Lo que «pasó el ensayo de vibración» deja fuera

El ensayo dice para qué sirve, y es más limitado de lo que se cree

Los dispositivos de seguridad se clasifican mediante un ensayo de vibración transversal, la familia de ensayos que Gerhard Junker inició a finales de la década de 1960. En la serie aeroespacial está recogido como ISO 16130. Dos frases de su alcance deciden cómo se lee el resto de esta página:

La misma cláusula añade que la norma está destinada principalmente al trabajo de desarrollo. Así que una clasificación es exactamente lo que produce el ensayo, y es todo lo que dice producir. Quien preguntaba cuál era la segunda mejor arandela hacía justo la pregunta para la que está construido el ensayo. El problema empieza un paso después, cuando un puesto en la clasificación se lee como vida útil.

Cómo se elige la condición de ensayo, que es la parte que conviene conocer

El procedimiento tiene dos mitades. La segunda ensaya su dispositivo. La primera decide contra qué se ensayará, y se hace en una unión sin ningún dispositivo de seguridad, montada del mismo modo y con los mismos parámetros.

Piense en lo que significa. La condición no es una condición de servicio y nunca se pretendió que lo fuera. Es la cantidad de movimiento transversal que destruye una unión desnuda en menos de trescientos ciclos, medida en ese banco concreto. Un dispositivo que la supera ha sobrevivido a algo calibrado para ser letal, que es la forma correcta de hacer una comparación y la forma equivocada de leer una garantía.

También explica por qué la norma dice que los resultados no son transferibles entre máquinas. El desplazamiento de referencia sale de la distribución de rigideces del propio banco, así que dos laboratorios que ensayan la misma arandela no aplican la misma severidad salvo que lo indiquen.

Los valores por defecto, y la frase que permite moverlos

La cláusula 7 da ajustes típicos para elementos autoblocantes, que la norma enumera como tuercas, arandelas, pasadores de aletas y alambre de seguridad:

Dos de esas filas merecen una segunda mirada. La longitud de apriete se especifica tan corta como lo permita la geometría, y una longitud de apriete corta es justo la condición en la que una unión pierde la mayor parte de su precarga para un asentamiento dado, como se analiza en Los dos fallos que se llaman ambos aflojamiento. El ensayo no es indulgente.

Y luego viene la línea que más importa a quien compara las afirmaciones de dos proveedores: el solicitante del ensayo puede definir ajustes de ensayo distintos. La norma enumera de inmediato las cuatro cosas que entonces deben indicarse sin ambigüedad para que el resultado sea reproducible: fuerza de apriete inicial, frecuencia de ensayo, desplazamiento transversal efectivo y cómo se ajustó el utillaje a la longitud del elemento de fijación. Esas cuatro son la razón de que dos afirmaciones de «pasó el ensayo de vibración» no sean necesariamente comparables, y son las cuatro que hay que pedir.

No se aplica ninguna carga axial

El principio del ensayo ocupa un párrafo y contiene una frase que sorprende. El elemento de fijación se aprieta a una fuerza de apriete definida y luego se somete a carga transversal dinámica, y no se aplica ninguna fuerza axial de servicio adicional. Lo que se mide es la variación de la fuerza de apriete frente al número de ciclos.

Así que la clasificación de un dispositivo de seguridad se estableció en una unión que no soporta nada más que su propia precarga. Es deliberado, porque aísla el mecanismo: lo que hace girar un tornillo es el deslizamiento transversal, no la tracción axial. Pero también significa que el ensayo no ha dicho nada sobre una unión que además soporta una carga axial fluctuante, que es otro fallo con su propio modelo, descrito en El perno es un resorte, y también todo lo que aprieta.

También la lista de condiciones que ponen fin al ensayo merece una lectura pausada. Un ensayo se detiene tras un número especificado de ciclos, por rotura del perno, por pérdida total de la fuerza de apriete o por estabilización de la fuerza de apriete residual. Esta última no es lo mismo que conservar la fuerza de apriete. Una unión que cayó a una fracción de su precarga y luego dejó de caer se ha estabilizado, y cuánto conservó es una cifra del informe, no algo que transmita la palabra «pasó».

Qué hacer con la clasificación

Nada de esto hace que la clasificación sea errónea. Un ensayo comparativo realizado en condiciones declaradas es un resultado real y es mucho mejor que una opinión; por eso este sitio está dispuesto a escribir que un par de arandelas de cuña es eficaz en el ensayo de vibración transversal y una arandela de presión partida no lo es. Lo que hace la norma es decirle qué tipo de afirmación es esa.

La mejor respuesta del propio hilo encaja bien con todo esto. Si la unión no debe girar en absoluto, el dispositivo honesto es el que impide el giro en lugar de resistirlo, y tiene su propio precio, descrito en La precarga con la que se acaba es la que permitió el agujero. Dónde se sitúa cada contramedida frente a los dos modos de fallo es la tabla de Por qué se aflojan los tornillos, y lo que hace realmente cada tipo de arandela está en Las arandelas, explicadas. El caso de una contramedida que se escribió en una norma y luego se retiró es La doble tuerca.

Este artículo no pertenece a un solo paso de los seis: abarca varios o aparece después del montaje. Las decisiones se explican en el artículo inglés Specifying a screw.

Preguntas frecuentes

¿Cuál es la segunda mejor arandela de seguridad?

Es justo la pregunta que un ensayo de vibración transversal existe para responder, y la ISO 16130 dice en su alcance que lo que produce es una evaluación comparativa en condiciones definidas. También dice que ensayar según la norma no permite una afirmación absoluta sobre el comportamiento de seguridad bajo cargas de servicio. Por tanto, se puede obtener un puesto en la clasificación, pero no una vida útil. Antes de usarlo, pregunte con qué desplazamiento transversal se obtuvo, porque la norma lo fija para cada banco y no de forma universal.

¿Qué es el ensayo Junker?

La familia de ensayos de vibración transversal que Gerhard Junker desarrolló a finales de la década de 1960, en la que se hace deslizar las piezas apretadas una sobre otra mientras se registra la fuerza de apriete frente al número de ciclos. En la serie aeroespacial está normalizado como ISO 16130. El mecanismo que hace girar un tornillo es el deslizamiento de las caras apretadas, no la tracción axial.

¿Cómo se elige la amplitud de vibración?

Destruyendo primero una unión sin seguro. La ISO 16130 hace que el operario ensaye una unión sin dispositivo de seguridad, montada con los mismos parámetros, y varíe la carrera hasta encontrar el desplazamiento transversal con el que la precarga se pierde por completo en 300 más o menos 100 ciclos de carga. Eso debe establecerse tres veces con piezas nuevas, y pasa a ser la condición del ensayo siguiente. Como ajustes típicos se indican por separado más o menos 0,5 mm hasta M12 y 0,8 mm por encima, a 12,5 Hz.

¿Son comparables los resultados de vibración de dos proveedores?

No automáticamente. La norma dice que el solicitante del ensayo puede definir ajustes distintos, y a continuación enumera cuatro cosas que deben indicarse sin ambigüedad para que un resultado sea reproducible: la fuerza de apriete inicial, la frecuencia de ensayo, el desplazamiento transversal efectivo y cómo se ajustó el utillaje a la longitud del elemento de fijación. Si una afirmación no incluye esas cuatro, no es comparable con otra que sí las incluye.

¿El ensayo aplica una carga de trabajo a la unión?

No. El principio del ensayo dice que el elemento de fijación se aprieta a una fuerza de apriete definida y se somete a carga transversal dinámica sin aplicar ninguna fuerza axial de servicio adicional. Eso aísla el mecanismo de autoaflojamiento, y también significa que el resultado no dice nada sobre una unión que además soporta una carga axial fluctuante.

Referencias

• ISO 16130:2015 — serie aeroespacial, ensayo dinámico del comportamiento de seguridad de uniones atornilladas bajo carga transversal (ensayo de vibración); cláusula 1 alcance, cláusula 4 principio del ensayo, cláusula 5.3 requisitos del aparato, cláusula 6 ensayos de referencia y de verificación, cláusula 7 ajustes de ensayo
• ISO 16047 — elementos de fijación, ensayo de par/fuerza de apriete; la única referencia normativa de la ISO 16130
• NASA RP-1228, Fastener Design Manual — la fuente que enlazó el hilo original, y el origen de la evaluación de arandelas partidas citada en otras páginas de este sitio
• r/AskEngineers — el hilo donde empezó todo

La ISO 16130:2015 se leyó a partir de la vista previa en PDF de acceso público, que contiene el índice y las cláusulas 1 a 7 completas. Todo lo citado arriba procede de esas cláusulas. La vista previa termina antes de la cláusula 8, Evaluación, por lo que esta página no indica ningún criterio de aceptación: qué considera la norma un resultado aprobado, y si fija una fuerza de apriete residual, son cosas que no hemos leído. Las tablas de fuerza de apriete a las que remite la cláusula 7 también quedan fuera de la vista previa, así que aquí solo se da la regla enunciada en el texto de la cláusula, el setenta y cinco por ciento de la fuerza de apriete última calculada, y ningún valor tabulado. No tenemos ningún informe de ensayo de un producto con nombre y no afirmamos nada sobre ninguno. La norma ferroviaria alemana para dispositivos de seguridad también define un ensayo de tipo Junker; no la hemos leído y aquí no se le atribuye nada. Una corrección en este sitio: nuestra página sobre por qué se aflojan los tornillos enlazaba la ISO 16130 con el número de catálogo 54151, que corresponde a la ISO 11277, una norma de calidad del suelo. El número correcto es 55728, y el enlace se ha corregido.