Los pernos son el sujetador de elección en múltiples industrias y aplicaciones, por la sencilla razón de que son fáciles de desmontar. Sin embargo, esto también los hace vulnerables a la auto-aflojamiento y la pérdida de precarga.
Dependiendo de la aplicación, el aflojamiento de los pernos puede tener profundas consecuencias. Un perno suelto puede paralizar toda una planta de producción y costar miles de dólares a una empresa, mientras que en otras aplicaciones los pernos sueltos pueden representar un peligro importante para la seguridad. Entonces, ¿cuáles son las principales causas de aflojamiento de pernos? En términos generales, hay dos causas principales: aflojamiento y aflojamiento espontáneos.
«Las principales causas y las consecuencias de la falla dependen del propósito de las uniones atornilladas, del medio ambiente y generalmente de la industria», dice Georg Dinger, Siegenia-Aubi KG, quien ha estudiado las causas y los efectos del autoajuste de los pernos. .
“Por ejemplo, la industria petroquímica se ocupa principalmente de los problemas de corrosión, mientras que la fatiga y el aflojamiento de las vibraciones suelen ser de menor importancia. Por otro lado, la industria automotriz probablemente consideraría el autoajuste y la corrosión como los dos problemas principales. Las principales preocupaciones de la industria del acero estructural son el deslizamiento de juntas y la corrosión, pero el aflojamiento y las fugas son menos comunes. La industria aeroespacial probablemente enumere la fatiga primero «.
«Los desplazamientos relativos repetidos entre las superficies de contacto, bajo la influencia del torque del vástago, resultantes del torque del paso de la rosca, pueden llevar a una rotación gradual del perno o la tuerca», continúa Dinger. “Esto provoca una pérdida de precarga y, en consecuencia, una pérdida de la función de la conexión del perno. El efecto es bien conocido, pero la prevención generalmente se realiza de manera experimental solo después de la ocurrencia de eventos de auto aflojamiento «.
Las principales causas de aflojamiento de pernos:
Aflojamiento espontáneo de pernos: choque, vibración, carga dinámica
Aflojamiento – asentamiento, arrastramiento, relajación
Para evitar el aflojamiento espontáneo, el deslizamiento entre las partes unidas debe eliminarse, o al menos reducirse a niveles inferiores a los críticos. Esto se puede lograr ya sea aumentando la tensión axial, aumentando la fricción entre las piezas sujetadas, o disminuyendo la carga cíclica, por ejemplo, choque, vibración o carga térmica cíclica.
Otro método común es aumentar la fricción entre las roscas de los pernos. Existen varias soluciones para hacer esto, y si bien algunas de ellas son efectivas, también tienen sus desventajas. El pegamento o los adhesivos pueden ser un método efectivo basado en la fricción, pero el pegamento seco puede ser problemático cuando se trata de desmontar y quitar el perno. Además, aumentar la fricción entre las roscas disminuiría la precarga alcanzable a un nivel de torque específico. El bloqueo del cable es un método común en la industria de la aviación.
La fatiga es un daño permanente o deformación en el perno y las piezas sujetadas. Es causada por la pérdida de precarga que resulta en la apertura de la articulación. Hay dos mecanismos básicos para la pérdida de precarga: aflojamiento y aflojamiento espontáneos.
El aflojamiento espontáneo, o autoaflojamiento rotacional, es esencialmente cuando un perno gira suelto debido a golpes, vibraciones o cargas dinámicas. Incluso una ligera rotación puede ser suficiente para que una junta atornillada pierda toda su precarga. Esta es la causa más común de aflojamiento de pernos. El aflojamiento es causado por tres mecanismos: asentamiento, arrastramiento y relajación.
La liquidación es crítica cuando ocurre debido a cargas dinámicas. Es la deformación permanente del material sujetado cuando la junta está sujeta al aumento de la tensión de las cargas de trabajo dinámicas, explica Harlen Seow, Gerente Técnico del Grupo Nord-Lock. “La mayoría de las partes de una junta atornillada volverán a tomar forma después de liberarse si la tensión en las partes no ha ido más allá de sus rendimientos. Algunos materiales en la superficie de contacto, como la pintura, probablemente se deformarán permanentemente ”, dice.
Si el material se asienta, incluso unos pocos micrómetros, el estiramiento del perno disminuirá y dará lugar a una pérdida de precarga.
La deformación es una deformación permanente que se produce debido a la exposición a largo plazo a altos niveles de estrés por debajo de la resistencia de los materiales en la junta. Es más severo en aplicaciones de alta temperatura.
La relajación es cuando la microestructura en los materiales de una articulación se reestructura, convirtiendo la deformación elástica existente en una deformación plástica durante un período de tiempo. A diferencia del asentamiento o la fluencia, la longitud de la pinza no cambia, lo que dificulta su detección. «Una forma de medir la pérdida de precarga es medir la longitud del perno después de un período de funcionamiento y compararla con la longitud del perno inmediatamente después de apretar», agrega Seow. «Sin embargo, esto no detectará la relajación, lo que lo hace más problemático».
La clave para evitar la fatiga es un buen diseño, que ha cobrado importancia en los últimos años debido a la mayor demanda de muchas uniones atornilladas y al mayor uso de materiales ligeros. Es importante no solo concentrarse en la capacidad de tracción de los pernos, por lo que se pasan por alto otros parámetros, como la elasticidad y la rigidez, que también pueden ser importantes.
«El diseño correcto de la junta es la clave para lograr una conexión de agarre por fricción de alta resistencia con un alto nivel de precarga y, por lo tanto, una alta resistencia al deslizamiento durante toda la vida útil», dice Dinger. “Hasta ahora, el enfoque para los ingenieros de diseño ha estado en la falla con la ruptura de los pernos. Otros mecanismos de falla son cada vez más importantes a medida que aumenta el rendimiento y disminuye el peso de las articulaciones. «Los mecanismos de relajación de precarga y auto aflojamiento son cada vez más comunes en los diseños ligeros».
Dependiendo del perno y la aplicación, y la causa de la pérdida de precarga, generalmente existen múltiples opciones para diseñar uniones atornilladas más óptimas.
«En los casos donde hay carga térmica, la junta se puede optimizar al elegir materiales con el mismo coeficiente de expansión térmica para las piezas sujetadas», dice Dinger. “Para ayudar a minimizar el asentamiento y mantener una precarga alta durante la operación, puede reducir la rugosidad entre las superficies de contacto. Medidas tales como diámetros de orificios finos o superficies dentadas pueden ayudar a minimizar el desplazamiento relativo «.
«En general», dice Seow, «una buena junta atornillada se compone de pernos muy elásticos y piezas de abrazadera muy rígidas, y hay diferentes maneras de lograrlo. Una forma de mejorar el perno elásticamente es tener una abrazadera larga. Pero si tiene una pestaña, donde la longitud de la abrazadera no puede ser demasiado larga, puede cambiar el diseño utilizando más pernos pero más pequeños. Entonces, en lugar de usar cinco pernos, puedes usar diez pernos más pequeños, lo que creará una junta más elástica «.
En general, lograr la unión atornillada óptima implica tener en cuenta múltiples variables y opciones de diseño.