ES2308891A1 - Planta para la caracterizacion dinamica axial y transversal de muelles y aisladores de vibraciones. - Google Patents
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Abstract
Planta para la caracterización dinámica axial y transversal de muelles y aisladores de vibraciones. Consiste en una planta de ensayo que permite estudiar el comportamiento axial y transversal de aisladores de vibraciones bajo diferentes situaciones de carga (estática, dinámica y de impacto). La planta está constituida básicamente por el aislador a ensayar (4), una masa de bloqueo (3) que queda aislada del entorno mediante aisladores (2), masas calibradas para realizar el ensayo (5) y un elemento excitador de vibraciones (1) que puede actuar tanto vertical como horizontalmente. Se trata de un sistema doble masa-muelle, en el que las frecuencias propias de los dos sistemas son suficientemente diferentes, de tal forma que permite la caracterización del muelle ensayado a bajas frecuencias (incluso inferiores a 20 Hz).
Description
Planta para la caracterización dinámica axial y
transversal de muelles y aisladores de vibraciones.
La invención permite determinar el
comportamiento y realizar la caracterización de elementos
aisladores de vibraciones en función de la carga y la frecuencia de
la misma. Los sistemas actuales están preparados para la
caracterización de estos elementos por encima de 20 Hz, pero las
necesidades de aislamiento vibroacústico (para problemas de ruido
estructural) exigen conocer el comportamiento en el rango entre 4 y
10 Hz. Esta planta de ensayo tiene interés tanto para los
fabricantes de estos aisladores como para los usuarios de los
mismos.
Para aislar las vibraciones de una gran variedad
de máquinas se utilizan elementos elásticos que evitan la
transmisión al elemento soportante de la misma. Para ello se monta
la máquina sobre estos resortes, quedando así aislada del
entorno.
El aislamiento de vibraciones que puede dar un
sistema formado por la máquina y el aislador (en adelante, sistema
masa-muelle) depende de la relación entre la
frecuencia natural de éste, y la frecuencia de la vibración que se
quiere atenuar. Para conseguir un buen aislamiento es
imprescindible que la frecuencia natural del sistema sea
notablemente más pequeña que la frecuencia que se desea aislar. En
caso contrario el aislamiento será insuficiente o incluso puede que
aparezca una amplificación de la vibración. Por otra parte, la
teoría de aislamiento de vibraciones se basa en la simplificación
de que el único movimiento posible es la traslación en el plano
vertical. Sin embargo, pueden darse movimientos de traslación
horizontal y rotaciones que reducen la eficiencia del sistema
antivibratorio si éste no está caracterizado frente a estos
movimientos.
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Con los ensayos actuales, no se puede conocer el
comportamiento del aislador de vibraciones a bajas frecuencias
(cómo se realizan estos ensayos y el por qué de esta afirmación se
recoge a continuación en el punto "Métodos de ensayo actuales"
de este mismo apartado).
Los fabricantes de aisladores de vibraciones
especifican únicamente datos de la rigidez del muelle, hallada en
ensayos estáticos que no reproducen las condiciones de trabajo
reales; el ensayo se realiza bajo carga estática mientras que en las
condiciones de trabajo normalmente están sometidos a cargas
dinámicas. Además se supone un comportamiento lineal del muelle, y
son muchos los aisladores comerciales que no se ajustan a este
comportamiento.
Por otra parte, es importante conocer el
comportamiento transversal del muelle y su coeficiente de
amortiguamiento (que se acostumbra a suponer nulo, lo que en muchos
casos se trata de una suposición excesivamente irreal).
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Los métodos de ensayos de aisladores de
vibración están normalizados y recogidos en las normas
UNE-EN ISO 10846, partes 1, 2 y 3. En ellas se
definen los principios básicos de cálculo y también dos posibles
metodologías de ensayo: el método directo (figura 1) y el método
indirecto (figura 2) tal como denomina la norma.
Para ensayar un muelle, son necesarios unos
elementos básicos como son: el muelle a ensayar, una masa de
ensayo, una masa de bloqueo y un excitador de vibraciones. A
continuación se resumen los dos métodos de ensayo que recoge la
norma:
- Método directo:
- En este método se dispone de un conjunto masa-muelle sobre una bancada fija (masa de bloqueo). Se excita la masa con un generador de vibraciones y se mide la fuerza y la aceleración transmitida tanto a la masa como a la bancada. El principal problema de este montaje es que el excitador de vibraciones es solidario a la bancada y le transmite vibraciones, lo que contamina la señal de aceleración medida en la misma (tal como recoge la norma) ya que también se miden vibraciones parásitas. Se podría intentar aislar el excitador de vibraciones del resto de la bancada, pero igualmente se podría presentar el problema a muy baja frecuencia. Para evitarlo, la frecuencia natural del sistema formado por el excitador y su aislador, debería de ser muy baja, pero es difícil conseguir resultados con pocas unidades de hercios, frecuencias a la que en muchos casos deben trabajar las máquinas receptoras de estos amortiguadores. Así, resumiendo, mediante este método de ensayo no se puede asegurar que no exista interacción a baja frecuencia (< 20 Hz).
- Método indirecto:
- Este método se plantea al revés que el anterior, ya que pretende determinar la reducción de la transmisión de vibraciones de la bancada a la masa de ensayo. En consecuencia, en este montaje lo que se excita es la bancada o masa de bloqueo (ver figura 2) y no la masa que soporta el muelle. Para poder excitar la bancada, es necesario que ésta esté apoyada sobre otros muelles, algo que constituye juntamente con el sistema masa muelle a estudiar, un conjunto de doble masa muelle. Este sistema doble puede presentar interacciones entre los dos subsistemas. Para evitarlo, la norma recomienda que la frecuencia natural del conjunto bancada-muelles de sustentación sea lo más baja posible, pero esto vuelve a plantear el problema de que el límite inferior de caracterización está por encima de 20 Hz, demasiado alto para el rango de interés. Además, este dispositivo presenta el problema del guiado de la masa de test, ya que al quedar libre sobre el aislador de ensayo, puede moverse horizontalmente y presentar rotaciones, lo que afectaría a la caracterización del movimiento vertical. Estos otros movimientos también son de interés pero analizados de forma independiente.
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Con la planta de caracterización de aisladores
de vibraciones se puede determinar el comportamiento de estos en
diferentes situaciones de carga. En la planta que en esta patente
se propone, se pueden realizar ensayos con cargas axiales y
transversales. Con estos ensayos se puede conocer y, posteriormente
simular, el comportamiento de los muelles cuando se encuentren
trabajando en una máquina o dispositivo. También pude ser
determinado el límite a fatiga del muelle y la vida esperada bajo
una situación de carga determinada.
La planta está inspirada en el método indirecto
de la norma, por lo que en el ensayo se excita la bancada (o masa
de bloqueo) sustentada por aisladores de vibraciones y sobre ésta
se coloca el muelle a ensayar con la masa de test (ver figura 2).
Tal como se ha comentado anteriormente el método indirecto presenta
problemas que se han solventado en esta planta y que a continuación
se describen.
El primer problema es la influencia del conjunto
masa-muelle de la bancada sobre el conjunto
masa-muelle de test, que limita que el rango de
análisis no pueda ser inferior a 20 Hz. Para evitar esta situación,
se ha diseñado un sistema en el que la frecuencia de resonancia del
conjunto bancada-muelles inferior sea mucho más
elevada que el del conjunto masa-muelle de ensayo,
justo al revés que en el procedimiento de medida estandarizado, lo
que supone una novedad en el modo de caracterización de muelles.
Esto permite que el comportamiento del sistema masa de
test-muelle de test sea prácticamente independiente
del sistema conjunto para el rango de frecuencias de especial
interés de este diseño, que es entre 4 y 10 Hz.
Para evitar la aparición de momentos y de
rotaciones tanto en la bancada como en la masa de test, se ha
previsto que la excitación se realice de tal forma que la línea de
fuerza pase por el centro de gravedad de las dos masas, y el
aislador ensayado se sitúa centrado respecto a la bancada.
Para asegurar que la masa de ensayo sigue una
trayectoria rectilínea, se ha dotado de un guiado tratando las
superficies en contacto para que el rozamiento sea prácticamente
nulo. El guiado, también se realiza en el ensayo transversal de
muelles.
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La planta está constituida por el aislador a
ensayar, una masa de bloqueo que quede aislada del entorno mediante
aisladores, masas calibradas para realizar el ensayo y un elemento
excitador de vibraciones. En las líneas siguientes se inicia una
descripción de la planta de ensayos justificando las decisiones que
se han tomado en el diseño y construcción de la misma (figuras 4, 5
y 6).
La planta se ha diseñado de tal forma que se
pueden realizar los ensayos que se muestran en la figura 3, es
decir un ensayo en dirección normal y un ensayo en dirección
tangencial.
- -
- Ensayo del muelle o aislador en dirección normal: para conocer el comportamiento del aislador respecto a los esfuerzos en la dirección normal se excita la masa de bloqueo por la parte inferior. El estudio se hace bajo diferentes condiciones de carga, según las masas de test que se colocan sobre el aislador objeto del ensayo y dependiendo de la rigidez de los elementos elásticos a caracterizar.
- -
- Ensayo del muelle o aislador en dirección transversal: para estudiar el comportamiento del aislador frente a un esfuerzo transversal, se sitúa el excitador de vibraciones de tal forma que transmita vibraciones a la masa de bloqueo en un plano perpendicular al eje del aislador.
A continuación se realiza una descripción
general de los mismos, con referencia a la figura 4, para mostrar
las piezas auxiliares que permiten el correcto funcionamiento de la
misma. Para la descripción se descompone la máquina en dos grupos:
grupo inferior o grupo de ensayo (figura 5) y grupo superior o
estructural (figura 6). La existencia de estos dos grupo es
fundamental porque se busca la independencia entre el aislador a
ensayar y el entorno, es decir, se busca evitar la influencia de
posibles perturbaciones durante el ensayo. El grupo inferior es el
que hace de soporte al aislador ensayado mientras que el grupo
superior tiene como finalidad sustentar la máquina y guiar las
cargas que se utilizan en el ensayo.
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Este grupo está formado por la masa de bloqueo
(4) que queda aislada mediante muelles (3) y un excitador de
vibraciones (5). Ésta queda soportada por una bancada (1)
arriostrada por los extremos (6) para asegurar que no existan
movimientos transversales. Para realizar el ensayo, se utiliza una
masa cilíndrica que se construye por la suma de diferentes discos
para conseguir las necesarias variaciones de carga a estudiar.
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Para evitar movimientos laterales del aislador
de ensayo (10) se montan unas guías (8) que permiten que el centro
de gravedad de la masa de ensayo coincida con el eje del aislador y
que no aparezcan momentos durante el ensayo. Para evitar el
rozamiento, se ha aplicado un tratamiento a las piezas en contacto
que lo reduce, pudiéndose considerar prácticamente nulo. Estas
guías permiten el movimiento de las masas en la dirección
correspondiente al ensayo (vertical u horizontal) pero evitan un
movimiento no deseado de la masa de ensayo. Para no transmitir
vibraciones no deseadas, estas guías permanecen aisladas del
conjunto inferior.
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Para el aislamiento de maquinaria relacionada
con generación de ruido estructural, se deben utilizar aisladores
de forma que la frecuencia de resonancia del sistema grupo
motor-muelles esté alrededor de los 4 Hz. Este tipo
de muelles, no puede caracterizarse correctamente según los métodos
recogidos en la normas mencionadas anteriormente ya que la
frecuencia es inferior a 20 Hz. La necesidad de ensayar y
caracterizar el comportamiento de este tipo de aisladores dio origen
al diseño y construcción objeto de esta patente. El límite superior
de funcionamiento no es excesivamente importante, pues atendiendo a
la teoría de transmisión de vibraciones para el caso de un grado de
libertad, el aislamiento del sistema mejora conforme aumenta la
frecuencia de excitación. El comportamiento del muelle a esfuerzos
tangenciales se caracteriza de igual manera, de forma que es
posible conocer el comportamiento dinámico completo de estos
sistemas de aislamiento.
La planta construida se ha diseñado el sistema
doble masa-muelle de tal forma que las frecuencias
de resonancia sean suficientemente distantes. En concreto, la
frecuencia de resonancia del sistema masa de
bloqueo-muelles de soporte es de 20 Hz y la
frecuencia de resonancia del conjunto masa-muelle de
ensayo es de alrededor de 5 Hz.
Para asegurar la estabilidad del sistema la masa
de bloqueo ha de ser suficiente para asegurar la estabilidad del
conjunto, en este caso la masa de bloqueo es un bloque de acero de
dimensiones 500x500x200 mm, y unas 4 veces mayor que la masa máxima
de ensayo. Las masas de ensayo pueden variar, y se dispone de
diferentes discos de acero (de 200 cm de diámetro) para realizar
distintas configuraciones de test (se han realizado ensayos con
masas desde 1 kg a 50 kg). Para evitar la aparición de momentos y
de rotaciones tanto de la bancada como de la masa de ensayos se ha
montado el excitador de vibraciones sobre un sistema de guiado que
permite situarlo exactamente en el centro de la masa de bloqueo
(asegurando la linealidad entre ésta y el elemento ensayado mediante
un dispositivo auxiliar de centrado).
Para asegurar que la trayectoria de los
desplazamientos durante los ensayos, tanto axiales como
transversales, se dispone de un sistema de guiado que no afecte al
comportamiento del muelle ensayado.
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Figura
1
Esquema de un sistema de ensayo según el método
directo (Fuente: norma UNE- EN ISO 10846).
Figura
2
Esquema de un sistema de ensayo según el método
indirecto (Fuente: norma UNE-EN ISO 10846).
Figura
3
Esquema de las distintas posibilidades de ensayo
con la planta de caracterización de elementos de vibraciones, de
izquierda a derecha: esquema para la realización del ensayo axial
dinámico y ensayo transversal dinámico.
Figura
4
Croquis del alzado de la planta piloto para la
caracterización de elementos elásticos.
Figura
5
Detalle del sistema masa-muelle
inferior o de bloqueo, formado por una bancada (1) que puede
nivelarse mediante un sistema hidráulico (2), sobre la que se montan
los aisladores (3) que evitan la transmisión de vibraciones a la
estructura. Sobre estos va montada la masa de bloqueo (4) que
mantiene un lado del aislador de ensayo bloqueado. La cara inferior
de la masa de bloqueo se excita mediante un generador de
vibraciones (5) que va montado sobre un sistema de centrado (7)
para asegurar el punto de aplicación de la fuerza. Para evitar
deformaciones de la bancada y desplazamientos indeseados de la
misma, ésta se rigidiza mediante riostras (6).
Figura
6
Detalle del sistema masa-muelle
superior o de ensayo, formado por el aislador objeto del ensayo
(10) que se fija mediante un espárrago roscado a la masa de bloqueo
(4) para asegurar el contacto durante el ensayo. El aislador de
ensayo se precarga mediante la masa de ensayo (9) que permiten
distintas configuraciones de carga. Para asegurar el desplazamiento
de estas masas únicamente en la dirección de la excitación se
dispone de un sistema de guías (8).
Claims (2)
1. Planta para la caracterización
dinámica axial y transversal de muelles y aisladores de vibraciones
que comprende los elementos siguientes: una masa de bloqueo (4)
soportada mediante aisladores de vibraciones (3), un dispositivo
generador de vibraciones (5) para la excitación de la masa de
bloqueo (4), un elemento elástico objeto del ensayo (10) y una masa
de ensayo (9). La planta se caracteriza porque la masa de bloqueo
(4) y las masas de ensayo (9) son totalmente independientes,
impidiendo así que se transmitan vibraciones de la masa de bloqueo
(4) a la masa de ensayo (9) a través de la estructura. Es decir, no
hay transmisión de vibraciones por caminos secundarios. El
movimiento se asegura mediante un sistema de guías que evita
rotaciones o movimientos en direcciones no deseadas.
2. Planta según reivindicación 1
caracterizada porque la frecuencia de resonancia del
conjunto masa de bloqueo (4)-muelles inferiores (3)
es del orden de cuatro veces superior a la del sistema
masa-muelle de ensayo.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| ES200601521A ES2308891B1 (es) | 2006-06-01 | 2006-06-01 | Planta para la caracterizacion dinamica axial y transversal de muelles y aisladores de vibraciones. |
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| ES2308891B1 ES2308891B1 (es) | 2009-10-23 |
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