ES2812299B2 - Arandela para medida de tensiones en una union atornillada y procedimiento de fabricacion de la misma - Google Patents

Arandela para medida de tensiones en una union atornillada y procedimiento de fabricacion de la misma Download PDF

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Description

DESCRIPCIÓN
ARANDELA PARA MEDIDA DE TENSIONES EN UNA UNIÓN ATORNILLADA Y
PROCEDIMIENTO DE FABRICACIÓN DE LA MISMA
OBJETO DE LA INVENCIÓN
Un primer objeto de la presente invención es una arandela dotada de sensores para medir las cargas a las que está sometida una unión atornillada.
Un segundo objeto de la presente invención es un procedimiento para fabricar la arandela anterior.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Las uniones atornilladas están universalmente extendidas en muy diversos campos para la fijación de unos elementos a otros. En algunos contextos, resulta importante conocer el comportamiento de estas uniones atornilladas, especialmente el valor de la precarga y su evolución a lo largo del tiempo. A modo de ejemplo, este aspecto es clave en la puesta en marcha de un generador, ya que una sola unidad puede tener más de 1500 tornillos críticos. Una precarga incorrecta durante el montaje o una pérdida de precarga durante el ciclo de trabajo puede conllevar roturas prematuras, con costes importantes de reparación y de parada.
El documento US 9,719,900 describe una arandela en la que se instalan varias galgas extensiométricas. Cada una de ellas se encapsula en el interior de un correspondiente orificio axial practicado en una zona radialmente intermedia de la arandela. Esto permite medir las tensiones axiales a las que está sometida la arandela desde el momento de la precarga inicial y a lo largo de toda su vida útil.
Sin embargo, la arandela del documento US 9,719,900 presenta el inconveniente de que requiere modificar las caras superior e inferior de la arandela, que son las caras de contacto con el correspondiente tornillo y la pieza que se vaya a fijar. Esto puede resultar relevante en sectores donde la arandela deba llevar un tratamiento anticorrosivo o un material de relleno del alojamiento para la protección de las bandas y conexiones. En efecto, cuando el orificio axial se rellena con una sustancia anticorrosiva o de material de protección de las bandas, convencionalmente queda un exceso de sustancia sobre el extremo del orificio que sobresale de la superficie de apoyo de la arandela. Como consecuencia, el asentamiento del tornillo o pieza a fijar sobre la arandela se ve afectado, modificándose negativamente el comportamiento de la unión.
Un inconveniente adicional de la arandela descrita en el documento US 9,719,900 está relacionado con la necesidad de practicar, además del orificio axial en el que va instalada la galga extensiométrica, un orificio radial para la extracción del cableado. Esto requiere un mayor tiempo de mecanizado y además, según el número y características de los orificios, la pérdida de material causada por los orificios puede afectar al comportamiento de la arandela.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La presente invención resuelve los problemas anteriores gracias a la disposición, en orificios radiales practicados en la cara radial exterior de la arandela, de bandas cilíndricas de medida dotadas de sensores de deformación. Gracias a esta configuración, no se modifican de ningún modo las caras de contacto de la arandela, con lo que el apoyo del tornillo o de la pieza que se fija no se ve afectado. Además, el cableado de los sensores se extrae a través de los propios orificios radiales, evitándose así la necesidad de practicar orificios adicionales.
Una ventaja adicional está relacionada con que cada banda cilíndrica comprende sensores orientados respectivamente en dirección longitudinal y tangencial de la propia banda. Esto permite obtener no solo las tensiones de compresión axial a las que está sometida la arandela, como en el documento US 9,719,900, sino también las tensiones de tracción radial.
Ventajas adicionales de la arandela de la invención están relacionadas con la independencia de la medida obtenida de la temperatura, así como con una mayor sensibilidad y estabilidad de la medida. Estas y otras ventajas quedarán claras a partir de la siguiente descripción de arandela la invención.
A continuación, se describe brevemente el significado de algunos términos que se emplean en la presente memoria.
En este documento, las diferentes partes de la arandela se definen según las direcciones axial y radial de la propia arandela. La dirección axial se refiere al eje de simetría cilíndrica de la arandela, a lo largo del cual se introducirá el correspondiente tornillo, mientras que la dirección radial está definida en función de dicha dirección axial como una dirección que pasa por el eje de simetría cilíndrica y que está contenida en un plano perpendicular a dicho eje de simetría cilíndrica. Así, la arandela tiene una caras interior y exterior que están orientadas en la sentidos opuestos según la dirección radial, y unas caras superior e inferior que están orientadas en sentidos opuestos según dirección axial. En este contexto, nótese que el uso de los términos “superior’ e “inferior’ se interpretan según la posición de la arandela en las diversas figuras, aunque no es limitante y ambas son intercambiables entre sí.
En este documento, la banda cilíndrica de medida se define según las direcciones longitudinal y tangencial de la propia banda. La dirección longitudinal se refiere a una dirección paralela al eje del cilindro que constituye el sustrato de la banda, mientras que la dirección tangencial está definida en función de dicha dirección longitudinal como una dirección tangente a la superficie de la banda cilíndrica y que está contenida en un plano perpendicular a la dirección longitudinal.
Un primer aspecto de la presente invención está dirigido a una arandela para la medida de cargas en una unión atornillada. La forma de la arandela es la convencional, es decir, la arandela está formada fundamentalmente por una placa circular dotada de un orificio circular concéntrico en su centro. Sin embargo, la arandela de la invención se diferencia de las arandelas convencionales en que comprende al menos un orificio cilíndrico radial en una cara radial exterior que aloja una banda cilíndrica de medida. A su vez, la banda cilíndrica de medida comprende un sustrato esencialmente cilíndrico que encaja en el orificio radial, y que tiene un primer sensor de deformación dispuesto en posición longitudinal y un segundo sensor de deformación dispuesto en posición tangencial. Naturalmente, esta banda cilíndrica de medida se dispone en el interior del orificio de la arandela en una posición tal que el segundo sensor de deformación, que es tangencial con relación al sustrato de la banda de medida, está orientado esencialmente en la dirección axial de la arandela. Normalmente, el primer y segundo sensores de deformación son galgas extensiométricas.
Las bandas cilíndricas de medida, comúnmente denominadas bandas cilíndricas premontadas, son elementos conocidos en la técnica, aunque utilizados convencionalmente para otros usos. Estas bandas están formadas por un sustrato cilíndrico normalmente hecho de poliimida que sirve como base, sobre cuya superficie se fija en dirección longitudinal el primer sensor de deformación y en dirección tangencial el segundo sensor de deformación. Los sensores suelen estar hechos de constantán. A modo de ejemplo, son conocidas las galgas de la marca HBM (ver la web https://www.hbm.com/en/7452/cylindric-strain-gaugesfor-measurements-in-bolts/, referencia 1-TB21-3.3/1000HW), las galgas de la marca Kyowa (ver la web https://www.kyowa-ei.us/eng/product/category/strain_gages/kfb/index.html, referencia KFB-1.5-120-C20-11 N5C2, que carece de medida tangencial), o las galgas de la marca TML (ver la web https://tml.jp/e/product/strain_gauge/btm_list.html, referencia BTM-6C, que carece de medida tangencial). Este tipo de bandas se utilizan normalmente para la medida de las tensiones axiales en tornillos.
En cuanto a los orificios, tienen un diámetro y longitud que dependen del tamaño de la arandela en la que se vayan a practicar. Por ejemplo, el diámetro puede ser de aproximadamente 2 mm, mientras que la profundidad del agujero puede llegar hasta un radio comprendido entre 1,05 y 1,5 del radio interior de la arandela (por ejemplo en un M42 el extremo del agujero ciego podría llegar entre R31,5 y R22) . En cualquier caso, los orificios son normalmente ciegos, esto es, no atraviesan completamente toda la anchura de la arandela, evitando así generar un orificio de salida que estaría situado en la cara radial interior.
Naturalmente, la longitud de los orificios será mayor que la longitud de las bandas cilíndricas de medida que vayan a alojar en su interior, y su diámetro será ligeramente mayor que aquellas. Por ejemplo, en un agujero de 2 mm, el radio de la banda cilíndrica puede ser de 1,9 mm. De ese modo, primero se introducen las bandas en el orificio y, a continuación, se rellena el orificio con un adhesivo para conseguir una fijación segura.
Gracias a esta configuración, es posible monitorizar las cargas de una unión atornillada sin necesidad de modificar las caras de apoyo superior e inferior de la arandela. Además, esto se consigue sin necesidad de practicar orificios axiales además de los radiales, con lo que se minimizan las tareas de mecanizado y no se afecta al comportamiento de la arandela. Por otra parte, al estar los sensores de deformación premontados sobre las bandas cilíndricas de medida, se facilita un posicionamiento preciso de los sensores y un proceso de fabricación sencillo y repetitivo. Una importante ventaja adicional es que el orificio radial de la arandela crea una zona de tensiones casi uniformes, a diferencia de lo que ocurre con un orificio axial, donde las tensiones varían a lo largo de su longitud. Como se describirá con mayor detalle más adelante en este documento, esto se ha comprobado a través de la realización de diversos análisis estructurales del comportamiento de la arandela sometida a carga. La medida se mantiene así prácticamente uniforme, creando así un sistema particularmente robusto. Una ventaja adicional de este sistema es que puede medir también las flexiones que aparecen en la cabeza del tornillo durante el funcionamiento.
De acuerdo con una realización preferida de la invención, la arandela comprende una pluralidad de orificios cilíndricos radiales que alojan respectivas bandas cilíndricas de medida, estando los orificios radiales ubicados en la arandela de manera angularmente equiespaciada.
Gracias a esta configuración se incrementa la sensibilidad y precisión de la medida, ya que se puede realizar un promedio entre las diferentes medidas obtenidas. Además, al estar angularmente equiespaciados los puntos de medida, se facilita la combinación de la información obtenida por cada uno de los sensores. Una ventaja adicional del hecho de tener varios puntos de medida es que, en vez de sacar un único canal, es posible sacar un canal por punto de medida, lo que mejora la precisión del sistema.
En una realización particularmente preferida de la invención, la arandela comprende cuatro orificios cilíndricos radiales que alojan respectivas bandas cilíndricas de medida, estando los orificios cilindricos radiales separados 90° entre sí. Aún más preferentemente, los cuatro pares de sensores de deformación correspondientes las cuatro bandas cilíndricas de medida están conectados formando un puente de Wheatstone con el propósito de obtener una única medida independiente de la temperatura.
Más concretamente, como se describirá con mayor detalle más adelante en este documento, los ocho sensores de deformación que comprenden los respectivos cuatro pares de sensores correspondientes a las cuatro bandas cilíndricas de medida se conectan formando un puente de Wheatstone. Dos ramas contiguas de las cuatro ramas del puente de Wheatstone comprenden los sensores longitudinales de posiciones angularmente opuestas conectados en serie, y las otras dos ramas contiguas de las cuatro ramas del puente de Wheatstone comprenden los sensores transversales de posiciones angularmente opuestas conectadas en serie. Gracias a este circuito, se obtiene una única señal de salida obtenida de los bornes que separan cada uno de dichos dos pares de ramas contiguas.
Esta configuración es ventajosa debido a que proporciona una señal de salida que es, de manera inherente, independiente de la temperatura, de los momentos de flexión inducidos en la cabeza, y de las tolerancias de montaje. Además, gracias a la combinación de las señales obtenidas de los diferentes sensores de deformación, la señal obtenida es también inherentemente independiente de las tolerancias de fabricación y montaje, así como de los momentos flectores que pueden aparecer en la cabeza del tornillo (por ejemplo, falta de paralelismo entre caras, falta de concentricidad, descentramiento de la arandela debido a la holgura, tolerancias de fabricación de la arandela, asimetría del cono de presión, flexiones con carga de funcionamiento, etc.).
Un segundo aspecto de la presente invención está dirigido a un procedimiento para fabricar una arandela para la medida de tensiones en una unión atornillada. Este procedimiento comprende fundamentalmente los siguientes pasos:
1. Mecanizar al menos un orificio cilíndrico radial en la cara exterior de la arandela. Este paso se puede llevar a cabo utilizando un taladro dotado de una broca del tamaño deseado.
2. Introducir en dicho orificio cilíndrico radial una banda cilíndrica de medida. Como se ha descrito anteriormente, la banda cilíndrica de medida comprende un sustrato esencialmente cilíndrico que encaja en el orificio radial, y que tiene un primer sensor de deformación dispuesto en posición longitudinal y un segundo sensor de deformación dispuesto en posición tangencial. Los sensores de deformación son normalmente galgas extensiométricas.
La banda cilíndrica de medida se puede fijar al orificio mediante adhesivo, o bien puede encajar en su interior a presión.
El resultado de este procedimiento es una arandela sensorizada que comprende al menos un orificio radial que aloja una banda cilíndrica de medida que permite monitorizar las tensiones a las que está sometida la arandela.
En una realización particularmente preferida de la invención, el procedimiento comprende mecanizar una pluralidad de orificios cilíndricos radiales angularmente equiespaciados e introducir en ellos sendas bandas cilíndricas de medida.
Más preferentemente, el procedimiento de la invención comprende mecanizar cuatro orificios cilíndricos radiales separados 90° entre sí e introducir en ellos sendas bandas cilíndricas de medida. En este caso, preferentemente se conectan los cuatro pares de sensores de deformación correspondientes las cuatro bandas cilíndricas de medida formando un puente de Wheatstone. Esto permite obtener una única medida final de las tensiones que es independiente de la temperatura.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
Las Figs. 1a y 1b muestran respectivamente una vista esquemática de una arandela dotada de dos orificios de acuerdo con la técnica anterior y una sección axial donde se aprecia el recorrido de uno de los orificios.
Las Figs. 2a y 2b muestra una vista superior esquemática de una arandela dotada de dos orificios de acuerdo con la presente invención y una sección axial donde se aprecia el recorrido de uno de los orificios.
La Fig.3 muestra una vista en perspectiva de una banda cilíndrica de medida empleada en la arandela de la presente invención.
La Fig. 4 muestra una vista en perspectiva de una arandela dotada de cuatro orificios de acuerdo con la presente invención.
La Fig. 5 muestra una vista superior de una arandela según la presente invención con cuatro bandas cilíndricas de medida insertadas en los cuatro orificios.
Las Figs. 6a y 6b muestran sendas secciones axiales que muestran las direcciones de las tensiones medidas por los sensores longitudinal y tangencial de las bandas de medida de tensiones.
Las Figs. 7a y 7b muestran respectivamente un esquema de la posición de los sensores longitudinal y tangencial instalados en cada uno de los cuatro orificios y un diagrama eléctrico de la conexión de dichos sensores.
Las Figs. 8a y 8b corresponden a las deformaciones de una arandela respectivamente dotada de un orificio axial y un orificio radial.
REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN
Se describen a continuación algunos ejemplos de arandelas de acuerdo con la presente invención, así como comparativas con arandelas de la técnica anterior, haciendo referencia a las figuras adjuntas.
Las Figs. 1a y 1b muestran sendas vistas de una arandela (100) de acuerdo con la técnica anterior descrita en la patente US 9,719,900. Como se puede apreciar, la arandela (100) comprende dos orificios (200), cada uno de los cuales está formado por dos tramos (200a, 200b). El primer tramo (200a) está orientado en la dirección axial de la arandela (100) y la atraviesa completamente, y el segundo tramo (200b) está orientado en dirección radial hacia fuera. En particular, en este ejemplo el segundo tramo (200b) no está formado por una acanaladura radial en la cara inferior de la arandela (100). De acuerdo con la patente US 9,719,900, se dispone un sensor de deformación (por ejemplo, una galga extensiométrica) orientada axialmente dentro del primer tramo axial (200a) del orificio (200), y los cables de dicho sensor de deformación se extraen por la acanaladura radial que constituye el segundo tramo (200b).
Como se puede apreciar, esta disposición únicamente permite obtener las tensiones axiales de la arandela (100). Además, se modifican tanto la cara superior como la cara inferior de la arandela (100), lo que puede afectar al apoyo sobre las mismas del tornillo y del elemento que se va a fijar. Como se describió anteriormente, esto puede ser particularmente relevante cuando es necesario recubrir la arandela (100), por ejemplo con un tratamiento anticorrosivo o rellenar el alojamiento con material de protección para las bandas y conexiones.
Las Figs. 2a y 2b muestran un ejemplo de arandela (1) de acuerdo con la presente invención. La arandela (1) tiene dos orificios (2) radiales practicados en una cara radial exterior (11) y dispuestos en posiciones diametralmente opuestas. Los orificios (2) son ciegos, es decir, no atraviesan completamente la arandela (1) hasta salir por una cara radial interior (12). Esta disposición de los orificios (2) evita modificar las caras superior e inferior de la arandela (1), lo que resulta ventajoso por los motivos descritos más arriba. La Fig. 4 muestra otro ejemplo de arandela (1) que comprende cuatro orificios (2) radiales separados 90° entre sí.
En cualquier caso, independientemente del número de orificios de la arandela (1), en el interior de cada uno de estos orificios (2) se dispone una banda (3) cilindrica de medida como la mostrada en la Fig. 3. Se trata de una banda (3) formada esencialmente por un sustrato (31) cilíndrico sobre cuya superficie hay fijadas dos sensores de deformación (32, 33) en forma de galgas extensiométricas. Una primera galga extensiométrica (32) está dispuesta en dirección longitudinal del sustrato (31) cilíndrico, y una segunda galga extensiométrica (33) está dispuesta en dirección tangencial del sustrato (31) cilíndrico. Unos cables sobresalen por un extremo del sustrato (31) para la conexión eléctrica de las respectivas galgas (32, 33).
Una vez introducidas las bandas (3) cilíndricas de medida en cada uno de los orificios (2), se obtiene una arandela (1) como la mostrada en las Figs. 5 y 6. Se trata de una arandela (1) con cuatro orificios (2) separados 90° donde cada uno de los orificios (2) aloja una banda (3) cilíndrica de medida adecuadamente orientada. Así, la banda (3) de medida queda dispuesta en dirección radial a lo largo del orificio (2) de manera que el extremo por el que sobresalen los cables de conexión de las galgas (32, 33) queda en el extremo abierto del orificio (2), junto a la cara radial exterior (11) de la arandela (1). De ese modo, como se aprecia en la Fig. 6a, la galga extensiométrica (32) longitudinal de la banda (3) de medida queda orientada en la dirección radial de la arandela (1) y proporciona así información acerca de la tracción radial que sufre la arandela (1) durante su vida útil.
Al mismo tiempo, la banda (3) de medida se introduce en el orificio (2) de manera que la galga extensiométrica (33) tangencial de la banda (3) de medida está orientada en la dirección axial de la arandela (1), como se muestra en la Fig. 6b. De ese modo, la galga extensiométrica (33) tangencial de la banda (3) de medida obtendrá información principalmente acerca de la compresión axial de la arandela (1).
La presente invención también describe un modo de conexión de las galgas extensiométricas (32, 33) de las cuatro bandas (3) de medida instaladas en los respectivos cuatro orificios (2) radiales de la arandela (1). Las Figs. 7a y 7b muestran el modo en que se realiza dicha conexión. Se ha empleado una notación en que un superíndice denota para cada galga extensiométrica (32, 33) la posición angular que ocupa a lo largo de la arandela (1). Como se puede apreciar, la conexión se realiza según un esquema de puente de Wheatstone donde cada rama comprende dos galgas extensiométricas del mismo tipo correspondientes a posiciones angulares opuestas, es decir, dos galgas extensiométricas longitudinales de ángulos opuestos o dos galgas extensiométricas tangenciales de ángulos opuestos. Al mismo tiempo, las ramas que tienen galgas extensiométricas pertenecientes a la misma banda (3) de medida se disponen en posiciones contiguas.
Por ejemplo, haciendo referencia particular a la Fig. 7b, se aprecia que la rama S"P+ incluye las galgas extensiométricas longitudinales (320, 32180) correspondientes a 0° y 180°, la rama P+S+ incluye las galgas extensiométricas transversales (330, 33180) correspondientes a 0° y 180°, la rama S+P- incluye las galgas extensiométricas longitudinales (3290, 32270) correspondientes a 90° y a 270°, y la rama P"S" incluye las galgas extensiométricas transversales (3390, 33270) correspondientes a 90° y 270°. Con esta configuración, se obtiene en los bornes S+S- una señal representativa del estado tensional de la arandela (1) que combina información acerca de la tracción radial y la compresión axial, y que además es independiente de la temperatura. Además, es posible obtener la señal intercambiando las ramas diagonales del puente (por ejemplo S-P- por P+S+).
Una ventaja adicional de la disposición de los orificios (2) radiales en la arandela (1) de la invención está relacionada con la mayor uniformidad de las tensiones a lo largo de estos orificios radiales en comparación con las tensiones que presentan orificios axiales como los empleados en la técnica anterior. Así, la Fig. 8a muestra las deformaciones en el caso de un orificio axial como el practicado en las arandelas de la técnica anterior mostradas en la patente US US 9,719,900, mientras que la Fig. 8b muestra las deformaciones correspondientes a una arandela con un orificio radial según la presente invención. Como se puede apreciar, el orificio radial de la Fig. 8b genera una zona en la que la tensión es sustancialmente uniforme, lo que permite obtener medidas más estables.

Claims (10)

REIVINDICACIONES
1. Arandela (1) para la medida de tensiones en una unión atornillada, caracterizada por que comprende al menos un orificio cilíndrico radial (2) en una cara radial exterior (11) que aloja una banda (3) cilíndrica de medida, donde la banda (3) cilíndrica de medida comprende un sustrato (31) esencialmente cilíndrico que encaja en el orificio radial (2) y que tiene un primer sensor (32) de deformación dispuesto según una dirección paralela a un eje del sustrato (31) de la banda (3) y un segundo sensor (33) de deformación dispuesto según una dirección tangente a una superficie de la banda (3) y que está contenida en un plano perpendicular a la dirección del eje del sustrato (31) de la banda (3).
2. Arandela (1) de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende una pluralidad de orificios cilíndricos radiales (2) que alojan respectivas bandas (3) cilíndricas de medida, y donde los orificios radiales (2) están ubicados de manera angularmente equiespaciada.
3. Arandela (1) de acuerdo con la reivindicación 2, que comprende cuatro orificios cilíndricos radiales (2) que alojan respectivas bandas (3) cilíndricas de medida, y donde los orificios cilindricos radiales (2) están separados 90° entre sí.
4. Arandela (1) de acuerdo con la reivindicación 3, donde los cuatro pares de sensores de deformación (32, 33) correspondientes las cuatro bandas (3) cilíndricas de medida están conectados formando un puente de Wheatstone con el propósito de obtener una única medida independiente de la temperatura.
5. Arandela (1) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el primer y segundo sensores (32, 33) de deformación son galgas extensiométricas.
6. Procedimiento para fabricar una arandela para la medida de tensiones en una unión atornillada, caracterizado por que comprende los siguientes pasos:
- mecanizar al menos un orificio cilindrico radial (2) en la cara exterior (11) de la arandela (1); y
- introducir en dicho orificio cilindrico radial (2) una banda (3) cilindrica de medida, donde la banda (3) cilindrica de medida comprende un sustrato (31) esencialmente cilindrico que encaja en el orificio radial (2) y que tiene un primer sensor (32) de deformación dispuesto en posición longitudinal y un segundo sensor (33) de deformación dispuesto en posición tangencial.
7. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 6, que comprende mecanizar una pluralidad de orificios cilíndricos radiales (2) angularmente equiespaciados e introducir en ellos sendas bandas (3) cilíndricas de medida.
8. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 7, que comprende mecanizar cuatro orificios cilíndricos radiales (2) separados 90° entre sí e introducir en ellos sendas bandas (3) cilíndricas de medida.
9. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 8, que comprende conectar los cuatro pares de sensores de deformación (32, 33) correspondientes las cuatro bandas (3) cilíndricas de medida formando un puente de Wheatstone con el propósito de obtener una única medida independiente de la temperatura, de los momentos de flexión inducidos en la cabeza y de las tolerancias de montaje.
10. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 6-9, donde el primer y segundo sensores (32, 33) de deformación son galgas extensiométricas.
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