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Pruebas de vibraciones en amortiguadores aeronaúticos y espaciales

SMAC produce piezas personalizadas de alta tecnología para la protección de equipos utilizados en entornos hostiles.

Con sede en Toulon, y reconocida mundialmente por los fabricantes aeronáuticos y espaciales por sus innovadoras soluciones de elastómeros, SMAC acaba de equipar su laboratorio de pruebas con dos nuevos shakers: un shaker V8 con una fuerza nominal de 57 000 newtons y un shaker V721 con una fuerza de 3 000 newtons.

El reto

Para cumplir con los estrictos requisitos de rendimiento, el laboratorio de SMAC necesitaba una solución de prueba de vibración confiable que pudiera modelar un nuevo amortiguador y validar su comportamiento experimentalmente en unos pocos meses.

La solución

Se seleccionaron dos shakers después de un proceso de validación exhaustivo para ayudar a SMAC con todas las pruebas de vibraciones presentes y futuras: el sistema de shaker LDS V8 para pruebas de alta fuerza y el sistema de shaker LDS V721 para pruebas menos severas.

Resultados

    • Pruebas de alta eficiencia mientras se cumplen los últimos estándares
    • Sistemas de pruebas de vibración fiables que funcionan durante unos 160 días al año

Eligiendo la solución adecuada

Después de estudiar minuciosamente las especificaciones emitidas por Pierre Lamy, jefe del laboratorio de pruebas de SMAC, Cédric Rigaud, ingeniero técnico de ventas y Bertrand Foulard, gerente de aplicaciones de vibración de Hottinger Brüel & Kjær, pudieron ofrecer una solución que cumplía con los requisitos de SMAC.

La fuerza nominal del shaker LDS V8 es muy significativa si se tiene en cuenta la masa de los amortiguadores diseñados y probados por SMAC, al igual que los niveles de aceleración indicados en las especificaciones del cliente: un amortiguador diseñado para aislar un componente de un avión puede pesar hasta un kilogramo, y las especificaciones detallan aceleraciones que rara vez superan los 300 m/s² (es decir, alrededor de 30 g).

De hecho, el simple producto de estos dos valores nos lleva a la fórmula dedicada a 300 newtons (f = ma, la llamada ecuación de Newton, que expresa que la fuerza es igual al producto de la masa por la aceleración).

La elección de la solución por parte del equipo técnico de Hottinger Brüel & Kjær también tuvo en cuenta otros criterios, como la masa, la resistencia, la disponibilidad y la fiabilidad. Echemos un vistazo más de cerca a estos.

Masa

Teóricamente, los amortiguadores se pueden resumir como una interfaz entre una fuente de vibración, a menudo la de los motores, y un componente o sistema a proteger de estas vibraciones. Sin embargo, en este caso, son específicos para aplicaciones aeroespaciales y es posible que deban pretensarse mediante un sistema de resorte que aplica una fuerza al amortiguador.

Este sistema, que simula la ausencia de gravedad sobre el amortiguador es, por tanto, una masa adicional para tener en cuenta. Además, el amortiguador está diseñado para reaccionar en las tres direcciones y debe estar en la misma posición durante la prueba del agitador que en su entorno final.

Un sistema vibrador con una mesa deslizante horizontal que tiene una mayor capacidad de carga cumple con estos requisitos e involucra una masa en movimiento mucho mayor. Los ensayos se realizan mediante amortiguadores cargados por la masa de los componentes a aislar o un diseño equivalente.

Esto tiene que ser considerado en la masa total. Estos componentes tienden a presentar resonancias y no se comportan como masas inertes. Cualquier movimiento resonante, por lo tanto, cambia la masa vista por el agitador; esto se conoce como masa “dinámica”, cuyos efectos deben compensarse con una reserva sustancial de fuerza.

Fuerza

El shaker LDS V8 es uno de los shakers refrigerados por aire más potentes de la gama de productos LDS. Entre la fuerza teórica considerada para una prueba y la fuerza disponible, hay una serie de factores a considerar.

Los amortiguadores son componentes activos; su función es absorber energía y convertirla en calor y es el shaker es el que proporciona esta energía. Las pruebas impuestas por las especificaciones involucran señales, que pueden variar en severidad.

Las señales sinusoidales son las más comunes y menos destructivas, pero rara vez se usan en aplicaciones aeroespaciales donde se prefieren señales aleatorias más violentas, lo que somete al shaker y su amplificador de potencia a regímenes operativos más exigentes en términos de tensión y corriente en la bobina. Finalmente, los espectros de impacto y respuesta al impacto se encuentran entre las señales más exigentes para las partes mecánicas del shaker y también están frecuentemente presentes en la especificación. Además, a lo largo de los años, se ha observado que los niveles de vibración impuestos aumentan constantemente.

Finalmente, es importante recordar que un shaker normalmente debe operar al 80 % de su fuerza nominal para permanecer dentro de un intervalo de operación seguro y preservar la vida útil del inducido.

Siempre es posible ir más allá de este valor, pero solo por un tiempo limitado y comprobando su comportamiento con acelerómetros adicionales. El laboratorio SMAC, utilizando su amplio conocimiento de las características del shaker y los requisitos de las especificaciones del cliente, puede tener con confianza los dos shakers en funcionamiento durante unos 160 días al año, realizando pruebas que duran desde unos pocos minutos hasta unas pocas horas.

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Disponibilidad

Clientes como Airbus, Safran o Arianespace imponen requisitos de rendimiento muy estrictos, que incluyen una rigidez del elastómero muy precisa.

En cuestión de unos meses, SMAC debe modelar el amortiguador y validar su comportamiento experimentalmente.

Pierre Lamy explica cómo SMAC llegó a necesitar dos shakers en su laboratorio.

“Las pruebas se realizan no solo en los prototipos del amortiguador previsto, sino también en la materia prima, siendo el elastómero un material extremadamente no lineal. Por lo tanto, es esencial en todas las etapas del desarrollo del producto que tengamos un shaker para nuestras pruebas de vibración. Es la retroalimentación de la prueba del shaker la que nos guía en cada etapa del diseño y fabricación de nuestros productos. También es importante para nosotros asegurarnos de que los moldes que hacemos para la fabricación no necesiten ser reconstruidos.

Además, tenemos plazos estrictos y el sistema LDS V8 para pruebas de alta fuerza y ​​el sistema paralelo LDS V721 para pruebas menos severas han demostrado ser las opciones más adecuadas para garantizar que todas nuestras pruebas de vibraciones presentes y futuras se lleven a cabo al máximo.”

Fiabilidad

Los usuarios de Shaker deben poder confiar en un nivel muy alto de confiabilidad del sistema, tanto mecánica como electrónicamente.

Para garantizar esta fiabilidad, la compra de un shaker va acompañada de un contrato de mantenimiento progresivo y cuidadosamente estudiado.

Wilfried Lacavelerie, responsable de la instalación y que realiza el mantenimiento en sitio de SMAC, nos cuenta su trabajo: “Siempre empiezo hablando con los usuarios del shaker para conocer los detalles de las pruebas que realizan y su duración y tomo nota de todas las incidencias. Luego realizo una prueba inicial de bajo nivel (2 g) en todo el intervalo de frecuencia del shaker. Esta prueba se llama firma y se repite al final de la sesión de mantenimiento, que dura aproximadamente tres días para un sistema V8.

Esto sirve como referencia y nos permite detectar desfases entre piezas y movimientos parásitos de la bobina. Después del desmontaje, verifico el estado de las piezas como las suspensiones, rodamientos y las distintas juntas del shaker. Si encuentro pocos o ningún rastro de desgaste y polvo, adapto el servicio.

Tenemos contratos de mantenimiento Bronce, Plata, Oro y Platino, que pueden o no incluir ciertos consumibles, hasta una bobina móvil de repuesto en stock. Entonces podemos acordar cambiar una pieza determinada durante el próximo mantenimiento. Por otro lado, ciertos elementos, como los filtros de aceite, se cambian sistemáticamente, independientemente del tipo de contrato”.

Nuestra completa línea de equipos para ensayos de vibraciones cubre todo el espectro de ensayos de vibración, con vibradores electrodinámicos y excitadores para análisis modal y estructural.

Bibliografía

Brüel and Kjaer an HBK Company, SMAC Laboratory: Aeronautical and space tests that shake! (s.f.) Recuperado https://www.bksv.com/en/customers/aerospace/smac [Actualizado julio 2022]

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