El aislamiento de vibraciones es la prevención de la transmisión de vibraciones de un componente de un sistema a otras partes del mismo sistema, como en edificios o sistemas mecánicos . [1] La vibración es indeseable en muchos dominios, principalmente sistemas de ingeniería y espacios habitables, y se han desarrollado métodos para prevenir la transferencia de vibraciones a dichos sistemas. Las vibraciones se propagan a través de ondas mecánicas y ciertos vínculos mecánicos conducen vibraciones de manera más eficiente que otros. El aislamiento pasivo de vibraciones hace uso de materiales y vínculos mecánicos que absorben y amortiguan estas ondas mecánicas. El aislamiento activo de vibraciones implica sensores y actuadores que producen interferencia disruptiva que cancela la vibración entrante.
"Aislamiento pasivo de vibraciones" se refiere al aislamiento de vibraciones o mitigación de vibraciones mediante técnicas pasivas como almohadillas de goma o resortes mecánicos, a diferencia del "aislamiento activo de vibraciones" o la "cancelación electrónica de fuerza" que emplean energía eléctrica, sensores, actuadores y sistemas de control.
El aislamiento pasivo de vibraciones es un tema muy amplio, ya que existen muchos tipos de aisladores pasivos de vibraciones que se utilizan para muchas aplicaciones diferentes. Algunas de estas aplicaciones son para equipos industriales como bombas, motores, sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado o lavadoras; aislamiento de estructuras de ingeniería civil contra terremotos (aislamiento de base), [2] equipos de laboratorio sensibles, estatuas valiosas y audio de alta gama.
Una comprensión básica de cómo funciona el aislamiento pasivo, los tipos más comunes de aisladores pasivos y los principales factores que influyen en la selección de aisladores pasivos:
Un sistema de aislamiento pasivo, como un soporte amortiguador , en general contiene masa, resorte y elementos de amortiguación y se mueve como un oscilador armónico . La masa y la rigidez del resorte determinan una frecuencia natural del sistema. La amortiguación causa disipación de energía y tiene un efecto secundario en la frecuencia natural.
Cada objeto sobre un soporte flexible tiene una frecuencia natural fundamental. Cuando se aplica vibración, la energía se transfiere de manera más eficiente en la frecuencia natural, con cierta eficiencia por debajo de la frecuencia natural y con una ineficiencia creciente (eficiencia decreciente) por encima de la frecuencia natural. Esto se puede ver en la curva de transmisibilidad, que es un gráfico de transmisibilidad versus frecuencia.
A continuación se muestra un ejemplo de una curva de transmisibilidad. La transmisibilidad es la relación entre la vibración de la superficie aislada y la de la fuente. Las vibraciones nunca se eliminan, pero se pueden reducir en gran medida. La curva que aparece a continuación muestra el rendimiento típico de un sistema de aislamiento pasivo de rigidez negativa con una frecuencia natural de 0,5 Hz. La forma general de la curva es típica de los sistemas pasivos. Por debajo de la frecuencia natural, la transmisibilidad ronda el valor 1. Un valor de 1 significa que la vibración pasa por el sistema sin ser amplificada ni reducida. En la frecuencia de resonancia, la energía se transmite de manera eficiente y la vibración entrante se amplifica. La amortiguación del sistema limita el nivel de amplificación. Por encima de la frecuencia de resonancia, se puede transmitir poca energía y la curva desciende hasta un valor bajo. Un aislador pasivo puede considerarse como un filtro mecánico de paso bajo para las vibraciones.
En general, para cualquier frecuencia dada por encima de la frecuencia natural, un aislador con una frecuencia natural más baja mostrará un mayor aislamiento que uno con una frecuencia natural más alta. El mejor sistema de aislamiento para una situación dada depende de la frecuencia, la dirección y la magnitud de las vibraciones presentes y del nivel deseado de atenuación de esas frecuencias.
Todos los sistemas mecánicos del mundo real contienen cierta cantidad de amortiguación. La amortiguación disipa la energía en el sistema, lo que reduce el nivel de vibración que se transmite a la frecuencia natural. El fluido de los amortiguadores de los automóviles es un tipo de amortiguador, al igual que la amortiguación inherente a los soportes de motor elastoméricos (de caucho).
La amortiguación se utiliza en aisladores pasivos para reducir la cantidad de amplificación en la frecuencia natural. Sin embargo, aumentar la amortiguación tiende a reducir el aislamiento en las frecuencias más altas. A medida que aumenta la amortiguación, disminuye la reducción de la transmisibilidad. Esto se puede ver en el gráfico siguiente.
El aislamiento pasivo funciona en ambas direcciones, aislando la carga útil de las vibraciones que se originan en el soporte y aislando también el soporte de las vibraciones que se originan en la carga útil. Las máquinas grandes, como lavadoras, bombas y generadores, que causarían vibraciones en el edificio o la sala, suelen estar aisladas del suelo. Sin embargo, hay una multitud de fuentes de vibración en los edificios y, a menudo, no es posible aislar cada una de ellas. En muchos casos, lo más eficiente es aislar cada instrumento sensible del suelo. A veces es necesario implementar ambos enfoques.
En los superyates , los motores y alternadores producen ruido y vibraciones. Para solucionarlo, la solución es una doble suspensión elástica donde el motor y el alternador se montan con amortiguadores de vibraciones sobre un bastidor común. Este conjunto se monta a su vez elásticamente entre el bastidor común y el casco. [7]
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Los sistemas de aislamiento de vibraciones con mecanismo de rigidez negativa (NSM) ofrecen un enfoque pasivo único para lograr entornos con baja vibración y aislamiento contra vibraciones de niveles inferiores a los hercios. Los dispositivos NSM de "a presión" o "sobre el centro" se utilizan para reducir la rigidez de las suspensiones elásticas y crear sistemas compactos de seis grados de libertad con frecuencias naturales bajas. Son posibles sistemas prácticos con frecuencias naturales verticales y horizontales de tan solo 0,2 a 0,5 Hz. Los mecanismos de ajuste automático electromecánicos compensan las cargas de peso variables y proporcionan nivelación automática en sistemas con aisladores múltiples, de manera similar a la función de las válvulas niveladoras en los sistemas neumáticos. Se pueden configurar sistemas totalmente metálicos que sean compatibles con altos vacíos y otros entornos adversos, como altas temperaturas.
Estos sistemas de aislamiento permiten que los instrumentos sensibles a las vibraciones, como los microscopios de sonda de barrido, los microdurómetros y los microscopios electrónicos de barrido, funcionen en entornos de vibración severa que a veces se encuentran, por ejemplo, en los pisos superiores de los edificios y en salas blancas. Tal funcionamiento no sería práctico con sistemas de aislamiento neumáticos. [ cita requerida ] De manera similar, permiten que los instrumentos sensibles a las vibraciones produzcan mejores imágenes y datos que los que se pueden lograr con aisladores neumáticos. [ cita requerida ]
Se resume la teoría de funcionamiento de los sistemas de aislamiento de vibraciones NSM, se describen algunos sistemas y aplicaciones típicos y se presentan datos sobre el rendimiento medido. La teoría de los sistemas de aislamiento NSM se explica en las Referencias 1 y 2. [ Aclaración necesaria ] Se resume brevemente para mayor comodidad.
Se muestra un aislador de movimiento vertical. Utiliza un resorte convencional conectado a un NSM que consta de dos barras articuladas en el centro, apoyadas en sus extremos exteriores sobre pivotes y cargadas en compresión por fuerzas P. El resorte se comprime por el peso W hasta la posición de funcionamiento del aislador, como se muestra en la Figura 1. La rigidez del aislador es K = K S -K N donde K S es la rigidez del resorte y K N es la magnitud de una rigidez negativa que es una función de la longitud de las barras y la carga P. La rigidez del aislador se puede hacer que se acerque a cero mientras el resorte soporta el peso W.
En la Figura 2 se ilustra un aislador de movimiento horizontal que consta de dos vigas-columnas. Cada viga-columna se comporta como dos vigas-columnas fijas y libres cargadas axialmente por una carga de peso W. Sin la carga de peso, las vigas-columnas tienen rigidez horizontal K S Con la carga de peso, la rigidez a la flexión lateral se reduce por el efecto "viga-columna". Este comportamiento es equivalente a un resorte horizontal combinado con un NSM de modo que la rigidez horizontal es , y es la magnitud del efecto viga-columna. La rigidez horizontal se puede hacer que se aproxime a cero cargando las vigas-columnas para que se aproximen a su carga de pandeo crítica.
Un aislador NSM de seis grados de libertad normalmente utiliza tres aisladores apilados en serie: un aislador de movimiento de inclinación sobre un aislador de movimiento horizontal sobre un aislador de movimiento vertical. La Figura 3 ( Ref. necesaria ) muestra un esquema de un sistema de aislamiento de vibraciones que consiste en una plataforma con peso sostenida por un solo aislador de seis grados de libertad que incorpora los aisladores de las Figuras 1 y 2 ( Faltan las Figuras 1 y 2 ). Se utilizan flexiones en lugar de las barras articuladas que se muestran en la Figura 1. Una flexión de inclinación sirve como aislador de movimiento de inclinación. Se utiliza un tornillo de ajuste de rigidez vertical para ajustar la fuerza de compresión en las flexiones de rigidez negativa, cambiando así la rigidez vertical. Se utiliza un tornillo de ajuste de carga vertical para ajustar las cargas de peso variables elevando o bajando la base del resorte de soporte para mantener las flexiones en sus posiciones de funcionamiento rectas y sin doblar.
Los equipos u otros componentes mecánicos están necesariamente conectados a objetos circundantes (la unión de soporte - con el soporte; la unión sin soporte - el conducto de la tubería o el cable), lo que presenta la posibilidad de transmisión no deseada de vibraciones. Utilizando un aislador de vibraciones (absorbedor) diseñado adecuadamente, se logra el aislamiento de vibraciones de la unión de soporte. La ilustración adjunta muestra la atenuación de los niveles de vibración, medidos antes de la instalación del equipo funcional en un aislador de vibraciones, así como después de la instalación, para un amplio rango de frecuencias.
Se define como un dispositivo que refleja y absorbe las ondas de energía oscilatoria que se extienden desde una pieza de maquinaria en funcionamiento o equipo eléctrico, y cuyo efecto deseado es el aislamiento de vibraciones. El objetivo es establecer un aislamiento de vibraciones entre un cuerpo que transmite fluctuaciones mecánicas y un cuerpo de soporte (por ejemplo, entre la máquina y la base). La ilustración muestra un aislador de vibraciones de la serie «ВИ» (~"VI" en caracteres romanos), tal como se usa en la construcción naval en Rusia, por ejemplo, el submarino "San Petersburgo" (Lada). Los dispositivos «ВИ» representados permiten cargas que van desde 5, 40 y 300 kg. Se diferencian en sus tamaños físicos, pero todos comparten el mismo diseño fundamental. La estructura consiste en una envoltura de caucho que está reforzada internamente por un resorte. Durante la fabricación, el caucho y el resorte están íntima y permanentemente conectados como resultado del proceso de vulcanización que es parte integral del procesamiento del material de caucho crudo. Bajo la acción de la carga de peso de la máquina, la envoltura de caucho se deforma y el resorte se comprime o estira. Por lo tanto, en la dirección de la sección transversal del resorte, se produce una torsión de la envoltura de caucho. La deformación elástica resultante de la envoltura de caucho da como resultado una absorción muy eficaz de la vibración. Esta absorción es crucial para un aislamiento fiable de las vibraciones, ya que evita la posibilidad de efectos de resonancia. La cantidad de deformación elástica del caucho determina en gran medida la magnitud de la absorción de vibraciones que se puede lograr; todo el dispositivo (incluido el propio resorte) debe diseñarse teniendo esto en cuenta. El diseño del aislador de vibraciones también debe tener en cuenta la posible exposición a cargas de choque, además de las vibraciones cotidianas rutinarias. Por último, el aislador de vibraciones también debe diseñarse para una durabilidad a largo plazo, así como para una integración conveniente en el entorno en el que se va a utilizar. Por lo general, se utilizan manguitos y bridas para permitir que el aislador de vibraciones se sujete de forma segura al equipo y a la base de apoyo.
El aislamiento de vibraciones de una junta no portante se realiza mediante un dispositivo denominado ramal A de aislamiento de vibraciones.
El tubo de conexión de un aislador de vibraciones es una parte de un tubo con paredes elásticas para la reflexión y absorción de las ondas de energía vibratoria que se extienden desde la bomba de trabajo a través de la pared del conducto de la tubería. Se establece entre la bomba y el conducto de la tubería. En la ilustración se muestra una tubería de conexión de un aislador de vibraciones de la serie «ВИПБ». En la estructura se utiliza una envoltura de goma reforzada con un resorte. Las propiedades de la envoltura son similares a las de un aislador de vibraciones. Tiene un dispositivo que reduce el esfuerzo axial de la acción de la presión interna hasta cero.
Otra técnica utilizada para aumentar el aislamiento es utilizar un bastidor auxiliar aislado. Esto divide el sistema con un sistema adicional de masa/muelle/amortiguador. Esto duplica la atenuación de alta frecuencia , a costa de introducir modos de baja frecuencia adicionales que pueden hacer que el comportamiento de baja frecuencia se deteriore. Esto se utiliza comúnmente en las suspensiones traseras de los automóviles con suspensión trasera independiente (IRS) y en los bastidores auxiliares delanteros de algunos automóviles. El gráfico (ver ilustración) muestra la fuerza en la carrocería para un bastidor auxiliar que está atornillado rígidamente a la carrocería en comparación con la curva roja que muestra un bastidor auxiliar montado de manera flexible. Por encima de 42 Hz, el bastidor auxiliar montado de manera flexible es superior, pero por debajo de esa frecuencia, el bastidor auxiliar atornillado es mejor.
Los aisladores de vibraciones semiactivos han recibido atención porque consumen menos energía que los dispositivos activos y tienen mayor control que los sistemas pasivos.
Los sistemas de aislamiento activo de vibraciones contienen, junto con el resorte, un circuito de retroalimentación que consta de un sensor (por ejemplo, un acelerómetro piezoeléctrico o un geófono), un controlador y un actuador . La señal de aceleración (vibración) es procesada por un circuito de control y un amplificador. Luego alimenta al actuador electromagnético, que amplifica la señal. Como resultado de un sistema de retroalimentación de este tipo, se logra una supresión de vibraciones considerablemente más fuerte en comparación con la amortiguación convencional. El aislamiento activo se utiliza hoy en día para aplicaciones en las que se deben producir o medir estructuras más pequeñas que un micrómetro . Un par de empresas producen productos de aislamiento activo como OEM para investigación, metrología, litografía y sistemas médicos. Otra aplicación importante es la industria de semiconductores. En la producción de microchips, las estructuras más pequeñas hoy en día están por debajo de los 20 nm, por lo que las máquinas que las producen y controlan tienen que oscilar mucho menos.
