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Problemas de aflojamiento de tornillos en maquinaria agrícola, esfuerzos, vibraciones, variaciones de carga
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DOLOR DE CABEZA COMÚN: ¡LOS TORNILLOS PIERDEN SU PAR DE APRIETE!
Si
no eres especial amante de la mecánica, quizá pienses que una “simple arandela”
no puede dar mucho de sí, pero la realidad te sorprendería.
La
maquinaria debe ser fiable. El aflojamiento de tornillos y pernos no debe ser
opción. Comprobar y reapretar las uniones atornilladas tiene un impacto económico
muy alto por la enorme cantidad de tiempo que requiere.
Nuestras
máquinas agrícolas operan en condiciones extremas, también de temperatura muy
dispar, sufren constantes variaciones de cargas dinámicas y de las vibraciones
constantes, y a múltiples frecuencias; los problemas de aflojamiento de
tornillos es algo que, o bien haces un correcto mantenimiento, o bien puedes
tener un “fuerte dolor de cabeza”.
La
seguridad depende, en gran medida, de que todo se mantenga unido: ejes;
sistemas de suspensión; componentes de frenos; dirección; cosidos de las
carcasas; sistema de escape y turbocompresor; llanta con disco; disco con buje…
Par
de apriete
Cuando
se aprieta un tornillo se debe aplicar un par (producto de esfuerzo por
distancia) hasta alcanzar la precarga requerida entre tornillo y tuerca, entre
“macho y hembra”.
En
cada unión atornillada existe una fuerza axial y una fuerza transversal. La
precarga es vital para mantener unidas las piezas y evitar que giren, ya que
una eventual pérdida de tensión; provocaría el fallo de la unión atornillada.
Precarga
de unión atornillada: Es la
tensión generada en una unión cuando se aprieta un tornillo con el fin de evitar
el aflojamiento, y la separación, de las partes. Cuando se da un par de apriete
al tornillo se dice que la unión tiene una determinada precarga (El par es el
producto de la fuerza aplicada por la distancia a la que se aplica)
El
par necesario para alcanzar la precarga requerida es la suma de dos pares,
veamos:
- Hay que vencer el par ocasionado
por el rozamiento bajo la cabeza del tornillo y la rosca
- Se debe alcanzar el par
estimado de precarga
En
cuanto a la magnitud de los dos pares anteriormente citados, el lector se hará
una idea si conoce que, de forma aproximada, el 90 % del par de apriete se
utiliza para vencer los rozamientos.
Los
“trucos” caseros para reducir el esfuerzo de apriete ya se conocen, desde
engrasar las superficies de contacto utilizando grasas, aceites, aflojatodo
(disulfuro de molibdeno) a la “icónica coca cola”.
Los
pares de apriete son diferentes según la calidad de los tornillos, también, por
supuesto, de su función.
Pero
hay unos factores externos que afectan a la precarga de los tornillos, y de ahí
los aflojamientos; estos factores externos pueden venir por la forma de
trabajar del tornillo, por ejemplo con esfuerzos cortantes (la vibración con
cargas dinámicas en las máquinas agrícolas producen esfuerzos cortantes en los
tornillos); o por la existencia de vibraciones; o por los cambios de
temperatura…
De
tornillos y pares de apriete:
Algunos ejemplos, grosso modo, de pares de apriete en tornillos de acero. Para
un tornillo 6.8 de métrica 14 y paso 1,5 el par de apriete ronda los 95 Nm
En
tornillos clase 8.8, para una métrica 20 y paso de 1,5 sobre 350 Nm
Un
tornillo clase 10.9, métrica 20 paso 1,5 el par de apriete estará sobre 450 Nm
Ejemplo
de tornillo clase 8.8
Resistencia
a la tracción: 8*100 = 800 N/mm²
Punto
de fluencia: 8*10= 80 % de la resistencia a la tracción. 80%*8= 640 N/mm²
Tornillo
clase 8.8, M10 y paso 1.5; con diámetro 10 mm (8,16 mm de diámetro del núcleo;
sección de 52,29 mm²) tendría: 41.840 N (4266 kg) de resistencia a la tracción
y 33.472 N (3413 kg) de límite elástico.
Lo
que ocurre es que los tornillos raramente trabajan a tracción pura en las
utilizaciones normales en agricultura; su forma de trabajo corresponde más al cizallamiento.
Para el cálculo de la resistencia a cizalla (corte) se hace igual pero en este
caso se toma el 70 % de la tensión de fluencia.
LAS
ARANDELAS
Para
qué sirve una arandela: Lo primero que hay que saber es la función
de la arandela. Una arandela se encarga de repartir la presión de un tornillo o
tuerca. Con la arandela se protege el material atornillado, evitando que las
fuerzas se ejerzan en puntos muy concretos; las uniones se fortalecen.
Tipos
de arandelas
Arandelas
planas: Son las más comunes y aunque se hacen en diferentes
materiales, lo más común es encontrarlas en acero galvanizado e incluso
inoxidable.
Arandelas
dentadas: Se suele emplear para disminuir el efecto de la vibración
que sufre el tornillo. Disponen de un dentado interno y externo. Normalmente se
fabrican en acero, pero también las hay en carbono.
Arandelas
cónicas: También conocidas como Belleville (en honor a su inventor
Julien Belleville, 1835) o muelle de disco cónico. Su forma tronco-cónica le
proporciona un comportamiento elástico que consigue fijar el tornillo con gran fuerza
e impide en gran medida el aflojamiento.
Arandelas
elásticas: Fácilmente reconocibles por estar partidas, con
un extremo más elevado que el otro. Al apretar, la hélice absorbe esfuerzo y
queda completamente plana. Se le conoce comúnmente como arandela grower.
Su uso asegura a las uniones atornilladas una distribución uniforme de las
cargas, convirtiéndose la sujeción en muy efectiva. Pero además, al disminuir
la carga por efecto de las vibraciones, y durante, un periodo, la grower
es capaz de seguir suministrando esa resistencia para impedir el aflojamiento
del tornillo y tuerca o pieza roscada.
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Preparando el test de Junker
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Se
fabrican en aceros de alto carbono (para conseguir la hélice que haga de
resorte) con tratamientos superficiales (cincado electrolítico, galvanizado) y
también en inoxidable (industria alimentaria o química) e incluso en titanio
para ambientes muy agresivos.
Por
supuesto que hay más arandelas (por ejemplo, las de estanqueidad) pero no
vienen al caso que nos ocupa.
Arandelas
de bloqueo por cuña: Son el objeto de este artículo y se describen a
continuación.
ARANDELAS
BLOQUEO POR CUÑA
Son
arandelas que, gracias a su geometría, bloquean la unión atornillada evitando
que se pueda aflojar por vibraciones, cargas dinámicas, etc. Garantizando que
no habrá que reapretar aquellos tornillos donde se instalen.
Para
realizar su trabajo, obligatoriamente, deben colocarse por parejas. Su forma de
trabajo no es por fricción como otras arandelas, si no por tensión. En
realidad, su forma de trabajo está en su propia geometría.
Las
arandelas llevan en su cara de trabajo unas levas por un lado y por el otro un
estriado radial. Como ya se ha comentado, el sistema debe trabajar en pareja y
enfrentando el estriado con las levas.
Por
la geometría que conforma el sistema de leva-estriado, para aflojar es
necesario dar un sobrepar que permitiese superar la pendiente, en este caso
ascendente, de la cuña.
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| Tornillo con arandelas de cuña |
Cuando
el tornillo se aprieta, los dientes de las caras externas de las arandelas se
asientan, tanto en la base del tornillo como en la superficie de contacto,
dejando marcas en ambos. La fuerza de amarre creada por el tornillo, mantendrá
la unión atornillada sin cambios. Los resultados son espectaculares incluso
para uniones atornilladas incluso expuestas a vibraciones severas y cargas
dinámicas.
Observando los croquis anexos se comprueba que el ángulo alfa es mayor que el ángulo del paso de rosca beta y
así se crea un efecto cuña que evite que el tornillo gire y se afloje.
En
la cara exterior de ambas arandelas se hace un dentado para agarrarse a la
superficie.
Cuando
el elemento de sujeción es desatornillado, se producirá deslizamiento entre las
dos arandelas. La arandela superior está agarrada por la parte dentada a la
tuerca o a la cabeza del tornillo. La arandela inferior no girará debido a que
los dientes se encuentran asentados en la superficie de contacto.
Cuando
las levas se deslizan una sobre la otra, inicialmente aumentará la carga de
sujeción del tornillo al estirarse, para luego ceder cuando sea superada la
resistencia de las levas.
Una
vez que se haya realizado el apriete de la unión atornillada, la precisión de
la geometría de las levas prevendrá cualquier aflojamiento debido a
vibraciones, ya que en caso de que el tornillo intente girar, aumentará la
carga. A este efecto se le llama bloqueo por cuña; no es un bloqueo por
fricción.
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| Apriete y aflojamiento con arandela cuña |
Este
efecto de cuña es lo que consigue que este tipo de arandelas no puedan
aflojarse de forma accidental.
PRUEBA
DE LABORATORIO Y CAMPO DE LAS ARANDELAS DE BLOQUEO POR CUÑA
La
experiencia en “laboratorio”
Contaremos
como fue. Tras varias conversaciones telefónicas, quedamos con Aida, técnico de
la empresa Nord-Lock para que nos mostrase esas arandelas “milagrosas”. Tras la
presentación “física” de las arandelas se procedió a simular el trabajo de las
arandelas; para ello se utiliza un dispositivo que es un acelerador de
vibraciones (es decir intenta simular las vibraciones de los tornillos pero de
forma muy rápida, para poder realizar el experimento en corto espacio de
tiempo) El experimento se denomina test de Junker y se usa para comparar como se
comportan los diferentes métodos de bloqueo cuando son expuestos a movimientos
transversales bajo la cabeza del tornillo o tuerca; a la par que se mide, de
forma continua, la tensión.
Durante
la realización del test de Junker (conforme a la norma DIN 65151), el gráfico
muestra cómo la fuerza de amarre de todas las aplicaciones se reduce drásticamente
después de unos segundos, a excepción de las arandelas Nord-Lock. Todas las
demás soluciones se basan en la fricción, en lugar de en la tensión, para
asegurar la unión atornillada. La geometría constituye un método de bloqueo
fiable para controlar la tensión a lo largo del tiempo. Esto previene las
costosas paradas productivas o los potenciales accidentes.
Test
de Junker: Se trata de una
prueba mecánica que estandarizó el ingeniero Gerhard Junker en 1969 para
intentar cuantificar el autoaflojamiento de uniones atornilladas. En la
actualidad la normativa del test la recoge la DIN 65151.
El
test de Junker determina el punto en el que una junta atornillada pierde su
precarga al ser sometida a una carga mediante vibración. Es una prueba muy
utilizada en ingeniería para determinar el aflojamiento por vibración.
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| Test de Junker |
Se
comprobaron varios tipos de arandelas y tuercas: arandela plana con tuerca
normal; tuerca antiaflojamiento con nylon; arandela grower con tuerca normal; arandela
cónica. Y por último se probó la arandela objeto de este estudio, la nord-lock
y con una tuerca normal. El resultado fue espectacular (ver gráfica) y es que se
consigue un sistema que no se puede aflojar de forma involuntaria; incluso para
el aflojamiento voluntario hay que provocar un sobrepar para vencer el efecto
de cuña bajo el tornillo o tuerca.
La
experiencia en “campo”
Una
vez que se realizó (julio 2022) las pruebas de laboratorio, quisimos comprobar
el funcionamiento del sistema en la realidad. Para ello se han dispuesto de dos
ensayos en campo, por una parte en el tractor, y por otra parte en un
cultivador randsome (rabo de gorrino) de 11 brazos.
Dos
precauciones que hay que conocer antes de realizar los ensayos. La primera
precaución que conviene aclarar para usuarios de este tipo de arandela: si se
instala la arandela en cuña, no se puede compatibilizar con otro tipo de
arandela porque entonces perdería la eficacia del diseño.
La
segunda precaución es conocer el tipo de acero de los tornillos (si son
inoxidable, o acero cincado) e instalar la arandela del mismo acero y así
evitar posibles corrosiones del tipo galvánico.
En
tractor: Se ha procedido a instalar estas arandelas en la unión de
los contrapesos traseros al disco. El tractor es un antiguo, no viejo, John
Deere 1640. La unión del contrapeso
al disco se realiza por medio de 6
tornillos.
En
apero: Se ha procedido a atornillar las golondrinas de 5 brazos en
un cultivador de 11 brazos. Cada golondrina se une al brazo (40*40) con 2
tornillos. Se ha realizado en la mitad de los brazos para así poder comparar
con las uniones convencionales.
Hasta
el momento solamente se han realizado 28 h de trabajo con el tractor y que se
han repartido de la siguiente forma: trabajo con cultivador (17 h), transporte
(8 h) y trabajos con pulverizador (3 h)
De
momento las uniones no presentan ningún tipo de problema y tampoco han sufrido
ningún aflojamiento visible. Por supuesto es pronto para certificar el
resultado y desgraciadamente no dispongo de llave dinamométrica para poder
medir los pares de apriete; sin embargo, seguiré vigilando el experimento y en
algún artículo futuro informaré del mismo.
Nota: Las
horas de trabajo referidas se refieren a horas del cuentahoras del tractor, no
de reloj, por lo que la estimación de horas reales de trabajo es de un 20 %
más.
Otra
utilización frecuente y muy interesante es la utilización de estas arandelas en
las uniones disco-llanta y que tantos problemas ocasiona a muchos agricultores.
En este caso la opción ideal son las tuercas con arandela.
A
considerar
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| Tuerca para ruedas |
En
cuanto a la instalación se hace como con cualquier arandela. Por supuesto si se
utiliza el sistema de arandela en cuña se debe saber que trabajan en pareja,
luego obligatoriamente irán dos arandelas. Tampoco se deberá colocar la
arandela en cuña con otras arandelas pues entonces se pierde el efecto de la
cuña.
Las
arandelas de bloqueo por cuña son arandelas totalmente reutilizables. No se
debe pensar que el sobrecoste de adquisición no compensa, pues son 100 %
reutilizables.
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