Investigadores del Departamento de Ingeniería Mecánica de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial de Béjar, perteneciente a la Universidad de Salamanca, están estudiando el comportamiento de ajustes mecánicos muy habituales en máquinas industriales, en los que un cilindro va ensamblado con otra pieza, es decir, un eje unido a un agujero. El objetivo de los científicos es analizar mediante un equipo de ultrasonidos las presiones a las que se ve sometida esta unión, de forma que se puedan prevenir hipotéticos fallos en todo tipo de maquinaria.
Dentro del campo de la Ingeniería Mecánica, "nos interesan los problemas de contacto, que se dan cuando tenemos dos sólidos que están sometidos a fuerzas de presión entre ellos", explica a DiCYT Juan Carlos Pérez Cerdán, profesor de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial de Béjar. Su línea de investigación se centra en los ajustes por interferencia, también llamados ajustes a presión, que son muy comunes en Ingeniería Mecánica, porque "se utilizan para montar sobre un eje o un árbol de transmisión distintos elementos, como engranajes, poleas o rodamientos".
En esencia, se trata de ensamblar un cilindro con otra pieza que tiene una abertura redonda para que encaje a la perfección, pero este tipo de ajustes introduce presiones muy altas entre los dos elementos. "Tener picos de tensiones en una máquina es muy perjudicial, porque hacen que finalmente pueda fallar, así que todo lo que hacemos tiene una finalidad práctica: prevenir el posible fallo del elemento mecánico", destaca.
Desde el punto de vista teórico, el grupo de investigación ha optado por el método de los elementos finitos (MEF en castellano o FEM en inglés), muy extendido en diversas ramas de la Ciencia. "Es difícil estudiar un sólido como un elemento continuo, en el sentido de que dos puntos cualquiera de un sólido pueden estar tan cerca como uno se pueda imaginar, es decir, que cada punto tiene otro infinitamente cerca y esto lleva a ecuaciones muy complicadas", indica el investigador. Sin embargo, el MEF considera que un punto de un sólido está separado del punto más inmediato. "Con esos puntos, que reciben el nombre de nodos, construyes una malla y vas transformando el continuo en una especie de rejilla", comenta. Así, el sistema de ecuaciones es más sencillo y se puede resolver mediante programas de ordenador en los que se introduce la información para obtener resultados que luego hay que interpretar.
En definitiva, Juan Carlos Pérez Cerdán utiliza el método de los elementos finitos para la determinación de las presiones y de las tensiones en estos ajustes por interferencia. Sin embargo, el siguiente paso es completar la teoría con estudios experimentales, para lo que se emplean prototipos pequeños. "Es difícil encontrar una máquina que no tenga un eje o un árbol de transmisión. Sobre los ejes se montan distintos elementos de forma que transmiten la potencia a un eje paralelo o perpendicular a través de engranajes o poleas", indica.
La otra pieza es la que tiene el agujero y puede ser la parte de dentro de un engranaje, una polea o un rodamiento. "La idea es que van a presión, así que estudiamos qué pasa cuando están ajustados", indica. En la cara interior de esta pieza aparecen presiones y tensiones muy grandes y en algunos puntos están más acentuados.
Ultrasonidos
Aunque en el aspecto teórico, esas presiones deberían ser uniformes, "ahora estudiamos cuál es la variación real de la distribución de dichas presiones, que no se corresponden exactamente con las que se deducen teóricamente", indica el experto.
En esta parte empírica de la investigación, el objetivo es determinar las presiones reales a las que se ven sometidas las piezas mediante un equipo de ultrasonidos. Este aparato "emite una onda y podemos estudiar la onda reflejada", señala Pérez Cerdán. Habitualmente, estos equipos se emplean para determinar si hay alguna fisura en las máquinas, pero el objetivo del Departamento de Ingeniería Mecánica es comprobar si existe alguna variación brusca en la presión y el contacto.
"El problema es que esos equipos no están pensados para el problema que queremos atacar, sino para detectar pequeñas grietas, pero queremos readaptar esta técnicas para determinar picos de presión en el ajuste. Determinar con ultrasonidos cuál es la distribución de presiones nos va a llevar tiempo, habrá que tratar, reinterpretar y procesar los resultados", señala.
Una unión muy extendida
"Este tipo de unión está muy extendida en la industria, se emplea con frecuencia para ajustar elementos, así que queremos sacar conclusiones prácticas que lleve a mejorar este proceso", detalla Juan Carlos Pérez Cerdán en referencia a estos ajustes compuestos por un cilindro y una pieza ensamblada.
Generalmente, el objetivo de estas uniones es que el eje gire a muchas revoluciones por minuto. "Las piezas que van con el eje tienen que estar solidariamente montadas con el eje y, si la presión no es suficiente, resbalan y no se transmite bien la potencia".
Para conseguir el ensamblaje de las dos piezas, se puede recurrir a la fuerza mediante una especie de tenazas hidráulicas. Otra alternativa pasa por calentar la pieza que tiene la abertura para dilatarla e introducir el eje para que quede ajustado una vez que se enfría y, por lo tanto, pierde volumen. También se emplea la idea contraria, enfriar el eje para contraerlo y que quede ajustado cuando recupera la temperatura normal.
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