Capacidad de carga de cilindros oleohidráulicos

Abstract

Esta tesis está relacionada con un proyecto macro cuyo título es "New design and manufacturing processes for high pressure fluid power products" -2004-2008 (acrónimo: PROHIPP), el cual es cofinanciado por la Unión Europea dentro del 6o programa Marco y en donde intervienen 22 entidades de 8 países distintos entre pequeñas y medianas empresas europeas, centros de investigación y universidades.<br/>El objetivo fundamental de la tesis es estudiar la apacidad de carga de los cilindros oleohidráulicos, determinando los factores que influyen de manera importante sobre ésta. Se realizaron análisis críticos de las publicaciones más relevantes en relación al tema de capacidad de carga de cilindros, centrando la atención, en aquellos que pudieran brindar mayores aportes para l proyecto. La Norma ISO 13725 (Hydraulic fluid power cylindersmethod for determining the buckling oad", presenta una difícil interpretación de las formulaciones planteadas, además de plantear un modelo que restringe factores tan importantes como a imperfección inicial. El proyecto plantea un algoritmo que permite una fácil aplicación de dicha Norma utilizando cualquier condición de contorno.<br/>El proyecto plantea un modelo que describe el comportamiento de los cilindros oleohidráulicos bi-apoyados sometidos a carga axial, involucrando factores presentes en toda aplicación real como son: imperfección inicial (desalineamiento vástago-cilindro), peso propio, momentos por rozamiento y/o excentricidad en los puntos de apoyo del actuador. El modelo permite principalmente determinar la capacidad de carga de un cilindro oleohidráulico, calculando la carga máxima admisible, como aquella que genera una tensión máxima a lo largo del actuador, equivalente a la tensión de fluencia del material. Además, el modelo permite determinar curvas de deflexión, momentos y tensiones a lo largo de un cilindro oleohidráulico, sometido a una carga dada. <br/>Se ha construido un banco de ensayos para alidación de los resultados teóricos obtenidos con el modelo propuesto. Este banco permitió la creación de una base de datos experimental de más de 100 pruebas destructivas para la determinación de la carga máxima admisible de cilindros. El banco ha permitido la medición de variables importantes en el fenómeno, como son deflexión del cilindro oleohidráulico, carga aplicada mediante la presión interna del fluido en el tubo-cilindro, esplazamiento del vástago dentro del tubo (compresibilidad del aceite), tensiones en el vástago (microdeformación), etc. Se ha empleado un ilindro 'prueba' como base de experimentación y validación del modelo propuesto.<br/>Como resultado de los análisis teórico-experimentales del proyecto se ha podido concluir lo siguiente:<br/>La inclusión del peso propio (100 N) del cilindro 'prueba', ha significado tan solo, una reducción del 2% de su capacidad de carga. La variación de la capacidad de carga debida a la imperfección inicial (debido a las tolerancias lógicas de un buen diseño y una buena fabricación) es mucho menor que la variación de capacidad de carga debida a las condiciones de contorno reales que se manifiestan en las articulaciones. El desgaste del anillo guía en un 5% de su espesor inicial (efecto que se produce básicamente en los primeros 1000 ciclos) representa una disminución de la capacidad e carga de un 10%.<br/>Hay que mencionar que a partir de los 1000 ciclos no hay variaciones significativas en el desgaste del anillo guía.<br/>Como conclusión final y recomendación del proyecto e puede afirmar que los efectos de rozamiento siempre deben minimizarse al máximo, tanto si es a favor o en contra de la capacidad de carga. En aquellas aplicaciones donde el cilindro oleohidráulico acciona un mecanismo y los efectos del rozamiento van en contra de la capacidad de carga, se aconseja calcular el cilindro oleohidráulico con un momento externo aplicado en la articulación del lado vástago (lado más débil y de valor igual al producto de la carga axial aplicada multiplicada por una excentricidad aparente, de valor m dP 2 (&#956; coeficiente de rozamiento y dP el diámetro del pasador).<br/>La utilización de cojinetes de baja fricción puede garantizar un funcionamiento prolongado con mínimo desgaste de los pasadores y fuerzas de fricción muy bajas, y reducir así, el riesgo de un mal diseño debido a la incertidumbre de estas fuerzas.

This thesis is related to a macro project whose title is "for New design and manufacturing processes for high pressure fluid power products " -2004-2008 (acronym: PROHIPP), which is co financed by the European Union and where take part 2 organizations of 8 different countries between small and medium European companies, research centres and universities. The main objective of the thesis is to study the load capacity of the hydraulic cylinders, determining the factors that influence of important way over it. Critical analysis of some publications in relation to the subject of load capacity of cylinders were made, giving importance at which could offer greater contributions for the project. Norm ISO 13725 (Hydraulic fluid power -cylinders- method for determining the buckling load), presents a difficult interpretation of the raised formulations, and its proposed model omits as important factors as the initial imperfection. The project develops an algorithm that allows an easy application of this Norm using any boundary conditions.<br/>The project proposes a model that describes the behaviour of the pined-end hydraulic cylinders under axial load, involving present factors in all eal application like: initial imperfection (misalignment between piston rod and tube-cylinder), own weight, moments by friction and/or eccentricity in the end points of the actuator. The model allows mainly determining the load capacity of a hydraulic cylinder, calculating the maximum permissible load, which generates a maximum stress throughout the actuator, equivalent o the yield stress of the material. In addition, the model allows determining curves of deflection, moments and stresses throughout the hydraulic cylinder under a given load.<br/>A test bench has been designed and constructed to validation of the obtained theoretical results with the proposed model. This bench allowed the creation of an experimental data base of more than 100 destructive tests for the determination of the permissible maximum load of cylinders. The bench has allowed the measurement of important variables n the phenomenon, like deflection of the hydraulic cylinder, load applied by means of the internal pressure of the fluid into the tube-cylinder, displacement of the piston rod within the tube (compressibility of the oil), stresses in the piston rod (microdeformations), etc. A 'test' cylinder has been used as base of experimentation and validation of the proposed model.<br/>As result of the theoretical-experimental analysis f the project has been able to conclude the following: The inclusion of the own weight (100 N) f the 'test' cylinder has meant only a reduction of 2% of its load capacity. The variation of the load capacity due to the initial imperfection (due o the tolerances of a good design and a good manufacture) is much smaller than the variation of oad capacity due to the real boundary conditions that are presents in the pin-ends. The wear of the guide ring in a 5% of its initial thickness (effect that takes place basically in the first 1000 cycles) represents a decreasing of the load capacity of a 10%. It is necessary to mention that rom the 1000 cycles there are no significant variations in the wear of the guide rings. As final conclusion and recommendation of the project an be affirmed that the friction effects always must be diminished to the maximum, as much if it is favourable or against the load capacity. In those applications where the hydraulic cylinder drives a mechanism and the effects of the friction go against the load capacity, is advised to calculate the hydraulic cylinder with a external applied moment in the pin-end of the side piston rod (weaker side) and of equal value to the product of the applied axial load multiplied by an apparent eccentricity, of value m dP 2 (&#956;: friction coefficient, dP diameter of the pin). The use of bearings of low friction can guarantee a prolonged operation with minimum wear of the pins and low forces of friction, and therefore reduce the risk of a bad design due to the uncertainty of these forces.