Un ensayo de vibración somete un producto a una vibración mecánica controlada — que reproduce el estrés del transporte, del funcionamiento o del uso real — para encontrar debilidades estructurales, componentes sueltos y defectos de diseño antes de que provoquen un fallo en campo. Es una parte esencial de los programas de ensayos de estrés ambiental en la fabricación de automoción, aeroespacial, electrónica y defensa, y con frecuencia lo exigen las normas del cliente o del sector, no solo las buenas prácticas.
Por qué importa
Un programa sólido de ensayos de vibración encuentra pronto las debilidades de diseño y de montaje, cuando corregirlas resulta barato. Reduce las reclamaciones de garantía y las retiradas de producto al detectar los modos de fallo — soldaduras agrietadas, fijaciones aflojadas, estructuras fatigadas — que la vibración pone al descubierto de forma fiable y los ensayos estáticos no. A menudo es un requisito de conformidad: los contratos de automoción, aeroespaciales y de defensa suelen especificar un ensayo de vibración conforme a una norma concreta como condición del pedido. Y acorta los ciclos de desarrollo, porque da a los ingenieros datos reales de fallo sobre los que actuar desde el principio, en lugar de descubrir los mismos problemas cuando el utillaje de producción ya está cerrado.
Métodos de ensayo de vibración
Estos son los perfiles de ensayo que realmente se ejecutan en un sistema de vibración:
El ensayo de vibración sinusoidal aplica una sola frecuencia que barre un rango, variando en amplitud: es la forma estándar de identificar las frecuencias de resonancia de un producto, donde es más vulnerable a sufrir daños.
El ensayo de vibración aleatoria aplica simultáneamente un espectro amplio de frecuencias y amplitudes, con lo que simula entornos reales, como la vibración de la carretera o el funcionamiento de un motor, mejor que una sola frecuencia en barrido.
El ensayo de choque aplica una vibración repentina y de alta intensidad para simular impactos o caídas: un perfil de estrés distinto del de la vibración sostenida, orientado a la resistencia a la manipulación y a los impactos más que a la fatiga.
El ensayo combinado (seno sobre aleatorio) superpone un barrido sinusoidal a un fondo de vibración aleatoria, para aplicaciones en las que las condiciones reales incluyen ambos; es habitual en los ensayos aeroespaciales y de automoción, donde una frecuencia dominante (como la de un motor o un rotor) se monta sobre una vibración ambiental más amplia.
El barrido sinusoidal importa por la resonancia. Por debajo de su frecuencia natural, una estructura simplemente se mueve con la entrada; a la frecuencia natural, amplifica la entrada muchas veces; muy por encima de ella, la estructura queda aislada de la entrada. Ese pico es donde se agrietan las soldaduras y se fatigan los soportes, y por eso lo primero es encontrarlo.
Tipos de comportamiento vibratorio
La vibración libre se produce cuando un sistema se desplaza y después vibra por sí solo, sin que siga actuando una fuerza externa; se usa para identificar las frecuencias naturales de una estructura.
La vibración forzada se produce cuando una fuerza externa excita el sistema de forma continua a una frecuencia determinada, simulando condiciones como las de un motor en marcha.
La vibración amortiguada describe la pérdida gradual de amplitud con el tiempo a medida que se disipa la energía: el comportamiento que los amortiguadores y los soportes antivibratorios están diseñados para producir.
Un fenómeno relacionado pero distinto, la vibración autoexcitada, surge de una realimentación interna del sistema (frecuente en la maquinaria rotativa) y no de una fuerza externa de excitación, y puede producir oscilaciones imprevisibles. Conviene conocerla, pero no es una de las tres categorías fundamentales anteriores.
Medir la vibración: tipos de acelerómetro
La vibración se mide con acelerómetros, y el tipo adecuado depende de la aplicación:
| Tipo | Punto fuerte | Uso típico |
|---|---|---|
| Piezoeléctrico | Alta sensibilidad en un rango de frecuencias amplio | El estándar industrial para los ensayos de vibración y de choque |
| Capacitivo | Mide hasta frecuencias muy bajas | Monitorización estructural y otros trabajos de baja frecuencia |
| MEMS | Compacto y ligero | Montajes de ensayo portátiles o con poco espacio |
Normas que suelen aplicarse
| Norma | Sector | Ámbito |
|---|---|---|
| MIL-STD-810 | Militar y aeroespacial | Ensayos ambientales, incluida la vibración |
| ISO 16750 | Automoción | Requisitos ambientales de los equipos eléctricos y electrónicos |
| RTCA DO-160 | Aviónica | Condiciones ambientales y procedimientos de ensayo para equipos aerotransportados |
| Normas IEC | Diversos | Depende de la categoría del producto |
Si suministra a un fabricante OEM de automoción, a un contratista principal aeroespacial o a un contratista de defensa, consulte cuanto antes sus requisitos para proveedores: la norma concreta y el nivel de severidad suelen ser partes no negociables del contrato, y es mucho más barato diseñar el programa de ensayos en torno a ellos desde el principio que adaptarlo después.
Consejos prácticos para optimizar los procedimientos de ensayo de vibración
Para sacar el máximo partido a los ensayos de vibración, tenga en cuenta las siguientes recomendaciones prácticas:
- Desarrolle perfiles de ensayo realistas. Use datos de campo o normas del sector para crear perfiles de vibración que reproduzcan fielmente las condiciones reales. Evite los ensayos genéricos, que pueden no revelar debilidades críticas.
- Realice un análisis previo al ensayo. Haga un análisis modal para identificar las frecuencias naturales y evitar la resonancia durante el ensayo, que puede dar resultados engañosos o causar daños.
- Use técnicas de montaje adecuadas. Fije correctamente la muestra de ensayo para evitar movimientos o daños no deseados. El método de montaje puede afectar de forma notable a la precisión del ensayo.
- Monitorice los parámetros del ensayo de forma continua. Siga la aceleración, el desplazamiento y la frecuencia en tiempo real para detectar pronto las anomalías y ajustar los ensayos cuando haga falta.
- Combine los factores ambientales. Integre los ensayos de temperatura, humedad y vibración para simular entornos de funcionamiento complejos, sobre todo en productos aeroespaciales y militares.
- Documente y analice los resultados a fondo. Lleve registros detallados de las condiciones y los resultados de los ensayos. Use esos datos para afinar los diseños y mejorar los protocolos de ensayo futuros.
Siguiendo estos pasos, puede mejorar la fiabilidad de su proceso de ensayo y entregar productos que cumplan normas de calidad exigentes.
Los sistemas de vibración de Hanse de un vistazo
Los sistemas de vibración de Hanse generan movimiento en seis grados de libertad (6-DoF) — vibración triaxial más rotación en torno a cada eje — en un rango de frecuencias de 10 Hz a 10.000 Hz, con hasta 100 GRMS disponibles en la mayoría de los tamaños de mesa. La mesa de vibración con recubrimiento cerámico concentra el 90 % de la energía de vibración en el rango de 10 a 4000 Hz, donde se sitúan la mayoría de las resonancias estructurales reales. Los sistemas independientes se fabrican en los mismos tamaños de mesa que la gama de cámaras VTC — desde 305 × 305 mm (12 × 12 in) hasta 1778 × 1778 mm (70 × 70 in), más los formatos largos de 914 × 1981 mm (36 × 78 in) y 1219 × 2591 mm (48 × 102 in) —, con controladores Watlow que funcionan a través del software ChamberCore de Hanse, hasta 16 canales simultáneos de acelerómetro y utillajes de vibración disponibles con patrones de taladros métricos o en pulgadas. Los sistemas pueden combinarse con control de temperatura para ejecutar perfiles de ensayo programables y sincronizados de entorno y vibración, y los vibradores y las mesas de vibración tienen una garantía de 3 años. Consulte las especificaciones completas en nuestra página de sistemas de vibración.
Cómo elegir el sistema adecuado
Ajuste el rango de frecuencia y la amplitud a sus requisitos de ensayo reales: pagar por un rango más amplio o más GRMS de los que su aplicación necesita añade coste sin añadir valor.
Compruebe que la capacidad de carga admite su muestra, tanto el peso como las dimensiones físicas de lo que va a ensayar, incluido cualquier utillaje.
Busque las funciones de control y monitorización que realmente vaya a usar: la integración de datos en tiempo real, la monitorización multicanal con acelerómetros y las secuencias de ensayo programables importan más en programas complejos de varias etapas que en un cribado simple de pasa/no pasa.
Confirme de antemano la conformidad con las normas si se aplica una norma del cliente o del sector: la conformidad con MIL-STD-810, ISO 16750 y RTCA DO-160 debe verificarse para el sistema concreto, no darse por supuesta.
Considere la integración con cámaras ambientales si su programa necesita ensayos combinados de temperatura y vibración: es tan habitual en los ensayos de automoción y aeroespaciales que merece la pena planificarlo desde el principio en lugar de añadirlo después.
Buenas prácticas para un programa de ensayos de vibración
- Defina objetivos de ensayo claros antes de elegir el equipo o el perfil de ensayo: la validación del diseño, el cribado de producción y la investigación de fallos requieren enfoques distintos.
- Elija perfiles de ensayo que reflejen las condiciones reales que su producto va a encontrar de verdad, en lugar de recurrir por defecto a un perfil genérico de una norma.
- Combine la vibración con otros factores ambientales (temperatura, humedad) cuando el uso real los combine: los ensayos aislados con un solo factor de estrés pueden pasar por alto los efectos de interacción.
- Monitorice y documente los datos de cerca, y analice los resultados de forma sistemática en lugar de tratar cada ensayo como un pasa/no pasa aislado.
- Itere los diseños a partir de los hallazgos y estandarice sus procedimientos de ensayo para que los resultados sean comparables entre generaciones de producto.
- Forme al personal tanto en el equipo como en la interpretación de los resultados: un sistema de vibración solo es tan útil como el equipo humano que lo maneja.