Cilindro hidráulico
Design de amortecimento
Fim do curso · Desaceleração · Pico de pressão

SEM
ALMOFADA

O pistão golpeia a tampa mecanicamente. Dependendo da compressibilidade do óleo e do tempo de resposta da válvula de alívio de pressão, a carga de impacto pode atingir de 3 a 10 vezes a pressão de trabalho durante um pico de 2 a 5 ms. Esse pico é transmitido simultaneamente pelas soldas da tampa, pelo cilindro e por todas as conexões das portas. Em uma máquina de alto ciclo, cada impacto sem amortecimento é um evento de fadiga — a propagação de trincas nas soldas, a fadiga das roscas das portas e a deformação da tampa se acumulam a cada ciclo até que ocorra uma falha visível, frequentemente milhares de ciclos antes que a vedação ou a haste necessitem de atenção.

COM
ALMOFADA

O amortecedor converte a energia cinética em uma contrapressão hidráulica controlada ao longo do seu comprimento de contato. A força de desaceleração atua na direção oposta ao movimento, desacelerando o pistão e a carga a uma velocidade próxima de zero antes do contato mecânico com a tampa final. A pressão máxima do amortecedor é tipicamente de 1,5 a 3 vezes a pressão de trabalho, mantida por 20 a 80 mm de curso, em vez de ser aplicada como um pico de 2 ms. O dano cumulativo por fadiga na estrutura do cilindro de elevação é reduzido em uma a três ordens de magnitude em comparação com a operação sem amortecedor.

①

Energia cinética na entrada da almofada: E = ½ × 1500 × 0,4² = 120 J

②

Pressão máxima admissível da almofada: 1,8 × 20 = 36 MPa

③

Área do furo de amortecimento (anular, espigão Ø 70 mm em furo de Ø 100 mm): UMA = π/4 × (0,10² - 0,07²) = 4,00 × 10⁻³ m²

④

Força de desaceleração disponível: F = P × A = 36 × 10⁶ × 4,00 × 10⁻³ = 144 000 N

⑤

Comprimento da almofada necessário: L = E / F = 120 / 144 000 = 0,00083 m = 0,83 mm

⑥

Dimensionar o comprimento da almofada com fator de segurança de 30×: 0,83 × 30 = 25 mm — selecione a almofada padrão de 30 mm. O grande fator de segurança leva em consideração a distribuição não uniforme da pressão durante a desaceleração e a suposição de pressão máxima constante, o que superestima a eficiência. Na prática, 25–40 mm são adequados para esta aplicação.

HIDRÁULICO
BATER

Sintoma: Ruído metálico agudo no final do curso de um cilindro de elevação que anteriormente funcionava silenciosamente. Causa: A válvula de agulha do amortecedor vibrou e abriu, a válvula de retenção do amortecedor ficou presa na posição aberta (ignorando a agulha), o bocal do amortecedor desgastou-se e a folga aumentou além da especificação, ou houve contaminação que bloqueou a sede da válvula de retenção. Ação: Se possível, ajuste a válvula de agulha; se a batida persistir com a agulha totalmente fechada, a válvula de retenção ou o bocal precisam ser inspecionados e provavelmente substituídos.

LENTO
INICIAR

Sintoma: O cilindro de elevação acelera muito lentamente a partir da posição final antes de atingir a velocidade normal — algo particularmente perceptível no curso de retorno a partir da extremidade amortecida. Causa: A válvula de retenção da almofada não está abrindo corretamente no curso reverso — o óleo que preenche a almofada precisa passar pelo caminho restrito da agulha em vez de pelo caminho livre da válvula de retenção. A válvula de retenção pode estar presa, com detritos na sede ou a mola quebrada. Ação: Remova e inspecione a válvula de retenção; substitua o cartucho da válvula de retenção.

MUITO LENTO
ABORDAGEM FINAL

Sintoma: O cilindro de elevação desacelera drasticamente ao se aproximar do final do curso — o tempo de ciclo é muito maior do que o especificado e a carga parece mal se mover na última parte do percurso. Causa: A válvula de agulha da almofada ajustável está excessivamente fechada — a restrição de fluxo é tão grande que o óleo mal consegue escapar da bolsa da almofada. Isso ocorre com frequência após manutenção realizada por pessoal que fechou a agulha "por segurança", sem seguir o procedimento de ajuste de um quarto de volta. Ação: Reinicie a válvula de agulha seguindo o procedimento ETAPA 1–4 na Seção 03 deste guia.

TAMPA DE EXTREMIDADE
TRINCA DE SOLDA

Sintoma: Infiltração de óleo na solda da tampa, especialmente na base da solda — a junção entre o tubo do cano e a face da tampa. Pode ser acompanhada por manchas de ferrugem ou rachaduras externas visíveis sob o revestimento. Causa: A propagação de trincas por fadiga a longo prazo é impulsionada por picos de pressão repetidos e sem amortecimento no final do curso. Cada pico submete a solda do cilindro de elevação a ciclos de alta tensão e retorno — fadiga clássica de alto ciclo na zona afetada pelo calor da solda. Ação: O cilindro de elevação deve ser retirado de serviço imediatamente. A trinca na solda se propagará até a ruptura total do cilindro sob pressão operacional contínua. Um novo cilindro de elevação com amortecimento de fim de curso corretamente especificado deve substituir a unidade defeituosa — a causa raiz (amortecimento inadequado) deve ser corrigida, e não apenas o componente defeituoso.

Q 01

É possível adicionar amortecimento a um cilindro de elevação já existente que foi construído sem ele?

Adicionar amortecimento a um cilindro de elevação existente que foi fabricado sem ele é possível, mas requer desmontagem completa e usinagem de novas tampas com furos de amortecimento, além de um novo pistão ou camisa de pistão com a geometria do pino de amortecimento. Na maioria dos casos, o custo dessa reconstrução é comparável ao da compra de um novo cilindro de elevação com amortecimento integrado de fábrica — principalmente para cilindros de pequeno diâmetro, onde o custo da usinagem representa uma grande fração do custo total do componente. A exceção são os cilindros de grande diâmetro e longo curso, onde o corpo e a haste representam a maior parte do valor — nesses casos, a adaptação de tampas de amortecimento pode ser economicamente viável se o corpo e a haste estiverem em boas condições de uso. Uma abordagem mais prática para cilindros de elevação existentes sem amortecimento é reduzir a velocidade de operação por meio de válvulas de controle de fluxo, de modo que a energia cinética no final do curso fique abaixo do limite que causa fadiga estrutural. Essa é uma medida provisória válida, mas reduz o tempo de ciclo — a solução correta a longo prazo é a substituição do cilindro de elevação por um novo com amortecimento integrado de fábrica.

Q 02

Nosso cilindro de elevação possui amortecedores em ambas as extremidades, mas ainda assim produz um ruído apenas na extensão do curso. A retração ocorre suavemente. Por que apenas em uma extremidade?

A assimetria no desempenho de amortecimento entre o final do curso de extensão e retração quase sempre resulta de uma diferença na velocidade do pistão ou na massa efetiva nas duas extremidades. Em um cilindro de elevação de dupla ação, a área anular efetiva na extremidade da haste é menor do que na extremidade da tampa de passagem total — portanto, para a mesma vazão da bomba, a velocidade de retração na extremidade da haste é maior do que a velocidade de extensão na extremidade da tampa. Se os amortecedores tiverem o mesmo tamanho em ambas as extremidades, o amortecedor de retração deve absorver mais energia cinética por unidade de tempo do que o amortecedor de extensão, embora a área de amortecimento disponível também seja menor na extremidade da haste. Um cilindro de elevação que chega suavemente à extensão na extremidade da tampa, mas bate na retração na extremidade da haste, precisa de um amortecedor mais longo ou de uma folga menor na extremidade da haste do que na extremidade da tampa. Analise a especificação do amortecedor do cilindro de elevação para cada extremidade independentemente, usando a velocidade e a carga reais do pistão nessa direção do curso — não assuma que o dimensionamento simétrico do amortecedor esteja correto quando as áreas e as velocidades forem diferentes.

Q 03

Qual a diferença entre um amortecedor e uma válvula de desaceleração externa — e quando cada um deve ser usado?

Uma almofada integrada na tampa da extremidade do cilindro de elevação e uma válvula de desaceleração externa (montada no circuito hidráulico) atingem o mesmo objetivo — desacelerar o pistão antes do final do curso — mas por meio de mecanismos diferentes e em pontos diferentes do circuito. Uma almofada integrada atua no óleo retido entre o pistão e a face da tampa da extremidade — ela está sempre corretamente posicionada em relação à posição real do pistão, independentemente da configuração do circuito. Uma válvula de desaceleração externa atua no óleo que flui pelo circuito até o cilindro de elevação e é acionada por uma came de posição ou sensor de proximidade — ela pode desacelerar o pistão a partir de qualquer ponto do curso, não apenas no comprimento final da almofada. As válvulas de desaceleração externas são preferíveis quando a zona de desaceleração precisa ser maior do que a geometria prática de uma almofada permite (por exemplo, desacelerar um carro de ponte rolante em alta velocidade em 200–300 mm), quando o cilindro não comporta facilmente um bocal para a almofada (cilindros de curso muito curto) ou quando o ponto de desaceleração precisa ser ajustável sem abrir o cilindro. As almofadas integrais são preferidas para aplicações padrão em cilindros de elevação, onde a necessidade de desaceleração é moderada e a geometria do curso permite a usinagem de um encaixe padrão para a almofada na tampa. Muitos sistemas de cilindros de elevação de alto desempenho utilizam ambos os sistemas: a válvula externa reduz a velocidade e a almofada integral absorve a energia cinética residual final na posição de fim de curso.

Q 04

A baixa temperatura afeta o desempenho das almofadas? Devemos ajustar a válvula de agulha no inverno?

Sim — a viscosidade do óleo hidráulico aumenta significativamente com a queda de temperatura, e isso afeta diretamente o desempenho do amortecedor. Uma válvula de agulha do amortecedor de um cilindro de elevação ajustada para a temperatura de operação (50–60 °C, onde o óleo ISO 46 tem uma viscosidade de aproximadamente 10 cSt) produzirá uma contrapressão muito maior em temperaturas de partida a frio (0–10 °C, onde o mesmo óleo pode ter 200–400 cSt). O aumento da viscosidade significa que o óleo sai da câmara do amortecedor muito mais lentamente para a mesma abertura da agulha — a restrição efetiva do amortecedor é várias vezes maior em condições de frio do que em temperatura de operação. Um cilindro de elevação hidráulico com um amortecedor ajustável, cuja agulha está corretamente ajustada para a temperatura de operação, pode chegar ao final do curso quase travado hidraulicamente na partida a frio, restringindo severamente os primeiros ciclos do dia. Para máquinas que precisam operar em condições de frio desde a partida a frio, a válvula de agulha do amortecedor do cilindro de elevação deve ser ajustada para a temperatura fria, em vez de quente, e um óleo de alto índice de viscosidade (grau HV) deve ser usado para minimizar a diferença de viscosidade entre as temperaturas fria e de operação. Alternativamente, um ciclo de aquecimento em velocidade reduzida deve ser incluído no procedimento de inicialização da máquina antes do início da operação de produção em velocidade máxima.