Su guía para evitar esos dolores de cabeza con cilindros hidráulicos

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El término «alta presión» es bastante subjetivo cuando se trata de hidráulica. La definición más estricta de estos es cualquier sistema con una presión de trabajo superior a 10.000 psi. Quizás una explicación más general sea 6000 psi, que se asumirá en esta discusión. En este artículo, la presión alta del sistema se definirá como 6000 psi (410 bar), que es el ajuste de presión que presentan algunas excavadoras más nuevas.

Los sistemas que funcionan a 6000 psi experimentan breves picos de presión de dos a tres veces la presión operativa de 6000 psi. Esto significa que los componentes deben adaptarse a picos de presión de 827 a 1241 bar (12 000 a 18 000 psi) para lograr una vida útil razonable de 8000 horas (alrededor de cuatro años) y no fallar en menos de 2000 horas (alrededor de un año de servicio) Debe ocurrir una falla.

Debido a que gran parte de mi amplia experiencia de aprendizaje proviene del uso de accesorios para equipos de construcción y explotación forestal, los ejemplos que presento provienen de estas industrias. Elijo no culpar al cliente por usar el cilindro de manera diferente a lo que especifiqué, y asumo toda la responsabilidad de la garantía por cualquier mala elección de diseño. Varios cilindros se repararon varias veces durante el período de garantía, y algunos se desecharon y se implementaron nuevos diseños para cumplir con la garantía autoimpuesta de un año o 2000 horas.

Los conceptos y áreas de enfoque presentados aquí se pueden aplicar a la mayoría de las aplicaciones de cilindros hidráulicos. Los componentes de un cilindro típico se muestran en la Figura 1.

1. Esta vista en sección muestra los componentes principales del cilindro hidráulico de alta presión.

Consideraciones de diseño de cilindros

¿Qué está haciendo realmente el cilindro y cómo se carga?Al diseñar una máquina o accesorio, el diseñador tiene una idea de lo que debe hacer la unidad y cómo debe hacerlo. Una vez que entrega la máquina a otro operador, la aplicación, el ciclo de trabajo y los parámetros operativos cambian. En algunos casos, el cambio es suficiente para que las cosas empiecen a fallar. Por lo general, los cilindros están sujetos a mayores cargas inducidas por el trabajo que el control directo.

  • ¿Los cilindros necesitan una válvula de retención de carga?Tanto las válvulas de equilibrio como las válvulas de retención operadas por piloto se utilizan para mantener el cilindro en su lugar, y ambas válvulas imponen cargas adicionales sobre los componentes del cilindro cuando están en funcionamiento. Algunos ajustes de la válvula de retención de carga aumentarán debido a la contrapresión en el puerto del piloto.
  • ¿Qué es la carrera del cilindro?Los cilindros de carrera corta generalmente no necesitan diseñarse con consideraciones de carga de pandeo. Se requieren cálculos de carga de pandeo para cilindros de carrera larga. Los cálculos de pandeo se realizaron utilizando la norma NFPA T3.6.37 R1-2010.
  • ¿Qué tan rápido se mueve el cilindro?Se debe tener en cuenta la velocidad a la que se mueve el cilindro o el flujo que ingresa al cilindro para determinar los tamaños de los puertos y las tuberías. Esta velocidad también es importante al diseñar el sillín si es necesario.
  • ¿Cuál es el diámetro interior y de varilla adecuado?Elegir el diámetro interior y el tamaño de vástago correctos puede ser uno de los aspectos más difíciles de determinar de un cilindro. Esto se debe a la fuerza requerida cuando se telescopa, el recorrido requerido y la distancia desde el centro del pasador que se debe cumplir. Si es necesario amortiguar el cilindro, esto puede cambiar los requisitos de diámetro interior o tamaño de la varilla. A veces, se requieren orificios y varillas más grandes para satisfacer todas las necesidades de diseño. Es posible que un lado del pistón deba operar a presiones más bajas para cumplir con los requisitos estructurales y de fuerza, como la interfaz pistón-vástago, las necesidades de apriete del pistón y el pandeo del vástago.
  • ¿Cuál es la carga lateral que experimentará el cilindro durante la vida útil del equipo?Determinar cargas o vectores de carga puede ser difícil para modelos de alta precisión, pero determinar estos datos es importante si desea crear un diseño robusto. Algunos diseños requerirán suficiente flexibilidad de instalación para incorporar suficiente espacio libre lateral, capacidad de autoalineación, o ambos, en el diseño de la junta de anclaje y pasador. Si es posible, realice un análisis de elementos finitos (FEA) de la estructura para determinar su deflexión en la junta del pasador del cilindro.
  • ¿Son suficientes las juntas de pasador?El diseño de la junta del pasador debe aplicarse al extremo del cilindro y el anclaje del pasador impulsado por el cilindro. Para las juntas de pivote de la pluma, debe tener en cuenta no solo las cargas generadas por los cilindros, sino también otras cargas del sistema, como las cargas de torsión. Para los pasadores de cilindro, debe diseñar para la carga máxima que verá el cilindro, que pueden ser cargas inducidas por el trabajo. Usamos una carga de área proyectada de 6000 psi en el buje. Recomendamos usar una longitud de buje de aproximadamente el doble del diámetro del pasador cuando sea posible. El ancho del orificio del pasador fijo debe ser de 0,75 a 1,25 veces el diámetro del pasador. Los pasadores y casquillos largos y de diámetro pequeño se doblan más fácilmente que los pasadores y casquillos cortos y de gran diámetro, lo que hace que el cilindro sea más caro de fabricar y mantener durante toda su vida útil.
  • ¿Es necesario que el cilindro tenga almohadillas de retardo en uno o ambos extremos de la carrera?Para muchas aplicaciones no es necesario reducir la velocidad del cilindro al final de la carrera. Si la aplicación tiene altas cargas de inercia y no hay retroalimentación de control de velocidad, la instalación de un tope de desaceleración en el cilindro puede ser una solución económica. Diseñar una amortiguación adecuada requiere una buena comprensión de la aplicación y la carga a controlar. Para amortiguar el cilindro, debe haber una forma de medir la cantidad de aceite que sale del cilindro. Existen varios métodos para medir el flujo de aceite y controlar la presión del amortiguador. Usualmente usamos un pistón para cerrar el puerto para aumentar el área para ralentizar la carga. La presión en el lado del pistón opuesto al lado amortiguado se sumará a la masa desacelerada y debe tenerse en cuenta en el diseño.

Interfaz de vástago de pistón

Probablemente el área más difícil de manejar en un diseño de cilindro de alta presión es la interfaz entre el vástago y el pistón. El diámetro interior del cilindro y el diámetro de la varilla generalmente se eligen de diseños anteriores de baja presión. Si el sujetador o el área de la interfaz es demasiado pequeña, esto hace que la interfaz sea propensa a fallas prematuras.

La figura 2 muestra el pistón de un cilindro hidráulico de alta presión de 5 pulgadas.agujeros y 3 pulgadas. Poste largo para agarre de troncos. Este cilindro tiene una carrera corta y no tiene cargas laterales extremas, pero sí incluye una válvula de retención operada por piloto conectada al cilindro. Esto evita que la carga se caiga si falla la manguera conectada al cilindro. Los operadores a veces operan la cuchara para que el cilindro vea las altas fuerzas de tracción que actúan sobre las roscas. También pueden usar una cuchara para tirar del muñón, de modo que el extremo de la cabeza del cilindro pueda someterse a una tensión de hasta aproximadamente 20 000 psi antes de una falla catastrófica.

2. Estas cuatro imágenes muestran tres diseños diferentes de varilla a pistón para el cilindro hidráulico de alta presión (diámetro interior de 5″, varilla de 3″ de largo) que se usa en la garra para troncos. El uso de una tuerca más grande y una interfaz de varilla cónica a pistón evita fallas por picos de alta presión.

La figura 2a muestra el diseño de 5000 psi que desarrollé en 1985. Utiliza una tuerca 1½-NF para mantener el pistón en su lugar. Como se muestra en la Fig. 2b, la región de la interfaz vástago-pistón se forma en frío. Cuando las áreas de los cojinetes de la biela y el pistón se cargan por encima del límite elástico del acero, se produce un movimiento del material, lo que hace que el pistón se afloje y provoque más daños. El diseño del pistón de 5000 psi no tiene una rosca lo suficientemente grande, por lo que la varilla se rompe al final de la rosca. Además, el área de apoyo de la biela es demasiado pequeña, lo que permite que el pistón se forme en frío en la biela.

La figura 2c muestra un diseño de la competencia con un pistón roscado desarrollado a principios de la década de 2000. El área internamente roscada del pistón en la Figura 2c tiene un área de cojinete de biela más pequeña. Debe haber espacio libre en las roscas para el montaje. Esta holgura, junto con la fuerza de sujeción del pistón de apriete, permitirá que el pistón se forme en frío en la varilla más rápido que otros diseños. La desviación de las roscas hace que el pistón se afloje, lo que hace que la varilla se rompa, como se muestra.

La figura 2d muestra un diseño de 6000 psi que desarrollé a fines de la década de 1990 usando tuercas de 1¾ NF. Además de sujetadores más grandes, utiliza una interfaz cónica para un área de soporte de carga más grande. Actualizamos el pistón a 4150 HT en el diseño de 6000 psi para protección adicional contra picos de presión. Algunos usuarios especificaron los tres diseños y nunca experimentaron una falla con la interfaz de varilla a pistón de 6000 psi. Los diseños actuales de 6000 psi están limitados a alrededor de 18 000 psi, que es cuando el barril cede o la válvula de retención operada por piloto falla de todos modos.

Precauciones para el montaje del cilindro

Debido a la alta tensión en la interfaz vástago-pistón, los materiales utilizados para el vástago y el pistón deben tener una dureza similar, alta capacidad de impacto y pueden requerir altos valores de impacto Charpy a bajas temperaturas. Esto es necesario cuando se utilizan cilindros a bajas temperaturas. El cañón debe estar hecho de un material con alto límite elástico, buena soldabilidad y suficiente capacidad de impacto. No utilice materiales que contengan elementos mecanizables en las piezas a soldar. Estos elementos de corte libre incluyen, entre otros, azufre, plomo, manganeso, calcio, selenio, telurio y bismuto.

3. La expansión del barril se mide en 4 pulgadas. Tubería de acero de ½ pulgada de DI.paredes gruesas. La expansión del cilindro puede reducir la vida útil del sello.

La selección del grosor de la pared debe ser lo suficientemente gruesa para mantener la expansión del cilindro lo suficientemente baja para evitar fallas en el sello. La Figura 3 traza la expansión del barril de 4 pulgadas. Viene con cubeta de identificación de 5″.diámetro externo. La expansión del cilindro puede acortar la vida útil del sello al aumentar la holgura entre el pistón y el cilindro. Esto aumenta el diámetro de uno o más elementos en contacto con el cilindro, lo que da como resultado un aumento en el volumen de la ranura del sello.

fijación de la glándula de la cabeza — Existen muchos métodos diferentes para unir el prensaestopas de la cabeza al cañón. Los diseños más confiables manejarán la carga máxima que experimentará el cilindro con la extensión de presión sin salida, más la carga de parada. Si el cilindro tiene un tope duro extendido, la carga de tope es cero. Si el cilindro debe detener el movimiento de la estructura que impulsa, debe calcularse y sumarse a la fuerza de estiramiento. En el caso de los brazos de excavadora y los cilindros del cucharón, estas fuerzas pueden ser significativas.

No recomiendo atornillar la cabeza en el cañón. A medida que aumenta la presión, se expande el cilindro y aumenta la holgura de la rosca, lo que provoca un movimiento que puede provocar el desgaste de la rosca y reducir la vida útil del cilindro. Si el tamaño es adecuado para el grosor de la pared, funcionará una tuerca cilíndrica o prensaestopas. También ayuda usar hilos Acme o cuadrados. La sección transversal de los hilos de soporte es delgada, por lo que pueden ser más débiles que otras formas de hilo. El uso de un círculo de tornillos de cabeza es un método común y funciona bien si se diseña correctamente.

El espesor de la brida sujetada por el sujetador debe ser lo suficientemente grueso para evitar la deformación durante la carga. El diseño del cilindro 5K tiene una pestaña ligeramente más gruesa. Como resultado, en aplicaciones donde la fuerza al final de la carrera del cilindro es alta, la deflexión hace que los tornillos de cabeza y cabeza fallen más rápido que en otras aplicaciones. Para la mayoría de las aplicaciones, suele ser suficiente usar una brida que tenga el doble del diámetro del perno.

Procedimiento de soldadura — Las fallas de soldadura son comunes en los cilindros hidráulicos de alta presión por muchas razones, pero solo abordaré las fallas más comunes y proporcionaré información de reparación:

  • Los chaflanes de soldadura deben permitir la extensión adecuada del cable y el control del gas de protección, pero no deben ser mayores de lo necesario para evitar el aumento del tiempo de soldadura y la distorsión de soldadura resultante.
  • Al principio del desarrollo de cilindros de gas de alta presión, una de las fallas de soldadura fue el uso de un material de relleno de límite elástico incorrecto. La mayoría de las tuberías de cilindros de gas de alta presión requieren un límite elástico superior a 70 000 psi. Esto requerirá material de relleno con un límite elástico de 80 000 psi o superior. El cable E80 suele ser una buena opción.
  • Para asegurarse de que la soldadura no esté sujeta a demasiada tensión de soldadura, recomiendo utilizar un procedimiento de soldadura por pulverización de pulsos de varias pasadas. Esto también reducirá la deformación de la pieza. Debe haber una pequeña área de contacto donde se unen la bobina y el extremo de la tapa. Por lo tanto, si es necesario reemplazar el cilindro, la guía del cilindro y el hombro de ubicación maquinados en el extremo de la tapa permanecerán después de que se haya quitado la soldadura. Esto requiere que el diámetro de la soldadura sea mayor que el diámetro del cilindro, lo que puede no funcionar en algunas aplicaciones.
  • La reparación de soldadura de cilindros hidráulicos puede ser un desafío debido a la saturación de aceite. Los consumibles de soldadura con bajo contenido de hidrógeno no sellan el metal contaminado con aceite. La primera pasada debe hacerse con un movimiento de batido con un palo 6010 o 6011. La integridad estructural requiere cubrir los canales con materiales de relleno de mayor resistencia.

El reto del sellado a alta presión

La selección de materiales para sellar y guiar las varillas y los pistones puede ser la parte más difícil del diseño de cilindros de alta presión. Los cilindros utilizados en equipos fuera de carretera pueden experimentar algunos picos de presión muy altos durante el funcionamiento, lo que puede acortar la vida útil del sello. El uso adecuado de anillos de desgaste escalonados o superpuestos, casquillos de juego cero o anillos de desgaste puede ser una mejor solución que los sellos de parachoques. Los sellos de amortiguación pueden atrapar aceite de alta presión en el sello del vástago, lo que provoca una falla prematura del sello del vástago. Una buena opción para todos los cilindros es un anillo de respaldo detrás del sello de la varilla para reducir los pellizcos.

Un espacio de movimiento excesivo en la ranura del sello reducirá la vida útil del sello. Los materiales de sellado rellenos tienden a descomponerse bajo alta presión, rayan los componentes y contaminan el fluido hidráulico. Los materiales rellenos de vidrio a menudo son quebradizos cuando el vidrio está adherido al metal base y pueden depositar vidrio en el sistema hidráulico cuando falla la unión.

4. Ejemplo de falla prematura del sello: el sello de poliuretano sufrió daños por aplastamiento debido a la sobrepresión solo después de 300 horas de funcionamiento (a);Daños por aplastamiento causados ​​por un bruñido insuficiente del diámetro interior del cilindro durante la reparación (b);Agarrotamiento debido a la expansión del cilindro, movimiento axial del sello en la ranura o tamaño incorrecto de la ranura (c y d). También se muestra un ejemplo de ruptura del material de relleno, y el costado del expansor muestra signos de movimiento axial en la ranura (e).

El valor PV (presión x velocidad) del material de sellado es una consideración importante para el sellado a alta presión. A medida que se mueve el conjunto de pistón y biela, la superficie de sellado se convierte en un cojinete sin juego de funcionamiento y debe estar casi seco para detener el desvío de fluido. Cada material de sellado tiene un valor de PV diferente en relación con los diferentes materiales de contacto.

conjunto comprimido — La mayoría de los elastómeros aumentan la deformación por compresión cuando se enfrían por debajo del punto de congelación y se elevan diariamente a la temperatura de funcionamiento. Muchas ranuras de juntas tóricas no están dimensionadas para permitir la compresión de temperatura cíclica. Si ve que las juntas tóricas están lo suficientemente húmedas como para acumular polvo en aplicaciones estáticas, esta fuga puede deberse a un conjunto de compresión de temperatura circulante.

cambio de tamaño — Los elastómeros tienen un coeficiente de expansión térmica más alto que el acero. Esto significa que el sello se contraerá más que el acero cuando esté frío y se expandirá más cuando esté caliente. Con respecto al tamaño de la ranura del sello, es importante considerar el tamaño del elastómero a la temperatura mínima y máxima de operación. Muy poco o demasiado volumen acortará la vida útil del sello.

falla del sello — El aplastamiento, el mordisqueo y la rotura son fallas comunes. La figura 4a muestra un ejemplo de extrusión, en menos de 300 horas de funcionamiento, aplicando una presión excesiva a un sello de poliuretano. La Figura 4b ilustra un ejemplo de extrusión de un sello durante la reparación al bruñir el cilindro para limpiar el cilindro sin aumentar el diámetro del pistón. Las figuras 4c y 4d son ejemplos de canibalización. El mordisco puede ser causado por la expansión del cilindro, el movimiento axial del sello en la ranura o el tamaño incorrecto de la ranura.la Figura 4e es un ejemplo de la fractura del material de relleno;El costado del dilatador muestra evidencia de movimiento axial en el surco.

asamblea

Al montar componentes hidráulicos, utilice un aceite o grasa que sea compatible con el fluido hidráulico utilizado en la máquina. No elija materiales que contengan aditivos minerales o espesantes. Usamos grasas a base de poliurea para cumplir con estos requisitos.

Cuando se enfrente a la tarea de rediseñar un cilindro para manejar presiones operativas más altas, use FEA u otras herramientas de simulación para aplicar ingeniería inversa al componente defectuoso y validar el nuevo diseño. Recuerde, el hecho de que el diseño de un componente, la selección del material, la selección del sello o el método de ensamblaje funcionen a 5000 psi no garantiza que funcione bien a 6000 psi.

Ed Danzer es presidente de 6K Products en Tenino, Washington. Para obtener más información, llame al (360) 264-2141 o visite Sitio del producto 6K .

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