Comprensión de los ensayos de impacto
Pruebas de impacto —también conocido como ensayo de impulso o análisis modal por impacto— es un pruebas modales técnica que utiliza un martillo de impacto equipado con sensores para aplicar impulsos de fuerza de banda ancha a una estructura, al tiempo que se mide la respuesta resultante vibración respuesta con acelerómetros. A partir de las señales de fuerza y respuesta, calcula funciones de respuesta en frecuencia (FRF) que muestran cómo responde la estructura a cada frecuencia, revelando su frecuencias naturales, formas modales, y mojadura ratios: la información necesaria para comprender el comportamiento dinámico y diagnosticar resonancia problemas.
Los ensayos de impacto constituyen la alternativa práctica sobre el terreno a los ensayos modales con vibrador, ya que proporcionan información similar sin necesidad de los pesados y costosos vibradores electromagnéticos ni de los complejos dispositivos de fijación que requieren estos últimos. Se utilizan ampliamente para la resolución de problemas de resonancia, la validación de modificaciones estructurales y la correlación de modelos de elementos finitos en trabajos relacionados con la maquinaria y la dinámica estructural. Están estrechamente relacionados con el método más sencillo prueba de impacto, que utiliza el mismo principio de impulso para determinar una única frecuencia natural.
1. El principio subyacente
El método se basa en un hecho sencillo: un impacto breve y brusco excita una amplia banda de frecuencias al mismo tiempo. Un golpe de martillo que dura solo uno o dos milisegundos contiene energía distribuida de forma bastante uniforme a lo largo de un amplio rango de frecuencias, por lo que hace vibrar todos los modos dentro de ese rango simultáneamente. Al medir tanto la fuerza de entrada como la respuesta de salida y dividir una por la otra en el dominio de la frecuencia, la prueba aísla el comportamiento propio de la estructura del golpe concreto que se ha asestado; el resultado, la FRF, es una propiedad exclusiva de la estructura y es independiente de la fuerza con la que se golpee.
2. Equipamiento
Martillo de impacto instrumentado
- Transductor de fuerza: Un sensor piezoeléctrico situado en la cabeza del martillo mide la fuerza del impacto.
- Hammer mass: 0,1–5 kg, que se selecciona en función del tamaño de la estructura y del rango de frecuencias de interés.
- Puntas intercambiables: dura (acero), media (plástico) y blanda (goma).
- Salida: una señal de fuerza sincronizada con la medición de la respuesta.
- Typical cost: aproximadamente 500–3000 $.
Sensores de respuesta
- Acelerómetros colocados en los puntos de interés.
- Ya sea un solo acelerómetro móvil o varios sensores fijos.
- Un rango de frecuencias que se adapta perfectamente a los requisitos de la prueba.
Adquisición de datos
- Como mínimo, dos canales: fuerza y respuesta.
- Es fundamental realizar un muestreo simultáneo de esos canales.
- Un FFT un analizador o un programa específico de análisis modal.
- Cálculo de la función de transferencia y el coherencia.
3. Procedimiento de ensayo
FRF de un solo punto
- Instale el acelerómetro en el punto de respuesta.
- Seleccione la punta del martillo para adaptarse a la estructura y al rango de frecuencias deseado.
- Golpee la estructura con un golpe firme y rápido en el punto de excitación.
- Registre los datos — señales de fuerza y respuesta a la vez.
- Calcular la respuesta en frecuencia (FRF): H(f) = Respuesta(f) / Fuerza(f).
- Average repitiéndolo entre 3 y 10 veces y calculando la media de las FRF.
- Verifique la coherencia para verificar la calidad de los datos (coherencia > 0,9).
Pruebas de múltiples puntos
- Martillo roveante: golpear muchos puntos sin mover el acelerómetro.
- Acelerómetro móvil: golpear un punto fijo mientras se mueve el acelerómetro.
- Resultado: Los FRF de múltiples ubicaciones revelan el formas modales.
- Grid testing: Una cuadrícula sistemática de puntos permite obtener un levantamiento estructural completo.
4. Elección de la punta del martillo
Efecto sobre el contenido de frecuencia
- Punta dura (acero): Impacto de corta duración, contenido de alta frecuencia, adecuado para estructuras rígidas y altas frecuencias (hasta 10+ kHz).
- Punta mediana (nailon/Delrin): Duración moderada, espectro equilibrado, uso general (hasta 2-5 kHz)
- Punta blanda (de goma): Duración prolongada, énfasis en las frecuencias bajas; adecuado para estructuras grandes y flexibles (hasta 500–1000 Hz).
La lógica es la misma que rige el principio subyacente: un contacto más breve y más duro concentra la energía en una banda más amplia y de mayor frecuencia, mientras que un contacto más suave y prolongado la concentra en las frecuencias bajas. Por lo tanto, la punta se elige para dirigir la energía hacia los modos de interés.
Adaptarse a la estructura
- Estructuras ligeras: un martillo pequeño con punta blanda, para evitar daños y resonancias.
- Estructuras pesadas: un martillo grande con una punta más dura, para una excitación adecuada.
- Regla de oro: La estructura debe responder con claridad, pero sin exagerar; lo habitual es una aceleración máxima de entre 1 y 10 g.
5. Calidad de los datos
Buena técnica de impacto
- Un golpe rápido y limpio, sin golpes dobles.
- El martillo se retira inmediatamente, por lo que no permanece en contacto.
- Un golpe perpendicular a la superficie.
- Un punto de impacto constante.
- Un nivel de fuerza adecuado.
Validación de coherencia
- En coherencia Esta función indica la calidad de la medición.
- Una coherencia cercana a 1,0 (> 0,9) indica que los datos son de buena calidad.
- Una baja coherencia indica un impacto deficiente, ruido o no linealidad.
- Descarta los impactos deficientes y repite la prueba.
Un doble impacto es el factor de interferencia más habitual: introduce dos impulsos en la estructura y distorsiona el espectro de entrada, que es precisamente el tipo de error que la coherencia detecta con tanta eficacia; una caída de la coherencia en una frecuencia relevante es una señal para descartar ese promedio y volver a intentarlo.
6. Resultados e interpretación
Función de respuesta de frecuencia
- El gráfico de amplitud muestra la amplificación en función de la frecuencia.
- Los picos indican las frecuencias naturales y las resonancias.
- La altura del pico refleja el factor de amplificación, que está inversamente relacionado con la amortiguación.
- En fase El gráfico muestra el desfase de 180° en cada resonancia.
Identificación de frecuencias naturales
- Enumera todos los picos de la FRF.
- El primer modo suele ser el pico de menor frecuencia.
- Los modos superiores se sitúan en frecuencias más altas.
- Compáralas con las frecuencias de funcionamiento para comprobar si hay interferencias.
Determinación de las formas modales
- Obtenido a partir de pruebas en múltiples puntos.
- Las amplitudes relativas de respuesta en resonancia definen el patrón de deflexión.
- El software puede animar la forma.
- Esto identifica el nodes y los antinodos de cada modo.
7. Aplicaciones en la resolución de averías de maquinaria
Estudio de la resonancia del bastidor
- Golpea el bastidor de un motor o un ventilador.
- Identify the frecuencias naturales del bastidor.
- Compárelos con blade-passing y las frecuencias electromagnéticas de los motores.
- Si se encuentra una coincidencia, el problema es la resonancia.
Pruebas de cimentación
- Golpea la placa base o los cimientos.
- Determina sus frecuencias naturales.
- Compruebe la idoneidad rigidez y separación de frecuencias.
Comparaciones antes/después
- Prueba antes de realizar una modificación estructural.
- Vuelve a realizar la prueba después —tras un endurecimiento, un aumento de la amortiguación o cambios en la masa—.
- Comprueba si la modificación ha tenido el efecto deseado.
- Cuantifica la mejora.
8. Ensayos de impacto sobre el terreno
Dado que solo requiere un martillo equipado con sensores y un analizador de dos canales, los ensayos de impacto encajan perfectamente en la caja de herramientas de un ingeniero de campo, junto con las tareas habituales de vibración. Cuando una máquina presenta altos velocidad de marcha vibración, la primera pregunta suele ser si la causa es una fuerza como desequilibrar o una resonancia estructural que amplifica una fuerza normal. Un analizador portátil como el Balanset-1A se utiliza para medir y, cuando la causa es un desequilibrio, corregirlo mediante equilibrado de campo; una prueba de impacto en el bastidor o los cimientos permite determinar si una vibración residual persistente se ve amplificada por una frecuencia natural cercana, lo que orienta la decisión entre equilibrar el rotor o reforzar la estructura.
Los ensayos de impacto son una técnica de análisis modal práctica y rentable, al alcance de los especialistas en vibraciones que trabajan sobre el terreno. Con tan solo un martillo instrumentado y un analizador de vibraciones, permiten identificar resonancias estructurales, validar modificaciones y proporcionar la caracterización dinámica necesaria para resolver problemas de resonancia y optimizar los diseños estructurales en aplicaciones tanto de maquinaria como de estructuras.
