Utilización de elastómeros de bajo factor de forma

Utilización de elastómeros de bajo factor de forma

Los polímeros o elastómeros viscoelásticos se utilizan ampliamente en aplicaciones de control de vibraciones debido a su alto nivel de amortiguación inherente. 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. 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 de página, 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 del ViscoRing™ para soportar verticalmente una carga y evitar el pandeo. El experimento consistía en aplicar gradualmente una masa y medir la deformación vertical del material. Se aplicaron pesos en la parte superior del Medium ViscoRing™ en incrementos de 1,13 kg (2,5 libras) en un entorno de 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 cantidad de masa aplicada, y el eje x representa la tensión o deformación vertical causada por la aplicación de la masa.

La curva roja muestra el ViscoRing™ solo sin carcasa. Se puede observar que poco después de la aplicación inicial de la masa, el material comenzó a doblarse y a deformarse considerablemente bajo la carga. El material no soportaba bien ni siquiera una pequeña masa, lo que era de esperar dado su bajísimo factor de forma.

 

Para mejorar la estabilidad del ViscoRing™, se diseñó un alojamiento para éste dentro de la parte superior del Carbide Base pie de página como se muestra en el gráfico simplificado. Se añadieron crestas a intervalos espaciados alrededor del perímetro del ViscoRing™ para reforzarlo y evitar el pandeo. Las crestas estaban separadas para que la superficie quedara libre para abultarse entre ellas, preservando así las ventajas del bajo factor de forma.

 

A medida que el ViscoRing™ se abultaba hacia fuera, un porcentaje progresivamente mayor de la superficie de abultamiento entraba en contacto con las crestas inclinadas. Este factor de forma creciente con un aumento de la masa dio una frecuencia de resonancia más consistente a través de una gama más amplia de masas de carga. El rendimiento de aislamiento del Carbide Base pie de página se hizo más constante a través de las diferentes masas de apoyo.

 

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 o de la deformación vertical con una aplicación de tensión o de masa. El material no se doblaba como estaba previsto.

 

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. El 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 abultándose. Esto es importante, ya que se necesita una baja rigidez o tasa de resorte para lograr una baja frecuencia de resonancia.

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 rodamiento curvadas. Las superficies de apoyo curvas de otros diseños mantienen los rodamientos centrados. También permiten desviar la trayectoria de transmisión de la vibración, ya que las pistas superior e inferior se desplazan horizontalmente una respecto de la otra. Esta evasión de la ruta de transmisión proporciona un aislamiento horizontal[1].

 

El diseño ideado para la parte inferior de Carbide Base pies era diferente, ya que los rodamientos rodaban sobre pistas 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 circonio para los cojinetes y el acero templado pulido para los anillos de rodadura. El aislamiento horizontal se consiguió con un nivel de amortiguación superior al de los diseños anteriores.

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 Medium ViscoRings™ instalados 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. Cada sensor se conectó a su propio amplificador de sensor de vibración calibrado, que a su vez alimentaba su propio multímetro de sobremesa. Las lecturasVRMS de cada multímetro se utilizaron para determinar por separado la aceleración experimentada por la mesa y la placa de aluminio con 1 mVRMS = 1 m/s2 de aceleración.

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. Los valores deVRMS de ambos sensores se trazaron en cada intervalo. La amplitud de la mesa se ajustó para asegurar que la mesa oscilara sinusoidalmente con una aceleración de aproximadamente 4 m/s2.

 

Restando la salida del sensor de la placa por la salida del sensor de la mesa 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 medidas tomadas con los Carbide Base pies de página sin los rodamientos de bolas y los elastómeros orientados horizontalmente. Sólo se utilizaba el elastómero ViscoRing™ para el aislamiento horizontal. 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 para utilizar de forma fiable elastómeros de bajo factor de forma con el fin de aislar las vibraciones de baja frecuencia. Los elastómeros formados en factores de forma que antes se consideraban demasiado inestables se hicieron suficientemente estables con una carcasa adecuadamente 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