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 ámbitos, principalmente en sistemas de ingeniería y espacios habitables, y se han desarrollado métodos para evitar la transferencia de vibraciones a dichos sistemas. Las vibraciones se propagan a través de ondas mecánicas y ciertos enlaces mecánicos conducen las vibraciones de manera más eficiente que otros. El aislamiento pasivo de vibraciones utiliza materiales y enlaces mecánicos que absorben y amortiguan estas ondas mecánicas. El aislamiento activo de vibraciones implica sensores y actuadores que producen interferencias disruptivas que cancelan las vibraciones entrantes.
"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 "cancelación electrónica de fuerza" que emplea 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 HVAC o lavadoras; aislamiento de estructuras de ingeniería civil de 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 elementos de masa, resorte y amortiguación y se mueve como un oscilador armónico . La masa y la rigidez del resorte dictan una frecuencia natural del sistema. La amortiguación provoca la disipación de energía y tiene un efecto secundario sobre la frecuencia natural.
Todo objeto sobre un soporte flexible tiene una frecuencia natural fundamental. Cuando se aplica vibración, la energía se transfiere más eficientemente a la frecuencia natural, algo eficientemente 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 considerablemente. La siguiente curva 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 1. Un valor de 1 significa que la vibración atraviesa el sistema sin amplificarse ni reducirse. En la frecuencia de resonancia, la energía se transmite de manera eficiente y la vibración entrante se amplifica. La amortiguación en el 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 verse como un filtro mecánico de paso bajo para 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 determinada depende de la frecuencia, dirección y 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 automóviles es una especie de amortiguador, al igual que la amortiguación inherente a los soportes de motor elastoméricos (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 caída de la transmisibilidad. Esto se puede ver en el cuadro a continuación.
El aislamiento pasivo opera en ambas direcciones, aislando la carga útil de las vibraciones que se originan en el soporte y también aislando el soporte de las vibraciones que se originan en la carga útil. Las máquinas grandes, como lavadoras, bombas y generadores, que provocarían vibraciones en el edificio o en la habitación, suelen estar aisladas del suelo. Sin embargo, existen multitud de fuentes de vibración en los edificios y, a menudo, no es posible aislar cada fuente. En muchos casos, lo más eficaz es aislar cada instrumento sensible del suelo. A veces es necesario implementar ambos enfoques.
En los Superyates , los motores y alternadores producen ruidos y vibraciones. Para solucionarlo, la solución es una doble suspensión elástica donde el motor y el alternador están montados con amortiguadores de vibraciones sobre un bastidor común. A continuación, este conjunto se monta elásticamente entre la cuaderna 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 de baja vibración y aislamiento contra vibraciones sub-Hertz. Los dispositivos NSM "de encaje 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 bajas frecuencias naturales. Son posibles sistemas prácticos con frecuencias naturales verticales y horizontales tan bajas como 0,2 a 0,5 Hz. Los mecanismos electromecánicos de ajuste automático compensan cargas de peso variables y proporcionan nivelación automática en sistemas de aisladores múltiples, similar a la función de las válvulas niveladoras en 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 instrumentos sensibles a las vibraciones, como microscopios de sonda de barrido, microdurómetros y 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. Esta operación no sería práctica con sistemas de aislamiento neumático. [ cita necesaria ] 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 necesaria ]
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. [ se necesita aclaración ] Se resume brevemente por conveniencia.
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 es comprimido por el peso W hasta la posición operativa del aislador, como 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 función de la longitud de las barras y la carga P. Se puede hacer que la rigidez del aislador se acerque a cero mientras el resorte soporta el peso W.
En la Figura se ilustra un aislador de movimiento horizontal que consta de dos columnas de vigas. 2. Cada viga-columna se comporta como dos vigas-columnas libres fijas 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 en la "viga-columna". efecto "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. Se puede hacer que la rigidez horizontal se acerque a cero cargando las vigas-columnas para que se acerquen a su carga crítica de pandeo.
Un aislador NSM de seis grados de libertad normalmente utiliza tres aisladores apilados en serie: un aislador de movimiento inclinado encima de un aislador de movimiento horizontal encima de 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 ponderada sostenida por un único 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 del 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 cargas de peso variables elevando o bajando la base del resorte de soporte para mantener las flexiones en sus posiciones operativas rectas y sin doblar.
El equipo u otros componentes mecánicos están necesariamente unidos a los objetos circundantes (la junta de soporte - con el soporte; la junta sin soporte - la tubería, el conducto o el cable), presentando así la posibilidad de transmisión no deseada de vibraciones. Utilizando un aislador de vibraciones (amortiguador) de diseño adecuado se consigue el aislamiento de vibraciones de la junta de soporte. La ilustración adjunta muestra la atenuación de los niveles de vibración, medidos antes de la instalación del equipo en funcionamiento en un aislador de vibraciones, así como después de la instalación, para una amplia gama de frecuencias.
Se define como un dispositivo que refleja y absorbe ondas de energía oscilatoria, que se extienden desde una pieza de maquinaria o equipo eléctrico en funcionamiento, y con el efecto deseado de aislamiento de vibraciones. El objetivo es establecer un aislamiento de vibraciones entre un cuerpo que transmite vibraciones 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 utiliza en la construcción naval en Rusia, por ejemplo en el submarino "San Petersburgo" (Lada). Los dispositivos «ВИ» representados permiten cargas de 5, 40 y 300 kg. Se diferencian en sus tamaños físicos, pero todos comparten el mismo diseño fundamental. La estructura consta de una envoltura de goma que está reforzada interiormente 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 en bruto. Bajo la acción del peso de la máquina, la envoltura de goma 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 del caucho envolvente. La deformación elástica resultante de la envoltura de caucho da como resultado una absorción muy eficaz de las vibraciones. Esta absorción es crucial para un aislamiento fiable de las vibraciones, porque evita la posibilidad de efectos de resonancia. La cantidad de deformación elástica del caucho dicta en gran medida la magnitud de la absorción de vibraciones que se puede lograr; Todo el dispositivo (incluido el 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 habituales del día a día. 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 utilizará. Generalmente se emplean manguitos y bridas para permitir que el aislador de vibraciones se sujete de forma segura al equipo y a la base de soporte.
El aislamiento de vibraciones de la junta no sustentante se realiza mediante el dispositivo de aislamiento de vibraciones denominado tubo de derivación a.
El ramal a de aislamiento de vibraciones es una parte de un tubo con paredes elásticas para reflejar y absorber las ondas de energía oscilatoria que se extiende desde la bomba en funcionamiento a través de la pared del conducto tubular. Se establece entre la bomba y el conducto de tubería. En la ilustración se muestra la imagen de la tubuladura aislante de vibraciones de la serie «ВИПБ». En una estructura se utiliza la envoltura de caucho, que está reforzada por un resorte. Las propiedades de una envolvente son similares a las de una vibración aislante. Tiene el dispositivo que reduce el esfuerzo axial por la acción de la presión interior hasta cero.
Otra técnica utilizada para aumentar el aislamiento es utilizar una subestructura aislada. Esto divide el sistema con un sistema adicional de masa/resorte/amortiguador. Esto duplica la caída de atenuación de alta frecuencia , a costa de introducir modos de baja frecuencia adicionales que pueden provocar que se deteriore el comportamiento de baja frecuencia. Esto se usa comúnmente en las suspensiones traseras de automóviles con suspensión trasera independiente (IRS) y en los subchasis delanteros de algunos automóviles. El gráfico (ver ilustración) muestra la fuerza en la carrocería para un bastidor auxiliar atornillado rígidamente a la carrocería en comparación con la curva roja que muestra un bastidor auxiliar montado de manera compatible. Por encima de 42 Hz, el subchasis montado de manera compatible es superior, pero por debajo de esa frecuencia, el subchasis atornillado es mejor.
Los aisladores de vibraciones semiactivos han recibido atención porque consumen menos energía que los dispositivos activos y son más controlables que los sistemas pasivos.
Los sistemas activos de aislamiento 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 el actuador electromagnético, que amplifica la señal. Gracias a un sistema de realimentación de este tipo se consigue una supresión de vibraciones considerablemente mayor en comparación con una amortiguación normal. El aislamiento activo hoy en día se utiliza para aplicaciones donde 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 los 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 los producen y controlan tienen que oscilar mucho menos.
