ESCUELA DE POSGRADO

MAESTRIA EN INGENIERIA MECANICA

INFORME LABORATORIO 02

CURSO: Vibraciones

Vibraciones de masas acopladas (Análisis Modal)

PROFESOR: R. Rivera

ALUMNO: Rivelino Espinoza

San Miguel, 03 de octubre del 2012

1. Introducción

En la práctica, casi todos los problemas de vibración están relacionados con eficiencias

estructurales, relacionados con el comportamiento de resonancia (es decir frecuencias

naturales están excitados por las fuerzas operativas). Se puede demostrar que el

comportamiento dinámico completo de una estructura (en un rango de frecuencia dado)

puede ser visto como un conjunto de distintos modos de vibración, teniendo cada uno una

frecuencia natural típico, el amortiguamiento y forma del modo. Mediante el uso de estos

parámetros modales llamados para modelar la estructura, los problemas en resonancias

específicas pueden ser examinados y resueltos posteriormente.

2. Objetivo.

Entender el método de análisis realizado en un caso real de la industria y constatar de que

manera puede afectar a la estructura y su funcionamiento.

3. Procedimiento.

En la práctica, este tipo de mediciones de respuesta en frecuencia se hace fácil mediante el uso

de un analizador de señal de canal dual como el estándar de dos canales de configuración

PULSE, el tipo de sistema multi-analizador 3560. La fuerza de excitación (ya sea de un

martillo de impacto o un excitador de vibración provisto de una señal de ruido aleatorio o

pseudoaleatorio) es medida por un transductor de fuerza, y la señal resultante se suministra a

una de las entradas.

La respuesta es medida por un acelerómetro, y la señal resultante se suministra a otra entrada.

En consecuencia, la respuesta de frecuencia representa acelerancia de la estructura desde la

cantidad medida es la relación compleja de la aceleración a la fuerza, en el dominio de la

frecuencia. Para la excitación de martillos de impacto, la posición de respuesta del

acelerómetro se fija y se utiliza como la posición de referencia. El martillo se mueve alrededor

y se utiliza para excitar la estructura en cada DOF correspondiente a un DOF en el modelo.

Para la excitación de vibraciones excitador, el punto de excitación es fija y se utiliza como la

referencia posición, mientras que el acelerómetro respuesta se mueve alrededor de la

estructura. Una configuración de instrumentación típica se ilustra en la Fig.

Fig. 1

Los modos no están estrechamente espaciados, y no están fuertemente amortiguadas (ver fig.

2). En la resonancia, una estructura simple se comporta principalmente como un solo grado de

libertad (SDOF) del sistema, así como los parámetros modales se puede determinar con

relativa facilidad por ejemplo con una configuración adecuada de la Brüel & Kjaer multi-

analizador PULSE Tipo de sistema 3560.

Fig. 2

3.1. Determinación de las frecuencias modales.

La frecuencia de resonancia es la forma más fácil de determinar parámetro modal.

Una resonancia se define como un pico en la magnitud de la función de respuesta de

frecuencia, y la frecuencia. Fig. 3

Fig. 3

La resolución de frecuencia del análisis determina la precisión de la medición de frecuencia.

Una mayor precisión se puede lograr mediante la reducción de la gama de frecuencias de la

banda medida para resonancias a frecuencias bajas, o efectuar una medición de zoom

alrededor de la frecuencia de interés, como se muestra en fig. 4

Fig. 4

3.2. Determinación de la amortiguación modal.

El método clásico de determinación de la amortiguación en una resonancia, utilizando un

analizador de frecuencia, es para identificar la potencia media (-3 dB) puntos de la magnitud

de la función de respuesta de frecuencia (véase la fig. 5). Para un modo particular, el

coeficiente de amortiguamiento zr se puede encontrar a partir de la siguiente ecuación:

Donde Δf es el ancho de banda de frecuencia entre los dos puntos de potencia media y fr es la

frecuencia de resonancia.

La precisión de este método depende de la resolución de frecuencia utilizada para la medición

ya que esto determina la precisión con la magnitud de pico puede bemeasured. Para

estructuras ligeramente amortiguadas, el análisis de alta resolución estará obligado a medir el

pico de precisión, por lo tanto, una medida del zoom en cada frecuencia de resonancia

normalmente se requiere para lograr una precisión suficiente. Esto significa que una nueva

medición debe realizarse para cada resonancia.

Fig. 5

Dado que una simple estructura se comporta como un solo grado de libertad en cada sistema

de resonancia, la función de respuesta impulso de la resonancia es como se muestra. Fig. 5

Fig.5

E l tasa de atenuación para el modo aislado está relacionado con la constante de tiempo por

:

La relación de amortiguación está relacionada con la tasa de decaimiento por:

La tasa de atenuación, calculado a partir de una función de respuesta de frecuencia se ha

encontrado utilizando excitación de martillo, será modificado por la amortiguación eficaz de la

función de ponderación exponencial aplicada a la respuesta de canal. Esta función de

ponderación fue añadido al reducir timbre thestructural excitados por el impacto del martillo.

Sin embargo, este error puede ser fácilmente compensado mediante el uso de la siguiente

corrección:

Donde es la constante de tiempo de la función de ponderación exponencial.

Fig. 7

4. Materiales utilizados en el laboratorio.

Para el realizar el análisis modal a masas acopladas en el laboratorio de hizo uso de lo

siguiente:

Sistema de masas acopladas.

Martillo de impacto.

Acelerómetro.

Software.

5. Resultados:

Se conectan los componentes, se configura el analizador en el canal 1 ingresa la información

del sensor con la señal de fuerza y en el canal 2 ingresa la señal del acelerador. Esta aplicación

particular para este tipo de casos, en el software se esquematiza el modelo analizado y se le

indica aquellos puntos en las cuales se le va asignar el golpeteo del matillo excitador. Luego

de cada golpe se analiza los datos y se observa los diferentes modos de vibración que presenta

el cuerpo.

6. Conclusiones:

La precisión de los resultados del análisis modal son independientes de las

dimensiones de las vigas, de los elementos o de los componentes mecánicos

ensayados.

El golpe debe ser bien aplicado para una correcta lectura y posterior análisis del

equipo.

Para realizar un análisis modal es recomendable identificar los puntos donde se va a

golpear para lo cual el objeto se debe dividir equitativamente.

ODS Y PRUEBA DE ANÁLISIS MODAL PARA RESOLVER

PROBLEMAS DE RESONANCIA

Para iniciar el análisis, se empieza por modelar la estructura de la bomba y analizar el

comportamiento con sus frecuencias naturales lejos de las vibraciones forzadas eliminando así

la resonancia.

Para analizar por el método de ODS es necesario seguir algunos pasos prácticos.

Preparación / Verificación.

Verificar las características de la máquina, su velocidad, potencia, peso, tipo de anclaje, etc.

Generalmente en las placas que indican las características de la maquina brinda la información

necesaria, de no ser así se deberá revisar algún catalogo técnico.

Es preciso tener datos de referencia de la maquina en su operación de trabajo normal estos

datos de referencia, son los primeros indicios y de donde debemos partir.

Coast-down testing:

Se operan los equipos a la máxima velocidad y se toman medidas de la velocidad del motor y

las aceleraciones en los puntos deseados, decreciendo la velocidad. Vibración y fases son

recogidos se recomienda usar 2120 Analyzer, el cual se configura para observar en la pantalla

de este los resultados de pico/fase.

Resultados de pruebas Coast-down:

Los datos de coast-down identificado la frecuencia natural. Con la amplificación provoca que

la maquina entre en resonancia y ocurre cuando la velocidad de equipo está en un rango que

indican los gráficos.

Prueba de Impacto:

Un sensor es usado para medir la respuesta al impacto hecho con un martillo de impacto. El

impacto y respuesta fueron medidos en la misma posición y dirección del motor.

Resultados de la prueba de impacto:

Con esta prueba aproximamos los resultados al modelo lo más exacto posible.

Con ello comprobamos los parámetros de vibración y que tanto se puede controlar

modificando la estructura del mi equipo.

Pruebas ODS: La prueba de ODS fue completa en el bomba #1, el propósito de las pruebas de

ODS fue determinar la forma de la estructura cuando la velocidad de vibración esta en altos

niveles. ME’scope Visual ODS-pro software fue usado para las pruebas.

Para generar las formas de operación de desviación, el programa ODS requiere:

1) Datos de fase y magnitud para cada medida de posición.

2) Un esquema elaborado que emule las características físicas de la maquina..

Los datos se recolectan con módulos de prueba como el 2120-2 analyzer y el Advanced 2-

Channel DLP. Se pone en operación al equipo a la velocidad normal y se efectúa la

recolección de datos, uno de los métodos de toma de datos es excitar la estructura por puntos y

dejar en un solo punto el acelerómetro, y otro es excitando la estructura y se mueve el

acelerómetro, la idea es tener la mayor cantidad de medidas posibles para aproximar el

modelo. Luego de la toma de mediciones se pasan los datos a un computador y se usa el

software de que analice las vibraciones.

Resultados de prueba ODS:

La prueba ODS muestran que la estructura del equipo los modos de flexión, y verificar cual es

el desplazamiento más grande y en qué dirección.

Reagudización de la estructura:

Para resolver el problema de resonancia, una de las soluciones es rigidizar la estructura, (no la

más recomendable), esta reagudización se puede hacer adicionando masa o rigidez, tiene sus

riesgos, porque no siempre la técnica funciona. Las medidas son temporales en la figura

siguiente se uso madera y se comprobó que los efectos de vibración bajaron.

Para decidir que cambiar la rigidez o la masa, tener en cuenta que a veces las modificaciones

son obvias y otras demasiado complicadas, para lo cual mucho se maneja la experimentación

prueba y error, teniendo alguno de los posibles resultados:

- La vibración se reduce o se elimina en la frecuencia prevista.

- La vibración no se reduce.

- La vibración se reduce o se elimina en la frecuencia deseada, sin embargo cambiando

la masa o la rigidez en los resultados de excitación la frecuencia natural también

cambia.

- La vibración de la maquina se reduce, sin embargo los elementos modificados son los

mismos.

- Los resultados de modificación estructural en un fallo mecánico o estructural causa

Inactividad de la máquina por un tiempo, conlleva a costosas reparaciones y/o problemas de

seguridad.

Después de identificar un problema de resonancia, los pasos hacia la corrección es un análisis

modal.

Análisis Modal:

Se toman muestras del equipo tantas tomas como sea posible, en cada punto medido:

a) Las frecuencias naturales se encuentran excitando la estructura con un martillo de impacto.

b) Un acelerómetro se utilizó para medir la respuesta en cada punto de medición.

Con las condiciones dadas el analizador muestra el siguiente comportamiento.

Resultados del Análisis modal:

La encuesta modal confirmó que la forma del modo en esta frecuencia es el segundo modo de

flexión de una estructura en voladizo.

Una vista de los modos de vibración son su deformación en la siguiente figura.

Sobre el análisis de datos modales:

La existencia de las frecuencias naturales no es un problema. Las frecuencias naturales

existen en toda máquina y estructuras y sólo se convierten en un problema cuando es excitado

por vibraciones forzadas tales como desbalance, desalinea miento mecánico, holgura, y otros

defectos. El análisis modal no lleva a la solución de los problemas de resonancia, esto se usa

como el primer paso para la corrección a los problemas de resonancia.

Al realizar un análisis modal se debe considerar lo siguiente:

- Evaluar frecuencias modales.

- Evaluar la forma modal.

- Modos de vibración.

- Deformación de estructura.

- Amortiguación del sistema.

Amortiguación del sistema.

La reducción de la fuerza de excitación, en cualquier cantidad, disminuye el efecto de la

resonancia. Es generalmente menos costosa para reducir o eliminar la fuerza de excitación de

lo que es para modificar la estructura. Algunos ejemplos de la reducción de la excitación,

Equilibrar los niveles de precisión.

Precisión de alineación de ejes y correas.

Utilice piezas de precisión.

Reemplace aisladores desgastados o rotos.

Análisis por elementos finitos (FEA):

Un análisis por elementos finitos se hace para identificar posibles modificaciones estructurales

a mover las frecuencias naturales lejos de vibraciones forzadas.

Un modelo de elementos finitos se crea después de reunir toda la la información disponible de

la estructura. La información en el modelo incluye todo dimensiones, propiedades de las

rigideces, las masas de los componentes y las condiciones de borde (cómo las piezas se unen).

El modelo por elementos finitos se crea en MSC/NASTRAN, configurando todos los

elementos y dándoles las propiedades cogidas en el campo.

Para completar el análisis luego del enmallado, se les da las condiciones de apoyo, y las cargas

a las cuales está afectada la estructura.

Resultados FEA:

Los resultados del análisis por elementos finitos, indican los desplazamientos de la estructura

por cada modo de vibración, con ello podremos ya definir que partes rigidizar o los cambios

estructurales para tener el sistema alejado de la resonancia mientras esté en funcionamiento.

Conclusión

Las pruebas de resonancia y estudios del ODS son herramientas útiles para la solución de

problemas reales de la industria.

Sabiendo interpretar el comportamiento de equipos y maquinas afectadas por el fenómeno de

la vibración es y siguiendo los pasos del método aplicado, se puede hacer una estimación

bastante aproximada de cómo la vibración afecta al equipo, mas aun con el uso de equipos

más sofisticados en más factible encontrar una solución mas precisa y rápida.