Control de vibración

Vibraciones mecánicas

Universidad Veracruzana

Estudiante: Ricaño Herrera Moises

Catedrático: Ricaño Herrera Francisco

Facultad de Ingeniería Mecánica

Introducción

No se puede empezar a hablar sobre control de vibraciones sin antes retomar o mencionar lo que es una vibración mecánica, asi como los diferentes tipos que existen y las características de cada una y las causas y fuentes de origen.

Se puede definir como una vibración mecánica el movimiento de una película de un cuerpo que oscila alrededor de una posición de equilibrio. Se dice que un cuerpo vibra cuando experimenta cambios alternativos, de tal modo que sus puntos oscilen sincrónicamente en torno a sus posiciones de equilibrio, sin que el campo cambie de lugar. Como otro concepto de vibración, se puede decir que es un intercambio de energía cinética en cuerpos con rigidez y masa finitas, el cual surge de una entrada de energía dependiente del tiempo. Este intercambio de energía puede ser producido por: • Desequilibrio en maquinas rotatorias • Entrada de Energía Acústica • Circulación de Fluidos o masas • Energía Electromagnética Sea cualquiera la causa de la vibración, su reducción es necesaria debido a razones entre las cuales se tienen:

• La excesiva vibración puede limitar la velocidad de procesamiento. • La vibración es responsable de la pobre calidad de los productos

elaborados por maquinas-herramientas. • La vibración de maquinarias puede resultar en radiación de ruido. • La vibración puede alcanzar a otros instrumentos de precisión de otras

fuentes, y causar fallas de funcionamiento.• Desgaste de materiales y daños por fatiga.

Por consiguiente se definirán los diferentes tipos de vibración a combatir

Tipos de vibración con base o no de una fuerza externa • Vibración libre: se restaura por efecto de un elemento elástico (resorte) o

por efecto gravitacional (péndulo).• Vibración forzada: fuerza externe que mantiene la aceleración de la

vibración constante.

Tipos de vibración con base a la existencia o no de fricción• No amortiguada• amortiguada

Una vez retomado y entendido que es una vibración, por que se lleva a cabo en mecanismos, las causas que lo provocan y las acciones que los previenen, las repercusiones, podemos empezar con el tema CONTROL DE VIBRACION.

En la práctica hay diversos métodos para controlar e inclusive reducir , pero no eliminar, las fuerzas de carácter dinámico que existan en nuestros sistema mecánico dando aparición a las vibraciones. Existen diferentes métodos para controlar este tipo de problemas.

• El conocimiento y control de las frecuencias naturales del sistema previene la presencia de resonancias bajo la acción de excitaciones externas.

• La introducción mecanismos de amortiguamiento o disipadores de energía previenen una respuesta del sistema excesiva (vibraciones de gran amplitud), incluso en el caso de que se produzca una resonancia.

• El uso de elementos aislantes de vibraciones que reduzcan la transmisión de las fuerzas de excitación o de las propias vibraciones entre las diferentes partes que constituyen nuestro sistema. Figura 28 – Esquema de un motor de cuatro cilindros

• La incorporación de absorbedores dinámicos de vibraciones o masas auxiliares neutralizadoras de vibraciones, llamados también amortiguadores dinámicos, con el objetivo de reducir la respuesta del sistema.

Amortiguamiento como método de control de vibraciones

El amortiguamiento podría ser una de los métodos básicos y más utilizados para la eliminación de problemas vibratorios, especialmente en la búsqueda de sus frecuencias naturales, todos los sistemas mecánicos reales poseen amortiguamiento en mayor o menor medida. Su uso resulta de gran ayuda en la mayor parte de los casos, e incluso en sistemas como los parachoques de los automóviles y en muchos instrumentos de medida de vibraciones, el amortiguamiento debe ser introducido para satisfacer los requerimientos funcionales.

Si el sistema de amortiguamiento se enfrenta a un caso de vibraciones forzadas, su respuesta (la amplitud de la vibración resultante) tiende a amplificarse en las cercanías de las resonancias, cada vez más cuanto menor sea el amortiguamiento. La presencia de amortiguamiento controla y limita la amplitud de la vibración. Si las fuerzas resultantes de amplitud son de frecuencias conocidas, será posible evitar las resonancias cambiando la frecuencia natural del sistema. Sin embargo, en el caso de que el sistema tenga que operar en una determinada banda de velocidades (como es el caso de un motor eléctrico de velocidad variable o de un motor de combustión), puede que no resulte posible evitar la resonancia en todo el rango de condiciones de operación. En tales casos, podremos tratar de aportar amortiguamiento al sistema con el objetivo de controlar su respuesta dinámica, mediante la introducción de fluidos (agua, aceites, lubricantes, etc) que envuelvan al sistema lubricándolo, o el uso de materiales estructurales con un alto amortiguamiento interno: hierro fundido, laminado, etc.

En ciertas aplicaciones de carácter estructural, también es posible introducir amortiguamiento a través de las uniones. Por ejemplo, las uniones atornilladas o remachadas, al permitir un cierto deslizamiento entre superficies, disipan más energía en comparación con las uniones soldadas. Sin embargo, este tipo de uniones reducen la rigidez del sistema y generan mayores problemas de corrosión como consecuencia de las partículas que se desprenden debido a ese deslizamiento en la unión. Pese a todo, si se precisa diseñar una estructura con un valor alto del amortiguamiento, estas uniones deben ser una posibilidad a tener en cuenta.

Otra posibilidad es hacer uso de materiales visco-elásticos que proporcionan un amortiguamiento interno de gran confiabilidad. Cuando se emplean este tipo de materiales en el control de vibraciones, se les hace estar sometidos a la acción de tensiones de cortante o tensiones principales. Existen diferentes tipos de disposiciones. La más sencilla es colocar una capa de material visco-elástico sujeta a otra de material elástico. También se puede recurrir a una capa de material visco-elástico entre dos de material elástico. La contra parte del manejo de estos materiales es que sus propiedades mecánicas se ven afectadas por la temperatura del medio y transmitida hacia el cuerpo de la capa, la frecuencia de las cargas aplicadas sobre ellos y la tensión a la que están sometidos.

Lubricantes como método de control de vibración

Si una pieza mecánica se encuentra sin lubricación y a su vez está en contacto constante con un segundo elemento, se produce rozamiento metálico, dicho rozamiento, dicho rozamiento produce resonancia y por lo tanto una vibración de partículas. Para evitar daño por fatiga, fractura o ruido molesto, se requiere del uso de lubricantes aceitosos de origen industrial (derivados de petróleo) o de origen animal (grasa de animales), cada uno con características diferentes y necesidades particulares.

La lubricación también tiene sus desventajas, si al momento de ser utilizado este método no se es cuidadoso se pueden manchar piezas o lubricar indeseadas del mecanismo. Los aceites por lo regular son de accesibles y se encuentran en cualquier lugar.

Aislamiento de vibraciones: Transmisibilidad

Se conoce como aislamiento de vibraciones a todo aquél procedimiento que permite reducir los efectos vibratorios. Básicamente, consiste en la introducción de un elemento elástico (aislante) entre la masa del cuerpo vibrante y la fuente de vibración, de forma que se consigue reducir la magnitud de la fuerza dinámica del sistema, bajo unas determinadas condiciones de la vibración.

Un sistema de aislamiento de vibraciones puede ser activo o pasivo, esto conforme a si se precisa una fuente externa de potencia o no para que lleve a cabo su función.

Un control pasivo está formado por un elemento elástico (que incorpora una rigidez) y un elemento disipador de energía (que aporta un amortiguamiento). Ejemplos de aislantes pasivos son: un muelle metálico, un corcho, un fieltro, un resorte neumático, un elastómero.

Un control activo de vibración está formado por un servomecanismo que incluye un sensor, un procesador de señal y un actuador. El control mantiene constante una distancia entre la masa vibrante y un plano de referencia. Cuando la fuerza aplicada al sistema varía esa distancia, el sensor lo detecta y genera una señal proporcional a la magnitud o de la respuesta del sistema. Esta señal llega al procesador que envía una orden al actuador para que desarrolle un movimiento o fuerza proporcional a dicha señal.

La efectividad de un aislante de vibraciones se establece en términos de su transmisibilidad. La TRANSMISIBILIDAD (Tr) puede definirse como el cociente entre la amplitud de la fuerza transmitida y la de la fuerza de excitación.

Reducción de la fuerza transmitida a la base

El aislamiento de las vibraciones generadas por máquinas es una práctica muy común a fin de evitar que la energía de vibración se transmita a las zonas próximas originando niveles de ruido, efectos destructivos, interferencias con otros procesos, molestia, etc. 

La efectividad de los sistemas anti-vibradores se expresa en términos de transmisibilidad definida como la relación:

Se entiende por aislamiento A, el complemento de la transmisibilidad, esto es A = 1 - T. 

Para el caso más sencillo de un sistema con sólo grado de libertad y sin amortiguación, esto es un muelle de acero unido a una masa m, la transmisibilidad tiene expresión un muelle de acero unido a una masa m, la transmisibilidad tiene la expresión: 

Donde: f = frecuencia de la fuerza de excitación, Hz. f0 = frecuencia natural del sistema, Hz.

Para el caso considerado la frecuencia natural o de resonancia está dada, en función de la deflexión que se produce en el sistema anti-vibratorios por la acción del peso que soporta éste (deflexión estática, δ), por la expresión: 

Donde δ está expresado en cm

K es la constante del muelle y W es el peso aplicado al sistema 

Los amortiguadores se utilizan principalmente en aquellos equipos con un buen equilibrado dinámico pero que pueden generar altas frecuencias. Con la expresión anterior relacionamos la frecuencia de resonancia con la deflexión y con la cte. del muelle 

Son baratos y fáciles de instalar, y se emplean con mucha frecuencia en las bases de las bancadas, con buenos resultados ya que en este caso la recarga por unidad de área no es excesiva (condición importante para su buen rendimiento).

Conclusión

hay muchos métodos y maneras por las cuales podemos calcular, saber identificar, contrarrestar, contratacar, prevenir y solventar las vibraciones mecanicas en sistemas y maquinas mecanicas, de los cuales lo más importantes fueron mencionados y definidos en este apartado. Hay muchos más pero seria algo extenso y riguroso haciéndose cansado por las ecuaciones y por el sin fin de letras a poner. Sin embargo el propósito de este trabajo es mencionar algunos tipos de control de vibración y sobre todo eso entender lo que es un control de vibración.

Sin más preámbulo se concluye que estos fenómenos vibratorios no se pueden extinguir, más sin embargo se pueden reducir a tal grado que dejen de ser peligrosos y molestos para el operador como para la maquina o sistema a estudiar. En la industria es verdaderamente importante que se tengan en cuenta estos conceptos y tips de cuidado ya que estamos hablando de perdidas monetarias y esto es lo que hace girar al mundo, dinero… por ello un error seria fatal tanto para nosotros como para nuestro empleo

http://www.imac.unavarra.es/web_imac/pages/docencia/asignaturas/emyv/pdfdoc/vib/vib_control.pdf

http://sciyo.com/books/index/sortby/title/order/asc/page/11

http://olimpia.cuautitlan2.unam.mx/pagina_ingenieria/mecanica/mat/mat_mec/m1/vibraciones_mecanicas.pdf

Mechanical vibrations second edition, Singiresu S. Rao, Purdue University

Vibration Control, Dr. Mickael Lallart