Amortiguador progresivo del cilindro hidráulico

Las juntas de culata han sido una opción económica para cilindros neumáticos e hidráulicos durante más de 100 años. Se reduce a una simple extensión mecanizada del vástago del pistón que reduce la velocidad de la carga durante las últimas pulgadas de la carrera. Este proceso de desaceleración es automático, ajustable y no requiere mantenimiento. Cuando se ejecuta correctamente, esta es una solución elegante y rentable. El almacenamiento en búfer progresivo se basa en los mismos principios básicos, pero utiliza funciones adicionales para una mayor eficiencia.

¿Por qué lo necesitas?Los beneficios de la amortiguación progresiva se obtienen mejor cuando tiene una estructura muy grande y pesada, como compuertas contra inundaciones, compuertas de navegación o tramos de puentes móviles accionados por sistema hidráulico. Si está diseñando un sistema de este tipo, la necesidad obvia de reducir la velocidad y detener el movimiento de la estructura en cada extremo del bucle se puede lograr de varias maneras. El flujo de fluido hidráulico cerca del final de la carrera se puede reducir gradualmente a través de varios circuitos de válvulas, pero todos dependen de algún tipo de sistema de control eléctrico o interruptores de límite para iniciar y controlar el proceso de desaceleración.

El problema es que a veces los finales de carrera y los sistemas de control no funcionan. Hay poca necesidad de explicar lo que sucede cuando una estructura pesada no logra reducir la velocidad y golpea su pilar. El daño resultante puede variar desde levemente molesto hasta catastrófico.

¿Por qué no simplemente especificar la opción de junta de culata estándar y terminar con ella?Las opciones de amortiguación estándar de la mayoría de los fabricantes de cilindros no brindan una desaceleración progresiva y pueden no ser suficientes para detener correctamente estructuras pesadas que se descontrolan. Sin embargo, el diseño de amortiguación de varias etapas proporciona una desaceleración progresivamente ajustable. La estructura puede ser impulsada intencionalmente hasta el final de su ciclo sin desaceleración de la válvula de control.

La amortiguación progresiva no elimina la necesidad de una válvula de control, pero brinda una medida adicional de seguridad al evitar que estructuras grandes y pesadas se detengan violentamente en cualquiera de los extremos de su bucle. Los amortiguadores tienen el mismo propósito, pero no forman parte del sistema hidráulico y, por lo tanto, quedan fuera del alcance de este artículo.

Concepto de Amortiguación Progresiva del Cilindro Hidráulico

Los cojines de cilindro hidráulico estándar brindan una restricción de reflujo simple del cilindro en la última pulgada de carrera en uno o ambos extremos. La lanza, que está fijada al extremo del vástago del cilindro, hace contacto con un orificio ajustado en la tapa del extremo del cilindro. El fluido de retorno es forzado a través de un pequeño orificio equipado con una válvula de aguja ajustable que reduce (ajusta) la velocidad del vástago del pistón hasta que el pistón toca fondo. El aumento de presión causado por la restricción del fluido de retorno es el mecanismo para desacelerar la carga, (Figura 2).

2. Los amortiguadores del cilindro hidráulico estándar brindan una restricción simple del reflujo del cilindro en la última pulgada más o menos de uno o ambos extremos de la carrera.

Una válvula de retención montada frente a esta válvula de aguja permite un flujo sin restricciones en la dirección opuesta, de modo que el fluido entrante puede actuar sobre toda el área del pistón. Las desventajas de las pastillas estándar para la ingeniería civil pesada son la corta longitud de lanza de la pastilla y el uso de una válvula de aguja ajustable de talla única. Estas válvulas de aguja a menudo están dimensionadas para flujos más grandes y no se pueden ajustar correctamente.

El diseño progresivo amplía las opciones de amortiguación estándar con lanzas de amortiguación más largas y múltiples válvulas de aguja dispuestas de manera que se reduce progresivamente la cantidad de agujas disponibles en la ruta del flujo de fluido de retorno (Figura 3). La disposición de la válvula de aguja de esta manera le permite programar el perfil de desaceleración para adaptarse a una aplicación específica. Los ajustes finales a diferentes partes del perfil del programa se pueden realizar eventualmente en pequeños incrementos a través de una sola válvula de aguja.

3. La amortiguación progresiva amplía la amortiguación estándar mediante el uso de lanzas de amortiguación más largas y múltiples válvulas de aguja, lo que aumenta gradualmente la restricción de la vía de retorno del fluido.

Longitud de lanza

Tres características son clave para diseñar juntas de culata progresivas para obtener el máximo efecto:

  • la longitud de la lanza pad,
  • Calcule la carga a desacelerar, y
  • Ajuste el tamaño de la válvula de aguja para un control de flujo óptimo.

La longitud de lanza del amortiguador es importante porque la mayoría de las aplicaciones de ingeniería civil requieren que el cilindro tenga una carrera de reserva. Esto permite que la estructura de potencia alcance su posición de reposo antes de que el cilindro toque fondo. Durante la instalación, es importante compartir la carrera de reserva entre cada extremo del cilindro. Los ajustes del cilindro que son demasiado bajos pueden hacer que el cilindro toque fondo antes de que se cierre el tramo y, por el contrario, arrebatar el otro extremo del impacto del cojín. Cuando varios cilindros mueven una carga, es importante colocarlos todos al mismo nivel para que los cojines de todos los cilindros actúen de manera consistente. La carrera de reserva debe compartirse entre ambos extremos del cilindro para maximizar la cantidad de amortiguación disponible.

La carrera de reserva debe tenerse en cuenta al determinar la longitud de la lanza de amortiguación. Este trazo no utilizado ya no está disponible para el almacenamiento en búfer y debe deducirse del cálculo. Se pueden especificar carreras de reserva tan cortas como de ½ a ¾ de pulgada. Solo se deben considerar longitudes más largas si anticipa que necesitará ajustarse hasta el punto en que la estructura pueda estar estacionaria.

La longitud del búfer debe elegirse para que sea aproximadamente la misma que el punto de inicio de la desaceleración en el funcionamiento normal. Un buen diseño hará que las lanzas del parachoques entren en contacto poco después del punto de desaceleración normal, de modo que no haya una contrapresión inesperada por el funcionamiento del parachoques en condiciones normales. Cuando el cilindro desacelera normalmente, el flujo que sale del circuito de compensación es menor que el ajuste de la válvula de aguja. La función de almacenamiento en búfer siempre se ejecuta en segundo plano y solo entra en juego cuando la carga descontrolada hace que el reflujo exceda las condiciones normales.

En general, la mayoría de las aplicaciones de ingeniería civil pesada se pueden proteger adecuadamente con una lanza de almohadilla de aproximadamente 4 a 6 pulgadas de largo. Recuerde que las brazadas de reserva no se pueden utilizar para amortiguar. Por lo tanto, una carrera de reserva de ½ pulgada requiere 4½ pulgadas.lanza almohadilla.

Las primeras ½ a ¾ pulgadas de la lanza generalmente están ligeramente afiladas. Este estrechamiento asegura que la lanza esté centrada en el canal del tubo de retorno receptor, pero también juega un papel importante en la inicialización de la desaceleración. Los cambios más bruscos en la velocidad del cilindro ocurren dentro de los primeros 3/4 de pulgada del enganche de la lanza. Esto se debe a que el área del orificio para el retorno del fluido cambia del 100 % al 20 % dentro de los primeros 3/4 de pulgada de enganche de la lanza. Es fácil ver que el reflujo del cilindro no tiene restricciones hasta que la parte ahusada de la lanza comienza a cerrar la vía de salida del fluido.

Esta área cambia rápidamente hasta que el canal de salida se bloquea y todo el fluido debe fluir a través de la válvula de aguja. Después de moverse una pulgada más, el camino de salida a través de la primera válvula de aguja se cierra y la segunda válvula de aguja establece la velocidad peristáltica final. El perfil de velocidad de desaceleración se puede cambiar de modo que se puedan producir más o menos cambios en la primera válvula de aguja antes del ajuste final de la velocidad peristáltica de la segunda válvula de aguja.

Las lanzas amortiguadoras más largas pueden acomodar múltiples válvulas de aguja.una de 6 pulgadas. Use una lanza de ¾ de pulgada. La carrera de reserva puede tener hasta cuatro válvulas de aguja. La regla general de un espacio entre válvulas de aguja por pulgada de recorrido disponible de la lanza amortiguadora es válida.con ¾ pulgadas. Carrera de reserva y ¾ pulg. Spear Cone, solo 4½ pulgadas de recorrido disponible para 6 pulgadas.lanza.

carga computacional

Determinar la carga máxima para reducir la velocidad en una situación de fuga puede ser más fácil de lo que piensa. Para una estructura en movimiento pesado que no se puede detener debido a un interruptor de límite defectuoso, no es la masa en movimiento de la estructura lo que es tan importante como la potencia del sistema hidráulico. Las condiciones de fuga causadas por el agua que fluye, el viento o el hielo son manejadas por el sistema hidráulico normal hasta el punto de falla de la válvula de equilibrio, la válvula de alivio de presión y la integridad fundamental del recipiente a presión de todo el sistema hidráulico. Si estos tipos de fallas se tienen en cuenta en el diseño inicial del sistema, no es necesario que formen parte de la discusión sobre el almacenamiento en búfer.

La inercia y la masa de la estructura son, por supuesto, importantes para el cálculo general. Sin embargo, normalmente son solo del 10 % al 20 % de la carga en la junta de la cabeza sin que el sistema de control pueda reducir la velocidad del flujo de retorno del cilindro. La mayoría de los sistemas hidráulicos están diseñados para generar un flujo máximo hasta que la presión del sistema hace que la bomba de desplazamiento variable compense el flujo más bajo. Cuando el sistema de control no puede regular el flujo de la bomba, el cilindro no comenzará a desacelerar hasta que la contrapresión del otro lado del pistón ejerza suficiente fuerza para que la bomba hidráulica la compense. La potencia del sistema de bomba hidráulica es mucho mayor que la carga de la estructura móvil.

Calcular la contrapresión requerida para compensar la bomba es una ecuación simple basada en el área efectiva del pistón. Recuerde que el área del pistón ahora es más pequeña debido a la lanza amortiguadora. La figura 4 muestra una versión simplificada de este cálculo. Deben evaluarse los principios hidrodinámicos básicos de las fuerzas ejercidas en ambos lados del pistón del cilindro hidráulico.

4. Área del pistón del extremo de la barra de 58″.2Debe pelear 89 pulgadas.2área del pistón en el extremo de la tapa y crear suficiente contrapresión para elevar la presión en el extremo de la varilla lo suficiente como para desactivar la bomba de presión compensada.

Utilice el área total disponible del área anular del extremo del vástago, incluida el área de la lanza, al calcular el cilindro de retracción. La fuerza creada por la presión en el extremo del vástago del pistón debe ser contrarrestada por el área del extremo de la tapa menos el área de la lanza. Todavía en referencia a la Figura 4, el área del pistón del extremo del vástago es de 58 pulgadas.2Debe pelear 89 pulgadas.2Área del pistón en el extremo de la tapa.estas 89 pulgadas2La zona debe generar suficiente contrapresión para elevar la presión del extremo del vástago lo suficiente como para desactivar la bomba de presión compensada. De lo contrario, la bomba seguirá descargando a pleno caudal. Cuando la presión del sistema sea lo suficientemente alta, la bomba comenzará a compensar, reduciendo la velocidad del pistón del cilindro.

Válvula de aguja de tamaño

La mayoría de las válvulas de aguja de amortiguación de cilindros estándar son una solución única y no son adecuadas para el tipo de amortiguación requerida para la mayoría de las aplicaciones de ingeniería civil. Por lo general, están dimensionados para un flujo máximo y tienen un ajuste de rosca grueso, con poca capacidad de ajuste a bajo flujo. El uso de múltiples válvulas de aguja puede implicar orificios de diámetro muy pequeño, lo que permite una mayor capacidad de ajuste a caudales bajos. La mayoría de las estructuras móviles de ingeniería civil pesada requieren una velocidad de arrastre de aproximadamente el 10 % de la velocidad máxima de desplazamiento. Por supuesto, esto variará para diferentes aplicaciones. Sin embargo, en general, la desaceleración del 100 % al 10 % de la velocidad debe ocurrir entre 3 y 10 segundos. Una vez que se alcanza la velocidad de avance lento, el tiempo de avance lento hasta detenerse es una cuestión de preferencia.

Después de determinar la presión deseada, la válvula de aguja se puede dimensionar para proporcionar el cambio necesario en la velocidad del vástago del pistón. Se utiliza una fórmula estándar para calcular el flujo a través de un orificio de borde afilado:

A = Q / (24.12 ´ √ΔP)

donde A es el área del pistón, en pulgadas.2

Q es flujo, gpm
ΔP es contrapresión, psid

Esta fórmula también se usa para calcular la caída de presión a medida que la punta de lanza de la almohadilla ingresa a la almohadilla. Antes de determinar el diámetro del orificio de la válvula de aguja, primero debe calcular la caída de presión de la primera etapa creada por el contacto inicial de la lanza amortiguadora. La primera etapa de la reacción ocurre cuando el alto flujo de retorno del cilindro se limita rápidamente en el pequeño orificio definido por la válvula de aguja. La lanza amortiguadora está maquinada con una pequeña conicidad en los primeros 1/2 a 3/4 de pulgada de su longitud (Figura 5). Este cono proporciona la primera etapa de contrapresión necesaria para comenzar a desacelerar la bomba.

5. La lanza de parachoques está mecanizada con una pequeña conicidad en los primeros ½ a 3/4 de pulgada de su longitud para proporcionar la primera etapa de contrapresión necesaria para iniciar la carrera de la bomba.

Puede tomar instantáneas del área de flujo disponible cada 1/10 de pulgada. La caída de presión a través del cono de lanza se calcula en la región del cono. La suma de estas caídas de presión instantáneas regionales produce la caída de presión que ocurre durante la primera fase del aumento de presión inicial que ocurre durante el primer segundo de desaceleración. La Figura 6 muestra un modelo de cómo funciona la transición de flujo completo a flujo restringido. Todo el fluido ahora debe fluir a través de la válvula de aguja una vez que la vía de salida principal esté cerrada por la lanza del amortiguador. El flujo de salida de la bomba ahora comienza a disminuir, lo que hace que el flujo a través de la válvula de aguja esté más cerca del flujo objetivo del 10 %.

6. Una vez que el tubo de protección cierra la ruta de salida principal, todo el fluido debe fluir a través de la válvula de aguja. La contrapresión creada reduce la salida de la bomba.

Para dimensionar la válvula de aguja, tome el caudal de velocidad peristáltica esperado y divídalo por el número de válvulas de aguja utilizadas;Luego aplique la caída de presión máxima requerida para mantener la bomba compensada. Recuerde que la lanza amortiguadora ha aumentado la presión de la bomba al umbral establecido por el compensador. A medida que la lanza avanza a través de la cavidad de la lanza, el flujo se reduce aún más y se fuerza muy poco flujo a través de la válvula de aguja final. Ajuste la capacidad de flujo medio de la válvula para que pueda ajustar la velocidad final hacia arriba o hacia abajo. Los tamaños típicos de válvulas de aguja para la mayoría de las aplicaciones de ingeniería civil utilizan aproximadamente 0,16 pulgadas.agujero de diámetro.

Las juntas de cabeza hidráulica son una forma rentable de proporcionar un control de choque a prueba de fallas para estructuras de movimiento pesado. El uso de múltiples válvulas de aguja dispuestas en cavidades en serie para la amortiguación progresiva puede hacer que la curva de velocidad de desaceleración se pueda ajustar de manera continua para satisfacer las necesidades de la aplicación.

Mike Hanely es vicepresidente de Electro Hydraulic Machinery Co. en Pembroke Park, Florida. Para más información llame al (954) 981-0023, o visite www.ehmcompany.com .

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