algunas técnicas experimentales de evaluación de máquinas

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Page 1: Algunas técnicas experimentales de evaluación de máquinas

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Page 2: Algunas técnicas experimentales de evaluación de máquinas

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Page 3: Algunas técnicas experimentales de evaluación de máquinas

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Page 4: Algunas técnicas experimentales de evaluación de máquinas

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Page 5: Algunas técnicas experimentales de evaluación de máquinas

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Page 6: Algunas técnicas experimentales de evaluación de máquinas

TABIA DE CONTENIDO

RESI.'MEN

INTRODUCCION

1. EIASTICIDAD BASICA

1.1 INTRODUCCION

L.2 DEFINICIONES

L-2-L Esfuerzo.

t.2-Z Deformacion

2. ALGUNAS TECNICAS EXPERIMENTALES DE MEDICION DE

DEFOR},ÍACIONES.

2.T INTRODUCCION

2.2 TTPOS DE MEDIDORES DE DEFORMACION

2.2-t Introducción2-2-2- Medidor de Deformación por Inductancia

2-2-3 Medidoree de Deformación E1éetrieos

2.2-4 Medidores de Deformaeión Acústicos

2.3 PROPIEDADES DE LOS MEDIDORES DE DEFOR}CACION

2.4 MEDIDORES DE DEFORHACION POR RESISTENCIA ELECTRICA

2-4-t Introducción

2.4-Z Principio de Funcionamiento de Ios medidoree deDeformación Eléctrica

2.4.3 Circuitos Eléctricoe para medidoree de deformación

1

3

3

3

3

4

6

6

II

10

10

11

11

13

13

L4

18

Page 7: Algunas técnicas experimentales de evaluación de máquinas

2 -4.3. 1 Cireuito del potenciómetro

2 -4-3-2 Circuito puente Vüheatstone

2.5 STRAIN GAGES CON ANILTOS COLECTORES

2-5-1 Anilloe eolectores y escobillas

2 -5 -Z Circuitos E}éctricos

2.6 TRANSDUCTORES DE FUERZA

2.6-t Introducción

2.6-Z Caracteristicas Generales de los Transductoresde Fuerza

2,9.3 Transductoree de Torque

2 -7 ORIENTACION DEL },TEDIDDOR DE DEFORMACION

Z.B SELECCION DEL MEDIDOR DE DEFORMACION

2.8.t Parámetros en Ia selección del medidor

LOS

19

23

25

26

32

35

35

36

3B

39

42

44

44

45

47

50

52

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55

56

58

59

60

64

2-8.L-L Aleación seneitiva a deformación

2-8-L-Z Autocompensaeión de Temperatura

2.8.1.3 Material baee

2.8-1.4 Longitud del medidor

2.8-Z Proceso de Selección

2.9 PREPARACION DE I,A SUPERFICIE DONDE VANMEDIDORES DE DEFORMACION

2-9-1 Desengrasado eon solvente

2.9-Z Raepado de }a Superficie

2.9-3 Lineas indicativas de posición de loe

2-9-4 Acondicionamiento de Ia euperflcle

2.9.5 Neutralización

?. 10 INSTAI,ACION DEL MEDIDOR DE DEFORMACION

3. ELECTRONICA ELEMENTAL

A PEGARSE

medfdoree

Page 8: Algunas técnicas experimentales de evaluación de máquinas

3.1 INTRODUCCION

3.?, RESISTENCIA

3.2.L Códieo de CoLores de ]as Resistenciae

3-2.2 Resistencia Variable

3.3 CONDENSADOR

3.3.1 Condeneadores Electrolfticos3-3- 1- 1- Condengadoree Electrolíticos de

3.3.1-2 Condensadores electrolfticos de

3.4 FUENTE REGULADORA

3.5 DTODOS EMTSORES DE LUZ (tED)

3-6 VTSUALIZADORES NUMERICOS (DISPIAY)

3.7 CIRCUITOS INTEGRADOS

3.8 VOLTIMETRO

3-B- 1 EI medidor multiple

3-A-Z VoItímetros el-ectrónicos

3.9 OSCILOSCOPIO DE RAYOS CATODICOS

3.10 FOTOTRANSISTORES

3.11 SENSOR OPTICO MEDIANTE FOTOTRANSISTOR

3.T2 RUIDO ELECTRICO

4. MEDICION DE CIERTAS VARIABLES ENHERRAMIENTAS

4.T INTRODUCCION

4.2 MEDICION DE I,A DEFORMACION

4.2,1 Deformación Estática

4.2-]-.L Registro de Ia deformación estátiea

4.2-Z Deformación Dinámica

4-2-2-L Circuitos para deformación dinámica

aluminio.

tántalo

},IAQUINAS

64

65

65

67

68

69

70

7t

7L

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78

79

80

B1

83

83

84

86

86

87

88

Page 9: Algunas técnicas experimentales de evaluación de máquinas

4.2-2-Z Registro de la deformación dinámiea

4.3 MONTAJE ELECTRONICO PARA VEIOCIDAD

4.4 MONTAJE ELECTROMECANICO

4.5 MONTAJE CON STRAIN GAGES

4.5-1 Prueba de calibración dinámica

4-5-Z Prueba de calibración estática

4.5.3 AmpLificador

4.5.3.1 Callbración de la amplificación

5. CONCLUSIONES

6. BIBLIOGRAFIA

ANEXO

90

91

94

99

101

tQ7

L23

t24

LZ7

130

L32

Page 10: Algunas técnicas experimentales de evaluación de máquinas

FIGURA 1

FIGURA 2

FIGURA 3

FIGURA 4

FIGURA 5

FIGURA 6

FIGURA 7

FIGURA 8

FIGURA 9

FIGURA 10

FIGURA 11

FIGURA 12

FIGURA 13

FIGURA L4

FIGURA 15

FIGURA 16

FIGURA T7

LISTA DE FIGURAS

Circuito del potenciómetro

Puente de ltlheatetone

Circuito sinple usado con strain gages encuerpoa rotatorios

Circuito mejorado para usarlo con etrain gagesen cuerpoe rotatorios

Arreglo convenclonal de loe etrain gages en unpuente con cuatro brazoe activos sobre cuerPoarotatorioe

Conexión e inetalación báslca de los etraingages para medir deformaciones torsionales....

Conexlón e inetalación mejorada de ]os etrainEaeea para medir deformaciones toreionaleseliminando efectos de temperatttra, axiales ydeformaciones flectoras

Desengrasado con aerosol pulverizado

Raspado de la euperficie 56

Trazado de loe ejee de refereneia 57

Aplicación del acondicionador 58

Barrido en una eola dirección 59

Remoción del medidor de deformación 60

Alineación de la galga eobre Ia euperficie 61

Despegue de la galga y conector de Ia euperflcie 61

Cubrimiento del medidor e} elemento - 62

Despegue de Ia cinta 62

20

23

33

33

34

40

4L

55

Page 11: Algunas técnicas experimentales de evaluación de máquinas

FIGURA 18

FIGURA 19

FIGURA 20

FIGURA 21

FIGURA 22

FIGURA 23

FIGURA 24

FIGURA 25

FIGURA 26

FIGURA 27

FIGURA 28

FIGURA 29

FIGURA 30

FIGURA 31

FIGURA 32

FIGURA 33

FIGURA 34

FIGURA 35

FIGURA 36

FIGURA 37

Prueba de montaje

Fijaclón del medidor

Poeición de las bandas de celor en el cuerpo deuna resietencia

Resietencia variable

Estructura básica de un condensador el-ectrollticoen aluminio

Repreeentación numérica visual de 7 segmentos

Formae de repreeentación visuales

63

63

66

67

70

73

74

77Medidor multiple

Osciloscopio de rayos catódicos - 79

Diagrana de bloque funclonal de un eistema pararegietrar deformacionee dinámicas puras 89

Diagrama de bloque funcional de un sietema pararegiatrar deformacionee tanto estáticas comodinámicas 90

Montaje electromecánlco. Vista frontal 95

MontaJe electromecánlco. Vieta lateral 96

Calibrador de teneioneg longitudinales porresietencia de un conductor (straln gage)...... 101

MontaJe eon anllloe colectores LO?,

Montaje de anilloe eolectores y escobillas'sobre un eje en un torno ... -.. 1O4

Sistema estacionario para e1 montaie de anilloecolectorea y escobillas 105

Indicador de deformación para e} montaie deanillos colectorea y escobillas lOG

Viga en voladizo empotrada en un extreno ycargada en eL otro 1OB

Puente de Wheatetone para la viga en voladizo- 1OB

Page 12: Algunas técnicas experimentales de evaluación de máquinas

FIGURA 38 VoItaJe por fracclón de wr¡elta 110

FIGURA 39 MontaJe para Ia calibración eetática de Ia vigaen voladlzo Ltz

FIGURA 40 Apllcación de la carga en eI nontaJe de Ia vlgaen voladizo 113

FIGURA 41 Apltcacl-ón de otro sexto de vuelta Para la vigaen voladizo 114

FIGURA 42 Conaideracionets para una viga en voLadizocargada en Eu extremo 115

FIGURA 43 Viga en voladlzo papa evaluación de ladeformación eetática . L?O

FIGURA 44 Conexión del eletema indfcador de deformaciónaI montaJe en voladizo eegtin arreglo empleado-. LZt

FIGURA 45 tectura de Ia deformación eetática (en ¡retrain) L22

Page 13: Algunas técnicas experimentales de evaluación de máquinas

TABLA 1

TABIA 2

TABLA 3

TABI,A 4

TABLA 5

TABLA 6

TABI,A 7

TABI.A 8

TABLA

TABLA

LISTA DE TABLAS

Comparación de anill-os colectorea y materiales delae-eecobillas probadoe en aeco 28

Comparación de anillos colectores y materiales deIae eecobillas probados en aceite 30

Auto compensación de temperatura (s-t-c) paramateriales comunea

Selección de seriea de medidores de deformacióny adheeivoe

Código de colores de lae reeietenciae

Lectura efectuada en horae de }a tarde

Lectura efectuada en horae de Ia noche

Lectura de voltaje por fracción de vuelta sinarrplif icación 109

Leetura de Ia deformación teórica 118

Lectura de Ia deformación por fracción de vueltasin anplificación 119

4g

49

66

97

98

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Page 14: Algunas técnicas experimentales de evaluación de máquinas

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Page 15: Algunas técnicas experimentales de evaluación de máquinas

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Page 16: Algunas técnicas experimentales de evaluación de máquinas

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Page 18: Algunas técnicas experimentales de evaluación de máquinas

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Page 75: Algunas técnicas experimentales de evaluación de máquinas

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Figura i4. Al irreaci'1rr de la galga E*bre la suF'erf irie

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ternrirra.l qu*,Jr*rr ,JeEF*g*.,j,¡s ,Jel el*ni*riL,¡. FaÉar *l er:t r*nr*

i it'r* 'J* ie r inta. FL?''' d*t,a. ju y Ft'Ési':nar E':br* i¡.

EUFÉI f ic ie ':i* i.ai f 'rrnra qLiE É1 n:¡*,di'Jul' qirÉ,JÉ trla.rr'r y Eüll

*L iad'r á. FÉgF.!-' *¡:Flresto t ver f igr-¡ra. i5i.

F i gura 15. f,ieEF,egue 'iÉ i a L¡a lgasL{FÉr'ficie

f 'ltleC L'lf rfÉ la

- {:ilL'rir ¡.i *lsnre'i-rtn y *iLa. capa dei a,ih*siv': ciehe

r*v*s u-{'*1. n¡*did¡r

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f L'r¡"1 É I ¡.'Jh*= i vn .

f i sura 1E,i .

Page 76: Algunas técnicas experimentales de evaluación de máquinas

62

Figura ih. l:r-¡br inrie¡rt': 'J*1 niedi'J'¡t' y Éi elentetrt¡.

Leva.nta.r L¡i-r É]r:trÉrit'r d'= i*. ci¡rta y Funt*'ari.n s':'bre eI

*,jheEiv,r irlit L{¡t *.t-rgui,r ,j* :!:ii E,fgÉl' Hl1 peria.E,f y F'a=a¡"1'¡

riespa.r ir¡ al inea.nd'¡ *]. i¡¡*did'rr I'¡L¡Évar'Jtl'lte E,rbr'e iaE niarEag

it't'iicaliva= *¡r Éi *iei..ret'¡t,:. ii=ar ui'r*. Fre=i'3r'r f r¡erte {'l'l 1*s

,j':,j¡:rg iUár.¡rlrf =* e=fÉ i inrpiai-r'i* i. Ver i igura L7t .

Fiq¡-¿ra. 17 . L)*sp*qr-r* 'Je 1a. riirta

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Page 77: Algunas técnicas experimentales de evaluación de máquinas

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Figura il1. Fr'uet,a 'j* nt':nta je

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L{rra f l¡* i'ga.

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Figr-¡r'a 1S. Fijari'Jn ,j*1 i¡ledi,J*r

Page 78: Algunas técnicas experimentales de evaluación de máquinas

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Page 118: Algunas técnicas experimentales de evaluación de máquinas

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Page 119: Algunas técnicas experimentales de evaluación de máquinas

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Page 120: Algunas técnicas experimentales de evaluación de máquinas

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Page 121: Algunas técnicas experimentales de evaluación de máquinas

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¡lrr:rJr.rcc+ .l.c:r n¡ j.t:irna Ín<nfln:i. tr.rtJ tJrir r+al:i.rJ.i'r pc+r'ür rJ+:.lh:id"r ¿l

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Page 122: Algunas técnicas experimentales de evaluación de máquinas

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Page 123: Algunas técnicas experimentales de evaluación de máquinas

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Page 124: Algunas técnicas experimentales de evaluación de máquinas

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110

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FiEura 58. voltaJe por fracción de vuelta-

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Page 125: Algunas técnicas experimentales de evaluación de máquinas

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Page 126: Algunas técnicas experimentales de evaluación de máquinas

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Page 129: Algunas técnicas experimentales de evaluación de máquinas

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Page 131: Algunas técnicas experimentales de evaluación de máquinas

LL7

al despejar se obtiene:

yr<3*ExID-L-L3 (4.5)

y reemplazando en (4.3) se tiene:

6*(yBEI,zLB)xL t}v *wt3/L2 3yt€,=

ExwtZ

3vt

wt-2*L2 ZLz

E,= ( 4.6)2I,2

Como eI valor de "y" está en función de1 número de wueltas,

entonces:

Para tornillos de d = I mn., norma ISO, roEca ordinaria

(libro de dieeño de elementoe de máquinae tomo I, tabla

4-B jorge caicedo), el Paso (p = 1-25 mn ) -

Luego la ecuación (4.6) quedarfa asl:

E = _:I:I:i:- (4.7)2*L2

de donde:

z = número de vueltas o fracción de vuelta.

p = paso del tornlllo.

de Ia ecuación (4-7 ) se caleuló teórica¡nente eI valor de

e, obteniendo loe eigulentes reeultados por cada

Page 132: Algunas técnicas experimentales de evaluación de máquinas

:[ Lt3

r::.ri*x t$ ( 1../.$ ] tjc+ vutti+,1. t'..:il,'

'1'*¡h.l.a q,, L.s+c{'.ltra dc+ .1.,'r tJc+'f'nrmac:i.d¡n'tc+*r'i. t.':.i¡

IIi t./*, :1./.:1 l:1./::l l::'ll::i i5,r'C¡ 11.l'l{.J ,, rJ q+ vltti+.1. t.¡tii

Iltrl'f' n r nt.,r c :i. f:rt : {),, {X}0/4li : O. {X)+?1. i ü ', ü$J./'l I {} " (}OJ.{3 I # " {}+t':5 i {} "

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Page 133: Algunas técnicas experimentales de evaluación de máquinas

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Page 134: Algunas técnicas experimentales de evaluación de máquinas

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Page 135: Algunas técnicas experimentales de evaluación de máquinas

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l:i'*t:r:¡ r Ii..i. rtt.t1.,::ri''

Page 136: Algunas técnicas experimentales de evaluación de máquinas

L22

Figura {! .Lectura de Ia deformación estática en (pstrain)

Foto: EI Autor

Page 137: Algunas técnicas experimentales de evaluación de máquinas

t23

4.5-B Arrplificador

Partiendo de }a baee de que el obietivo no est Pretender

eliminar e} ruido electrico en su totalidad, sino tratar de

amplificar la pequeñisima seña1 emitida por lae galgas y

poder asi registrarla en un osciloecopio ó un voltimetro,

ee hizo el siguiente arreglo:

En un protoboard ee ubicaron inicialmen|e 2 asrplificadores

operacionaleg; el tM324N y eI LM324DP- Luego ae hizo la

reepectiva conexión eIéctroniea a traves de log eables

anarillo y azul, adenás de ]as ya tradieionaLes roio y.

negro que nos indiean los polos (+) y (-)

respectlvamente(ver clrcuÍto anpllficador en el ANEXO para

mayor comprenglón).

Finalmente Ee ublcaron

3 reeistenciae de 4,7

otra de 18O k.

180G1 = -----= 18 GZ =

10

luego Gt = 18 x 9-2 = 165.6

resiatencias de 5.1 k (5100JtrJ,

(4700 JL ), 1 reeÍstencia de 1Ok Y

= 9.2

3

k

EI valor de anplificación total es igual a:

Gt=Gl*Gzde donde:

47

5.1

Page 138: Algunas técnicas experimentales de evaluación de máquinas

L24

es decir, amplifiea 165,6 vecea.

Por ejemplo a un milivoltio

de:

0.1 * 165,6 = 16;5 V.

Valor que estaria dentro

oaciloscopio, tester digital

equlvaldria una ampliflcación

del rango maneJable Por un

o análogo.

f

Para eI funcionamiento deI circuito a.urplif icador debe

colocarse al protoboard una fuente reguladora; Ia que

se utilizó en este caeo es de 5 voltloe-

4.5.3.1 Calibraclón de Ia anpllficación

La lectura de la deformación a Ia salida de los

amplificadores eE una señal e}éctriea cuya rnagnitud depende

de la defornación a Ia cuaL el medidor ea sometido. La

defornación aparecerá eolamente como una onda o una serie

de ellae en la pantalla de osciloecopio y una de laa formas

de evaluarlaa es atravea de las magnitudes absolutas lae

cuales deben suminietrarse.

Otra tecniea para caLibrar la amplificación consigte en

montar un Strain gage ( o un Par de elloe) eobre una viga

en voladizo. Eete Strain gage eÉ conectado en uno de los

brazos del puente de lrlheatetone y cada vez que el voladlzo

Page 139: Algunas técnicas experimentales de evaluación de máquinas

L25

sufre una deflexión maxima, €I strain gage (que está sobre

Etu baee) Preeentará el cambio correspondiente en su

reeistencia. Este cambio desbalanceará eI Puente y en

e1 osciloeeoplo se obeervará una Puleación de callbración.

Para sacar Ia señal a.urplificada hacia eI oaciloacoPio ó

teeter digital ( como en este cago ) ee deben conectar los

terminalee de eetoe a la sallda del alar¡bre azul y aI

borne negativo (-) de Ia fuente de I voltios

respectivamente .

Es importante resaltar que eI a¡plificador el applifica

Ia eeñal en condicionee estáticas, eI inconveniente

presentado ea que no Ia sostiene a medida que ae. va

incrementando ]a carga, cosa que ei ocurrió en el montaJe

ein amplificar- Eete problema puea, está fuera del alcance

del autor ya que para ello se requiere un análisis

conctenzudo de Ia Parte electrónica para que cgr¡pla eu

obJetivo.

Loe aparatos de medida, aparte de que tienen también Eus

tiempos de respuesta introducen otroe problemaa como son

}a anplificación del- ruido que produce todo el sistema.

Una geñal que teóricamente deberia ger cero puede aParecer

con un valor de copiente alterna que correeponda a ese

ruido. Este fué, efectivamente eI Peor inconveniente con

Page 140: Algunas técnicas experimentales de evaluación de máquinas

L26

eI que tuve que contar en este trabaJo.

Partiendo deI preeente proyecto ee pueden crear inquietudee

cuyo deearrollo exfge nuevos proyectoe complementarios,

como por ejemplo:

El eetudio de vibración total de un equLpo: con éste

eetudio Ee pretenderÍa conocer algo de l-oe efectos

irrponderablee de Ia vibraeión en máquinas, asl como Ia

nedición del desplazamiento relativo entre l-ae Partes del

equipo. El estudio de deflexionee dináml-cas, y eI estudio

de velocidades critlcas toreionalee.

Page 141: Algunas técnicas experimentales de evaluación de máquinas

L27

5. CONCLUSIONES

Para Ia colocación de }os medidores de deformación (strain

gages) deben ubicarse los puntos críticos de deformación

con baee en loe momentoe máximos y minimoe, ya que donde e}

momento erea un mlnimo Ia defornación ee igual a cero.

Para Ia eelección de1 medidor de deformación deben

coneiderarse algUnos parámetros como 1a aleación sensitiva'

autocompensación de temPeratura, material baee, longitud

del nedidor y su reeistencia.

La relación de l-ae lecturas obtenidas y las reePectivas

fuerzae aplicadas dan una respuegta lineal.

Con eI montaje eleetrónico se pueden determinar los rangoet

de velocidad de oPeractón de acuerdo aI rango de deflexión

permlsible.

El contenido de este Proyecto puede ser de gran utilidad en

eetudios de vibracionee totalee en el equipo, deflexionee

dinamicae y velocidadee criticas toreionaleE-

Page 142: Algunas técnicas experimentales de evaluación de máquinas

L28

En u.na medida de laboratorio no se puede obtener r¡na

respuesta excluslva de un diePoeltivo eino Ia comblnaclón

deI sistema involucrado.

Los aparatos de medida, aParte de que tienen también sue

tiempos de reepuesta introducen otros probler¡as co¡¡o Eon

la agplificación del ruido que produee todo eI sistemar eS

aeí como una seiial que teóriear¡ente debe'ría ser cero puede

aparecer con un valor de corriente alterna que copeeponde

a ese ruÍdo.

En cagos muy criticos eI ruido puede "enmascarar"

completamente una medida. En el estudio de estado

estacionario es relativamente facil. flltrar loe ruldoe

indeseables ya que por Io general la medida que se hace eB

muy homogénea, cosa que no ocurre en un estado transitorl-o.

El hecho de haber podido obtener

resultados con una precisión muY

relieve la gran sencillez que

electrónico expueeto.

una gran cantidad de

eatisfaetoria ponen de

presenta eI modelo

Para tratar de eliminar un poco eI ruido eería de gran

utiltdad Eeparar el conJunto eleetrónico de }a parte

rotativa a evaluarse, tal como aconteció con eI registro de

Ia velocidad.

Page 143: Algunas técnicas experimentales de evaluación de máquinas

L?9

En las pruebae realizadaa es imPortante deetacar que eI

valor de la velocidad regietrada en eI Display Preeentó

diferencias de acuerdo a la hora de evaluacíón del sistema.

Eeto debtdo a Ia varlación del voltaJe a determinadas horas

del dia.

La falta de linealidad puede ser motivada por una mala

distrlbución de Ia fuerza en el eistema sensor (nal

poeiclonamiento y montaie de la galga. )

Cualquier carrbio de la temPeratura produce una variaeión

dimensional en Ia galga, eetog efectoe inducen

deeequilibrios en el puente de medida, errores de cero y

de seneibilidad; para evitar estos efectos se añaden aI

puente una eerie de resl-etenciae, Iag cuales compliean au

estructura-

'lr -'

Page 144: Algunas técnicas experimentales de evaluación de máquinas

130

6. BIBLIOGRAFIA

BOYLESTAD ROBERT - NASHELSKY LOUIS. E1eetrónica teoria de

circuitoe,Prentice hall HisPanoamericana' S.A ,

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ingles e inglés español, parte I y II, guinta edieión,

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LOUIS A. Diccionario para ingenieroe españoI-ingles e

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t

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departamento de mecánica de

sección diseño y tecnologia

Eapaea-calpeTIMOSHENKO, S. Reeietencla de materiales-

S.A., Madrid 1980.

Page 146: Algunas técnicas experimentales de evaluación de máquinas

L32

ANEXO

Page 147: Algunas técnicas experimentales de evaluación de máquinas

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