| Per la scelta di un sistema di prova di vibrazione, è necessario innanzitutto calcolare la forza dinamica richiesta e successivamente verificare che lo shaker soddisfi i requisiti di spostamento, velocità, accelerazione, intervallo di frequenza, dimensioni del carico utile e assi previsti dal profilo di prova. I sistemi raffreddati ad aria sono adatti per prove di laboratorio a bassa forza e di carattere generale, mentre i sistemi raffreddati ad acqua sono generalmente scelti per prove di vibrazione ad alta forza, con carichi utili elevati, in ambito automobilistico, aerospaziale e per batterie. La configurazione finale deve inoltre essere conforme agli standard di riferimento, quali IEC 60068, ISO 16750, MIL-STD-810, UN 38.3, ISTA o alle procedure di prova di affidabilità specifiche del cliente. |
Cos'è un Sistema di prova delle vibrazioni?
Progettato e validato sotto la supervisione tecnica di Jimmy Liu, veterano di 12 anni dell'automazione di laboratorio (ex responsabile tecnico presso il centro di test di certificazione Foxconn e Huawei).
Un sistema di prova di vibrazione è una piattaforma di prova di laboratorio utilizzata per simulare vibrazioni meccaniche, sollecitazioni da trasporto, risonanza, fatica e condizioni di urto. Un sistema completo di prova di vibrazione elettrodinamica comprende in genere un corpo vibrante, un amplificatore di potenza, un controllore di vibrazione, un sistema di raffreddamento, accelerometri, dispositivi di fissaggio e accessori opzionali come un espansore di testa, un tavolo di scorrimento orizzontale o una camera climatica.
Il sistema è ampiamente utilizzato per i test di affidabilità di batterie, componenti automobilistici, componenti aerospaziali, elettronica di consumo, dispositivi medici, imballaggi e apparecchiature industriali. A seconda dei requisiti di prova, il sistema può eseguire test di vibrazione sinusoidale, vibrazione casuale, ricerca e mantenimento della risonanza, shock classico, vibrazione sinusoidale su casuale, vibrazione casuale su casuale o test combinati di temperatura, umidità e vibrazione.
Figura 1. Configurazione completa del sistema di prova delle vibrazioni in laboratorio, comprensiva di vibratore, postazione di lavoro di controllo, armadio amplificatore, cavi e dispositivo di prova montato.
Lista di controllo per la selezione rapida
Prima di scegliere un sistema di prova delle vibrazioni, verificare i seguenti parametri:
- Norma di prova: IEC 60068, ISO 16750, MIL-STD-810, UN 38.3, ISTA, ASTM o profilo specifico del cliente.
- Massa del carico utile: peso del prodotto in fase di test
- Massa del dispositivo di fissaggio: peso del dispositivo di fissaggio di montaggio, dell'espansore della testa o dell'interfaccia del piano scorrevole.
- Massa dell'armatura: massa mobile dello shaker
- Accelerazione richiesta: accelerazione di picco o RMS in g
- Gamma di frequenza: frequenza di prova minima e massima
- Requisiti di spostamento: particolarmente importanti per le vibrazioni a bassa frequenza
- Requisiti di velocità: importanti per test ad alta energia e a bassa frequenza
- Direzione di prova: solo verticale, solo orizzontale o prova su tre assi
- Metodo di raffreddamento: raffreddamento ad aria o raffreddamento ad acqua
- Modalità di controllo: sinusoidale, casuale, shock, ricerca di risonanza, tempo di permanenza, SoR, RoR o controllo della curtosi
- Condizioni di laboratorio: alimentazione elettrica, carico del pavimento, rumore, acqua di raffreddamento e spazio
Come calcolare la forza necessaria per lo shaker
Il passaggio più importante consiste nel calcolare la forza dinamica totale richiesta dal profilo di prova.
| F = (Mp + Mf + Ma) × A × S |
Dove:
- F = forza dinamica richiesta
- Mp = massa del carico utile
- Mf = massa del dispositivo di fissaggio, dell'espansore della testa o della parte mobile del piano scorrevole
- Ma = massa dell'armatura dello shaker
- A = accelerazione richiesta
- S = fattore di sicurezza, normalmente pari o superiore a 1.25.
Molti errori di acquisto si verificano perché si considera solo il peso del prodotto. Nei test di vibrazione reali, anche il dispositivo di fissaggio, l'espansore della testa, il piano scorrevole e la massa dell'armatura contribuiscono alla forza del vibratore. Un sistema che sembra adeguato sulla carta potrebbe risultare sottodimensionato se si considera la massa mobile completa.
Figura 2. Diagramma di calcolo della forza per la selezione del sistema di prova delle vibrazioni: massa del carico utile, massa del dispositivo di fissaggio, massa dell'armatura, accelerazione e fattore di sicurezza.
Raffreddamento ad aria vs raffreddamento ad acqua Sistema di prova delle vibrazioni
I sistemi di vibrazione raffreddati ad aria sono generalmente adatti per test di forza da bassa a media, per l'elettronica in generale, per il confezionamento e per i test di affidabilità in laboratorio. Sono più facili da installare e manutenere, ma è necessario tenere conto del rumore del ventilatore e della dissipazione di calore.
I sistemi di vibrazione raffreddati ad acqua vengono generalmente scelti per test ad alta forza, con carichi pesanti, per batterie, applicazioni automobilistiche, aerospaziali e di lunga durata. Offrono un migliore controllo termico e una minore rumorosità in prossimità del vibratore, ma richiedono la circolazione dell'acqua, lo scambio termico e una pianificazione dell'installazione più accurata.
| Fattore di selezione | Sistema raffreddato ad aria | Sistema raffreddato ad acqua |
| Applicazione tipica | Elettronica, piccoli componenti, imballaggi | batterie per veicoli elettrici, settore automobilistico, aerospaziale, carichi pesanti |
| Gamma di forza | Da basso a medio | Medio alto |
| SERVIZIO DI | Più semplice | Richiede un sistema di raffreddamento ad acqua |
| Rumore | Più alto a causa del ventilatore | Zona di prova più in basso |
| Manutenzione | Più facile | Richiede manutenzione della qualità dell'acqua e dello scambiatore di calore. |
| Ideale per | Test di affidabilità di laboratorio standard | Test ad alta forza e di lunga durata |
Figura 3. Confronto tra sistemi di prova di vibrazione raffreddati ad aria e raffreddati ad acqua per test di laboratorio generici, test ad alta forza e applicazioni con carichi pesanti.
Quando è necessario un tavolo scorrevole orizzontale?
Un piano di scorrimento orizzontale è necessario quando il prodotto deve essere testato lungo l'asse X o Y senza ruotarlo su un lato. Questo è un caso comune per prodotti di grandi dimensioni, pacchi batteria, moduli per autoveicoli, prodotti contenenti fluidi e apparecchiature che devono rimanere nel normale orientamento operativo durante il test.
Per i test su tre assi, la configurazione comune è:
- Vibrazione verticale: indotto vibrante o espansore della testa
- Vibrazione dell'asse X orizzontale: tavola scorrevole
- Vibrazione dell'asse Y orizzontale: ruotare il prodotto o utilizzare un'altra configurazione del piano scorrevole
Figura 4. Sistema di prova di vibrazione a tavola scorrevole orizzontale per il collaudo dell'asse X con modulo batteria, vibratore e regolatore di vibrazione.
Matrice di selezione per settore
| Industria | Standard comuni | Focus sulla selezione chiave | Configurazione consigliata |
| Batteria EV | ONU 38.3, ISO 12405, IEC 62660, ECE R100 | Carico utile elevato, sicurezza, vibrazioni di lunga durata | Agitatore ad alta forza + raffreddamento ad acqua + tavola scorrevole orizzontale |
| Parti automobilistiche | Norme ISO 16750, GMW 3172, VW, Ford, Toyota | Vibrazione multiasse, ambiente combinato | Agitatore + tavola scorrevole + camera termica |
| Aeronautico | MIL-STD-810, RTCA DO-160 | Accelerazione elevata, urto, vibrazione casuale | Agitatore ad alta forza + controller avanzato |
| Elettronica di consumo | IEC 60068, ISTA | Alta frequenza, piccolo carico utile, throughput | Agitatore raffreddato ad aria + espansore di testa |
| Packaging | ISTA, ASTM D999 | Simulazione di trasporto | Sistema di vibrazione a media forza + fissaggio |
| Dispositivi medici | IEC 60068, procedure di convalida del trasporto | Sicurezza e affidabilità del prodotto | Regolatore di precisione + dispositivo di fissaggio personalizzato |
Errori comuni nella scelta di un sistema di prova delle vibrazioni
- Calcolando solo il peso del prodotto e ignorando la massa del dispositivo di fissaggio.
- Scelta della portata senza verificare i limiti di spostamento, velocità e accelerazione.
- Ignorando i requisiti di spostamento a bassa frequenza.
- Selezionare la vibrazione verticale solo quando è richiesto un test orizzontale.
- Acquistare uno shaker senza verificare le funzionalità del software di controllo.
- Sottovalutazione dell'alimentazione elettrica del laboratorio, del carico del pavimento e dei requisiti di raffreddamento.
- Utilizzo di un dispositivo generico che provoca risonanza o movimento trasversale.
- Selezione di un sistema di raffreddamento ad aria per un test di lunga durata ad alta forza.
- Ignorando future espansioni, come l'integrazione di camere climatiche.
- Confrontare solo il prezzo anziché la capacità di test complessiva e l'affidabilità.
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KINGPO offre supporto personalizzato per la configurazione di sistemi di prova di vibrazione per laboratori, produttori e istituti di collaudo. In base al peso del prodotto del cliente, allo standard di prova, al profilo di vibrazione, alla direzione degli assi, ai requisiti di fissaggio e alle condizioni di laboratorio, gli ingegneri di KINGPO possono aiutare a selezionare un vibratore, un amplificatore, un controller, un sistema di raffreddamento, un tavolo scorrevole, un dispositivo di fissaggio e una soluzione di prova ambientale combinata adatti.
Per progetti che coinvolgono batterie, componenti automobilistici, componenti aerospaziali, elettronica, imballaggi o apparecchiature mediche, KINGPO è in grado di fornire consulenza tecnica, configurazione di sistema, supporto all'installazione e raccomandazioni per soluzioni di test.
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