La medición de vibraciones y su utilización en simulaciones suponen un proceso vital para garantizar la capacidad protectora del packaging en el transporte. Por ello, conviene conocer su funcionamiento y las ventajas e inconvenientes de los sistemas SDoF y MDoF.

 

Cómo se realiza la medición de vibraciones

La vibración se define como la oscilación de una propiedad física. Un ejemplo: supongamos que tenemos un cuerpo y nos fijamos en una de sus propiedades como su longitud. Al vibrar el cuerpo, su longitud estará cambiando constantemente (alargándose y acortándose) modificándose, por lo tanto, la forma del cuerpo en cada instante. 

Si medimos ese cambio durante el tiempo suficiente, el promedio de estos cambios sería cero, al pasar el valor de la longitud instantánea por un valor máximo y uno mínimo. Estos cambios en la propiedad del cuerpo implican cambios transitorios de energía. 

En el caso de las oscilaciones periódicas, se puede realizar la medición de vibraciones para conocer con precisión el valor de la propiedad en cada instante. No obstante, en el caso del transporte, al tratarse de oscilaciones aleatorias, no se puede predecir el valor o intensidad que la propiedad tendrá en el siguiente instante. 

Al observar cualquier medio de transporte, se pueden ver movimientos oscilantes lineales a lo largo de las tres direcciones de los ejes cartesianos, a la par que movimientos oscilantes angulares de rotación sobre esos mismos ejes. 

Así, los movimientos oscilantes lineales de un vehículo en movimiento se miden tradicionalmente con acelerómetros. Para los movimientos oscilantes angulares, se utilizan sensores que miden velocidad o aceleración angular. 

En el caso de la medición de vibraciones en transporte, no es suficiente con realizar una única medida, ya que este valor cambia de forma aleatoria con el tiempo. Por ello, realizar un análisis preciso requiere hacer una grabación de los diferentes valores que se producen. 

De este modo, para obtener la medición de vibraciones de forma correcta es necesario aplicar el teorema de Nyquist-Shannon, empleando una frecuencia de captura de al menos el doble de la frecuencia que se quiere medir. Así, en el caso de las oscilaciones lineales del transporte, se utilizan entre 500 y 1000 muestras por segundo, mientras que las oscilaciones angulares utilizan entre 20 y 50 muestras por segundo. 

Respecto a la forma más simple de obtener estas muestras, está el emplear aparatos que registren de forma simultánea las vibraciones lineales y las angulares como consecuencia del “pitch” o cabeceo y del “roll” o balanceo del vehículo. 

No obstante, el registro bruto de las vibraciones aleatorias resulta poco práctico de usar, y por lo tanto se  requiere procesar los registros para obtener las curvas de densidades espectrales de potencia (PSD) de las vibraciones y su valor eficaz o cuadrático medio (RMS). De este modo, estas curvas representarán de manera gráfica los valores de densidad de energía en función de la frecuencia por unidad de masa. 

 

De la medición de vibraciones a la simulación: los equipos

Existe una amplia variedad de técnicas para la simulación de vibraciones, cuya tecnología se ha ido mejorando con el paso del tiempo a través de la investigación: 

– En un principio, se empleaban máquinas simples de biela-manivela. Estos equipos repetían un mismo movimiento y la misma oscilación, lo cual no se corresponde con lo que ocurre en el transporte convencional.

– Más adelante, se usaron servo-actuadores, que permitían reproducir con detalle las oscilaciones grabadas previamente. En este caso, se reproducía siempre el mismo viaje,  como si se pasara siempre por los mismos lugares, con la carretera en las mismas condiciones, el mismo nivel de tráfico…

– La aparición de la simulación con vibración aleatoria acercó más los ensayos a la realidad del transporte. Así, esta simulación se realiza con un control capaz de realizar vibraciones aleatorias, de modo que no se pueda predecir la siguiente posición pero sí que esté ajustada a una respuesta definida por el PSD (ya sea de una normativa o del registro obtenido por la medición de vibraciones).

En este sentido, aparecen los equipos de simulación de vibraciones actuales que permiten realizar ensayos de acuerdo a la realidad del transporte. 

Vibración de un solo eje o multi-eje: principales diferencias

En los ensayos de vibración aparecen dos tipos: los de un solo eje o SDoF y los multi-eje MDoF.

La principal diferencia entre los sistemas MDoF y SDoF es la cantidad de movimientos que permite simular cada sistema: si el primero permite realizar movimientos en varios ejes, el segundo sólo respecto a un eje.

Según la literatura, las máquinas de vibración de un solo eje deben incrementar la intensidad en un cierto factor para lograr añadir las contribuciones del resto de ejes. No obstante, no se trata de una solución real, ya que nada garantiza que esa señal añadida se haga en las mismas frecuencias que se genera en las demás direcciones. Por lo tanto, esta no es más que una solución de compromiso cuando no se dispone de un equipo de vibración multi-eje. 

Por su parte, en las máquinas multi-eje MDoF se diseñan los ejes de modo independiente y se tratan por separado. De igual modo, se emplean dos técnicas de simulación, se replica un recorrido grabado o se reproduce un ensayo aleatorio respecto a un PSD. Así, cada eje tiene su propio PSD que debe seguir y cumplir.  

El esfuerzo por seguir investigando la medición de vibraciones ha demostrado que los movimientos de “pitch and roll” o cabeceo y balanceo deben ser incorporados a la simulación para acercarlas a la realidad del transporte. 

Un ejemplo: supongamos un depósito de agua a medio llenar, que se mueve únicamente de acuerdo a vibraciones verticales. Este depósito podría verse afectado si el ensayo supera 1g y el contenedor salta e impacta sobre la plataforma de vibración. Si a este movimiento se le añade el desplazamiento lateral, que genera olas en la superficie del líquido, podría afectar también al daño en el depósito sin necesidad de que el contenedor salte. 

Así, a la hora de elegir un equipo de simulación de vibraciones, se deberá analizar qué se quiere ensayar y cómo. 

Si se trata de realizar ensayos de acuerdo a la normativa, se elegirá el equipo adecuado a ellas. 

No obstante, si se busca simular los efectos del mundo real sobre algo, se debe observar los movimientos que sufre ese elemento, que generalmente incluirán movimientos simultáneos en varios ejes. En este caso, las MDoF serían la solución adecuada. 

Para simular, por ejemplo, el transporte en vehículos por carretera o por mar, la solución es la mesa de vibración vertical Pitch and Roll, que incluye 3DoF (1 lineal y 2 rotacionales). 

De este modo, el eje vertical lineal simula las vibraciones verticales lineales producidas por la interacción entre la suspensión del camión, las ruedas, ejes de transmisión y estructura del camión debido a las irregularidades de la carretera. De forma simultánea, el eje rotacional de balanceo (roll) y el eje rotacional de cabeceo (pitch) simulan las vibraciones rotacionales más importantes producidas durante el transporte, capaces de desestabilizar las cargas. 

En cualquier caso, el módulo Pitch & Roll de Safe Load  permite transformar cualquier mesa de vibración vertical SDoF en una mesa multi-axial (1+2). Esta instalación es posible en cualquier mesa de vibración, independientemente de su marca o fabricante, ya que el módulo es compatible con cualquiera. 

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