Comprensión de las pruebas de impacto
A prueba de impacto —también conocida como ensayo de impacto o ensayo con martillo— es una técnica experimental sencilla para identificar la frecuencias naturales y mojadura características de una estructura o máquina golpeándola con un martillo (con o sin instrumentos) y midiendo la respuesta libre resultante vibración respuesta con uno o más acelerómetros. Un solo impacto fuerte excita todos los modos estructurales a la vez, y un FFT de la respuesta revela esas frecuencias naturales como picos en la espectro de frecuencias. Es el método más práctico para el trabajo de campo pruebas modales porque solo se necesita un martillo y un analizador de vibraciones, sin necesidad de costosos generadores de vibraciones electrodinámicos ni de montajes complejos. Por eso se utiliza constantemente para la resolución de problemas resonancia problemas, verificando resonancias estructurales, y comprobando que las frecuencias de funcionamiento estén suficientemente separadas de las frecuencias naturales.
1. Definición: ¿Qué es una prueba de impacto?
El principio en el que se basa una prueba de impacto es que, matemáticamente, un impacto es un pulso muy breve que contiene energía en una amplia banda de frecuencias, todas a la vez. Cuando esa energía de banda ancha se aplica a una estructura, todos los modos cuya frecuencia natural se encuentra dentro del ancho de banda del pulso comienzan a oscilar simultáneamente. A continuación, la estructura «se amortigua» en sus propias frecuencias características, y la respuesta decreciente —captada por el acelerómetro— lleva la huella de esos modos. La transformación de la atenuación al dominio de la frecuencia convierte cada modo en un pico, de modo que un solo golpe puede mapear el carácter dinámico de todo el bastidor de una máquina, un pedestal o un tramo de tubería en cuestión de segundos. Es la versión de campo de la disciplina más amplia de pruebas de impacto.
2. Material necesario
Martillo de impacto
La elección del martillo determina si el resultado es cuantitativo o meramente cualitativo.
Martillo Instrumentado (Preferible)
- Un transductor de fuerza integrado en la cabeza del martillo mide directamente la fuerza de impacto.
- Esto permite una verdadera función de transferencia (la respuesta dividida por la fuerza) y un función de respuesta en frecuencia para calcular.
- Los resultados son cuantitativos y reproducibles.
- Precio habitual: entre 500 y 3000 dólares.
No instrumentado (simple)
- Basta con un martillo normal, un mazo de goma o incluso un martillo de impacto manual.
- Solo se mide la respuesta, no la fuerza.
- Proporciona una identificación cualitativa de las frecuencias: indica dónde se encuentran los picos, pero no su magnitud absoluta por unidad de fuerza.
- Esto resulta perfectamente adecuado para muchas aplicaciones sobre el terreno.
- Gratis o a un precio muy bajo.
Medición de respuesta
- Un acelerómetro instalado en el punto de interés.
- Conectado a un analizador de vibraciones o a una unidad de adquisición de datos.
- Es necesario disponer de capacidad de análisis FFT para resolver los picos.
Análisis
- Transformada rápida de Fourier (FFT) de la señal de respuesta.
- Los picos corresponden a las frecuencias naturales.
- La anchura del pico es un indicador de la amortiguación.
3. Procedimiento de ensayo
Prueba de impacto básica
- Conecta el acelerómetro: en el punto de medición de respuesta seleccionado.
- Configuración del analizador: en modo FFT, en un rango de frecuencias adecuado para la estructura.
- Golpea la estructura: un solo golpe firme con el martillo.
- Captura la respuesta: grabar el decaimiento de la vibración.
- Repetir: varios impactos para promediar —lo habitual es entre tres y diez— con el fin de suavizar las variaciones entre los golpes.
- Analyse: La FFT resultante muestra los picos de frecuencia natural.
Pruebas avanzadas
- Mediciones en varios puntos de respuesta para determinar el formas modales.
- Martillo instrumentado para funciones de transferencia cuantitativas
- Coherencia análisis para validar la calidad de los datos medidos.
- Cálculo completo de la función de respuesta en frecuencia (FRF).
4. Aplicaciones
Identificación de resonancias
Esta es la aplicación más habitual. La prueba determina las frecuencias naturales de una estructura, que luego se comparan con las frecuencias de funcionamiento de la máquina: 1×, 2×, blade passing, y así sucesivamente — para determinar si la resonancia es la causa de la alta vibración y para orientar una estrategia de modificación. También es el complemento natural de un run-up o descenso prueba, que revela las mismas resonancias mientras la máquina recorre toda la gama de velocidades.
Diagnóstico estructural
- Identifica los componentes débiles o excesivamente flexibles.
- Localizar perder o estructuras agrietadas, que desplazan o dividen los picos esperados.
- Comprobar la base o el montaje rigidez.
- Presenta una comparación del antes y el después para validar una modificación estructural.
Pruebas modales
- Calcular conjuntamente las frecuencias naturales, las formas modales y la amortiguación.
- Contrasta los modelos de elementos finitos con los datos reales medidos.
- Optimizar un diseño estructural.
5. Interpretación
Identificación de frecuencias naturales
- Los picos del espectro de respuesta al impacto corresponden a las frecuencias naturales.
- Los picos pronunciados indican un bajo nivel de amortiguación y, por lo tanto, un posible problema de resonancia.
- Los picos anchos indican un alto nivel de amortiguación, en el que la resonancia es menos crítica.
- La presencia de múltiples picos indica que hay múltiples modos.
Evaluación del riesgo de resonancia
- Si una frecuencia natural coincide con una frecuencia de funcionamiento con una diferencia de aproximadamente ±20 %, existe riesgo de resonancia.
- Si están bien separados —con una diferencia de más del 30 % aproximadamente—, la situación suele ser segura.
- La altura del pico indica el nivel de amplificación que cabe esperar.
Estimación de la amortiguación
- Mide la anchura del pico a la mitad de su altura máxima.
- Calculate the damping ratio a partir de ese ancho de banda (el método de media potencia).
- Como alternativa, dedúcelo a partir de la tasa de decaimiento de la oscilación amortiguada (ringdown) en el dominio del tiempo.
6. Ventajas y limitaciones
El atractivo de la prueba de impacto radica en su gran practicidad, pero conlleva algunas desventajas que un analista debe tener en cuenta.
Ventajas
- Sencillez: equipo mínimo, se instala en cuestión de minutos, no requiere alimentación eléctrica para la excitación y se puede realizar prácticamente en cualquier lugar y en cualquier momento.
- Excitación de banda ancha: Un solo impacto excita un amplio rango de frecuencias a la vez, por lo que todos los modos se identifican en una sola prueba, lo que resulta mucho más rápido que los métodos de barrido sinusoidal.
- Practicidad sobre el terreno: No hay que transportar maquinaria pesada, funciona con la maquinaria ya instalada y es lo suficientemente rápido para las tareas rutinarias solución de problemas.
Limitaciones
- Repetibilidad: La fuerza de impacto varía de un golpe a otro; calcular la media de varios impactos resulta útil, y un martillo con sensores proporciona una fuerza constante y medida.
- Espectro de fuerzas: El espectro del impacto depende de la masa del martillo y de la dureza de su punta —una punta blanda transmite más energía a las frecuencias bajas, mientras que una punta dura lo hace a las frecuencias altas—, por lo que es posible que un solo martillo no excite todas las frecuencias por igual.
- Niveles bajos de fuerza: La prueba no puede reproducir condiciones de funcionamiento con fuerzas elevadas, por lo que es posible que no se detecten las no linealidades dependientes de la carga, lo que la hace inadecuada para realizar ensayos de respuesta de alto nivel.
7. Prueba de impacto en trabajos prácticos con rotores
Prueba de impacto y rotor equilibrando están estrechamente relacionadas en este ámbito, ya que una estructura que resuene a una velocidad cercana a la de funcionamiento se disimulará como —o exagerará enormemente— una aparente desequilibrar. Antes de aplicar las correcciones, un ingeniero debe asegurarse de que la estructura portante no se encuentre en resonancia; de lo contrario, el fase y las lecturas de amplitud utilizadas para el equilibrado se verán distorsionadas cerca de esa zona crítica. Un instrumento portátil de dos canales como el Balanset-1A mide la amplitud y la fase 1× necesarias para el equilibrado en un solo plano y en dos planos, y esos mismos acelerómetros pueden registrar el decaimiento de una prueba de impacto para verificar que la frecuencia natural de un pedestal o una placa base no coincida con la velocidad de funcionamiento. En resumen, la prueba de impacto es una forma sencilla pero eficaz de cartografiar las frecuencias naturales y las resonancias estructurales con nada más que un martillo y un analizador: una herramienta de resolución de problemas esencial para diagnosticar la resonancia, validar modificaciones y realizar estudios modales rápidos sin necesidad de equipos de prueba especializados.
