MEDIDOR DE VIBRACIONES

(Permite ajustar hélices de avión y rotores de helicópteros y autogiros)

 

MEDIR VIBRACIONES: Medir las vibraciones ha sido siempre una árdua taréa.

La alternativa de trabajar a “Ojímetro” solo tiene como contrapartida el uso de registradores gráficos basados otrora en cilindros giratorios con negro de humo, hasta los sistemas con acelerómetros escalares y vectoriales en los dispositivos más elaborados de hoy día.

Las vibraciones se miden mediante un acelerómetro, que es un dispositivo que genera una tensión eléctrica proporcional al grado de vibración. Usualmente el acelerómetro responde a la vibración proveniente de un determinado eje.

Si necesitamos analizar las vibraciones en más de un eje debemos emplear un montaje con acelerómetros individuales para cada eje.

A veces se sincroniza la lectura del instrumento con el giro de la pieza a medir (Hélice o rotor) mediante un sensor de giro activado por una marca visible o un imán, según se trate de sicronización óptica o magnética. Esto nos permite saber de que parte del cuadrante de 360° de la rotación, se debe ajustar el peso para equilibrar el sistema y conforma lo que se llama un “Analizador de vibración”.

El mecánico empléa algo similar para balancear las ruedas de nuestro automovil con un acelerómetro y una lúz estroboscópica. Un montaje parecido se usó por años en algunos helicópteros.

Las vibraciones se miden en centímetros por segundo (Cm/Seg).

ES IMPORTANTE REDUCIR LA VIBRACIÓN: Es muy importante reducir las vibraciones. En un programa de la marina de los EEUU, se trabajó sobre un lote de aviones Orión P3 (De caza antisubmarina y estudios atmosféricos) para bajar las vibraciones procedentes de las hélices en un 30% y se redujeron a la mitad los plazos de fallas de instrumentos y tanques de combustible, y cinco veces menos fallas en los equipos de aviónica!!!

Un aficionado a la aviación experimental, no puede gastar dinero en aparatos de medición de esta índole, por poco que los pague.

Usualmente se tolera un determinado grado de vibración en cualquier aeronave, pero a partir de cierto nivel se vuelve imperativo trabajar sobre este tema para que las cosas no se rompan espontaneamente.

Los que volamos en autogiro, sabemos de vibraciones porque nos vibra la hélice y también el rotor.

A veces retocando los ajustes del rotor o el balancéo de la hélice, se llega a niveles de vibración más que tolerables, pero a partir de determinado momento, es muy dificil notar con el culo si las vibraciones se redujeron efectivamente.

QUE PODEMOS HACER: Lo que nos hace falta es un instrumento que indique en unidades relativas el nivel de la vibración para ver si los ajustes nos llevan por buen camino.

Este instrumento tiene que ser verdaderamente económico y tan fácil de fabricar que cualquier aficionado con mínimos conocimientos lo pueda hacer.

Para diseñar este medidor, partí del fenómeno físico llamado Piezoelectricidad.

El efecto piezoeléctrico se produce cuando doblegamos, torcemos o golpeamos una pieza de piedra o cerámica y se producen minúsculas cargas eléctricas que pueden ser levantadas de la superficie del material por medio de contactos metalizados en ambas caras.

Lo opuesto, que consiste en aplicar una carga eléctrica a las caras metalizadas de un sustrato cerámico para hacerlo vibrar, se llama Piezomotricidad.

Cualquier piedra dura (Granito, canto rodado, etc) o material cerámico duro, es un generador piezoeléctrico, pero algunos materiales han sido optimizados para generar elevadas cargas. El encendedor de gas Magiclik, utiliza pastillas de una cerámica llamada Titanato de Bario (BaTi).

El sonido que emiten relojes, calculadoras y otros adminículos bochincheros, se genera a partir de un sustrato de cerámica BaTi metalizada por un lado y pegada por el otro a una membrana metálica. Los pulsos elécticos aplicados a las caras determinan la vibración de la membrana y por ende el sonido.

 


FOTO 1: Varios buzzer cerámicos adecuados para fabricar el acelerómetro.

 

FABRICANDO UN ACELERÓMETRO PIEZOELÉCTRICO: El nombre parece hecho para aterrorizar a las tías, pero hacerlo es muy fácil.

Lo mejor es comprar en una casa de electrónica un repuesto de buzzer cerámico del tipo llamado “Sin oscilador”, ya que no necesitamos el oscilador que le aplica los pulsos a la lengueta cerámica para hacerla sonar.

El buzzer es muy barato y podemos comprar varios de diferentes medidas para experimentar o regalarlos a nuestros amigos. También los vamos a encontrar desarmando aparatos viejos.

Obtenido el buzzer procedemos a destriparlo, para sacar la membrana que tiene adherida la lengueta cerámica metalizada en una de sus caras.

En la foto 1 se ven varios buzzer . Los grandes se prestan mejor para evaluar la vibración de baja frecuencia del rotor del helicóptero o autogiro (Unos 4 a 8 Hz) y los chicos se deberán usar para controlar las vibraciones de mayor frecuencia que tienen las hélices (Aproximádamente unos 40 a 60 Hz).

Algunos buzzer tienen unos cablecitos diréctamente soldados a sus caras y otros van encerrados en una cajita con resortes que hacen contacto con la cara metalizada.

La membrana de metal que está adherida al sustrato de cerámica, es uno de los contactos que vamos a conectar a la malla del cable coaxil.

 


Foto 2: Uno de los buzzer destripado. El islote pequeño no se utiliza en nuestra aplicación.

El sustrato de cerámica a veces no está totalmente metalizado, sinó que tiene islotes separados, unidos a cables diferentes (Son derivaciones de señal para realimentar el oscilador, que no necesitamos), nosotros elegimos el sector más grande para tomar la señal desde el conductor interno del cable.

En la foto 3 se puede ver una chapita metálica sacada de uno de los buzzer de la foto 1, al que se le estañaron los puntos de contacto. La chapita va a ir luego conectada a la malla del cable blindado del tipo que se usa para micrófono y el vivo de dicho cable va soldado a la cara metalizada de la cerámica.


Foto 3: Los puntos de conexión en la chapita del buzzer y en la cerámica metalizada, se ven aquí estañados.

Pobando con dos cablecitos conectados a esa chapita, se desarrolló una tensión de casi 200 mV (0,2 Volts) de corriente alternada apenas tocado el borde de la misma. Estas tensiones son perfectamente medibles mediante un tester digital de los que se usan en el taller (También llamado VOM).

  EL TESTER : Salvo que Usted se dedique a la electrónica, es muy poco probable que tenga un tester , pero no va a durar mucho sin uno; así que vaya pensando en comprarlo.

Los tester más pedorros, no miden tensiones alternas bajas. Casi todos arrancan en 200 Volts, ya que el chino que los fabricó pensó que Usted solo lo iba a usar para medir el voltaje de la línea eléctrica.

Un escalón -y unos pesitos- más arriba, ya hay testers que miden AC 200 mV (Corriente Alterna 200 mV a plena escala). Este es el tester que debe adquirir.

Algunos testers incorporan una entrada para una termocupla que es muy útil para medir temperaturas. Otros tienen una salida para PC, que nos permite almacenar las lecturas en una computadora.

Bajo ninguna circunstancia pague un centavo de más por un tester que prueba transistores, ya que no lo va a necesitar y complica mucho la lectura de las escalas.

 

MONTANDO EL ACELERÓMETRO: La mejor señal se obtiene cuando la cerámica se dobla. Para lograr esta forma de flexión se debe soportar la chapita por uno de sus extremos y aplicar un contrapeso en el otro, tal cual muestra la foto 4. El alambrecito que se ve abajo es la conexión a la cara metalizada de la cerámica, que luego irá al conductor central del cable blindado.

Como la chapita sobrepasa por los bordes al sustrato de cerámica, es fácil doblar el borde un par de milímetros y soldarlo con estaño sobre un pedacito de metal o de pertináx cobreado. La cerámica queda mirando hacia el interior del sandwich, lo que ayuda a blindarla contra la interferencia eléctrica, ya que es un circuito de impedancia elevada (10 Megohms en paralelo con 10 a 40 nF) muy vulnerable a los ruidos eléctricos de línea de 220 VAC y encendido.

 

 


Foto 4: La chapita doblada y soldada sobre un pedacito de pertináx cobreado por uno de sus bordes. La cerámica queda hacia abajo, dentro de un sandwich metálico que la aisla del ruido eléctrico. En el extremo opuesto hay un pequeño contrapeso de plomo.

En la foto 5 se puede ver el conjunto, perdido entre mis dedos, que parecen chorizos. Aún así, se puede ver que el borde de la chapita fué soldado a la pieza de pertináx cobreado; que sale un cablecito de la cara metalizada de la cerámica y que en el extremo opuesto hay un contrapeso de 6mm de diámetro y 2 mm de espesor, de plomo.

La flexión de la membrana y subsecuentemente de la cerámica, genera una tensión de casi 200 mV AC apenas se la toca o hace vibrar.

El acelerómetro es sensible al eje que atraviesa perpendicularmente el disco de cerámica .

 


Foto 5: La chapita soldada y con el contrapeso aplicado, se ve de perfil entre los deditos de King Kong. La vibración que capta el acelerómetro, es la que doblega al disco de cerámica de arriba a abajo por efecto del contrapeso.

 

LISTO PARA PONER EN CAJA: Ahora que tiene Usted armado el instrumento científico, querrá que luzca como un acelerómetro.

Para poner en caja el aparatito, primero debe conseguir una cajita adecuada. Si la cajita es metálica mejor, porque la puede conectar a la malla del cable y va a proteger al instrumento de las interferencias de encendido.

Trate de obtener algo que tenga una oreja de soporte o un agujero que asegure un montaje repetible, porque las lecturas son también repetibles y Usted va a querer hacerlas cada tanto para verificar que todo anda bien.

Tenga en cuenta que la vibración que va a medir, será en sentido perpendicular al disco de cerámica, debido a la torsión que generará el contrapeso de plomo sobre el extremo libre del disco.

El conjunto puede ir pegado dentro de la cajita con adhesivo, como se ve en la fotografia 6.

 


Foto 6: El conjunto montado dentro de la cajita, pegado con “Un adhesivo epoxídico especial” como dijo un chanta que me arregló una hélice.

El disquito de plomo del contrapeso, se ve claramente opuesto al cable.

 

TOQUES FINALES: El acelerómetro (Ahora, ya ES un acelerómetro) debe ir conectado con un cable blindado fino, del tipo que se usa en los micrófonos.

El conductor central se une a la cara metalizada de la cerámica y la malla de blindaje a la chapita y -si fuera metálica- a la caja.

No es conveniente que este cable sea muy largo, porque la capacidad distribuida le va a quitar respuesta a las frecuencias altas, pese a que la cerámica ya tiene una elevada capacidad (10 a 40 nF según el tamaño de las muestras de foto 1) debido a la elevada constante dieléctrica de las cerámicas de Titanato de Bario.

 

COMO SE USA: Para instalar el acelerómetro, debe elegir una ubicación solidaria al motor o la reductora de la hélice si va a medir la vibración de la misma o del cabezal del rotor, si va a balancear las palas del mismo.

La hélice al girar determina vibraciones radiales por desbalancéo y axiales por falta de tracking o porque una pala tiene distinto paso.

Lo que usted va a hacer es ponerle un número arbitrario a esas vibraciones.

Primero debe ubicar el lugar de instalación y el método de montaje. Puede ser un encastre quita y pón con un resorte, tornillo, mariposa, etc. Lo que es muy importante, es que se pueda quitar y volver a colocar siempre en el mismo lugar para que las lecturas sirvan de referencia futura.


Foto 8: El acelerómetro terminado, listo para instalar.

  Para balancear una hélice, yo pongo el acelerómetro solidario contra el block del motor a un costado (El éje se bamboléa cuando la hélice está desbalanceada) de modo que la vibración que voy a medir séa perpendicular al disco del sensor.

Pongo el motor a una marcha intermedia, que no implique castigo emocional ni peligro para los curiosos y anoto la medición.

Antes de anotar la medición, compruebo que el acelerómetro esté trabajando dentro de su rango de linealidad, acelerando un poco el motor y verificando que también lo haga la correspondiente lectura del tester.

Si el acelerómetro que Usted hizo es muy sensible, podría ocurrir que lo esté trabajando a saturación con la vibración presente y que un ulterior aumento de vibración no lo haga responder. En dicho caso, es mejor sacar un poquito de contrapeso o amortiguar con pegamento los bordes de la chapita metálica para que no vibre tanto.

Otro truco es montar el acelerómetro sobre algo elástico (Un trozo de goma, por ejemplo), aunque se podría malograr la repetibilidad de la lectura.

Luego, de la primera lectura, pongo un poquitín de masilla dentro del disco del cono de la hélice (Si no hay cono de hélice, una arandelita debajo de uno de los tornillos), vuelvo a poner el motor en marcha en el mismo régimen y anoto la lectura.

Si mejoró (Bajó la lectura porque hay menos vibración), añado otro poco de peso hasta que se revierte la tendencia. Luego desplazo el peso un poco para cada costado hasta que mejora la lectura y vuelvo a retocar el peso para abajo o para arriba hasta que logro mejorar la cifra.

Salvo que su avión sea una seda, le aseguro que en media docena de intentos va a reducir la vibración entre un 30 y un 50%.

El Autor:


Edgardo Maffía, es socio de la EAA y tiene su hangar en el aerodromo Idelfonso Durana, donde ocasionalmente vuela con su autogiro.

Cualquier interrogante respecto a este trabajo, puede ser consultado a su e-mail maffia@ieee.org y será gustósamente respondido.

Sus instrumentos, su dentadura y su avión en general, van a estar mejor a partir de ahora.

 

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