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El ciclo de distribución de cualquier bien conlleva una serie de riesgos para la integridad de la carga, lo que incluye las vibraciones. Medir los parámetros de vibración permite caracterizar este fenómeno de manera que las empresas puedan simular los daños causados por este movimiento durante el diseño del paquete y crear un embalaje optimizado que proteja la carga contra esta amenaza.

Todo el mundo tiene al menos una frecuencia natural de resonancia. Si se provocan vibraciones en el cuerpo a esta frecuencia, resonará, vibrando a esa frecuencia. Si se mantiene la adición de energía por una fuente externa y supera el punto de ruptura, el cuerpo se romperá, tal como los sopranos logran romper copas usando su voz.

Un ejemplo del fenómeno de resonancia es el uso de los columpios para niños. Simplificando el sistema, el peso del niño y la longitud del columpio hacen que tengan una frecuencia de resonancia que los niños pueden encontrar intuitivamente. Para hacer oscilar el columpio, necesita ser empujado a la misma frecuencia que su frecuencia natural. Si la cadena o cuerda de la que cuelga no es lo suficientemente resistente, se romperá, ya sea porque la fuerza alcanza el punto de ruptura del material (lo que puede estar relacionado con la fragilidad) o debido al estrés acumulado resultante de las oscilaciones repetidas.

Aquí es importante mencionar dos tipos de fallos causados por la resonancia. El primero, es el resultado de alcanzar la fragilidad del cuerpo al obtener tal intensidad que ya no puede resistirla, como en el ejemplo anterior de la voz, o debido al estrés continuo. El ejemplo clásico es el puente Tacoma Narrows en Estados Unidos, que colapsó tras haber estado sujeto a vibraciones transversales causadas por el viento.

Parámetros de vibración: ¿qué son?

La vibración es la oscilación de un objeto alrededor de un estado de equilibrio. Hay muchos tipos de vibración: mecánica con movimientos lineales, movimientos angulares o rotacionales, electromagnética, gravitacional… No solo estamos rodeados de ellas, sino que también estamos inmersos en ellas. La temperatura corporal no es más que una indicación del nivel de excitación de los electrones a medida que vibran. A continuación nos centraremos en conversar sobre las vibraciones mecánicas, lineales y angulares.

Las oscilaciones suelen clasificarse de muchas maneras y, en el caso del transporte, es necesario definir si se está refiriendo a una vibración de frecuencia fija o variable, si es de una sola frecuencia o múltiples frecuencias, o si es periódica o aleatoria, ya que el cuerpo que experimenta las vibraciones está sometido a oscilaciones en toda o parte de su estructura. Como resultado, estas oscilaciones experimentadas por un cuerpo se traducen en fuerzas de vibración.

Al realizar un análisis de vibración utilizando un sensor de vibración, comúnmente se usa un acelerómetro para mediciones lineales y giroscopios para mediciones angulares.

Los siguientes parámetros se tienen en cuenta para una oscilación de frecuencia simple:

La frecuencia

La frecuencia (f) es el número de veces por unidad de tiempo que algo se repite. La unidad utilizada en el Sistema Internacional (S.I.) es el Hertz (Hz), o número de ciclos por segundo.

El período (T) también se utiliza en relación con la frecuencia, para expresarlo en términos más sencillos, con qué frecuencia se repite el fenómeno. T = 1/f, y la frecuencia angular ω = 2πf.

La aceleración

La aceleración es uno de los parámetros de vibración y se define como la variación de velocidad por unidad de tiempo (la unidad utilizada en el S.I. es el m/seg²). Sin embargo, es bastante común medir la aceleración en g o G, que es la aceleración de la gravedad, ya que es un valor más intuitivo. 1g=9.81m/s2. Junto con la frecuencia, estos son los parámetros más significativos cuando se trata de medir vibraciones

La fórmula para la velocidad es: V(t) = dx/dt = vocos (2πf t) = vosin (2πf t + π/2)

vo: velocidad máxima o valor pico

La velocidad

Un parámetro medible como parte de un movimiento de vibración es la velocidad a la que se mueve la partícula. En este caso, la unidad de medida en el Sistema Internacional es el metro por segundo (m/s)

La fórmula para la aceleración es: a(t) = dv/dt = d²x/dt² = -aosin(2πf t)

ao: aceleración máxima o valor pico

El desplazamiento

Además, el desplazamiento o amplitud de una partícula vibrante se define como la distancia entre la posición de la partícula vibrante y su posición en reposo. En este caso, generalmente se mide la amplitud máxima de vibraciones específicas, y la unidad utilizada es el metro.

La fórmula para el desplazamiento es: x(t) = xosin(2πf t)

x(t): desplazamiento instantáneo
xo: desplazamiento máximo o valor pico
f: frecuencia de vibración
ω: frecuencia angular (2πf)

Las ecuaciones de onda pueden complicarse al incluir otros parámetros de vibración que son necesarios para caracterizar el movimiento de este tipo, incluyendo la frecuencia del sistema en sí, la resonancia o el amortiguamiento.

Si las olas marinas se idealizan, pueden considerarse como la onda principal definida por la ecuación de onda u0(x,t), donde se superpone una ondulación (mucho más pequeña) causada por el viento, definida por la ecuación de onda u1(x,t). El principio de superposición nos permite definir movimientos de vibración complejos mediante la adición de ecuaciones de onda. U(x,t) = u0(x,t) + u1(x,t). De la misma manera, esto podría ampliarse a fuentes de generación infinitas, como el efecto de las mareas y otros efectos de las olas. U(x,t) = u0(x,t) + u1(x,t) + … (para obtener más información, puedes consultar los estudios de d’Alembert, Euler, Bernoulli o Lagrange).

Mediante el uso de las ecuaciones anteriores, todos los fenómenos deterministas podrían definirse. Esta idealización es un buen enfoque cuando, por ejemplo, se realiza un estudio en un mar donde las condiciones son siempre las mismas pero, en realidad, el viento puede cambiar de intensidad y dirección, alterando el sistema de manera imprevisible. Incluso el efecto de las variaciones en la gravedad puede afectar. La pregunta es: ¿de qué manera se podría caracterizar la respuesta de vibración de algo que no es predecible? La respuesta: realizando un estudio estadístico de todas las vibraciones que tienen lugar. El parámetro de vibración en pruebas de vibración aleatoria es la densidad espectral de potencia o PSD (por sus siglas en inglés).

Densidad Espectral de Potencia (PSD)

Dado que las vibraciones aleatorias no son predecibles ni mantienen un ritmo constante, pueden caracterizarse por la cantidad de energía que agregan para cada frecuencia. Además, esas vibraciones son particulares de un transporte específico; es como el ADN vibracional de ese transporte. Por lo tanto, dado que son específicas del transporte, no están relacionadas con el material que se transporta. Por esta razón, se definen como una densidad para que sean aplicables independientemente de la cantidad de material que se transporte. A continuación, te mostramos los parámetros de vibración que caracterizan la densidad espectral de potencia (PSD) de las vibraciones aleatorias:

Ancho de banda

El cálculo de la PSD está relacionado con la transformada de Fourier y permite la transición del dominio temporal a propiedades en el dominio espectral. Desde un punto de vista teórico, las vibraciones ocurren desde 0 Hz (un valor constante) hacia el infinito. Desde un punto de vista práctico, hay estudios que muestran que solo involucran valores que son hasta 3 órdenes de magnitud más bajos que el valor máximo. La banda de frecuencia donde se cumple que las intensidades están entre las 3 órdenes de magnitud más altas se llama ancho de banda. El ancho de banda se caracteriza por la frecuencia de corte inferior y la frecuencia de corte superior, que son simplemente el valor mínimo y máximo del ancho de banda. Dependiendo del transporte, el ancho de banda puede variar; no es el mismo para un barco de carga que para una furgoneta de reparto o un avión, pero típicamente oscila entre 0.5 Hz y 200 Hz.

Aceleración RMS

Este es un valor numérico que se obtiene calculando la raíz cuadrada después de sumar los cuadrados de las intensidades para todo el ancho de banda. Esto proporciona un valor intuitivo que equipara las vibraciones con una aceleración constante. Es muy importante tener en cuenta que se utiliza para comparar intensidades de una manera que pueden compararse de manera simplista. Una misma aceleración RMS para un mismo ancho de banda puede dar resultados completamente diferentes si la forma del perfil aplicado es diferente.

Perfil

La PSD se define una vez que se conocen las intensidades para cada punto en el ancho de banda. Las diferentes formas de perfil caracterizan los medios de transporte.

En una primera aproximación, una vez que se conoce la PSD, se puede simular en un laboratorio, considerando que la respuesta aleatoria es gaussiana. Esto considera que la distribución estadística de las vibraciones coincide con la de una distribución gaussiana. Como resultado, normaliza las vibraciones de tal manera que el pico de la campana de Gauss coincide con el valor RMS y los extremos, para un recorte de 3-sigma, oscilan entre ⅓ del valor RMS y 3 veces ese valor. Esto resulta en vibraciones aplanadas en comparación con los registros. El análisis tradicional de vibraciones aleatorias las trata como si fueran un fenómeno gaussiano, pero cuando se estudian las estadísticas de las vibraciones que ocurren en la carretera, las medidas no coinciden con una respuesta gaussiana.

Función de densidad de probabilidad (PDF)

Cuando se estudia cuántas veces se producen los mismos valores de aceleración RMS, se puede encontrar que esa distribución no es gaussiana. Las intensidades se acumulan en los valores más bajos y se aplanan donde la intensidad es mayor. Si se simplifica y se tratan los valores como gaussianos, esto resulta en un valor medio conforme, pero las vibraciones de mayor intensidad, que son las más perjudiciales, no ocurren.

Por lo tanto, también es importante realizar un estudio de la función de densidad de probabilidad, que analiza la forma en que se distribuyen las intensidades durante el viaje. Se puede decir mucho más sobre el tema, pero para simplificarlo, los parámetros más importantes son las intensidades y la duración en el tiempo para cada paquete que se está estudiando.

Análisis de vibraciones: por qué deberías realizarlo.

Nuestros cuerpos nos transmiten información sobre el entorno que nos rodea. Cuando estamos en movimiento, nos permite sentir muchas cosas, incluyendo los movimientos y vibraciones que ocurren. Podemos escuchar estas vibraciones, así como sentirlas en nuestro interior. Si las vibraciones o el ruido se vuelven mucho más fuertes, nos molestan y bajamos instintivamente la velocidad o cambiamos de trayectoria para que cambien. Esas vibraciones son tan peligrosas que se tienen en cuenta en la seguridad laboral. El ruido también está regulado. Los movimientos de vibración causan una serie de efectos peligrosos. En el caso del cuerpo humano, las vibraciones entre 1 y 400 Hz se consideran la causa de diversas afecciones, desde enfermedades hasta trastornos crónicos del sistema nervioso.

Así como hay personas que escuchan música a todo volumen y otras que no pueden soportarlo, existen productos transportados que son más sensibles a las vibraciones que otros. La única forma de conocer la fragilidad de un producto y la solución de embalaje implementada es realizar un análisis de vibraciones que te permita saber a qué frecuencias es más sensible el producto y si el sistema de embalaje puede amortiguar esas frecuencias.

En el caso del transporte de carga, las vibraciones pueden causar daños a la carga si el embalaje no se ha optimizado para protegerla.

Aquí es donde cobra importancia la simulación de transporte como una forma de diseñar un sistema producto-embalaje optimizado que pueda proteger los bienes durante el ciclo de distribución.

Se calcula que las empresas de logística enfrentan pérdidas de 50 mil millones de euros cada año en todo el mundo debido a los daños causados durante el transporte. Invertir en simulación de transporte y análisis de vibraciones es, por lo tanto, un paso vital para evitar esa situación.

El primer paso consiste en recopilar datos de los vehículos a través de dispositivos de grabación como innRecord. Es el vehículo el que generará las vibraciones en el producto. También es importante registrar aquellas vibraciones que tienen la mayor intensidad, ya que esas serán el peor escenario posible. Existen áreas en el vehículo donde las vibraciones se amplifican y otras donde se amortiguan. Existen artículos que demuestran que, en el transporte por carretera, las vibraciones de mayor intensidad tienen lugar en la parte superior del eje trasero, en el lado que está más cerca del borde de la carretera, el lado derecho en la mayoría de los países, el lado izquierdo en países como Australia, Reino Unido o Japón, donde el tráfico se desplaza al lado contrario. No hace falta decir que el dispositivo debe configurarse correctamente para capturar los datos según lo requerido.

La cantidad de datos recopilados hace que sea inviable realizar un cálculo manual, incluso usando hojas de cálculo. Es por esa razón que se debe utilizar un programa de análisis específico, como el Drone Software de Safe Load Testing Technologies, donde se pueden ver los datos recopilados y seleccionarlos adecuadamente.

El procesamiento automatizado de todos los datos no es suficiente. Si este fuera el caso, todos los registros se promediarían, lo que llevaría a que el tiempo que el vehículo estuvo detenido suavizara los resultados. Además, algunos procesos de transporte utilizan varios medios de transporte. Si todos los datos se procesan como uno solo cuando los vehículos cambian, esto resultaría en un perfil de vibración mixto, lo cual no sería ideal.

Al procesar los datos, se debe eliminar el tiempo en que el vehículo permanece detenido. Es necesario identificar irregularidades, como impactos, que deben procesarse por separado, ya que aumentan la intensidad, pero dado que son transitorios, si se incluyen como vibraciones, nunca se repiten. Algunos programas específicos, como el Drone Software del Data Recorder, ofrecen herramientas para ayudar en este procesamiento.

Una vez que los datos se han depurado, se obtiene la PSD y la PDF, que pueden ser buenos resultados para el análisis, pero no son utilizables para la simulación. Primero, porque es necesario identificar el ancho de banda, y segundo, porque la PSD puede tener cientos o incluso miles de puntos. Las PSD definidas en miles de puntos no son directamente aplicables. La mayoría de las aplicaciones de simulación solo permiten un puñado de puntos. Otras admiten algunas decenas de puntos. En el caso del software de control de Safe Load Testing Technologies, puede utilizar cientos de puntos. Pero las PSD suelen tener miles de puntos. Esto implica la necesidad de adaptar el perfil de PSD a la máquina. En la mayoría de las situaciones, los usuarios deben realizar esta adaptación por sí mismos. En el caso del software DR, ofrece una herramienta que permite al usuario definir fácilmente este perfil.

¿Cómo medir las vibraciones?

Existen diferentes formas de medir las vibraciones según su naturaleza. Para las vibraciones junto con las coordenadas cartesianas, se utilizan acelerómetros, y para las coordenadas angulares, se utilizan principalmente sistemas giroscópicos.

Medir los parámetros de vibración para el transporte requiere un equipo especial que se pueda enviar, el cual consiste en instalar un dispositivo de medición y un registrador de vibraciones que pueda realizar un análisis de vibraciones y medir la intensidad de este riesgo a lo largo de una ruta específica.

Accediendo a esta información, es posible realizar una simulación de transporte utilizando equipos especialmente diseñados para pruebas de vibración.

¿Cómo simular las vibraciones que ocurren durante el transporte?

Una vez que la información ha sido registrada y analizada, se puede aplicar mediante dos alternativas:

  • Tabla de Vibración Vertical
  • Máquina diseñada para simular los movimientos de vibración vertical producidos por diversos medios de transporte y manipulación de envíos.
  • Módulo Pitch&Roll

Solución Pitch&Roll patentada de Safe Load que incluye los movimientos de balanceo y cabeceo que tienen lugar durante el transporte al medir las vibraciones. Es posible acoplar este módulo a cualquier mesa de vibración para obtener resultados más cercanos a las condiciones de la vida real.

Esto permite la simulación de una vibración multi-eje, que pronto se incluirá en los protocolos de ISTA y otras normas internacionales de transporte.

¿Quieres saber más sobre los parámetros de vibración y cómo prevenir que las vibraciones del transporte afecten tus productos? En Safe Load TT, nuestro historial de más de dos décadas en el sector de la simulación de transporte y la industria del embalaje está a tu disposición. Contáctanos y hablemos de cómo podemos ayudarte.

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