Utilización de elastómeros de bajo factor de forma

Utilización de elastómeros de bajo factor de forma

 

Los polímeros viscoelásticos o elastómeros se utilizan ampliamente en aplicaciones de control de vibraciones debido a su gran capacidad de amortiguación. Los elastómeros también pueden aislar eficazmente las vibraciones de baja frecuencia al adoptar determinadas formas. El factor de forma es el término de arte utilizado para cuantificar el rendimiento de aislamiento de una forma determinada de elastómero. La implicación es que cuanto menor sea el factor de forma, menor será la frecuencia de resonancia potencial. Una frecuencia de resonancia baja suele dar lugar a un amplio ancho de banda de aislamiento de las vibraciones. Esto se debe al aislamiento de las frecuencias de vibración por encima de la frecuencia de resonancia.

 

Para las formas más comunes, el factor de forma se define generalmente como:

Factor de forma =
Superficie media cargada
Superficie abultada

La superficie media cargada es la media de las superficies superior e inferior que soportan la carga útil. La superficie de abombamiento es la superficie libre para abombarse perpendicularmente a la carga.

 

La estabilidad de un elastómero puede verse comprometida por debajo de un determinado factor de forma a medida que el material se hace cada vez más alto y estrecho. Algunos fabricantes de elastómeros recomiendan mantenerse por encima de un factor de forma de 0,3 para evitar el pandeo, un problema que puede hacer que el equipo apoyado se vuelque.

 

Al diseñar el ViscoRing™ elastómero utilizado en los Carbide Base pies, se planificó un factor de forma de 0,17. Esto se eligió para hacer que la frecuencia de resonancia fuera lo suficientemente baja como para que las frecuencias audibles más bajas pudieran aislarse de forma efectiva.

Mejorar la estabilidad

Se realizó un experimento para comprobar la capacidad de la ViscoRing™ para soportar verticalmente una carga y evitar el pandeo. El experimento consistió en aplicar gradualmente peso y medir la deformación vertical del material. Se aplicaron pesos sobre el medio ViscoRing™ en incrementos de 1,13 kg (2,5 lbs) en un ambiente a temperatura ambiente. La distancia de deformación vertical se trazó en la forma de la curva de tensión-deformación mostrada. El eje y representa la tensión o peso aplicado, y el eje x representa la tensión o deformación vertical causada por la aplicación del peso.

La curva roja muestra el ViscoRing™ solo sin carcasa. Se puede observar que poco después de la aplicación inicial del peso, el material comenzó a combarse y a deformarse considerablemente bajo la carga. El material soportó mal incluso una masa pequeña, lo que era de esperar dado el factor de forma extremadamente bajo.

 

Para mejorar la estabilidad del ViscoRing™, se diseñó un alojamiento para él dentro de la parte superior del Carbide Base pie de página como se muestra en el gráfico simplificado anterior. Se añadieron crestas a intervalos espaciados alrededor del perímetro del ViscoRing™ para apuntalarlo y evitar el pandeo. Los rebordes se espaciaron a distintas distancias del exterior del ViscoRing™. Esto liberó una superficie sustancial para abombarse hacia el exterior, preservando así gran parte de la ventaja de rendimiento del bajo factor de forma.

 

A medida que la ViscoRing™ se abombaba hacia el exterior, un porcentaje progresivamente mayor de la superficie abombada entraba en contacto con las crestas inclinadas. Este aumento del factor de forma con un incremento de la masa de la carga útil proporcionó una frecuencia de resonancia más coherente en una gama más amplia de masas de carga útil. En otras palabras, el rendimiento de aislamiento del Carbide Base pie de apoyo se hizo más constante en función de los distintos pesos de la carga útil con este diseño de factor de forma progresivo.

 

La curva azul muestra el mismo ViscoRing™ colocado en el alojamiento de la parte superior del Carbide Base pie de página. Se observó un aumento relativamente lineal de la deformación vertical con la aplicación de peso. El material no se doblaba como estaba previsto. La rigidez del material acaba por aumentar gradualmente con el incremento de la tensión a medida que se arriostra una mayor parte de la superficie sin carga. Esto aumentó deseablemente la capacidad máxima de soporte de peso del material.

 

Los elastómeros no pueden comprimirse en un volumen menor. Por lo tanto, hay que dejar que los elastómeros se abulten hacia fuera para que se deformen bajo una carga. La ViscoRing™ con refuerzo selectivo no mostró un aumento repentino de la pendiente o la rigidez, como habría ocurrido si se hubiera impedido que el material siguiera abombándose. Una baja rigidez o índice de elasticidad es importante para lograr una baja frecuencia de resonancia con un sistema muelle-masa como éste.

Mejorar el aislamiento horizontal

Una vez que se logró utilizar un elastómero de bajo factor de forma para el aislamiento vertical, se deseaba obtener beneficios similares para el aislamiento horizontal. Se incorporaron elastómeros de bajo factor de forma orientados horizontalmente junto con rodamientos de bolas para mejorar aún más el rendimiento del aislamiento horizontal.

 

La utilización de rodamientos de bolas para proporcionar aislamiento horizontal es un concepto bien conocido. Muchos diseños interponen rodamientos de bolas entre pistas de rodadura curvadas[1].

 

El diseño ideado para la parte inferior de los Carbide Base zapatas era diferente, ya que las pistas de rodadura de los cojinetes eran planas en lugar de curvas. Los elastómeros orientados horizontalmente actuaban como muelles altamente amortiguados que mantenían el dispositivo centrado en respuesta a las vibraciones. Para minimizar la deformación y la resistencia a la rodadura, se eligió el óxido de circonio para los cojinetes y el acero para muelles endurecido y pulido para las pistas de rodadura de los cojinetes.

Pruebas de vibración

Medición del aislamiento horizontal

Para evaluar la mejora del aislamiento horizontal se realizó otro experimento. El objetivo del experimento era cuantificar la mejora que suponía la adición de los rodamientos de bolas y los elastómeros orientados horizontalmente para el aislamiento horizontal.

 

Se utilizó una mesa vibratoria electromagnética para generar vibraciones para el experimento. La mesa se controlaba digitalmente mediante una pantalla táctil y diales conectados a unidades de frecuencia variable (VFD). Se utilizaron para modular con precisión la amplitud y la frecuencia de vibración de la superficie de la mesa.

 

Cuatro Carbide Base pies con el medio ViscoRings™ instalado se colocaron encima de la mesa de vibración. A continuación, se atornilló una placa de aluminio lastrada con una masa total de aproximadamente 45 kg (100 libras) sobre los pies de página. Se utilizaron dos sensores acelerómetros ACH-01 de Measurement Specialties para medir las vibraciones. El primer sensor se fijó con cinta adhesiva de doble cara al borde delantero de la mesa de vibración. El segundo sensor se fijó de forma similar al borde delantero de la placa de aluminio. La salida de ambos sensores se registró para determinar la aceleración que experimentaban la mesa y la placa de aluminio.

Graficar el aislamiento horizontal

La frecuencia de vibración hacia adelante y hacia atrás (eje Y) se ajustó en incrementos de 10 Hz desde 10 Hz hasta 300 Hz. La salida de tensión de ambos sensores se trazó en cada intervalo. La amplitud de la mesa se ajustó para garantizar que la mesa oscilara sinusoidalmente con una aceleración de aproximadamente 4 m/s2.

 

Restando la salida de los sensores se obtuvo la transmisión de vibraciones a través de los Carbide Base pies de página. Los valores positivos indican una amplificación de las vibraciones a través del dispositivo. Esto era de esperar en las frecuencias de vibración alrededor de la frecuencia de resonancia del dispositivo. Los valores negativos indican una reducción de las vibraciones generadas por la mesa. Es decir, un aislamiento de las vibraciones que se deseaba. Cuanto más negativo sea el valor, mayor será el aislamiento.

 

La línea roja muestra las mediciones tomadas con los Carbide Base rodamientos de bolas y los elastómeros orientados horizontalmente. Sólo el elastómero ViscoRing™ proporcionaba aislamiento. La línea azul muestra las mediciones realizadas con los rodamientos y los elastómeros horizontales colocados. La incorporación de rodamientos de bolas y elastómeros horizontales mejoró sustancialmente el rendimiento del aislamiento horizontal. La reducción de la amplitud de las vibraciones fue especialmente pronunciada en torno a la frecuencia de resonancia, lo que indica un mayor nivel de amortiguación.

Conclusión

Se incorporaron varias características de diseño en los Carbide Base pies para utilizar de forma fiable elastómeros de bajo factor de forma para el aislamiento de las vibraciones. Los elastómeros formados en factores de forma que antes se consideraban demasiado inestables se hicieron suficientemente estables con una carcasa especialmente diseñada. La combinación adicional de rodamientos y elastómeros orientados horizontalmente mejoró aún más el aislamiento horizontal. Estas novedosas características se incorporaron posteriormente a una patente pendiente.

Referencias

[1] Kemeny, Zoltan A. “Filtro mecánico de señales”. US 6520283 B2, Oficina de Patentes y Marcas de los Estados Unidos, 18 de febrero de 2003. Patentes de Google, https://patents.google.com/patent/US6520283B2