Causas de desenrollado de ingenieros, soluciones al aflojamiento de pernos

En 2011, uno de los vehículos aéreos no tripulados más avanzados de Estados Unidos se estrelló. En 2013, un accidente de tren en París mató a siete. Y en 2016, un tren de Union Pacific descarriló en Mosier, Oregon, derramando 42,000 galones de petróleo crudo.

Esos son solo tres ejemplos dramáticos de cómo uno de los fenómenos más desconcertantes y menos entendidos de la mecánica básica, el aflojamiento de los pernos con el tiempo, puede causar estragos. Keegan Moore, de la Universidad de Nebraska–Lincoln, está estudiando cómo sucede eso y cómo se puede prevenir con una subvención de $727,410 por cinco años del Programa de Desarrollo Profesional Temprano de la Facultad de la Fundación Nacional de Ciencias.

“Los pernos sueltos no son solo los culpables de las catástrofes de alto perfil; son una amenaza en la vida cotidiana, desde equipos de juegos y automóviles hasta implantes biomédicos y el telescopio espacial James Webb”, dijo Moore, profesor asistente de ingeniería mecánica y de materiales.

Moore dijo que a pesar de la ubicuidad de pernos y tornillos en la infraestructura de todo tipo, se sabe poco acerca de cómo la dinámica de una estructura puede influir en su aflojamiento durante el funcionamiento normal.

“El aflojamiento de pernos y juntas se ha estudiado desde la Revolución Industrial porque ha sido un problema desde entonces”, dijo Moore.

Espera que su investigación responda algunas de esas preguntas. Se centrará en el aflojamiento rotacional, que es causado por vibraciones en las estructuras.

Las arandelas de seguridad son el método más común para evitar que los pernos se aflojen, pero en muchos casos son ineficaces o incluso aumentan la tasa de aflojamiento. Otros enfoques, incluidas las tuercas de torsión y el uso de dos tuercas en un perno, parecen, en el mejor de los casos, retrasar, no prevenir, el aflojamiento.

El proyecto de Moore medirá las condiciones de contacto de la interfaz, las superficies que el perno mantiene unidas, utilizando cámaras digitales de alta velocidad que película a miles de fotogramas por segundo. Él cree que las deformaciones medidas alrededor de la cabeza del perno o la tuerca se pueden asignar a las condiciones de contacto dentro de la interfaz alrededor del orificio del perno. También producirá marcos de modelado para reproducir la dinámica del aflojamiento y determinar cómo la dinámica de una estructura influye en el aflojamiento de los pernos.

«Con suerte, esto nos dará una nueva ventana a lo que está sucediendo en la interfaz que nunca antes habíamos tenido y podremos medir cómo cambia la dinámica a medida que se afloja el perno y se sacude la estructura», dijo Moore.

Un desafío clave es comprender cómo un perno que se afloja puede tener un impacto en otra parte de una estructura.

“Los cambios en un perno pueden causar cambios dramáticos en otros lugares… no solo fallas sino cambios en la operación”, dijo.

Aflojar pernos es un aspecto de la infraestructura obsoleta de Estados Unidos. Espera que su investigación pueda conducir a un mantenimiento predictivo que se centre en áreas específicas con problemas probables, lo cual es más eficiente que tratar de monitorear todos los pernos.

Como con todo CARRERA subvenciones, Moore’s incluye un componente de educación. Planea «gamificar» los cursos de dinámica existentes en ingeniería mecánica mediante el desarrollo de un aprendizaje colaborativo, no competitivo, basado en juegos y crear un laboratorio de dinámica de realidad virtual «para generar entusiasmo y curiosidad en el aula y transformar el intercambio de ideas». También planea crear un nuevo curso de posgrado sobre aprendizaje basado en juegos.

NSF CARRERA los premios apoyan a los profesores pretitulares que ejemplifican el papel de los profesores-eruditos a través de una investigación destacada, una educación excelente y la integración de la educación y la investigación.

Fuente: Universidad de Nebraska-Lincoln