Cilindro hidráulico
Diseño de amortiguación
Fin de carrera · Desaceleración · Pico de presión

SIN
ALMOHADÓN

El pistón golpea mecánicamente la tapa. Dependiendo de la compresibilidad del aceite y del tiempo de respuesta de la válvula de alivio de presión, la carga de impacto puede alcanzar de 3 a 10 veces la presión de trabajo durante un pico de 2 a 5 ms. Este pico se transmite simultáneamente a través de las soldaduras de la tapa, el cilindro y todas las conexiones de los puertos. En una máquina de alto ciclo, cada impacto sin amortiguación constituye un evento de fatiga: la propagación de grietas en la soldadura, la fatiga de la rosca del puerto y la deformación de la tapa se acumulan con cada ciclo hasta que se produce una falla visible, a menudo miles de ciclos antes de que el sello o la varilla requieran atención.

CON
ALMOHADÓN

El amortiguador convierte la energía cinética en una contrapresión hidráulica controlada durante su funcionamiento. La fuerza de desaceleración actúa en sentido contrario al movimiento, reduciendo la velocidad del pistón y la carga a casi cero antes del contacto mecánico con la tapa. La presión máxima del amortiguador suele ser de 1,5 a 3 veces la presión de trabajo, manteniéndose durante un recorrido de 20 a 80 mm, en lugar de producirse como un pico de 2 ms. El daño por fatiga acumulada en la estructura del cilindro de elevación se reduce entre uno y tres órdenes de magnitud en comparación con el funcionamiento sin amortiguador.

①

Energía cinética en el momento de la entrada del cojín: mi = ½ × 1500 × 0,4² = 120 J

②

Presión máxima admisible del cojín: 1,8 × 20 = 36 MPa

③

Área de orificio amortiguador (anular, espiga de Ø 70 mm en orificio de Ø 100 mm): A = π/4 × (0,10² − 0,07²) = 4,00 × 10⁻³ m²

④

Fuerza de desaceleración disponible: F = P × A = 36 × 10⁶ × 4,00 × 10⁻³ = 144 000 N

⑤

Longitud del cojín requerida: L = E / F = 120 / 144 000 = 0,00083 m = 0,83 mm

⑥

Longitud del cojín de diseño con factor de seguridad 30×: 0,83 × 30 = 25 mm — seleccione un amortiguador estándar de 30 mm. El elevado factor de seguridad tiene en cuenta la distribución no uniforme de la presión durante la desaceleración y la suposición de una presión máxima constante, lo que sobreestima la eficiencia. En la práctica, entre 25 y 40 mm es suficiente para esta aplicación.

HIDRÁULICO
GOLPEAR

Síntoma: Se escucha un fuerte golpeteo metálico al final de la carrera en un cilindro de elevación que anteriormente funcionaba silenciosamente. Causa: La válvula de aguja del amortiguador se ha abierto por vibración, la válvula de retención del amortiguador se ha quedado atascada en posición abierta (evitando la aguja), el vástago del amortiguador se ha desgastado y la holgura se ha ampliado más allá de las especificaciones, o la contaminación ha bloqueado el asiento de la válvula de retención en posición abierta. Acción: Vuelva a ajustar la válvula de aguja si es accesible; si el golpeteo persiste con la aguja completamente cerrada, la válvula de retención o el grifo requieren inspección y probablemente reemplazo.

LENTO
COMIENZO

Síntoma: El cilindro elevador acelera muy lentamente desde la posición final antes de alcanzar la velocidad normal, algo que se nota especialmente en la carrera de retorno desde el extremo amortiguado. Causa: La válvula de retención amortiguada no se abre correctamente en la carrera inversa: el aceite que llena el alojamiento de la amortiguación debe pasar por el recorrido restringido de la aguja en lugar de por el recorrido libre de la válvula de retención. La válvula de retención puede estar atascada, tener residuos en el asiento o el resorte roto. Acción: Retire e inspeccione la válvula de retención; reemplace el cartucho de la válvula de retención.

MUY LENTO
ENFOQUE FINAL

Síntoma: El cilindro de elevación desacelera drásticamente al acercarse al final de su recorrido; el tiempo de ciclo es mucho mayor de lo especificado y la carga apenas parece moverse en la última parte del trayecto. Causa: La válvula de aguja con amortiguación ajustable está demasiado cerrada: la restricción del flujo es tan alta que el aceite apenas puede salir de la cavidad de amortiguación. Esto suele ocurrir después de que el personal de mantenimiento cierre la aguja "por precaución" sin seguir el procedimiento de ajuste de un cuarto de vuelta. Acción: Reajuste la válvula de aguja siguiendo el procedimiento de los pasos 1 a 4 de la sección 3 de esta guía.

TAPA FINAL
GRIETA DE SOLDADURA

Síntoma: Filtración de aceite por la soldadura de la tapa, especialmente en la base de la soldadura (la unión entre el tubo del barril y la cara de la tapa). Puede ir acompañada de manchas de óxido o grietas externas visibles bajo el revestimiento. Causa: Crecimiento de grietas por fatiga a largo plazo provocado por repetidos picos de presión sin amortiguación al final de la carrera. Cada pico somete la soldadura del cilindro de elevación a ciclos de alta tensión y retorno, lo que constituye una fatiga clásica de alto ciclo en la zona afectada por el calor de la soldadura. Acción: El cilindro de elevación debe retirarse de servicio inmediatamente. La grieta en la soldadura se propagará hasta provocar la rotura total del cilindro bajo presión de funcionamiento continua. Se debe reemplazar la unidad defectuosa por un nuevo cilindro de elevación con la amortiguación de final de carrera especificada correctamente; es necesario corregir la causa raíz (amortiguación inadecuada), no solo el componente averiado.

P 01

¿Se puede añadir amortiguación a un cilindro de ascensor ya existente que se construyó sin ella?

Es posible añadir amortiguación a un cilindro de elevación existente que se fabricó sin ella, pero esto requiere el desmontaje completo y el mecanizado de nuevas tapas con orificios de amortiguación, así como un nuevo pistón o manguito con la geometría de espiga de amortiguación. En la mayoría de los casos, el coste de esta reconstrucción es comparable al de adquirir un nuevo cilindro de elevación con amortiguación integrada de fábrica, especialmente para cilindros de diámetro pequeño, donde el coste del mecanizado representa una parte importante del coste total del componente. La excepción son los cilindros de gran diámetro y carrera larga, donde el cilindro y la varilla representan la mayor parte del valor; en estos casos, la adaptación de tapas con amortiguación puede resultar rentable si el cilindro y la varilla se encuentran en buen estado. Un enfoque más práctico para los cilindros de elevación existentes sin amortiguación consiste en reducir la velocidad de funcionamiento mediante válvulas de control de caudal, de modo que la energía cinética al final de la carrera caiga por debajo del umbral que provoca fatiga estructural. Esta es una medida provisional válida, pero reduce el tiempo de ciclo; la solución definitiva a largo plazo es la sustitución del cilindro de elevación con amortiguación integrada de fábrica.

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Nuestro cilindro elevador tiene amortiguadores en ambos extremos, pero aun así produce un golpeteo solo al final de la extensión. La retracción se produce sin problemas. ¿Por qué solo en un extremo?

La asimetría en el rendimiento de amortiguación entre el final de carrera de extensión y retracción casi siempre se debe a una diferencia en la velocidad del pistón o en la masa efectiva en ambos extremos. En un cilindro elevador de doble efecto, el área anular efectiva en el extremo del vástago es menor que en el extremo de la tapa de diámetro completo; por lo tanto, para el mismo caudal de la bomba, la velocidad de retracción del vástago es mayor que la velocidad de extensión del extremo de la tapa. Si los amortiguadores tienen el mismo tamaño en ambos extremos, el amortiguador de retracción debe absorber más energía cinética por unidad de tiempo que el amortiguador de extensión, pero el área de amortiguación disponible también es menor en el extremo del vástago. Un cilindro elevador que llega suavemente a la extensión del extremo de la tapa pero golpea al retraerse el vástago necesita un amortiguador más largo o una holgura menor en el extremo del vástago que en el extremo de la tapa. Revise la especificación del amortiguador del cilindro elevador para cada extremo de forma independiente, utilizando la velocidad y la carga reales del pistón en esa dirección de carrera; no asuma que el dimensionamiento simétrico del amortiguador es correcto cuando las áreas y las velocidades difieren.

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¿Cuál es la diferencia entre un amortiguador y una válvula de desaceleración externa? ¿Cuándo se debe utilizar cada una?

Un amortiguador integrado en la tapa del cilindro de elevación y una válvula de desaceleración externa (montada en el circuito hidráulico) logran el mismo objetivo: desacelerar el pistón antes del final de su carrera, pero mediante mecanismos diferentes y en distintos puntos del circuito. El amortiguador integrado actúa sobre el aceite atrapado entre el pistón y la superficie de la tapa, manteniéndose siempre correctamente posicionado con respecto a la ubicación real del pistón, independientemente de la configuración del circuito. La válvula de desaceleración externa actúa sobre el aceite que fluye a través del circuito hacia el cilindro de elevación y se activa mediante una leva de posición o un interruptor de proximidad; puede desacelerar el pistón desde cualquier punto de la carrera, no solo hasta la longitud final del amortiguador. Se prefieren las válvulas de desaceleración externas cuando la zona de desaceleración debe ser más larga de lo que permite una geometría de amortiguador práctica (por ejemplo, desacelerar un carro de grúa puente de alta velocidad a más de 200-300 mm), cuando el cilindro no puede alojar fácilmente un vástago de amortiguador (cilindros de carrera muy corta) o cuando el punto de desaceleración debe ser ajustable sin abrir el cilindro. Los amortiguadores integrales son preferibles para cilindros de elevación estándar donde el requerimiento de desaceleración es moderado y la geometría de la carrera permite mecanizar un alojamiento para amortiguador con espiga y orificio estándar en la tapa final. Muchos sistemas de cilindros de elevación de alto rendimiento utilizan ambos: la válvula externa reduce la velocidad y el amortiguador integral absorbe la energía cinética residual final en la posición de final de carrera completa.

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¿Afectan las bajas temperaturas al rendimiento de los amortiguadores? ¿Deberíamos ajustar la válvula de aguja en invierno?

Sí, la viscosidad del aceite hidráulico aumenta significativamente a medida que baja la temperatura, lo que afecta directamente al rendimiento del amortiguador. Una válvula de aguja del amortiguador del cilindro de elevación ajustada a la temperatura de funcionamiento en caliente (50-60 °C, donde el aceite ISO 46 tiene una viscosidad de aproximadamente 10 cSt) generará una contrapresión mucho mayor a temperaturas de arranque en frío (0-10 °C, donde el mismo aceite puede tener una viscosidad de 200-400 cSt). El aumento de la viscosidad implica que el aceite sale del alojamiento del amortiguador mucho más lentamente para la misma apertura de la aguja; la restricción efectiva del amortiguador es varias veces mayor en condiciones frías que a la temperatura de funcionamiento. Un cilindro de elevación hidráulico con un amortiguador ajustable cuya aguja esté correctamente ajustada a la temperatura de funcionamiento puede llegar al final de la carrera prácticamente bloqueado hidráulicamente al arrancar en frío, lo que restringe severamente los primeros ciclos del día. Para las máquinas que deben funcionar en condiciones frías desde el arranque en frío, la válvula de aguja del amortiguador del cilindro de elevación debe ajustarse a la temperatura fría en lugar de a la caliente, y debe utilizarse un aceite de alto índice de viscosidad (grado HV) para minimizar la diferencia de viscosidad entre las temperaturas fría y de funcionamiento. Como alternativa, se debería incluir un ciclo de calentamiento a velocidad reducida en el procedimiento de arranque de la máquina antes de que comience la producción a máxima velocidad.