El impacto de la fuerza de contacto en la precisión de la medición de la vibración mano-brazo

Al medir la vibración en una mano, la medición simultánea de la fuerza de contacto verifica si la magnitud de la fuerza es suficientemente rígida. La fuerza de contacto también proporciona información sobre el horario de trabajo del operador y puede ayudar a instruir a los operadores si están usando fuerza excesiva o muy poca cuando trabajan con herramientas manuales. Además, conociendo tanto el valor de la fuerza de acoplamiento como la aceleración de la vibración, es posible calcular la dosis real de energía de vibración que se ha transferido a una mano.

Fuerza de contacto

Las fuerzas de contacto entre la mano y la superficie vibratoria son: la fuerza de empujar/tirar y la fuerza de agarre. La necesidad de una evaluación simultánea de las fuerzas de contacto y las magnitudes de vibración ha sido universalmente reconocida y reflejada en la norma ISO 15230.

Acelerómetros MEMS y sensores de fuerza de contacto

En los últimos años los acelerómetros basados en tecnología MEMS (Micro Electro-Mechanical Systems) se han convertido en una alternativa a los sensores piezoeléctricos. Los transductores MEMS se utilizan ampliamente en sistemas micromecánicos en las industrias automotriz, informática y audiovisual. La construcción de MEMS consiste en una masa móvil de tableros resistentes colocados sobre un marco de referencia de un sistema de suspensión mecánica. Como resultado del movimiento (como la vibración), hay un cambio en la capacitancia entre las placas móviles y fijas (que forman condensadores).

La ventaja de los MEMS son sus dimensiones que pueden variar desde unas pocas micras hasta milímetros, lo que los convierte en un hito en la miniaturización. La lista de ventajas de los sensores basados en MEMS es larga e incluye bajo costo, bajo consumo de energía, tamaño pequeño, resistencia a impactos mecánicos, total compatibilidad electromagnética y ausencia de efecto de cambio de CC.

La introducción de los acelerómetros MEMS rompió la barrera creada por los acelerómetros piezoeléctricos en las mediciones de vibraciones mano-brazo. En primer lugar, redujo el coste del sistema completo. En segundo lugar, su pequeño tamaño permitía sujetarlos a las manos humanas sin ninguna distracción para la realización de actividades cotidianas, incluso debajo de guantes antivibraciones, proporcionando así los verdaderos resultados de la exposición a las vibraciones. Además, su tamaño permitió la instalación de un sensor de fuerza de contacto junto al acelerómetro, permitiendo así medir la fuerza de contacto simultáneamente con la evaluación de la aceleración triaxial. Esto constituyó una base sólida para la creación de métodos mejorados de evaluación de las vibraciones mano-brazo y nuevos estándares de medición de las vibraciones mano-brazo.

Uso de adaptadores de vibración mano-brazo según ISO 5349

Antes de que se introdujeran los sensores MEMS, las mediciones de vibración mano-brazo se realizaban con sensores piezoeléctricos normalmente montados en herramientas. La ubicación de los sensores no se eligió según lo recomendado por la ISO: en el punto de contacto con la mano, sino, para evitar daños, en el punto más conveniente y seguro para el propio sensor. La introducción de adaptadores de vibración MEMS mano-brazo con capacidades de medición de fuerza resolvió ese problema y permitió la medición exactamente en el punto de contacto entre la mano y la superficie vibratoria.

Al mismo tiempo, el uso de adaptadores de vibración mano-brazo planteó dudas sobre la precisión de las mediciones de vibración en función de la fuerza de contacto. Para responder a esta pregunta se realizaron 240 mediciones en el Instituto Nacional de Investigación de Polonia en el Instituto Central de Protección Laboral. El impacto de la fuerza de acoplamiento en las magnitudes de vibración se evaluó con los medidores de vibración humana SV106 de Svantek y los adaptadores mano-brazo SV105AF (los umbrales de fuerza de empuje en las pruebas fueron: 0 N, 20 N, 50 N, 100 N).

Figura 1. Adaptador de vibración mano-brazo con acelerómetro MEMS triaxial y sensor de fuerza de contacto instalado

Estudio: Medición de la fuerza de contacto y vibración mano-brazo

El estudio se ha realizado con dos SV 106, los medidores de nivel de vibración humana de SVANTEK cumplen con los requisitos de la norma ISO 8041:2005 y están diseñados para realizar mediciones de acuerdo con las normas ISO 5349-1 e ISO 5349-2, con adaptadores mano-brazo especiales SV 105AF. montado en los mangos de los excitadores de vibración. Durante la medición, el instrumento funcionó con baterías. Se han fijado dos unidades SV 105AF, marcadas como adaptadores mano-brazo A y B, con cinta adhesiva y cera de abejas para garantizar la repetibilidad de las mediciones. Uno de los adaptadores (A) se ha utilizado para la medición con el operador, mientras que el segundo (B) es la referencia. Ambos puntos de medición estaban ubicados en el mango de prueba. Durante las mediciones, el punto A se ubicó en el punto de contacto de la mano del operador con el mango. El punto B se ha situado debajo de la zona de contacto de la mano con el mango de prueba. Como referencia, el acelerómetro Brüel & Kjaer 4374, nr. NA2/11, y el PULSE Brüel & Kjaer 3560C, nr. Se ha utilizado el analizador NA2/84. También se ha acoplado al mango el acelerómetro de referencia.

Instrumentación de medida

Instrumentación utilizada para generar y controlar señales de prueba:

excitador de vibración, Ling Dynamic Systems V721, n.º id. NA2/30/31,
acelerómetro de vibración, Brüel & Kjaer 4374, n.º id. NA2/11,
amplificador NEXUS, Brüel & Kjaer 2692, n.º id. NA2/62,
amplificador de potencia, Ling Dynamic Systems PA 2000, Nr id. NA2/26,
generador de señales Brüel & Kjaer 1054, n.º id. NA2/25,
número de identificación del ordenador. NA2/63,
analizador PULSE, Brüel & Kjaer 3560C, Nr id. NA2/84.

Instrumentación utilizada para mediciones de fuerza:

medidor de fuerza, PI-W Movir MSZN-1, Nr id. NA2/32,
plataforma de fuerza de empuje, CIOP PIB, Nr id. NA2/34,
mango de prueba, CIOP PIB, Nr id. NA2/33,
sensor óptico, Sensor, CW 18/80, Nr id. NA2/43

Figura 2a. Adaptador de vibración mano-brazo con acelerómetro MEMS triaxial y sensor de fuerza de contacto instalado

Figura 2b. SV 106 Medidores de Vibraciones

Fuerza de contacto

Durante el experimento, la fuerza de empuje se midió utilizando una plataforma especial del Instituto Nacional de Investigación de Polonia en el Instituto Central de Protección Laboral, utilizando un medidor PI-W Movir MSZN-1 y un sensor CW 18/80. Los umbrales de fuerza de empuje en las pruebas fueron: 0 N, 20 N, 50 N, 100 N.

Figura 1. Ejemplo de medición de fuerzas de contacto proporcionadas por la norma ISO 15230

El objetivo y el método de medición.

El objetivo del experimento era realizar mediciones de la aceleración de la vibración en un mango de prueba utilizando los medidores SV 106 descritos en la pág. 2.1 en presencia de las diferentes fuerzas de empuje aplicadas por el operador y evaluar los efectos de estas fuerzas en los resultados de la vibración.

El método del estudio consistió en medir la aceleración de la vibración ponderada en la dirección paralela a la vibración generada en un mango de prueba con el uso simultáneo de dos conjuntos de medición descritos en la pág. 2.1. La vibración generada en un mango cumplía con la norma ISO 10819:2013.

El adaptador A se probó bajo fuerzas de empuje definidas aplicadas por < 10 operadores diferentes, mientras que el adaptador B se utilizó como referencia sin el uso de fuerzas de empuje.

En el estudio se utilizaron dos señales de prueba:

Señal de vibración 1: una señal simulada de aceleraciones de vibración generadas por el martillo vibratorio,
Señal de vibración 2: una señal simulada de aceleraciones de vibración generadas por la amoladora angular

Las mediciones de vibración mano-brazo se realizaron de acuerdo con ISO 5349-1:2001 Vibración mecánica – Medición y evaluación de la exposición humana a vibraciones transmitidas por la mano – Parte 1: Requisitos generales e ISO 5349-2:2001 Vibración mecánica – Medición y evaluación de la exposición humana a vibraciones transmitidas a mano. Parte 2: Orientación práctica para la medición en el lugar de trabajo.

Foto 3. Posición del operador en plataforma durante las mediciones.

Resultados de la medición

El siguiente gráfico presenta la relación de los resultados promediados para 30 mediciones para cada umbral de fuerza de contacto en el punto A frente a los resultados en el punto B junto con la desviación estándar. Los resultados de la señal de vibración 1 están marcados en azul y la señal de vibración 2 en rojo.

Gráfico 1. Relación de los valores de vibración medidos con la fuerza aplicada frente a los valores de referencia sin fuerza aplicada

El impacto de la fuerza de contacto en los valores de vibración medidos.

Sobre la base del estudio realizado, se ha definido que las diferencias entre las aceleraciones de vibración medidas en los puntos A y B para fuerzas de empuje en el rango de 0 a 100 N no superan el 1,2%, lo que significa que el efecto de la fuerza de empuje aplicada es irrelevante para los valores de vibración medidos.

El umbral mínimo de fuerza de contacto requerido para mediciones precisas de aceleración de vibración

Se realizaron mediciones adicionales con adaptadores mano-brazo sin el uso de cera de abejas o cinta de montaje para evaluar el efecto de los cambios en el acoplamiento del adaptador al mango de prueba. Se ha observado que para umbrales de fuerza inferiores a 20 N, era necesario garantizar que el acoplamiento entre el adaptador y el mango de prueba fuera suficiente para evitar roturas en el contacto continuo durante las mediciones.

Conclusión

El estudio realizado demuestra que el efecto de los cambios en los umbrales de fuerza de contacto aplicados por el operador es irrelevante para los valores medidos de aceleración de vibración. Esta suposición es válida para fuerzas superiores al umbral de 20 N, por debajo del cual es necesario garantizar el correcto acoplamiento entre el adaptador mano-brazo y la superficie vibratoria. Junto con la caída del nivel de fuerza por debajo de 20 N, la incertidumbre relacionada con el acoplamiento aumenta rápidamente. Sin embargo, es necesario señalar que en la práctica, para herramientas que generan altas amplitudes de vibración, el umbral de 20 N puede no garantizar un acoplamiento perfecto, por lo que se deben establecer niveles de umbral más altos.
En el momento en que se introdujo la norma ISO 5349, era prácticamente imposible realizar mediciones de fuerza junto con mediciones de vibración triaxial debido a limitaciones en el hardware.
Actualmente, se pueden instalar transductores de fuerza muy pequeños junto al acelerómetro de vibración basado en tecnología MEMS en forma de adaptador mano-brazo, tal como lo especifican las normas ISO 5349-2 e ISO 10819. En comparación con la técnica de montar un sensor en una herramienta, el uso de la fuerza de contacto permite definir la exposición real a las vibraciones, mientras que el montaje en una herramienta conlleva la incertidumbre de incluir en las pruebas los períodos en los que no hubo contacto con la mano del operador.
Como se ha demostrado, el uso de adaptadores mano-brazo proporciona la misma precisión de amplitudes de vibración que con los sensores de vibración piezoeléctricos estándar montados en una herramienta, pero ofrece además la ventaja de la mejor ubicación posible del punto de medición: exactamente en el punto de transmisión de la señal de vibración a la mano del operador y proporciona información sobre la exposición real a la vibración.

Solicita más información
en el vibrómetro SV 106

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