuesto para
amortiguar selectivamente vibraciones del primer componente (1, 6)
estructural a una de dichas una o más frecuencias resonantes;
en la que el aparato de amortiguación
comprende
(a) al menos un sensor (7) montado para detectar
vibraciones de dicho primer componente estructural;
(b) al menos un generador (17, 18) de vibración
para generar vibraciones para amortiguar las vibraciones del
primer componente (1, 6) estructural, estando acoplado dicho al
menos un generador (17, 18) de vibración al segundo componente (2)
estructural y estando alejado del primer componente (1, 6)
estructural;
(c) un controlador (8), acoplado a dicho al
menos un sensor (7) y a dicho generador (17, 18) de vibración,
para identificar resonancias del primer componente (1, 6)
estructural a partir de características de una señal recibida desde
dicho al menos un sensor (7), y para controlar la frecuencia y fase
de las vibraciones generadas por el generador (17, 18) de
vibración, estando alejado dicho controlador (8) del primer
componente (1, 6) estructural;
en el que dicho controlador (8) está dispuesto
para generar dichas vibraciones de tal manera que el primer
componente (1, 6) estructural se amortigua mediante una fuerza que
varía periódicamente que tiene una frecuencia correspondiente a y
sustancialmente en cuadratura de fase con una vibración resonante
del primer componente es-
tructural;
tructural;
de tal manera que el al menos un generador (17,
18) de vibración genera vibraciones que se transmiten a través del
segundo componente (2) estructural al primer componente (1, 6)
estructural para amortiguar vibraciones del primer componente (1,
6) estructural.
2. Estructura (20) según la reivindicación 1, en
la que el aparato de amortiguación está acoplado directamente al
segundo componente (2) estructural, y acoplado indirectamente, a
través del segundo componente (2) estructural, al primer componente
(1, 6) estructural.
3. Estructura (20) según cualquier
reivindicación anterior, y en la que dicho un sensor (7) es
sensible a dos o más frecuencias de resonancia del primer
componente (1, 6) estructural para producir señales
correspondientes para la aplicación al controlador (8).
4. Estructura (20) según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 3, en la que la estructura (20) es una
embarcación (20) marina, y el aparato de amortiguación está ubicado
dentro del casco (4) de la embarcación (20) marina, el primer
componente (1, 6) estructural comprende una hélice (1, 6) de la
embarcación (20) marina, y el segundo componente (2) estructural
comprende una eje (2) portahélice de la embarcación (20)
marina.
5. Método de amortiguación de resonancias
selectivamente de un primer componente (1, 6) estructural de una
estructura que comprende las etapas de:
i) utilizar al menos un sensor (7) para detectar
resonancias de la estructura resonante y para derivar señales de
detección correspondientes,
ii) utilizar las señales de detección para
accionar al menos un generador (17, 18) de vibración para generar
vibraciones para la aplicación al primer componente (1, 6)
estructural,
(iii) controlar la frecuencia y fase de las
vibraciones de tal modo que en la aplicación al primer componente
(1, 6) estructural estén sustancialmente en cuadratura de fase con
una frecuencia resonante del primer componente (1, 6)
estructural
y en el que para los fines del método al menos
uno del al menos un sensor (7) y del al menos un generador (17,
18) de vibración está situado alejado del primer componente (1, 6)
estructural para actuar conjuntamente con un segundo componente (2)
estructural de la estructura acoplado al primer componente (1, 6)
estructural, y las vibraciones generadas se transmiten a través del
segundo componente (2) estructural de tal modo para amortiguar
selectivamente la vibración del primer componente (1, 6)
estructural.
\newpage
6. Método según la reivindicación 5, en el que
dicha detección de vibración de dicho primer componente (1, 6)
estructural comprende detectar la vibración del primer componente
(1, 6) estructural que se transmite a través del segundo componente
(2) estructural.
7. Método según una cualquiera de las
reivindicaciones 5 ó 6, en el que la estructura (20) comprende una
embarcación (20) marina, en el que dicho segundo componente (2)
estructural comprende un eje (2) portahélice de la embarcación
(20), y dicho primer componente (1, 6) estructural comprende una
hélice (1, 6) de la embarcación (20).
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