Conceptos Vibraciones

1.-Como se miden las vibraciones?

Esquema de medición de vibraciones. La fgura 1 ilustra las características bási básica cass de un es esqu quem ema a de medi medici ción ón de vibr vibrac ació ión. n. En es esta ta fgur fgura, a, el movimiento movimiento (o uerza dinámica) dinámica) del cuero vibratorio vibratorio se transorma transorma en una se!al el"ctrica or medio de un transductor o detector de vibración. #or lo com$n, un transductor es un disositivo que transorma los cambios de cantidades mecánicas (deslazamiento, velocidad, aceleración o uerza) en cambios de cantidades cantidades el"ctricas el"ctricas (volta%e (volta%e o corriente). corriente). &omo la se!al de sali sa lida da (vol (volta ta%e %e o cor corrien riente te)) de un tran transd sduc ucto torr es mu' mu' d"bi d"bill ara ara se serr registrada de orma directa, se utiliza un instrumento de conversión de se!ales ara amlifcar la se!al al valor requerido. La salida del instrumento de conve onvers rsió ión n de se se!a !ale less se ued uede e res resen enttar en una una ant antal alla la de visualización ara su insección visual, caturar en una unidad de registro, o guardar en una comutadora ara usarla osteriormente. Los datos se ueden analizar entonces ara determinar las características de vibración deseadas deseadas de la máquina o estructura. estructura. eendiendo eendiendo de la cantidad medida, un inst instru rumen mento to de medi medici ción ón de vibra vibraci ción ón se cono conoce ce como como vibr vibróm ómetr etro, o, medi medido dorr de velo veloci cida dad, d, acel aceler eróm ómet etrro, medi medido dorr de ase ase o medi medido dorr de rec recue uenc ncia. ia. i el inst instru rumen mento to está está dise! dise!ad ado o ara ara regi regist stra rarr la cant cantid idad ad medida, entonces el suf%o *metro+ se tiene que reemlazar or *grao+. En algunas alicaciones tenemos que acer vibrar una máquina o estructura ara ara determ determina inarr sus caract caracterís erístic ticas as de res resona onanci ncia. a. #ara esto esto se utiliz utilizan an vibradores electrodinámicos, vibradores electroidráulicos ' generadores de se!ales (osciladores).

Figura 1. Esquema de medición de vibración básico. 2.- Para que sirven las vibraciones? Mencionar aplicaciones

La ma'oría de las actividades umanas imlican vibración en una u otra orma. #or e%em e%e mlo, lo, oímos oímos orq orque ue nuestr nuestros os tíma tímanos nos vibran vibran ' vemos vemos orq orque ue las ondas ondas luminosas vibran. La resiración está asociada con la vibración de los ulmones ' el caminar imlica el movimiento oscilatorio (eriódico) de iernas ' manos. El abla umana requiere el movimiento oscilatorio de la laringe (' la lengua) -1.1/. Los eruditos antiguos en el camo de la vibración concentraron sus esuerzos en la comrensión de los enómenos naturales ' el desarrollo de las teorías matemáticas ara ara desc descri ribi birr la vibr vibrac ació ión n de sist sistem emas as ísi ísico cos. s. En a!os a!os reci recien ente tes, s, muc mucas as alicaciones de la vibración en el camo de la ingeniería an motivado a los investigadores, entre ellas el dise!o de máquinas, cimientos, estructuras, motores, turbinas ' sistemas de control. La ma'oría ma'oría de los rouls roulsore oress rinciale rincialess e0erime e0erimentan ntan roble roblemas mas vibrator vibratorios ios debido al desequilibrio inerente en los motores. El desequilibrio uede deberse al dise!o deectuoso o a una abricación defciente. El desequilibrio en motores diesel, or e%emlo, uede rovocar ondas terrestres sufcientemente oderosas como ara rovocar molestias en áreas urbanas. Las ruedas de algunas locomotoras ueden

alzarse más de un centímetro de la vía a altas velocidades debido al desequilibrio. En turbinas, las vibraciones rovocan allas mecánicas esectaculares. Los ingenieros a$n no an sido caaces de evitar las allas a consecuencia de las vibraciones de asas ' discos en turbinas. aturalmente, las estructuras dise!adas ara soortar máquinas centríugas esadas como motores ' turbinas, o máquinas recirocantes como motores de vaor ' de gasolina, tambi"n se ven sometidas a vibración. En todas estas situaciones, el comonente de la estructura o máquina sometido a vibración uede allar debido a atiga del material roducida or la variación cíclica del esuerzo inducido. 2demás, la vibración rovoca un desgaste más ráido de las artes de la máquina como co%inetes ' engranes e incluso roduce ruido e0cesivo. En máquinas, la vibración uede a3o%ar los su%etadores, como las tuercas. En rocesos de corte de metal, la vibración uede rovocar recinidos, lo cual conduce a un acabado defciente de la suerfcie. iemre que la recuencia natural de la vibración de una máquina o de una estructura coincide con la recuencia de la e0citación e0terna se resenta un enómeno conocido como resonancia, el cual conduce a de3e0iones ' allas e0cesivas. La literatura abunda en relatos de allas de sistemas rovocadas or resonancia ' vibración e0cesiva de los comonentes ' sistemas (vea la fgura 4). ebido a los devastadores eectos que las vibraciones ueden tener en máquinas ' estructuras, las ruebas de vibración se volvieron un rocedimiento estándar en el dise!o ' desarrollo de la ma'oría de los sistemas de ingeniería (vea la fgura 5). En mucos sistemas de ingeniería, un ser umano act$a como una arte integral del sistema. La transmisión de vibraciones a los seres umanos rovoca molestias ' "rdida de efciencia.

Figura 2. El puente Tacoma Narrows durante la vibración inducida por el viento. El puente se inauguró el 1 de julio de 19! " colapsó el # de noviembre del mismo a$o. %Fotogra&'a de Farqu(arson) de la *istorical +(otograp(" ,ollection) -niversit" o& as(ington /ibraries0.

Figura . +rueba de vibración del transbordador espacial Enterprise. %,ortes'a de la N30.

La vibración ' el ruido generados or motores molestan a las ersonas, ' en ocasiones roducen da!os a las roiedades. La vibración de los tableros de instrumentos uede rovocar su mal uncionamiento o difcultad ara leer los

medidores. #or lo tanto, uno de los roósitos imortantes del estudio de la vibración es reducirla mediante el dise!o aroiado de máquinas ' sus monta%es. En este sentido, el ingeniero mecánico trata de dise!ar el motor o máquina de modo que se reduzca el desequilibrio, mientras que el ingeniero estructural trata de dise!ar la estructura de soorte de modo que el eecto del desequilibrio no sea da!ino. 2 esar de los eectos er%udiciales, la vibración uede utilizarse con roveco en varias alicaciones industriales ' comerciales. e eco, las alicaciones de equio vibratorio se an incrementado considerablemente en a!os recientes. #or e%emlo, la vibración se one a traba%ar en transortadoras vibratorias, tolvas, tamices, comactadoras, lavadoras, ceillos de dientes el"ctricos, taladros de dentista, relo%es ' unidades de masa%e el"ctricas. La vibración tambi"n se utiliza en el incado de ilotes, ruebas vibratorias de materiales, roceso de acabado vibratorio ' circuitos electrónicos ara fltrar las recuencias indeseables (vea la fgura 6). e a visto que la vibración me%ora la efciencia de ciertos rocesos de maquinado, undición, or%a ' soldadura. e emlea ara simular sismos en la investigación geológica ' tambi"n ara estudiar el dise!o de reactores nucleares.

Figura . +roceso de acabado vibratorio. %4eimpreso por cortes'a de 5anu&acturing Engineer) 6197 T(e Tool and 5anu&acturing Engineer0.

3.- Donde puede presentarse las vibraciones y porque?

esbalance7 Es la causa más com$n de vibración en las máquinas rotatorias. u detección mediante el emleo del análisis de se!ales es osible, 'a que se manifesta a la recuencia undamental de rotación de la máquina. e recomienda medir en la dirección a0ial ' radial. En la dirección radial su amlitud es aro0imadamente dos veces que en la dirección a0ial. Es imortante distinguir entre la alla or desalineamiento u otro deecto que ueda maniestarse a la misma recuencia, como es el caso de los deectos asociados a allas el"ctricas. i la amlitud disminu'e abrutamente al desconectar la máquina la alla es de origen el"ctrico ' si cae gradualmente es desbalance. esalineamiento7 Es la segunda causa de vibración en las máquinas rotatorias. El deecto se manifesta a la recuencia de rotación ' tambi"n uede maniestarse en el segundo ' tercer armónico de la recuencia de rotación. e caracteriza orque la amlitud en la dirección a0ial es ma'or que en la radial. E%e curvado7 Es un deecto que tiene características arecidas al desalineamiento. #ara corroborar la causa se recisa del análisis de ases entre los dos e0tremos del e%e.

eectos en co%inetes de rodamiento7 e caracteriza orque en la se!al en recuencia de la vibración aarecen icos a elevada recuencia, así como una región de ba%as recuencias. Estas recuencias no son m$ltilos de la recuencia undamental de la máquina, ero ueden ser calculadas mediante las recomendaciones dadas or las normas establecidas al eecto. esa%uste mecánico7 La vibración tiene lugar orque e0iste olgura entre la máquina ' los ao'os u otra arte estructural, or e%emlo tornillos sueltos. e manifesta con un ico al segundo armónico de la recuencia undamental de rotación. eectos en transmisiones or correas7 El deecto uede tener lugar cuando e0iste desa%uste entre la correa ' la olea. Este desa%uste uede venir dado or e0ceso en el ariete o or olgura entre la olea ' la correa. Esto $ltimo rovoca el deslizamiento de la correa sobre la suerfcie de la olea. 4.- Cuales son los efectos de las vibraciones cuerpo umano! m"quinas! terrestres?

La resuesta del cuero umano o segmentos del cuero difere grandemente con la dirección del estímulo vibrante ' la vibración raramente es unidireccional, or eso es necesario defnir los a0es de medición ara cuantifcar la e0osición a la vibración. El sistema de coordenadas ortogonales ara cuero umano total está centrado en el torso (0, ', z) ' ara la mano e0isten dos sistemas de coordenadas, un sistema basic"ntrico centrado en la suerfcie de contacto entre la mano ' la erramienta vibrante ' el otro sistema es biodinámico centrado en el tercer metacariano de la mano. Las vibraciones mecánicas rocedentes de erramientas o rocesos motorizados que entran en el cuero a trav"s de las manos se denominan 8ibraciones transmitidas a la mano o 8ibraciones 9ano:;razo, ' su eecto se denomina *9E E L2 8:;=2?>+ reerido a un gruo de signos ' síntomas que causan trastornos vasculares, neurológicos, musculo:esquel"ticos ' otros. El más conocido es el enómeno de =a'naud o edo ;lanco , uede ser en osición sentado, de ie o 'acente. Ana e0osición rolongada está uertemente asociada con Lumbalgias, Csteocondritis ' 2rtrosis.

#.- $C%mo se &enera la vibraci%n?

8ibraciones roducidas en rocesos de transormación e la maquinaria ' los elementos que van a ser transormados, generan coques reetidos que se traducen en vibraciones materiales ' estructuras, su transmisión

se eectuará directamente o a trav"s de medios de roagación adecuados. E%emlos de este tio son las originadas or rensas, tronzadoras, martillos neumáticos ' algunas erramientas manuales. 8ibraciones generadas or el uncionamiento de la maquinaria o los materiales entro de este gruo encontramos las roducidas como consecuencia de uerzas alternativas no equilibradas como motores, alternadores, $tiles ercutores ' las rovenientes de irregularidades del terreno sobre el que circulan los medios de transorte. 8ibraciones debidas a allos de la maquina E%emlos son allos de conceción, de utilización de uncionamiento o de mantenimiento generadores de uerzas dinámicas, suscetibles de generar vibraciones. Las más recuentes se roducen ro tolerancias de abricación, desgastes de suerfcies, desequilibrios de elementos giratorios, co%inetes deectuosos, alta de lubricación, etc. eendiendo de ciertos actores, las vibraciones ueden causar sensaciones diversas que ueden ir desde un simle no conort asta graves alteraciones de salud. Los eectos más signifcativos que las vibraciones roducen en el cuero umano son del tio vascular, osteomuscular ' neurológico.

'.- (ue son vibraciones )nas y robustas? *.- Cuales son los par"metros de vibraci%n?

eslazamiento, velocidad, aceleración, recuencia, eriodo, amlitud, ase. +.- Modelo f,sico! modelo matem"tico! simulaci%n.

La solución de mucos roblemas en el área de vibraciones mecánicas ' en ingeniería en general requiere de un roceso que consiste en reresentar el modelo del sistema en una e0resión matemática ara su análisis. El rocedimiento de reresentar matemáticamente el comortamiento de un sistema se le conoce como modelo matemático. El uso de la comutadora ara la simulación ermite resolver dierentes roblemas del análisis de vibración or e%emlo7 Doring 9odel, 2F, 9atlab, LabvieG, Eas'Hava imulation etc. .- allas m"s comunes debido a vibraci%n.

La ma'oría de los rogramas de mantenimiento redictivo utilizando análisis de vibraciones son uestos en marca con la fnalidad inicial de conocer el estado de los rodamientos. La tecnología moderna nos ermite lograr este ob%etivo con muca certeza. &erca del IJK de las allas en rodamientos udieron ser detectadas meses antes de que esta se rodu%era, siemre ' cuando los equios ubieran sido monitoreados adecuadamente.

in embargo, e0iste todavía un 1JK de allas que son abrutas e imrevistas. e cualquier orma, ser caaz de oder redecir el IJ K de las allas en rodamientos es una razón mu' buena ara invertir en un rograma de 9antenimiento #redictivo, sin olvidar que con el análisis de vibraciones odemos diagnosticar este tio de averías ' mucas otras mas. El orcenta%e de rodamientos que vienen da!ados de ábrica es mu' ba%o, debido a los sistemas de control de calidad de los abricantes, or lo que una alla de ábrica, si bien es osible, es oco robable. Entre las causas más robables de allas en rodamientos están7 &ontaminación, inclu'endo umedad (2lgunos autores afrman que cerca del 6JK de las allas en rodamientos son causadas or contaminación). &argas dinámicas e0cesivas sobre el rodamiento, roducto de una alla de dise!o de la máquina ó de la resencia de uerzas e0ternas como desbalance ' desalineamiento. Malta de una adecuada lubricación. eectos originados en el roceso de monta%e. Bíicamente, la vida $til de un rodamiento en condiciones de servicio no alcanza ni el 1J K de su valor ronosticado en el manual. 1/.- Con que principios b"sicos se pueden medir las vibraciones! como se pueden medir?

Nalgas e0tensiom"tricas Ana galga e0tensiom"trica o e0tensómetro es un sensor, ara medir la deormación, resión, carga, torque, osición, entre otras cosas, que está basado en el eecto iezorresistivo, el cual es la roiedad que tienen ciertos materiales de cambiar el valor nominal de su resistencia cuando se le somete a ciertos esuerzos ' se deorman en dirección de los e%es mecánicos. An esuerzo que deorma la galga roducirá una variación en su resistencia el"ctrica, esta variación uede ser or el cambio de longitud, el cambio originado en la sección o el cambio generado en la resistividad.