Intensificación de la presión encilindros hidráulicosEs un problema de diseño de circuito que puede permanecer invisible durante el funcionamiento normal y aparecer solo cuando una cámara se bloquea, una válvula se cierra, la temperatura del aceite cambia o una carga fuerza el movimiento en una dirección inesperada.
La causa básica es la superficie desigual en ambos lados de un pistón de un solo vástago. Cuando el aceite queda atrapado en un lado y el otro lado está presurizado o obligado a moverse, el pistón puede actuar como un intensificador hidráulico. La presión resultante en la cámara bloqueada puede ser mayor que la presión suministrada por la bomba.
El bloqueo térmico es un riesgo relacionado. Si el aceite queda atrapado entre válvulas cerradas y la temperatura del cilindro aumenta, el fluido se expande dentro de un volumen casi fijo. El aumento de presión puede afectar los sellos, accesorios, válvulas, tuberías y componentes del cilindro aunque la bomba no esté funcionando.
Para los compradores de OEM, la pregunta clave no es sólo "¿Cuál es la presión de trabajo del cilindro?" También es "¿Qué presión puede ver el cilindro cuando el circuito se bloquea, se calienta, se baja, se detiene o se retrocede?"
Un convencionalcilindro hidráulico de un solo vástagotiene un área de pistón completa en el lado de la tapa y un área anular más pequeña en el lado del vástago. El vástago ocupa parte del área del pistón en el lado del vástago.
Si el lado de la tapa está presurizado mientras que el volumen del lado del vástago no puede descargarse, la fuerza transmitida a través del pistón actúa en el área más pequeña del lado del vástago. Una relación de primer paso es:
Esta relación es una herramienta de selección de ingeniería. Asume una condición estática simplificada y no reemplaza un análisis de circuito completo. La presión real depende de las fugas, el contenido de aire atrapado, la compresibilidad del fluido, la conformidad estructural, el comportamiento del sello, la respuesta de la válvula, la fricción, la temperatura y la dirección del movimiento.
La relación de área es la razón por la que un cilindro puede experimentar una presión en el lado del vástago que excede la presión de la bomba. El cilindro no crea energía de la nada; intercambia fuerza y desplazamiento a través de la geometría del pistón mientras que el volumen bloqueado experimenta una presión diferente.
Supongamos, sólo para ilustrar la relación de área, que:
- El área del pistón del lado de la tapa es de 10 in²
- El área anular del lado de la varilla es de 7 pulg²
- La presión del lado de la tapa es de 2100 psi
- La cámara del lado del vástago no puede descargar
La estimación de intensificación simplificada es:
Esto no es una calificación de producto, resultado de prueba o aprobación de diseño. Es un ejemplo de cálculo que muestra por qué un cilindro clasificado para la presión de la bomba aún puede requerir una revisión de la cámara opuesta y la disposición de las válvulas.
Si el área del lado de la varilla es mucho más pequeña que el área del lado de la tapa, la relación de presión teórica se vuelve más severa. La máquina real puede aliviar o limitar la presión mediante fugas, una válvula de alivio o movimiento estructural, pero esas rutas deben diseñarse y verificarse intencionalmente.
La condición clásica es la presión aplicada al extremo de la tapa mientras el extremo del vástago está bloqueado por una válvula direccional cerrada, una válvula de retención de carga, una válvula de retención operada por piloto o una vía de fluido congelado.
El riesgo aumenta cuando el cilindro es empujado hacia la retracción por la carga o por la presión entrante en el extremo de la tapa. El aceite del lado de la varilla no tiene adónde ir, por lo que la presión puede aumentar rápidamente.
Las válvulas de retención de carga se utilizan para evitar movimientos incontrolados. Son componentes de seguridad importantes, pero el circuito aún debe proporcionar un camino controlado para el aceite atrapado durante la extensión, retracción, parada y cambios térmicos.
Una disposición de válvula que mantiene una carga suspendida en un estado puede crear una trampa de presión en otro estado. La revisión debe cubrir el arranque, movimiento normal, parada de emergencia, falla de manguera, desenergización de válvulas y aislamiento de mantenimiento.
Un cilindro impulsado contra un tope brusco puede crear un pico de presión o atrapar líquido si la válvula continúa suministrando flujo. El tope mecánico no elimina la energía hidráulica; transfiere la carga a la estructura, cilindro, soportes y circuito.
Por lo tanto, se deben revisar juntos el control de final de carrera, los ajustes de la amortiguación, las vías de alivio y las paradas de la máquina. Un cojín no sustituye a una vía limitadora de presión correctamente diseñada.
Algunos circuitos conectan intencionalmente los puertos del cilindro de una manera que cambia la velocidad o utiliza aceite desplazado del lado del vástago. Esos circuitos pueden crear relaciones inusuales de presión y flujo. Es posible que un cálculo de cilindro estándar no describa las presiones de puerto reales.
El esquema debe identificar cada conexión entre las cámaras del extremo de la tapa y del extremo del vástago, incluidas las rutas de regeneración, las líneas piloto, las válvulas de secuencia y los controles de flujo.
El aceite hidráulico se expande cuando su temperatura aumenta. Si el aceite queda atrapado en un volumen rígido o casi rígido, la expansión no tiene adónde ir y la presión aumenta.
El aumento de presión está influenciado por las propiedades del fluido, el volumen atrapado, el cambio de temperatura, el contenido de aire, la elasticidad de los componentes y la disponibilidad de fugas o alivio. Una estimación simplificada de la expansión térmica puede ayudar a mostrar la dirección del riesgo, pero no debe usarse como una predicción de presión final sin los datos del fluido y el cumplimiento del sistema.
El bloqueo térmico puede ocurrir cuando:
- Un cilindro está aislado por dos válvulas cerradas.
- Los controles operados por piloto atrapan ambos puertos
- Los acopladores rápidos están desconectados y el aceite queda atrapado entre ellos.
- Una máquina se traslada de un lugar frío a un taller cálido.
- La luz del sol u otra fuente de calor calienta un cilindro aislado.
- Un circuito de retención de carga impide la ecualización normal de la presión.
La bomba puede estar apagada mientras aumenta la presión. Esta es la razón por la que el personal de mantenimiento no debe asumir que un circuito hidráulico desenergizado está libre de presión.
Identifique los volúmenes atrapados y calcule o pruebe la ruta de presión para el extremo de la tapa y el extremo de la varilla. Incluya fugas de válvulas, expansión térmica, aire atrapado y cumplimiento estructural.
Un circuito puede necesitar un dispositivo de alivio, un volumen de expansión, una disposición de acumulador o una ruta de reposición controlada. La solución correcta depende de la carga, el riesgo, la arquitectura de la válvula y los requisitos de diseño de la máquina aplicables.
No agregue una válvula de alivio sin verificar su ajuste de presión, capacidad de flujo, ruta de descarga e interacción con la función de retención de carga.
Verifique el tubo del cilindro, el pistón, el vástago, los sellos, los puertos, las mangueras, los accesorios, las válvulas, los colectores y la estructura de montaje. La configuración de alivio de la bomba no es automáticamente la presión máxima observada en cada cámara bloqueada.
Revise la parada normal, la parada de emergencia, la pérdida de energía eléctrica, la falla de la manguera, el retorno del carrete de la válvula, la pérdida de presión del piloto y el aislamiento de mantenimiento manual. Una condición de sujeción segura aún puede requerir una vía de alivio de presión.
Defina la condición de arranque en frío, la temperatura de funcionamiento, la condición de estacionamiento, la temperatura de almacenamiento y la exposición directa al calor. Si se puede aislar un cilindro mientras el fluido está atrapado, se debe considerar la presión térmica en la revisión de riesgos.
Se puede sospechar una intensificación de la presión o un bloqueo térmico cuando la máquina muestra:
- Una manguera del lado de la varilla o una falla en el conector a pesar de la presión normal de la bomba
- Un patrón de extrusión de sello sin un evento de sobrepresión de bomba coincidente
- Un cilindro que resulta difícil de mover después de calentarse o enfriarse.
- Una válvula de retención de carga que se bloquea con más fuerza de lo esperado
- Presión restante después de detener la bomba
- Un accesorio que no se puede aflojar de forma segura durante el mantenimiento.
- Una válvula de alivio que se abre solo después de una parada o cambio de temperatura.
- Picos de presión inexplicables cuando un cilindro alcanza un tope mecánico
Estos síntomas no son prueba de un mecanismo. Indican que se deben medir y mapear la presión del puerto y el comportamiento del volumen bloqueado.
1. Haga que la máquina sea segura. Siga el procedimiento de aislamiento y energía almacenada del fabricante de la máquina. No afloje un conector para "ver si hay presión".
2. Registre las presiones de ambos puertos. Mida la presión en los puertos del cilindro bajo las condiciones de carga y temperatura relevantes, no solo en la bomba.
3. Siga la lógica de la válvula. Identifique controles operados por piloto, válvulas de contrapeso, válvulas de secuencia, controles de flujo y cualquier conexión de regeneración.
4. Identificar los volúmenes atrapados. Marque cada sección que pueda aislarse mediante válvulas cerradas o acopladores desconectados.
5. Verifique el historial de temperatura. Registre las temperaturas ambiente y del fluido antes, durante y después del evento de presión.
6. Inspeccione la ubicación de la falla. Compare los sellos, accesorios, mangueras y cavidades de válvulas del lado del vástago y del lado de la tapa para detectar daños relacionados con la presión.
7. Revise la revisión del dibujo. Confirme que las modificaciones en el campo no eliminaron una vía de alivio ni cambiaron la tubería de la válvula.
8. Vuelva a realizar la prueba en condiciones controladas. Utilice instrumentación adecuada y un plan de prueba documentado antes de devolver la máquina al servicio.
Un fabricante puede proporcionar una respuesta más útil cuando la consulta incluye:
- Diámetro interior del cilindro, diámetro del vástago, carrera y disposición de montaje.
- Tamaños de puertos de extremo de tapa y extremo de varilla y recorrido de manguera
- Esquema hidráulico con símbolos de válvulas y líneas piloto.
- Presión de alivio de la bomba y presión medida en cada puerto del cilindro.
- Dirección de carga, condición de carga suspendida y topes mecánicos.
- Números de pieza de válvula de retención de carga, válvula de contrapeso y válvula de retención
- Tipo de fluido, rango de temperatura y condición de volumen atrapado
- Comportamiento de parada normal, parada de emergencia y corte de energía.
- Fotos de sellos, accesorios, mangueras o válvulas fallidas.
- Función de sujeción requerida y requisitos de seguridad de la máquina aplicables
Un único valor de presión de la bomba rara vez es suficiente para diagnosticar una intensificación de la presión.
El cálculo de área ilustrativo no es una clasificación de presión. El artículo no asigna una configuración de alivio universal, tamaño de válvula, rango de temperatura permitido o presión de trabajo segura a un cilindro no especificado.
El límite de presión correcto debe provenir del dibujo actual del cilindro, las especificaciones del material y del sello, el diseño del circuito, los datos de la válvula, la evidencia de las pruebas y la evaluación de riesgos de la máquina. Un catálogo de Parker, un artículo hidráulico general o una fórmula pueden explicar el mecanismo, pero ninguno de ellos sustituye a la revisión final de la aplicación.
HCIC, también conocida como Jinan Huachen Industrial Co., Ltd., desarrolla y fabrica cilindros hidráulicos y unidades de energía hidráulica para vehículos, manipulación de residuos, equipos industriales y de construcción. Para una revisión de intensificación de presión, proporcione el circuito completo y las condiciones operativas medidas para que el cilindro pueda evaluarse como parte de la máquina, no de forma aislada.
