ACTUADORES HIDRAULICOS

1. INTRODUCCIÓN

1.1 Preámbulo

Los actuadores hidráulicos hacen parte del grupo de componentes más utilizados en la industria hidráulica de potencia, y su uso abarca diversas aplicaciones, como levantamiento, empuje, tracción, etc., haciendo que la carga a compresión aplicada sea uno de los factores más importantes sobre el cual se basa su diseño. Esta carga sobre el actuador provoca efectos combinados de compresión y flexión, debido a su interacción con la máquina o mecanismo a la cual queremos transmitir energía.

Los fabricantes de cilindros ofrecen a los usuarios métodos gráficos, tablas o fórmulas con el fin de seleccionar la longitud del vástago necesaria para soportar el fenómeno de pandeo (en general, la carga crítica según Euler). No tienen en cuenta otros factores que se presentan como juegos e imperfecciones en la conexión vástago-cilindro, fricción de las partes en contacto o excentricidad de la carga aplicada. Es por esto que se hace necesario el estudio de estos efectos como factores importantes que inciden directamente en su capacidad de carga.

El contenido de esta tesis se centra en el estudio de cilindros articulados en los extremos (o apoyos simples), ya que para los actuadores oleohidráulicos, tal configuración, además de tener una amplia aplicación, se convierte en una configuración crítica, en relación a la carga aplicada; es decir, presenta las condiciones mas desfavorables para su capacidad de carga (colapso del cilindro).

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). Este proyecto es cofinanciado por la Unión Europea dentro del 6 o programa Marco. En este proyecto intervienen 22 entidades de 8 países distintos entre pequeñas y medianas empresas europeas, centros de investigación y universidades. El objetivo, en términos generales del PROHIPP, es desarrollar, validar y diseminar nuevos métodos de diseño y procesos de manufactura basados en el conocimiento (Design by analysis and

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design by categories). Su enfoque está dirigido hacia cilindros oleohidráulicos y acumuladores, como componentes sometidos a alta presión interna.

1.2 Planteamiento del problema

En principio los actuadores hidráulicos son asumidos por los fabricantes para su diseño contra pandeo, como columnas ideales cargadas concéntricamente. Aún así, las columnas reales, difieren de una columna ideal debido a las imperfecciones, como la curvatura inicial del eje longitudinal, las condiciones imperfectas de los soportes y la no homogeneidad del material. Además, aún cuando se supone que la carga está centralmente aplicada, habrá excentricidades inevitables en su dirección y punto de aplicación. Todas las imperfecciones tienen el efecto de producir flexión además de compresión directa.

Adicional a esto, en los actuadores hidráulicos existen movimientos relativos entre piezas, involucrando con esto otros factores que aumentan la posibilidad de generación de momentos flectores progresivos en relación al desgaste entre elementos sometidos a fricción, como son los anillos guía, rascadores y juntas. También, inevitablemente existirán excentricidades o momentos flectores en los extremos, con la aplicación de las cargas compresivas, que variarán de acuerdo al tipo de montaje en función de la aplicación del actuador.

Los fabricantes de actuadores hidráulicos utilizan la carga de Euler, como carga de diseño o carga máxima admisible, considerando el actuador como una barra equivalente con sección transversal y momento de inercia del vástago y cuya longitud total (longitud equivalente) está definida de acuerdo a las condiciones de montaje (Fig.1.1). De esta manera:

2

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2 .. .E e EI P L p u = (1.1)

La longitud Le (le en Fig. 1.1) está definida entre los puntos de apoyo y para el caso mas crítico: actuador extendido; y depende de la ubicación del soporte en el cilindro (base, intermedio o extremo del cilindro).

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Fig. 1.1 Métodos de fijación de cilindros y longitud equivalente para ecuación de Euler.

La Fig. 1.1 muestra además, cómo, de acuerdo a las condiciones en que está montado el actuador, pueden generarse una reducción en el valor de las cargas críticas [expresión (1.1)] si las longitudes equivalentes aumentan, incrementando así el riesgo de pandeo. Así, el caso 1 presenta la situación mas crítica (carga admisible baja) mientras que el caso 4 la situación mas favorable (carga admisible alta).

Para la selección del diámetro adecuado del vástago, de una manera práctica de acuerdo a la carga de Euler (1.1), los fabricantes ofrecen gráficos como el presentado en la Fig. 1.2. Este diámetro será función de la carga que soportará el actuador, el factor de seguridad que se emplee y la longitud equivalente (‘Longitud virtual’ en la Fig. 1.2).

Como ya se ha mencionado este criterio de diseño, limitado en la ecuación de Euler, asume el actuador oleohidráulico como una columna ideal (cuerpo rígido), sin considerar los efectos generados por diferentes factores que se presentan en cualquier aplicación real, como imperfecciones de montaje, desalineamiento inicial, falta de coaxialidad entre vástago y cilindro debido al desgaste en los

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anillos guía, así como momentos de fricción en los apoyos y excentricidad en la aplicación de la carga.

Fig. 1.2 Gráfico, determinación de diámetro de vástago, en función de carga a soportar, coeficiente de seguridad y longitud equivalente (Fig. 1.1)

Los momentos de fricción pueden convertirse en un factor importante considerando que los actuadores oleohidráulicos de acuerdo a su aplicación actúan

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