Cómo probamos cilindros para carga lateral

Las cargas laterales son los daños más comunes que se observan cuando el cilindro maestro se devuelve al campo y pueden provocar una falla prematura del producto. Para mejorar el rendimiento del cilindro maestro, se probaron varias muestras de diseños nuevos y existentes.

En condiciones ideales, especialmente con cargas lineales, el diseño del cilindro maestro existente demostró ser suficiente. Sin embargo, las pruebas posteriores bajo cargas laterales mostraron que el diseño actual era susceptible de sufrir daños. Hemos encontrado que la principal causa de daño por cargas laterales es el desgaste de las varillas de acero contra los cilindros de aluminio. Los patrones de desgaste producidos en las pruebas fueron muy similares a los observados en las devoluciones de campo. Las tapas de nailon de los extremos de las varillas se han diseñado y probado para demostrar que prácticamente se eliminan los daños por carga lateral. La implementación de esta solución hará que el producto dure más.

El cilindro maestro es un elemento hidráulico común que se utiliza en los sistemas de freno y embrague para generar presión hidráulica a partir de una fuente de presión no hidráulica. Los cilindros maestros probados en este experimento se usan típicamente en sistemas de frenado a prueba de fallas para carretillas elevadoras. En tales sistemas, los frenos se aplican y liberan al pisar el pedal del freno.

El cilindro maestro que se usa para esta aplicación generalmente consta de un cuerpo de aluminio fundido con orificios cilíndricos maquinados y varios puertos, Figura 1. El conjunto del pistón se inserta en el cuerpo y se acciona aplicando fuerza de compresión a la varilla de empuje de acero. El diámetro de la varilla de empuje, el diámetro interior del cilindro y el acabado de la superficie son fundamentales para que el pistón genere presión sin fugas. La varilla de empuje del cilindro maestro está unida al cuerpo con una arandela y un anillo elástico. La varilla de empuje está diseñada para permitir una desviación de ±5° del eje principal de la pieza. Esto permite configuraciones de varillaje y montaje que no son colineales con el cilindro. Cuando la varilla de empuje no está colineal con el diámetro interior del cilindro, se produce una carga lateral, como se muestra en la Figura 2.

problema de carga lateral

Aunque la mayoría de los cilindros maestros están diseñados para permitir alguna carga lateral, cualquier carga lateral será perjudicial para la vida útil del cilindro maestro. A menudo vemos evidencia de cargas laterales que regresan del campo. Estos incluyen desgaste en el lado de la varilla de empuje, desgaste en el lado del orificio del cilindro, arenilla de aluminio en el cilindro, desgaste excesivo en la junta de la varilla de empuje y falla del sello. De hecho, observamos la carga lateral como síntoma en más de la mitad de nuestras devoluciones de campo. Si incluye la falla del sello y la contaminación, ambos síntomas de carga lateral, entonces se tiene en cuenta más del 80 % del cilindro maestro devuelto. En última instancia, el efecto combinado de la carga lateral evita que el cilindro maestro produzca presión o se apague.

La Figura 3 representa el daño por carga lateral encontrado en el cilindro maestro retraído. El cilindro se abrió para obtener una mejor vista del daño, que incluye rasguños severos en la pared del orificio. El daño está en un lado del orificio del cilindro, lo que indica una carga lateral. Esto destruye el acabado mecanizado del orificio del cilindro maestro, que se requiere para el correcto funcionamiento de los sellos del pistón. Además, el desgaste puede hacer que se liberen pequeñas partículas de aluminio en el sistema, dañando aún más los sellos del pistón u otros componentes hidráulicos.

diseño experimental

Para comprender cómo afecta la carga lateral al cilindro maestro, diseñamos una configuración de prueba (Figura 4) para simular el ciclo de vida del cilindro maestro bajo cargas lineales y laterales. El experimento probó no solo el diseño actual del conjunto del cilindro maestro, sino también varios diseños nuevos destinados a extender la vida útil.

La presión del aire impulsa el cilindro hacia adelante, acariciando la pieza de prueba. Las piezas de prueba se recubrieron con líquido de frenos DOT #5 para presurizar el cilindro de expansión durante cada carrera. El propósito del cilindro de expansión es simular la resistencia que normalmente vería el sistema y proporcionar presión de retorno.

Cuando el cilindro (y la pieza de prueba) está completamente recorrido, el relé corta la presión al cilindro, permitiendo que la presión en el cilindro en expansión y el resorte en la pieza de prueba hagan retroceder el brazo del actuador. Cada vez que se extiende el brazo del actuador, el instrumento de conteo se incrementa en uno, registrando el número total de carreras. La altura de la muestra se controla para inducir cargas colineales o laterales. Cuando se carga lateralmente, la muestra se somete a una carga de compensación de 5,7° a 0,7° por encima del límite superior de la especificación de carga de compensación.

Se analizaron siete muestras. La configuración del pistón, el émbolo y la carga varió para cada muestra; los detalles se muestran en la Tabla 1. Antes de cada prueba de muestra, verifique la configuración del equipo para asegurarse de que funciona correctamente.

resultados de la prueba

Las muestras se frotaron en diversos grados dependiendo de si fallaron o cuándo y el límite de tiempo. Las muestras 1, 2 y 3 se probaron en condiciones ideales (sin carga lateral). Ninguna de estas muestras mostró ningún desgaste en el sello, la varilla de empuje o el orificio, ni se filtraron después de 20,000 golpes. Ninguna configuración está determinada a ser mejor que la otra. Sin embargo, la Muestra 2 perdió alrededor del 40% del revestimiento de óxido negro.

Las muestras 4 y 5 se sometieron a carga lateral sin modificaciones de diseño para reducir el daño por carga lateral. Como tal, ambos exhibieron severos daños por carga lateral similares a los del retorno de campo. La Figura 5 muestra el daño del pozo para la muestra 4.

El desgaste significativo del orificio se debe al roce de la varilla de empuje contra cargas laterales repetidas en la misma área. Este daño puede hacer que la arena de aluminio de las paredes del orificio ingrese al sistema. La deformación dimensional hace que los sellos no sellen correctamente, lo que da como resultado una derivación y fugas del líquido de frenos. La muestra 5 mostró un daño similar.

Ambas muestras mostraron que el daño por carga lateral fue causado por la acción del desgaste de la varilla de empuje en la pared del orificio. Las varillas de empuje de acero son mucho más duras que las de aluminio y son las que más contribuyen al desgaste.

Las muestras 6 y 7 tienen diseños modificados para eliminar el daño de la varilla de empuje en la pared del orificio. La muestra 6 se analizó usando una varilla de empuje con una tapa de politetrafluoroetileno (PTFE) en el extremo, que se aplicó al extremo de la varilla de empuje usando un tubo termorretráctil de PTFE. El límite superior final es de 0,015 pulgadas. Grueso. Esta muestra se examinó después de 10 000 golpes, momento en el que la tapa de PTFE se había partido en dos y había una fina gravilla de aluminio en el sistema.

Los orificios de los cilindros mostraban signos de desgaste por carga lateral, aunque las tapas de PTFE parecían retrasar el inicio del desgaste de los orificios. La muestra 8 se probó con una tapa de nailon 6/6 maquinada en el extremo de la varilla de empuje. Debido a que la cubierta de nailon es mucho más gruesa que la cubierta de PTFE, la varilla de empuje se baja para que no se produzcan interferencias dimensionales con todos los demás componentes del diseño actual.

La muestra se corrió 30.311 veces y luego se verificó. Las tapas de nailon muestran un desgaste mínimo, no hay granulado de aluminio en el sistema y los orificios de los cilindros tienen poco o ningún desgaste. Las cubiertas de nailon han demostrado ser muy eficaces para eliminar los daños por carga lateral y evitar que las partículas de aluminio contaminen el sistema.

En conclusión

Las cargas laterales son los daños más comunes que se observan cuando el cilindro maestro se devuelve al campo y pueden provocar una falla prematura del producto. Para mejorar el producto del cilindro maestro, se probaron varias muestras de diseños existentes y nuevos.

En condiciones ideales, especialmente para cargas lineales, el diseño del cilindro maestro existente es suficiente. Sin embargo, las pruebas posteriores con carga lateral mostraron que el diseño actual es vulnerable a daños. Descubrimos que la causa principal del daño por carga lateral era el desgaste de la varilla de empuje de acero en el orificio del cilindro de aluminio.

Los patrones de desgaste producidos en las pruebas fueron muy similares a los observados en las devoluciones de campo. Las tapas de nailon de los extremos de las varillas se han diseñado y probado para demostrar que se eliminan en gran medida los daños causados ​​por la carga lateral. La implementación de esta solución dará como resultado un producto de calidad con una vida útil más larga.

Bill O’Rourke es gerente general y copropietario de Jet Products LLC en Lexington, Kentucky. Para obtener más información, llame al (630) 605-5944, envíe un correo electrónico a worourke@jetproductsllc.com o visite www.jetproductsllc.com .

Jet Products LLC fabrica cilindros hidráulicos pequeños, cilindros maestros, carretes de mangueras hidráulicas y productos de frenos diseñados a medida, todos fabricados en EE. UU. La compañía completó una importante expansión de capacidad a principios de 2013 y trasladó su sede y departamento de desarrollo de productos a Lexington, Kentucky a principios de este año.

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