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Primer Congreso de Logstica y Gestin de la Cadena de Suministro Zaragoza, 12 y 13 de Septiembre de 2007

ANLISIS DE VIBRACIONES EN EL TRANSPORTE PARA SU REPLICACIN, SIMULACIN Y ENSAYO EN LABORATORIOM. A. Garca-Romeu ITENE, Instituto Tecnolgico del Embalaje, Transporte y Distribucin V. Rouillard Victoria University, Melbourne, Australia Abstract The vibration levels that occur during transportation in vehicles are complex and play a significant role in the level of damage experienced by products when shipped. In the past decade technology has allowed packaging engineers to measure and analyse the vibration levels in commercial shipments. Recent studies are measuring vibration shipping environments on a global basis to allow packaging engineers to develop packaging to meet world-wide distribution challenges. The purpose of this study is to present the outcomes made about transport vibration simulation techniques during the last decade and how the closer future can be about it. In the last decade the investigations were focused on measure and develop simulation methods for truck and rail transport in various regions of the world based on computing the Power Spectral Density (PSD) that could be used to program electro-hydraulic vibration tables. ASTM, ISTA and ISO vibration test standards was based on this measurements and computed PSDs. Other more recent studies was focused on computing PSDs for various vehicle configurations, air-ride and leaf steel suspensions, full load and no load, local rough roads and highways, position of the data recorded inside the trailer, in various regions of the world. Studies made in the last year was focused on compute PSD including also the speed parameter of the vehicle obtained by a Global Position System and developing a method to compute and use for simulating a scalable PSD. Others studies made in the last year were focused on the study of the distribution of the Root Mean Square (RMS) of the vibration signal in order to find a mathematical model that describes their behaviour in order to use it to develop an alternative method more precise and flexible than nowadays ASTM, ISTA and ISO propose. Keywords: Packaging Vibration, Transport Simulation Methods, PSD Power Spectral Density, RMS Distribution, Packaging Simulation, Vibration Simulation

Resumen Los niveles de vibracin producidos en los vehculos durante el transporte son complejos y juegan un papel importante en el nivel de dao que los productos sufren a lo largo de su transporte. En la pasada dcada la tecnologa ha permitido a los ingenieros medir y analizar los niveles de vibracin en envos comerciales. Recientes estudios basados en la medicin de la vibracin en los ambientes de distribucin de mercancas estn permitiendo a los ingenieros de envase y embalaje desarrollar embalajes optimizados que aseguren la recepcin final de sus productos en las mejores condiciones (tras superar las solicitaciones ambientales propias del ciclo de distribucin). El propsito de este estudio es presentar la evolucin de las tcnicas de simulacin de vibracin en el transporte durante la ltima dcada y mostrar la tendencia de las investigaciones que nos depara el futuro sobre este tema. En la ultima dcada las investigaciones se centraron en medir y desarrollar mtodos de simulacin para transporte y ferrocarril en varias regiones del planeta basadas en la

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obtencin de Grficos Espectrales de Potencia (PSD) que pudieran ser utilizados para programar mesas de vibracin electro-hidrulicas. Las normas ASTM, ISTA e ISO se basaron en estas medidas para generar sus PSDs. Otros recientes estudios se han centrado en generar PSDs para diversas configuraciones del vehculo, suspensiones neumticas y de ballestas, con carga y sin carga, carreteras con diversa calidad de superficie, posicin del registrador de aceleraciones dentro del camin, en varias regiones del planeta. Estudios realizados en el ltimo ao se han centrado en generar PSDs incluyendo la velocidad del vehculo como parmetro obtenido mediante GPS y desarrollar un mtodo para analizar y utilizar para simulacin un PSD escalable. Otros estudios realizados en el ao pasado se centraron en analizar la distribucin de la raz del valor medio al cuadrado (RMS) de la seal de vibracin para encontrar un modelo matemtico que describa su comportamiento para ser usado en el desarrollo de un mtodo alternativo ms preciso y flexible que el actual que las normas ASTM, ISTA e ISO proponen. Palabras Claves: Optimizacin de embalajes, Simulacin del Transporte, PSD Densidad Espectral de Potencia, RMS Distribucin, Simulacin de Vibraciones 1. INTRODUCCIN 1.1 El papel que desempea el embalaje de proteccin La tecnologa moderna de la Ingeniera del Embalaje ha sido la responsable de contribuir significativamente a nuestros estndares de vida al permitir preservar y distribuir los bienes de consumo a gran escala. Hace unos aos se estim que el envo anual de materiales de embalaje y maquinaria alrededor del mundo excedera los 238 billones de dolares americanos (Anon, 1996). En la actualidad, al contar con eficientes medios de distribucin y embalaje, junto con redes de transporte mejoradas, permite que la fabricacin y produccin se centralice cerca de las fuentes de materias primas mientras que los productos son transportados hacia los centros de consumo. Estas operaciones a gran escala ofrecen beneficios econmicos significativos siempre que los embalajes de proteccin efectivos protective packaging, lo hagan posible para los productos acabados que son transportados a lo largo de grandes distancias hacia los centros de consumo. Unos de los objetivos importantes del protective packaging es proteger o aislar los productos contra niveles excesivos de impactos y vibraciones que pueden ocurrir durante el transporte y distribucin. En trminos prcticos, el nivel de impactos y vibraciones transmitidos a los productos, se reducen a travs de los materiales de amortiguacin u otros elementos o dispositivos anti-vibracin. El nivel de proteccin que se requiere viene determinado por la fragilidad del producto (susceptibilidad al dao) y por el nivel de severidad de los riesgos que el producto puede encontrarse durante el transporte y distribucin. Insuficiente o no efectivos embalajes de proteccin son fcilmente identificados al manifestarse, durante el transporte y las tareas de manutencin, incidencias de dao en los productos. El sobre-embalaje, sin embargo, es difcil de identificar. El sobre-embalaje se define como el exceso de material de amortiguamiento utilizado con respecto a los riesgos de dao esperados. En principio los sistemas de amortiguamiento son diseados para proteger al producto de un esperado y aceptable nivel de abuso mecnico durante el envo. Pero en la prctica, sin embargo, el conocimiento de la intensidad y frecuencia de los daos mecnicos no est siempre disponible.

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El nivel y naturaleza del abuso mecnico aplicado al producto durante el transporte y distribucin (en los cuales los impactos y vibraciones producidos por el vehculo son los ms abundantes) pueden ser clasificados, por un lado como normales y esperados, y por otro como extremos y dainos. Debido a que los niveles severos de abuso mecnico, sobre todo de aquellos generados por el transporte en vehculos, son impredecibles y ocurren aleatoriamente, es necesario considerarlos como riesgos. Hasta el momento, en los sectores del embalaje y el transporte, gran parte de la actividad sobre la medida y anlisis de impactos y vibraciones en vehculos ha sido centrada en la sntesis de laboratorio para la validacin y ensayos de los sistemas de amortiguamiento en el embalaje. Los ensayos a embalajes o mtodos de validacin que actualmente son usados tratan a los riesgos relacionados con el transporte de una forma estadstica, implicando que la frecuencia de incidentes es inevitable. La informacin de los riesgos del entorno se usa no solo para el diseo del embalaje, sino tambin se utiliza para definir secuencias de ensayos de comportamiento. El ensayo de embalajes en condiciones controladas de laboratorio, en las cuales los riesgos son reproducidos o simulados, son ampliamente considerados los mejores en su campo (Sek, 2001). Los riesgos en tareas de transporte y manutencin es el factor menos predecible en el diseo de embalajes. Las aseguradoras generalmente exigen que los embalajes cumplan unos estndares, los cuales en cambio, incorporan niveles significativos de sobre-embalaje para compensar lo impredecible que son los riesgos del entorno de distribucin. El problema se incrementa con la desgana de las compaas de transporte para garantizar la limitacin de los niveles de riesgos en sus cadenas de distribucin, tales como el nivel y su nmero de impactos y el contenido en frecuencia y su nivel de vibracin (Rouillard, 2002). Estos temas fomentan que los ingenieros de embalaje tomen un papel conservador, el cual en muchos casos conduce a un sobre-embalaje. En los Estados Unidos, se ha estimado que el coste no aparente asociado con el sobreembalaje es 20 veces superior al coste del material de exceso de embalajes y ha sido estimado en 130 billones de euros por ao (Oestergaard, 1991). Este coste no aparente incluye aquellos asociados con la eliminacin, incremento del trfico, polucin, y deterioro acelerado de las carreteras por un volumen excesivo de mercancas sobre-embaladas. Es por tanto evidente que la reduccin del sobre-embalaje pueda conducir a reducciones econmicas y sociales significativas. 1.2. Vibraciones en Vehculos En el entorno de la distribucin, los transportes terrestres, y en particular, el transporte por carretera, son la mayor fuente de riesgos de vibracin. Estas vibraciones tienen un efecto perjudicial en las mercancas (productos). Los productos sufren daos principalmente por el excesivo nivel de vibracin generada por el vehculo. La mayora de sistemas mecnicos muestran resonancias cuando son sometidos a vibraciones y en lo que respecta a los sistemas de embalaje, las vibraciones durante el transporte pueden llegar a generar considerables respuestas. Godshall (1971) identific la resonancia de un apilamiento de cajas de cartn ondulado entre valores de 8 y 18 Hz con una transmisibilidad en la resonancia mayor de 6. Productos envueltos en materiales de amortiguamiento mostraron transmisibilidades en vibracin de hasta un valor de 10 en la resonancia (Zell 1969). Estas resonancias pueden provocar elevadas y prolongadas tensiones dinmicas y eventualmente

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un dao o fallo en el embalaje, el producto o en uno de sus componentes (elementos crticos). Productos electrnicos y fruta/vegetales frescos son dos ejemplos de tipo de mercanca susceptible a daos por vibracin. La clase de dao puede abarcar desde abrasin superficial, perdida de cierres y conectores, perdida de calibracin, fatiga de los metales y apariciones de grietas en componentes plsticos (Caldicott 1991). La fruta fresca y los vegetales pueden sufrir fatiga en sus paredes celulares a bajos niveles de vibracin apareciendo seales o macas (OBrien 1963). Tambin, dependiendo de las condiciones del entorno, se observ el colapso prematuro de embalajes de cartn ondulado debido a una excesiva vibracin (Gordon 1980). Materiales como el vidrio, plsticos duros y algunas clases de metales, fallan principalmente debido a excesivos niveles de tensin. Tensiones por debajo del limite de rotura aplicadas repetitivamente tienen efectos insignificantes en la habilidad del material para soportar tensiones. Sin embargo, muchos materiales que son utilizados en productos y embalajes de proteccin, muestran comportamiento dctil y se ven afectados por la aplicacin repetitiva de esfuerzos de incluso muy baja amplitud. En dichos casos, la habilidad del material para soportar esfuerzos se ve gradualmente erosionada hasta que el fallo ocurre (Kipp, 2000a) Es evidente que la principal fuente generadora de vibraciones verticales en vehculos por carretera, puede ser atribuida al mal estado de la superficie de las carreteras. Cuando los vehculos con ruedas atraviesan superficies irregulares, la interaccin entre el vehculo y el terreno da lugar a un proceso dinmico que produce complejas fuerzas y movimientos dentro del vehculo. Debido a que las irregularidades del pavimento son generalmente aleatorias por naturaleza, las vibraciones resultantes en el vehculo tambin lo son. Adems, los niveles de vibracin no son nicamente dependientes de la rugosidad del pavimento, sino que son tambin funcin del tipo de vehculo, el nivel de carga y la velocidad del mismo. El efecto de estos parmetros suele hacer difcil, el predecir y caracterizar, las complejas interacciones mecnicas que existen entre el vehculo y la superficie de la carretera. Es por tanto ampliamente conocido que el anlisis y simulacin de vibraciones en vehculos producidas por las carreteras, exige un alto grado de sofisticacin. Aunque los impactos y vibraciones relativos al transporte ha sido estudiado a fondo en numerosas ocasiones, todava no existe un mtodo definitivo para predecirlos, analizarlos o simularlos (Ostrem y Godshall, 1979, Kipp, 2000a). Cuanto ms importante y significativo es la optimizacin de los embalajes de proteccin, el control y entendimiento preciso de los riesgos en el entorno de la distribucin se hace mucho ms necesario. La sntesis precisa de vibraciones producidas por vehculos en carretera requiere que el proceso sea profundamente estudiado, y a su vez, cuente con una medida lo ms exacta posible. Igualmente, el procedimiento de medida depende de la naturaleza y complejidad del proceso. Aunque las vibraciones verticales en vehculos pueden ser fcilmente medibles, la variabilidad del proceso y la falta de control de los parmetros medidos, hacen difcil, sino imposible, obtener registros que sean tpicos de las vibraciones producidas por vehculos en todas las carreteras. Es necesario llevar a cabo un elevado nmero de registros de vibraciones, obtenidos bajo diversas condiciones, para obtener estimaciones estadsticas razonables. Un mtodo alternativo para obtener vibraciones producidas por vehculos en carreteras es mediante el modelado numrico utilizando modelos matemticos de vehculos

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y datos medidos de la topografa de pavimentos. 2. SNTESIS EN LABORATORIO DE VIBRACIONES EN VEHCULOS Debido a que la validacin de un sistema de embalaje mediante el envo del mismo ha demostrado ser poco prctico e inadecuado, la realizacin de ensayos a sistemas de embalajes en el laboratorio es cada vez ms utilizado como herramienta de optimizacin del embalaje de proteccin (Sek, 2001). Los ensayos a sistemas de proteccin de embalaje, bajo condiciones controladas de laboratorio, generalmente implica la sntesis de las vibraciones que se espera encontrase durante el transporte. Las simplificaciones y suposiciones, realizadas por los ingenieros de embalaje en las fases de desarrollo de los sistemas de embalajes, con respecto a los niveles y caractersticas de los impactos y vibraciones del entorno de distribucin, hacen difcil la optimizacin del embalaje de proteccin sino se cuenta con una validacin experimental. Los resultados de numerosos estudios de entornos de distribucin han sido incorporados en diversas normas utilizadas para determinar programas de ensayo en laboratorio. A veces, estas tcnicas de anlisis poco sofisticadas y aproximadas fomentan la adopcin de un enfoque conservativo para el desarrollo de embalajes, que en muchos de los casos, conduce a un sobre-embalaje. 2.1 Simulacin de Vibraciones Aleatorias La tcnica actual para la simulacin en el laboratorio de las vibraciones que se producen durante el transporte es ampliamente adoptada y ha sido utilizada durante muchos aos. El mtodo asume que la vibracin producida por un vehculo con ruedas puede ser aproximada por un proceso aleatorio normalmente-distribuido Gaussian con una media nula. Dichos procesos pueden ser adecuadamente descritos en el dominio de la frecuencia mediante una funcin promedio de Densidad Espectral de Potencia (PSD). El mtodo hace uso de un controlador de vibracin aleatoria (RVC), el cual es un dispositivo diseado para sintetizar seales aleatorias provenientes de una funcin PSD y que a su vez controla el movimiento de un actuador o mesa de vibracin segn las seales aleatorias sintetizadas. Durante la simulacin de vibraciones aleatorias de vehculos, la funcin PSD deseada (tambin conocida como espectro de vibracin) se programa en el RVC, el cual a su vez, sintetiza las vibraciones normalmente distribuidas mediante el computo continuado de la Transformada Inversa de Fourier de la PSD acoplada con una matriz de fase aleatoria uniformemente distribuida correspondiente a cada componente de Fourier (frecuencia). El movimiento (aceleracin) de la mesa de vibracin es continuamente monitorizada por el RVC a travs de un acelermetro y las caractersticas espectrales de la seal de excitacin sintetizada es continuamente ajustada para mantener, en general, el nivel de vibracin y espectro en frecuencia deseados. Un esquema de una configuracin tpica de simulador de vibraciones aleatorias se muestra en la figura 1.

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Random Vibration Controller Measure table response & compute PSD

Test sample Vibration table Amplifier Vibration Shaker

Spectral compensation Target PSD Synthesize normallydistributed random signal (IFFT)

Accelerometer

Fig. 1 Esquema bsico de un simulador de vibraciones para ensayos de embalajes (Reproducida de Rouillard y Sek, 2003) El problema principal de esta tcnica est relacionado con la eleccin de la forma o funcin a ser utilizada, as como, el nivel de la vibracin y duracin de la simulacin. A continuacin se describen diversos modelos y mtodos que estn actualmente en uso para simular varios tipos de entornos de transporte bajo condiciones controladas. 2.1.1 Utilizando Funciones Espectrales Predeterminadas Es ampliamente reconocido que la naturaleza y nivel de vibraciones varan drsticamente entre diferentes tipos de vehculos, carga del vehculo, velocidad del vehculo y propiedades del pavimento (Singh y Marcondes 1992), (Rouillard y Sek, 2000). Esto se manifiesta mediante diferencias en las caractersticas espectrales, as como, en la variacin en los niveles de vibracin. En los principios, la medida y anlisis de las vibraciones reales producidas por vehculos requeran mucho esfuerzo, y era a menudo econmicamente prohibitivo. Esto condujo a la adopcin de pre-determinados espectros de vibracin, los cuales fueron diseados para aproximar la naturaleza de las vibraciones reales producidas por vehculos durante su desplazamiento. En muchos casos, estos espectros fueron obtenidos de medidas reales llevadas a cabo bajo unas determinadas condiciones y fueron analizadas para producir una media tpica que vara significativamente dependiendo de su procedencia. Un procedimiento de ensayo ampliamente utilizado es dado por la ISO 13355-2001 Packaging Complete, filled transport packages and unit loads Vertical random vibration test. La funcin PSD en este caso, mostrada en la figura 2, trata de tener en cuenta la resonancia de vehculos de transporte comerciales con elevadas densidades espectrales de entre 6 y 18 Hz.0.1ISO 13355 (0.59 grms)

0.01 PSD [g /Hz] 0.001 0.0001 1 10 Frequency [Hz] 100 10002

Fig. 2 Especificaciones para la simulacin aleatoria de vibraciones verticales en general para vehculos de carretera (Reproducida de ISO 13355, 2001)

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Alguna de las funciones espectrales comnmente ms utilizadas para la simulacin de vibraciones en el campo de desarrollo de embalajes son aquellas que prescriben la American Society for Testing and Materials (ASTM) norma D4728-01 Test Method for Random Vibration Testing of Shipping Containers y norma D4169-01 Standard Practice for Performance Testing of Shipping Containers and Systems. La figura 3 muestra PSDs para dos clases de vehculos de carretera y condiciones de carga, basadas en datos de vibracin medidos a lo largo de un determinado nmero de clases de vehculos y condiciones (Singh y Marcondes, 1992). Las variaciones en la forma del espectro e intensidad del mismo realza ms los efectos considerables del tipo de suspensin y carga del vehculo en las caractersticas espectrales y niveles generales de RMS (Root Mean Square) de las vibraciones verticales.0.1Truck - steel leaf spring 20,000lb (0.26 grms) Truck - steel leaf spring 40,000lb (0.14 grms) Truck - airbag spring 5,000 lb (0.14 grms)

0.01

Truck - airbag spring 18,000 lb (0.17 grms)

PSD [g /Hz]

0.001

2

0.0001

0.00001

0.000001 1 10 Frequency [Hz] 100 1000

Fig. 3 Especificaciones para la simulacin aleatoria de vibraciones verticales para varias suspensiones, cargas y tipos de vehculos de carretera (Reproducida de ASTM D4728, 2001) La figura 4, tambin extrada de la norma D4728-01, representa la PSD general de camiones basada en medias de registros de vibracin medidos a lo largo de un determinado nmero de clases de suspensin, carga, velocidad y superficie de la carretera. La norma afirma que los perfiles PSD de ensayo, figuras 3 y 4, son proporcionados nicamente con propsito de informar, y no pretenden describir de forma precisa un entorno de transporte o distribucin especfico y que adems los ensayos de vibracin aleatoria deberan ser basados en registros de campo representativos. A pesar de esto, las curvas de la figura 4 son recomendadas como espectros de ensayo, con intensidad y duracin, en la norma ASTM D4169-01. Las especificaciones de las normas ASTM D4728-01 y D4169-01, y en particular el espectro general para camiones con el nivel de seguridad II, es quizs el comnmente ms utilizado procedimiento de ensayos para validacin y desarrollo de embalajes a lo largo de todo el mundo (Kipp, 2000b).

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0.1

Truck - general Assurance level I (0.73 grms) Truck - general Assurance level II (0.52 grms) Truck - general Assurance level III (0.37 grms)

0.01

PSD [g /Hz]

0.001

2

0.0001

0.00001

0.000001 1 10 Frequency [Hz] 100 1000

Fig. 4 Especificaciones para la simulacin aleatoria general de vibraciones verticales para camiones con varios niveles se seguridad de ensayo (Reproducida de ASTM D4728, 2001 y D4169, 2001) A parte de tener que seleccionar una funcin PSD de vibracin que sea la idnea de entre diversas fuentes, la principal limitacin con esta tcnica es que los procesos aleatorios de vibracin a ser simulados son asumidos normalmente-distribuidos (Gaussian) y estacionarios de ah que sean caracterizados con la funcin media PSD la cual tambin indica un nivel RMS medio. Esto, por descontado, ofrece ventajas significativas en trminos de compactacin de datos, como tambin, el de ser compatible con el proceso utilizado para sintetizar seales aleatorias normalmente-distribuidas de una nica funcin espectral que representa la funcin media PSD del proceso. Sin embargo, las limitaciones de tales tcnicas han sido exageradas dado que la falta de informacin en niveles de vibracin requiere el uso de niveles RMS de vibracin esperados, los cuales pueden o no, ser representativos de un determinado entorno de distribucin. Aunque estos mtodos pueden ser aceptables para la validacin rudimentaria de embalajes, no son lo suficientemente precisos para ser usados como una herramienta til para lograr la optimizacin del los sistemas de embalaje de proteccin. 2.1.2 Utilizando Funciones Espectrales Medidas El concepto que promueve el desarrollo de sistemas de embalaje que protejan contra los riesgos reales durante la distribucin, a diferencia de lo ms tpico o severo representado por las normas, ha estado vigente desde hace tiempo. Por ejemplo, la simulacin realstica del transporte requiere que el embalaje sea sometido a vibraciones aleatorias que, idealmente, reflejen los riesgos reales del transporte. Los avances tecnolgicos han hecho ms asequible este enfoque de simulacin. Con la llegada en los aos 90 de registradores de aceleracin ms asequibles y fciles de utilizar, muchos laboratorios comenzaron a caracterizar la naturaleza de las vibraciones en el transporte en ciertos entornos de distribucin. Las medidas de campo son utilizadas para calcular la funcin media PSD y niveles RMS para una amplia variedad de rutas y tipos de vehculos. Estas funciones espectrales obtenidas son procesadas e introducidas manualmente en RVCs o , en los modernos RVCs, importadas directamente. El principal beneficio de este mtodo es que las vibraciones sintetizadas se aproximan mejor a las vibraciones medidas reales. Esto es especialmente importante cuando se considera la reproduccin de picos espectrales en relacin a resonancias de vibracin y dao en productos. El efecto de promediar las vibraciones espectrales obtenidas de varios tipos de vehculos y cargas pueden tener serias

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consecuencias en la forma del espectro resultante o, ms especficamente, en el ancho de la banda espectral en la resonancia. Cuando las fuentes de datos con las que se obtienen las vibraciones contienen resonancias a diferentes frecuencias, cuando estas son promediadas, la relativamente afilada forma del pico espectral presente en cada una de las PSD obtenidas no estn presentes en la PSD promedio, apareciendo broad-banded. Esto tiene un efecto significativo en las vibraciones sintetizadas debido a que la energa de la funcin promedio PSD se reparte a lo largo de una amplia banda de frecuencia mientras que las PSDs obtenidas individualmente exhiben fuertes resonancias concentradas en una relativamente estrecha banda de frecuencias, tal y como se muestra en la figura 5. Otro beneficio importante es que los datos obtenidos por los dispositivos registradores pueden ser usados para calcular una estimacin estadstica de los niveles RMS de vibracin, los cuales pueden ser usados para variar el nivel de vibracin durante la simulacin. Aunque la mejora ha sido considerable sobre el mtodo de utilizar funciones PSD genricas predeterminadas, este enfoque todava tiene un numero significativo de restricciones.

Typical steel suspended vehicle100

Typical test spectrum ASTM.

10

PSD [(m/s ) /Hz]

1

2 2

0.1

0.01

0.001

0.0001 0.1 1 Frequenc y [Hz] 10 100

Typical steel suspended vehicle

Typical truck spectrum ASTM.

Acceleration [m/s2]

Time [sec]

Fig. 5 Vibraciones verticales sintetizadas de una fuente espectral individual y promediada con varios tipos de vehculos y cargas. Arriba: PSDs. Abajo: Vibraciones sintetizadas (Reproducida de Rouillard y Sek, 2003) Las principales limitaciones de los dispositivos registradores utilizados hoy en da son las impuestas por la tecnologa actual (poca memoria de almacenamiento, baja duracin de la

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batera, localizacin y velocidad del vehculo no siempre disponibles,...). Estas limitaciones restringen la posibilidad de capturar una muestra estadstica que sea realmente representativa de todo el registro de vibracin obtenido. La reduccin del precio de estos dispositivos, unido a su uso indiscriminado y a los complicados y poco universales principios que encierran la interpretacin de vibraciones aleatorias, conduce a una mala interpretacin de los resultados obtenidos. Un buen ejemplo de esto es el uso de una funcin promediada PSD para describir y simular aquello que obviamente son vibraciones no-estacionarias tal y como se muestra en la figura 6. Si no se verifica la estacionaridad, el uso de PSDs promediadas para simulacin puede conducir a diferencias significativas entre los niveles de vibracin reales y los simulados. Como se muestra en la figura 6, los niveles de vibracin respecto del registro original obtenido en un camin cargado, varan significativamente con un mximo en niveles de aceleracin que sobrepasan los 5 G. Adems, la funcin de densidad de probabilidad (PDF) de la seal medida, mostrada en la figura 7, muestra que el proceso es tambin significativamente no-Gaussian. Las vibraciones simuladas, reproducidas de la funcin PSD promedio de la misma seal, exhibe caractersticas propias de una distribucin Gaussian (figura 7) con niveles de aceleracin inferiores a 2.5 G (la mitad del nivel real de vibraciones de la seal original)O rigina l vibration record A verage R M S : 0.7 G

Vibration Level [G]

S ynthesise d vibratio n sig na l A verage R M S : 0.7 G

T im e [s]

Fig. 6 Vibraciones Gaussian sintetizadas de una PSD promedio correspondiente a una fuente de vibracin no-estacionaria (Reproducida de Rouillard y Sek, 2001)0.8 0.5 0.4 0.6

Occurrence

Occurrence

0.3 0.2 0.1 0.0

0.4

0.2

0.0 -3 -2 -1 0 1 2 3

-3

-2

-1

0

1

2

3

Normalisedacceleration (G)

Normalisedacceleration (G)

Fig. 7 PDF de vibraciones medidas no-estacionarias (izquierda) comparada a la PDF de vibraciones simuladas (derecha) ambas dibujadas con el mejor ajuste de una distribucin Gaussian (Reproducida de Rouillard y Sek, 2001) A pesar de esto, la funcin PSD promedio se continua usando ampliamente, y se seguir

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usando durante un tiempo para caracterizar y sintetizar las vibraciones relacionadas con el transporte en el laboratorio para evaluar el comportamiento de los sistemas de embalajes. Prueba de ello son los estudios y mediciones realizadas en los ltimos aos en diversas zonas del planeta, incluyendo: Amrica del Norte (Pierce, Singh S.P y Burgess, 1992), (Singh S.P, Joneson, y Singh J, 2006), (Singh S.P, Antle y Burgess, 1992b), (Singh S.P, Burgess y Rojnuckarin, 1995). China (Singh S.P, Sandhu y Singh J, 2006), (Yuan, Dejian, Xiangying, Tong, Xiaoshan, Dawei y Jun, 2006). India (Singh S.P, Sandhu y Singh J, 2006), (Sandhu, Singh S.P, Singh J y Joneson, 2006). Sur-este Asitico (Singh S.P, Sandhu y Singh J, 2006), (Chonhenchob, Sittipod, Pratheepthinthong, Rachtanapun, Singh SP, 2006), (Jarimopas, Singh S.P y Saengni, 2005) Amrica Del Sur (Rossi y Takayama, 2004) Espaa (Garcia-Romeu-Martinez, Singh S.P y Cloquell-Ballester, 2006) Los estudios de Norte Amrica mostraron que las suspensiones neumticas tenan mejor comportamiento y menor nivel de vibracin que las de ballestas o mecnicas. Que los niveles de vibracin de las suspensiones mecnicas eran mayores del 50% que las provocadas por suspensiones neumticas. Los niveles de vibracin lateral y longitudinal eran extremadamente menores en comparacin con las vibraciones verticales. Los mayores niveles de vibracin en suspensiones mecnicas se producan a los 4 Hz en la direccin vertical. En los estudios de China y el Sur-este Asitico se demostr que los niveles de vibracin producidos en ambas zonas geogrficas eran similares a los producidos en Norte Amrica. En Amrica del Sur, concretamente en Bolivia, se realiz un estudio para medir y analizar el entorno de distribucin por carretera a lo largo de 1225 km, llegando a observarse impactos de hasta 12 G en la direccin vertical. Adems, los niveles de aceleracin fueron mayores a los niveles de las normas ASTM entre los 2 y 10 Hz. En el estudio de Espaa se analizaron las vibraciones en funcin de la suspensin, la carga y la velocidad. En este ultimo estudio se demostr que los niveles de vibracin eran menores a los medidos en Norte Amrica y significativamente inferiores a los niveles existentes en las normas ASTM, ISTA e ISO. Los mayores niveles de vibracin en suspensiones neumticas se producan a los 2 Hz en la direccin vertical. 3. TENDENCIAS FUTURAS EN LA SIMULACIN DEL TRANSPORTE En la actualidad se han abierto varios caminos e investigaciones dedicadas a diversas materias en la simulacin de las vibraciones en el transporte. El grupo americano formado por la organizacin ISTA (International Safe Transit Association), la School of Packaging de la Universidad del Estado de Michigan y otras universidades americanas, se estn centrando en obtener y generar una base de datos de funciones espectrales medidas (PSDs) en todo tipo de carreteras, tipos de camiones y nivel de carga, de todo el globo terrqueo, dado que en la actualidad pocos datos se tienen, y aquellos de los que se disponen, la mayora se han obtenido de unas regiones y carreteras determinas del planeta. Para ello estn colaborando

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con organizaciones y universidades de todo el mundo para obtener los datos de sus investigaciones e incorporarlos en la base de datos, entre estas organizaciones estn centros tecnolgicos de la India, Tailandia y Brasil, la Universidad australiana de Victoria (VU) y el Instituto Tecnolgico de Embalaje, Transporte y la Logstica, espaol (ITENE). Debido a las limitaciones que tienen las actuales tcnicas de simulacin vertical de vibraciones, las cuales se han ido puntualizando a lo largo del presente trabajo, el grupo australiano-espaol formado por la VU e ITENE est dedicando sus esfuerzos a investigar en mejorar las actuales tcnicas y en obtener nuevas para la simulacin cuasi-real de las vibraciones en el transporte. 3.1. Protocolo para la Medicin y Anlisis de Funciones Espectrales La reduccin del precio de los dispositivos registradores de aceleraciones, unido a su uso indiscriminado y a los complicados y poco universales principios que encierran la interpretacin de vibraciones aleatorias, conduce a una mala interpretacin de los resultados obtenidos. Debido a esto, se ve necesario realizar unas normas para la configuracin de los diversos parmetros de los dispositivos registradores y para el anlisis de esos datos obtenidos, con el objetivo de conseguir la coherencia de datos y resultados a lo largo del planeta. Buena parte de las diferencias en los niveles de vibraciones de las diversas investigaciones que se han ido realizando por distintas instituciones, son debidos a la diferencia en los parmetros de adquisicin de datos y su posterior anlisis. La posicin del dispositivo dentro del camin, el intervalo de tiempo en que se hagan las mediciones y su duracin (en lo que respecta a los eventos de tiempo), el umbral de seal del disparador de aceleracin y su duracin (en lo que respecta a los eventos de seales), la frecuencia de muestreo y sobre todo los eventos que se incluyan en el anlisis posterior de la medicin, son los parmetros crticos detectados recientemente y en los que hay que incidir para una correcta definicin y utilizacin. En el anlisis de los datos no deberan incluirse los eventos de seal junto con los de tiempo, debido a que dependiendo del valor del umbral de seal configurado, la funcin de densidad de probabilidad de las vibraciones RMS se distorsiona en exceso, llegando a incrementar el valor medio de la distribucin de vibraciones en ms del 50%; dato obtenido de incluir los eventos de seal en clculo del estudio realizado por (Garcia-Romeu-Martinez, Singh S.P y Cloquell-Ballester, 2006). Esto ocurre debido a que los eventos de seal que se registran son impactos producidos por hundimientos y mal estado de las carreteras y no por vibraciones. Hasta que podamos tener en cuenta estos eventos de seal, en una no muy lejana nueva tcnica que reproduzca vibraciones y choques a la vez en la simulacin del transporte, no deberan de ser introducidos en el proceso de clculo de las funciones espectrales (PSD) para no distorsionar los resultados. 3.2. Nuevas Tcnicas de Anlisis y Simulacin de Vibraciones Charles (1993) fue uno de los primeros en abordar el problema de la no-estacionaridad con respecto a la simulacin. Propuso que los procesos aleatorios no-estacionarios y noGaussian podan ser caracterizados por una secuencia ponderada de procesos Gaussian independientes, de diferente desviacin estndar. Intentos ms recientes, (Steinwolf y Connon, 2005, Van Baren, 2005, Smallwood, 2005) han abordado el problema de la no-

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Gaussian aplicando una transformacin no-lineal sobre una funcin Gaussian mediante el polinomio Hermite, el cual permite el control de los parmetros tales como la skewness y la kurtosis de la distribucin. Debido a que la causa de la naturaleza leptokrtica (Kurtosis mayor que cero) es la no-estacionaridad de las vibraciones producidas en el transporte por carretera, ms que el inherente carcter no-Gaussian, no consigue reproducir las variaciones en amplitud del proceso que son consideradas esenciales si se quiere realizar simulaciones cuasi-realisticas. Del estudio realizado en el ltimo ao (Garcia-Romeu-Martinez, Singh S.P y CloquellBallester, 2006) se est estudiando la posibilidad de generar PSDs incluyendo en el anlisis la velocidad del vehculo como parmetro obtenido mediante GPS y desarrollar un mtodo para analizar y utilizar para simulacin una funcin PSD escalable. Otros estudios realizados recientemente (Garcia-Romeu-Martinez, Rouillard, 2007) se centraron en analizar la distribucin de la raz del valor medio al cuadrado (RMS) de la seal de vibracin para encontrar un nuevo modelo estadstico de la funcin de densidad de probabilidad que describa su comportamiento para ser usado en el desarrollo de un mtodo alternativo ms preciso y flexible que el actual que las normas ASTM, ISTA e ISO proponen. Este tratamiento estadstico de las seales de vibracin es directamente compatible con la tcnica de simulacin propuesta por Rouillard y Sek (2000). Este nuevo modelo estadstico desarrollado en el 2007, hace posible el desarrollo y puesta en prctica de la tcnica propuesta por Rouillard y Sek en el 2000. En la figura 8 se muestra un ejemplo del mtodo inicial propuesto en el ao 2000 por Rouillard y Sek, en el cual se observa la produccin de una seal aleatoria modulada que es similar en carcter a una modulacin natural de vibraciones en vehculos no-estacionaria.RMS D istribution

RMS Distribution Segment Length [mins]140 120 100 80 60 40 20 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55

RMS Modulation vector Rando mised Segment length [secs] 25 80 2 36 11 63 71 180-

S egment lengh [mins] 18 75 120 140 90 50 30 20 15 10 5 [secs] 1080 4500 7200 8400 5400 3000 1800 1200 900 600 300

RMS Level

RMS Level

[m/s2] 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55

Randomised segmentation

[m/s2] 30 45 5 20 10 5 55 25-

RMS [m/s2]

12 225

15 10

RVC RVC Constant rms Constant rms PSD PSD

Steady state Vibration signal

Variable gain Variable gain amplifier amplifier

RMS-modulated non-stationary signal

Vibration Vibration Shaker Shaker

Variable gain Variable gain attenuator attenuator

Feedback control signal

25 s 30 m/s2

80 s 45 m/s2

11 s 2s 36 s 5 m/s2 20 m/s2 10 m/s2

63 s 5 m/s2

71 s 55 m/s2

Steady-state random signal modulated with the VI modulation vector

Fig. 8 Ilustracin para la modulacin y segmentacin del nivel RMS de una funcin de densidad de probabilidad para simulacin (Reproducida de Rouillard y Sek, 2002)

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En los prximos aos se desarrollar toda la programacin y dispositivos hardware, dado que el mtodo es adaptable a los controladores de vibracin aleatoria que existen en la actualidad y tiene la ventaja adicional que puede ser configurable para permitir la superposicin aleatoria de impactos sobre la vibracin sintetizada para conseguir mayor precisin en la simulacin cuasi-real de las vibraciones en el transporte, como se muestra en la figura 9.

PC-EMBEDDED SHOCK & VIBRATION SIMULATORRMS Level PDF Transient Level PDF

RMS Level Fluctuation Signal Acceleration PSD

Random Transient Generator Test sample

RVC Stationary (constant RMS) random signal.

Variable Gain Amplifier Non-stationary (modulated RMS) random signal Variable Gain Attenuator

Summing Amplifier Non-stationary (modulated RMS) random signal with random pulses. Acceleration feedback.

Fig. 9 Superposicin aleatoria de impactos sobre la seal de vibracin noestacionaria para su simulacin (Reproducida de Rouillard, 2002) REFERENCIAS Anon, 1996. State of the Industry report. Flexible Packaging association. Caldicott, P.J, 1991. Distribution testing Sine or Random. International Journal of Packaging Technology and Science, 4, pp 287 291. Charles, D. 1993. Derivation of Environment Descriptions and Test Severities from Measured Road Transportation Data Journal of the Institute of Environmental Sciences, UK. Jan-Feb pp 37 42. Chonhenchob, V., Sittipod, S., Pratheepthinthong, S., Rachtanapun, P., Singh, S. P,. 2006. Measurement and Analysis of Distribution Environment in Thailand: the case of produce distribution. Proceedings of 15th IAPRI World Conference on Packaging, 26-30 Garcia-Romeu-Martinez, M. A., Singh, S. P, Cloquell-Ballester, A., 2006. Measurement and Analysis of Vibration Levels for Truck Transport in Spain as a Function of Payload, Suspension and Speed. International Journal of Packaging Technology and Science (En proceso de revision) Garcia-Romeu-Martinez, M. A, Rouillard, V., 2007. A Model for the Statistical Distribution of Road Vehicle Vibrations. Proceedings of the World Conference of Engineering, UK. Godshall, W.D, 1971. Frequency Response, Damping and Transmissibility Characteristics of Top Loaded Corrugated Cases. USDA Fed. Res. Paper FPL 160. Gordon, G.A, 1980. Developing Better Vibration tests for Packages, Journal of the Soc. of Environmental Engineers. 29-36. Jarimopas, B., Singh, S. P., Saengni, W., 2005. Measurement and analysis of truck transport vibration levels and damage to packaged tangerines during transit. International Journal of Packaging Technology and Science. 18: 179188 Kipp, W. I., 2000a. Developments in testing products for distribution. International Journal of

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