Cilindro telescópico - Telescopic cylinder
Los cilindros telescópicos son un diseño especial de un cilindro hidráulico o cilindro neumático , así como un sistema de poleas que proporcionan un recorrido de salida excepcionalmente largo desde una longitud retraída muy compacta. Normalmente, la longitud colapsada de un cilindro telescópico es del 20 al 40% de la longitud completamente extendida, dependiendo del número de etapas. Algunas unidades telescópicas neumáticas se fabrican con longitudes retraídas inferiores al 15% de la longitud total de la unidad extendida. Esta característica es muy atractiva para los ingenieros de diseño de máquinas cuando un actuador de vástago de una sola etapa convencional no encaja en una aplicación para producir la carrera de salida requerida.
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Los cilindros telescópicos de servicio pesado generalmente funcionan con aceite hidráulico , mientras que algunas unidades de servicio más liviano también pueden funcionar con aire comprimido .
Los cilindros telescópicos también se conocen como cilindros telescópicos y cilindros telescópicos de múltiples etapas.
Una aplicación de los cilindros telescópicos que se ve comúnmente es la del volquete en un camión volquete usado en un sitio de construcción . Para vaciar completamente la carga de grava , la caja del volquete debe elevarse a un ángulo de aproximadamente 60 grados. Lograr este largo recorrido con un cilindro hidráulico convencional es muy difícil considerando que la longitud colapsada de un cilindro de vástago de una sola etapa es aproximadamente el 110% de su carrera de salida. Sería un gran desafío para el ingeniero de diseño colocar el cilindro de una etapa en el chasis del camión volquete con la caja del volquete en la posición de reposo horizontal . Sin embargo, esta tarea se logra fácilmente utilizando un cilindro de etapas múltiples de estilo telescópico.
Diseño y terminología técnica
Los cilindros telescópicos están diseñados con una serie de tubos de acero o aluminio de diámetros progresivamente más pequeños anidados entre sí. El manguito de mayor diámetro se llama principal o barril. Las mangas interiores más pequeñas se llaman etapas. La etapa más pequeña a menudo se llama émbolo o vástago del pistón.
Los cilindros generalmente se montan en maquinaria mediante montajes de pivote soldados al extremo o al cuerpo exterior del cañón, así como al extremo del émbolo.
Los cilindros telescópicos se limitan comúnmente a un máximo de 6 etapas. Se piensa comúnmente que 6 etapas son el límite de diseño práctico, ya que los problemas de estabilidad se vuelven más difíciles con un mayor número de etapas. Sin embargo, existen excepciones, con un fabricante de cilindros neumáticos que ha incorporado con éxito hasta 9 etapas en sus diseños de cilindros.
Los cilindros telescópicos requieren un diseño cuidadoso, ya que están sujetos a grandes fuerzas laterales, especialmente en la extensión completa. El peso de los cuerpos de acero y el aceite hidráulico contenido dentro del actuador crean cargas de momento en las superficies de los cojinetes entre etapas. Estas fuerzas, combinadas con la carga empujada, amenazan con atascar o incluso doblar el conjunto telescópico. Por lo tanto, se deben incorporar suficientes superficies de apoyo en el diseño del actuador para evitar fallas en el servicio debido a fuerzas laterales. Los cilindros telescópicos solo deben usarse en maquinaria como un dispositivo para proporcionar fuerza y desplazamiento. Deben minimizarse las fuerzas laterales y las cargas de momento. Los cilindros telescópicos no deben usarse para estabilizar un componente estructural.
Los cilindros telescópicos hidráulicos a menudo se limitan a una presión hidráulica máxima de 2000-3000 psi. Esto se debe a que las fuerzas hacia afuera producidas por la presión hidráulica interna tienden a expandir las secciones del manguito de acero . Demasiada presión hará que las mangas anidadas se hinchen hacia afuera, atasquen el mecanismo y dejen de moverse. Existe el peligro de que se produzca una deformación permanente del diámetro exterior de un manguito, arruinando así un actuador telescópico. Por esta razón, se debe tener cuidado para evitar las presiones de choque en un sistema hidráulico que utiliza cilindros telescópicos. A menudo, estos sistemas hidráulicos están equipados con componentes supresores de impactos, como acumuladores hidráulicos , para absorber los picos de presión.
Tipos de diseño básico de cilindros telescópicos
Los cilindros telescópicos generalmente se pueden clasificar en dos diseños básicos: simple y doble efecto. También existen otros diseños especiales, incluido un diseño híbrido de acción simple / doble y un diseño de velocidad constante y empuje constante .
Simple efecto
Los cilindros telescópicos de acción simple son el diseño más simple y común. Al igual que con un cilindro estilo vástago de acción simple, el cilindro telescópico de acción simple se extiende usando presión hidráulica o neumática pero se retrae usando fuerzas externas cuando el medio fluido se retira y se descarga en el depósito . Esta fuerza de retracción externa suele ser la gravedad que actúa sobre el peso de la carga. Este peso externo obviamente debe ser suficiente para superar la fricción y las pérdidas mecánicas dentro del diseño de la máquina incluso después de que se haya completado la parte de trabajo del ciclo de la máquina. En el ejemplo anterior del camión volquete, el peso del cuerpo volquete, ahora elevado en un ángulo de 60 grados pero vacío de la carga, debe ser suficiente para forzar el fluido hidráulico no presurizado fuera del cilindro y hacer que se retraiga al posición completamente colapsada.
De doble efecto
Un cilindro de doble efecto se extiende y se retrae utilizando presión hidráulica o neumática en ambas direcciones. Por tanto, los cilindros telescópicos de doble efecto tienen un diseño mucho más complejo que el tipo de efecto simple. Esta complejidad adicional se debe al requisito de añadir caras de pistón retráctiles a todas las etapas del cilindro y a la dificultad de suministrar fluido a presión a los pistones de retracción de las etapas intermedias.
Para lograr la función de doble acción, se agregan sellos hidráulicos adicionales para sellar internamente las etapas individuales. Además, los conductos internos de aire o aceite están mecanizados de modo que a medida que cada etapa completa la retracción, se abre un conducto para suministrar a la siguiente etapa líquido presurizado para retraer. Por lo tanto, un actuador telescópico de doble acción generalmente se retrae comenzando desde la etapa de diámetro más pequeño para terminar con la etapa más grande retrayéndose finalmente. Debido a que los sellos utilizados para lograr esto deben pasar por estos orificios de transferencia de fluido maquinados internamente, los sellos generalmente están hechos de materiales duros para resistir el desgaste y la abrasión. A menudo son anillos de hierro o sellos de nailon reforzados con vidrio .
Los puertos de suministro de fluido de extensión y retracción en los cilindros telescópicos hidráulicos de doble acción generalmente se encuentran en extremos opuestos del conjunto del cilindro. El puerto de extensión está montado en la base del cilindro exterior y el puerto de retracción está montado en el extremo de la sección del émbolo. En algunas aplicaciones, esto puede resultar muy difícil de conectar con mangueras hidráulicas debido a la distancia entre estos puertos en la extensión completa. En tal circunstancia, ambos puertos pueden ubicarse en el cañón. Sin embargo, se debe instalar un pasaje interno para que el fluido de retracción se suministre a la sección del émbolo en su extensión completa. Este pasaje especial es en sí mismo un conjunto telescópico que se extiende con el cilindro y está equipado con juntas en las distintas etapas.
Esta complejidad adicional hace que los cilindros telescópicos de doble efecto sean muy costosos. Suelen tener un diseño personalizado para cada aplicación.
Las aplicaciones típicas de los cilindros telescópicos de doble acción incluyen los cilindros empaquetadores-eyectores en camiones de basura y remolques de transferencia, compactadores horizontales, palas excavadoras telescópicas y camiones de carga y descarga. En todas estas aplicaciones, el cilindro funciona casi horizontalmente y, por lo tanto, la gravedad no está disponible para retraer el actuador. Por lo tanto, se requiere un diseño de doble acción para empujar y tirar del mecanismo telescópico.
Se debe tener cuidado al controlar la mayoría de los cilindros de diseño telescópico de doble efecto. El área de retracción efectiva suele ser mucho menor que el área de extensión. Por tanto, si la línea de retorno de fluido hidráulico se bloquea durante la extensión, puede producirse un efecto de intensificación de la presión que provoque la falla del sello o incluso que el manguito metálico se hinche hacia afuera. Por lo tanto, el cilindro podría quedar incapacitado para retraerse debido a sellos defectuosos o atasco en posición debido a atascos.
Puede ocurrir otro problema si un cilindro telescópico de doble acción encuentra una carga que tira del actuador durante la extensión, como cuando una carga basculante pasa por encima del centro y abre el cilindro más allá del volumen interno del aceite hidráulico. Cuando la cara del pistón se recupera y golpea la columna de aceite, se produce un pico de presión que puede dañar el actuador .
Combinación de acción simple / doble
En algunas aplicaciones, un cilindro telescópico de acción simple es adecuado para realizar el trabajo, excepto en una etapa que debe ser de acción doble.
Un ejemplo de esto es la construcción del mástil de una gran plataforma de perforación móvil . El mástil se coloca en posición vertical mediante un cilindro telescópico. Sin embargo, para bajar el mástil, la gravedad no está disponible para la inclinación inicial hacia atrás desde la posición vertical. Por lo tanto, la etapa de émbolo solo del actuador telescópico está equipada como un cilindro de doble acción para proporcionar la fuerza inicial para tirar del mástil hacia atrás desde la vertical. Una vez que se ha iniciado la inclinación hacia atrás, la gravedad se hace cargo y suministra la fuerza para completar la retracción completa del cilindro. Las etapas restantes, por lo tanto, son de efecto simple. Esta combinación especial es mucho menos compleja y mucho menos costosa que usar un diseño de acción completamente doble.
Empuje constante, velocidad constante
En algunas aplicaciones especiales, se requiere que un cilindro telescópico se extienda con una fuerza constante o una velocidad constante. Para lograr esto, el cilindro está diseñado para que todas las etapas se extiendan al mismo tiempo. Esto también se puede lograr en un diseño de doble acción haciendo coincidir las áreas de extensión y retracción de los pistones en todas las etapas.