Cilindros de tamaño para la operación correcta del servo

No importa cuánta atención se preste a la selección y programación de los controladores de movimiento, el rendimiento de un sistema hidráulico puede verse limitado por el tamaño o la ubicación física incorrectos de los componentes. Un descuido de diseño común es el uso de cilindros de tamaño insuficiente. Los diseñadores a veces tienen la intención de aumentar la velocidad del vástago del pistón especificando cilindros con diámetros más pequeños, basándose en la suposición de que para un flujo de aceite dado, un cilindro más pequeño producirá una aceleración más rápida y una velocidad más alta.

Sin embargo, esto solo es adecuado para cargas muy ligeras. Para los actuadores que mueven masas medianas a pesadas, la aceleración, la velocidad y la desaceleración están limitadas por la fuerza disponible, no por el flujo de aceite. Debido a que el orificio determina la fuerza que puede generar, si el orificio es demasiado pequeño, es posible que el cilindro no pueda alcanzar la velocidad o el tiempo de ciclo requerido para la aplicación.

un ejemplo real

Recientemente se nos pidió que diagnosticáramos un problema en el que el sistema no funcionaba correctamente. Después de obtener datos específicos de la aplicación, llevamos a cabo una simulación del sistema hidráulico. Nuestro modelo matemático sugiere que se necesita más potencia. Se modificó la simulación para evaluar cilindros con diámetros más grandes. Los sorprendentes resultados representados en las Figuras 1 y 2 sugieren el reemplazo de las 2 pulgadas existentes. Diámetro de 3¼ pulg. Taladre agujeros y reemplace la válvula hidráulica con una válvula hidráulica apropiadamente más grande.

La Figura 1 muestra que un cilindro de tamaño insuficiente puede no proporcionar suficiente fuerza para desacelerar rápidamente una carga grande cuando está extendida. El cilindro crea cavitación (presión cero) en el extremo de la tapa y la presión del extremo del vástago supera la presión del sistema. El sistema está fuera de control porque el aceite del lado de la biela está regresando al suministro, lo que en realidad reduce la desaceleración.

Cuando el diámetro del cilindro se incrementó a 3¼ pulgadas (Figura 2), el vástago del pistón aceleró la carga al mismo ritmo, pero la presión cambió poco debido a la mayor superficie del pistón. La presión del cilindro durante todo el ciclo está en el medio del rango de presión y hay mucha caída de presión en el pistón para mantener un control positivo.

Aumentar el diámetro aumenta la frecuencia natural (rigidez) del sistema, lo que permite que el controlador de movimiento gestione una aceleración y desaceleración más rápidas y, cuando se ajusta correctamente, produce un mayor rendimiento del sistema. Sin embargo, los cilindros más grandes requieren válvulas más grandes y un mayor flujo. Los cilindros muy grandes aumentan el costo. Y dado que las válvulas más grandes tienden a ser más lentas, en algún momento, aumentar el tamaño de la válvula ya no aumentará la respuesta del sistema.

Forzar el funcionamiento del sistema

La fuerza está directamente relacionada con el tamaño del cilindro. A menudo, los diseñadores novatos utilizan una fórmula familiar pero demasiado simplista:

v = Q ÷ A,

donde v es la velocidad del pistón,
Q es el flujo,
A es el área del pistón.

Pero esta ecuación solo es precisa cuando la masa es cero. Solo se puede utilizar para calcular el caudal: Q = vx A. La siguiente fórmula de «regla general» tiene en cuenta la fuerza requerida para generar aceleración y la caída de presión requerida para el control de la válvula servo.(Normalmente, las servoválvulas tienen una capacidad nominal de 70 bar, que es aproximadamente igual a 1000 psi).

UN = Lfósforo÷ (Ppequeña— 1000 psi),

donde Lfósforoes la presión de carga,
PAGSpequeñaes la presión del sistema.

Esta fórmula supone que la carga máxima se produce a la velocidad máxima. Las cargas máximas incluyen la fuerza requerida para acelerar o desacelerar la carga, la fricción y el peso de la carga (si el sistema es vertical). Se debe utilizar la presión mínima del sistema. Esta fórmula debería funcionar tanto para la dirección de extensión como para la de retracción, ignorando la fuerza de reacción requerida para empujar el aceite fuera del otro extremo del cilindro. Por lo tanto, el tamaño estimado debe considerarse mínimo.

Para movimiento de alto rendimiento, se debe realizar una segunda verificación para garantizar que la frecuencia natural del sistema sea más alta que la frecuencia de movimiento producida por el perfil de movimiento. Por ejemplo, si la frecuencia de aceleración es de 5 Hz;La frecuencia natural del actuador debe ser de tres a cuatro veces mayor:

Unapromedio= (f × 4)2× π × Lpequeña×Alargo÷ (g × ß)

Uno de lospromedioes el área media del pistón,
f es la frecuencia del ciclo,
Lpequeñaes la longitud del trazo,
Wlargoes el peso de la carga,
g es la aceleración de la gravedad (32 ft/s2),y
es el módulo volumétrico (constante de incompresibilidad) del aceite (~200 000 psi).

Esta fórmula también tiende a subestimar el diámetro interior correcto porque hace algunas suposiciones optimistas. Lo más importante es que la válvula esté montada en el cilindro. Si este no es el caso, la carrera del cilindro debe aumentarse aproximadamente en la longitud de la manguera que conecta la válvula al cilindro.

El área de la manguera es más pequeña que la del cilindro, pero la manguera se adapta mejor que el tubo del cilindro. Las mangueras o tuberías adicionales entre la válvula y el cilindro complican estos cálculos y reducen el rendimiento.

Para las aplicaciones más críticas, Ecuación VCM Desarrollado por Jack Johnson, tiene en cuenta otras variables y produce excelentes estimaciones de rendimiento.

Peter Nachtwey es presidente de Delta Computer Systems Inc., Battlefield, estado de Washington. Para obtener información técnica adicional, envíe un correo electrónico a Soporte @deltamotion.com o visitar www.deltamotion.com .

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