Los cilindros telescópicos son un diseño especial de un cilindro hidráulico o neumático , así como de un sistema de poleas que proporciona un recorrido de salida excepcionalmente largo a partir de 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. [1] Algunas unidades telescópicas neumáticas se fabrican con longitudes retraídas de menos del 15 % de la longitud total de la unidad extendida. [2] Esta característica es muy atractiva para los ingenieros de diseño de máquinas cuando un actuador convencional de estilo de varilla de una sola etapa no cabe en una aplicación para producir la carrera de salida requerida. [1]
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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 denominan cilindros telescópicos y cilindros telescópicos multietapa.
Una aplicación común de los cilindros telescópicos es la de la carrocería de un camión volquete utilizado en una obra . Para vaciar completamente la carga de grava , la carrocería del camión volquete debe elevarse hasta un ángulo de unos 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. [1] Sería muy difícil para el ingeniero de diseño colocar el cilindro de una sola etapa en el chasis del camión volquete con la carrocería del camión volquete en la posición de reposo horizontal . Sin embargo, esta tarea se logra fácilmente utilizando un cilindro multietapa de estilo telescópico. [3]
Los cilindros telescópicos están diseñados con una serie de tubos de acero o aluminio [2] de diámetros progresivamente más pequeños anidados uno dentro del otro. El manguito de mayor diámetro se denomina cilindro principal o cilindro. Los manguitos internos más pequeños se denominan etapas. La etapa más pequeña a menudo se denomina émbolo [3] o vástago del pistón.
Los cilindros generalmente se montan en la maquinaria mediante soportes pivotantes soldados al extremo o cuerpo exterior del cañón, así como en el extremo del émbolo.
Los cilindros telescópicos suelen estar restringidos a un máximo de 6 etapas. Se suele pensar que 6 etapas es el límite práctico de diseño, ya que los problemas de estabilidad se vuelven más difíciles con un mayor número de etapas. Sin embargo, existen excepciones, como un fabricante de cilindros neumáticos que ha incorporado con éxito hasta 9 etapas en sus diseños de cilindros. [2]
Los cilindros telescópicos requieren un diseño cuidadoso, ya que están sujetos a grandes fuerzas laterales, especialmente en 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 apoyo entre las etapas. Estas fuerzas, combinadas con la carga que se empuja, 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 servicio debido a fuerzas laterales. Los cilindros telescópicos solo se deben utilizar en maquinaria como un dispositivo para proporcionar fuerza y desplazamiento. Las fuerzas laterales y las cargas de momento se deben minimizar. Los cilindros telescópicos no se deben utilizar para estabilizar un componente estructural. [4]
Los cilindros telescópicos hidráulicos suelen estar limitados a una presión hidráulica máxima de 2000-3000 psi. Esto se debe a que las fuerzas externas producidas por la presión hidráulica interna tienden a expandir las secciones de acero del manguito. Demasiada presión hará que los manguitos anidados se hinchen hacia afuera, traben 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 este motivo, se debe tener cuidado para evitar presiones de choque en un sistema hidráulico que utilice cilindros telescópicos. A menudo, estos sistemas hidráulicos están equipados con componentes de supresión de impactos, como acumuladores hidráulicos , para absorber los picos de presión. [5]
Los cilindros telescópicos se pueden clasificar en dos diseños básicos: de simple efecto y de doble efecto. También existen otros diseños especiales, como un diseño híbrido de simple/doble efecto y un diseño de velocidad constante y empuje constante . [3]
Los cilindros telescópicos de simple efecto son el diseño más simple y más común. Al igual que con un cilindro de estilo de varilla de simple efecto, el cilindro telescópico de simple efecto se extiende utilizando presión hidráulica o neumática, pero se retrae utilizando fuerzas externas cuando se retira el medio fluido y se alivia hacia 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 de la carrocería del camión volquete, ahora elevado en un ángulo de 60 grados pero vacío de la carga, debe ser suficiente para forzar el fluido hidráulico sin presión fuera del cilindro y hacer que se retraiga a la posición completamente colapsada. [6]
Un cilindro de doble efecto se extiende y se retrae mediante presión hidráulica o neumática en ambas direcciones. Por lo tanto, los cilindros telescópicos de doble efecto tienen un diseño mucho más complejo que los de efecto simple. Esta complejidad adicional se debe al requisito de agregar caras de pistón retráctil a todas las etapas del cilindro y a la dificultad de suministrar fluido presurizado a los pistones de retracción de las etapas intermedias. [3]
Para lograr la función de doble efecto, se agregan sellos hidráulicos adicionales para sellar internamente las etapas individuales. Además, se mecanizan los conductos internos de aire o aceite de modo que, a medida que cada etapa termina de retraerse, se abre un conducto para suministrar fluido presurizado a la siguiente etapa para que se retraiga. Por lo tanto, un actuador telescópico de doble efecto generalmente se retrae comenzando desde la etapa de diámetro más pequeño para terminar con la etapa más grande retrayéndose por último. Debido a que los sellos utilizados para lograr esto deben pasar por estos orificios de transferencia de fluido mecanizados 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. [3]
Los puertos de suministro de fluido de extensión y retracción en los cilindros telescópicos hidráulicos de doble efecto suelen estar ubicados 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 extensión completa. En tal circunstancia, ambos puertos pueden ubicarse en el cilindro. Sin embargo, se debe instalar un conducto interno para que el fluido de retracción se suministre a la sección del émbolo en extensión completa. Este conducto especial es en sí mismo un conjunto telescópico que se extiende con el cilindro y está equipado con sellos en las diversas etapas. [3]
Esta complejidad adicional hace que los cilindros telescópicos de doble efecto sean muy costosos. Por lo general, se diseñan a medida para cada aplicación.
Las aplicaciones típicas de los cilindros telescópicos de doble efecto incluyen los cilindros expulsores-empacadores de camiones de basura y remolques de transferencia, compactadores horizontales, palas excavadoras telescópicas y camiones con plataforma rodante. En todas estas aplicaciones, el cilindro opera casi horizontalmente y, por lo tanto, la gravedad no está disponible para retraer el actuador. Por lo tanto, se requiere un diseño de doble efecto para empujar y tirar del mecanismo telescópico. [6]
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 lo tanto, si la línea de retorno del 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 infle hacia afuera. Por lo tanto, el cilindro podría quedar incapacitado para retraerse debido a sellos defectuosos o atascarse en su posición debido a la adherencia. [4]
Otro problema puede ocurrir si un cilindro telescópico de doble efecto encuentra una carga que tira del actuador durante la extensión, como cuando una carga inclinada 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 . [4]
En algunas aplicaciones, un cilindro telescópico de simple acción es adecuado para realizar el trabajo, excepto una etapa que se requiere que sea de doble acción.
Un ejemplo de esto es la elevación del mástil de una gran plataforma de perforación móvil . El mástil se eleva a la posición vertical utilizando un cilindro telescópico. Sin embargo, para bajar el mástil, no se dispone de la gravedad para la inclinación inicial hacia atrás desde la posición vertical. Por lo tanto, solo la etapa del émbolo del actuador telescópico está equipada como un cilindro de doble efecto para proporcionar la fuerza inicial para tirar del mástil hacia atrás desde la posición vertical. Una vez que se ha iniciado la inclinación hacia atrás, la gravedad toma el control y proporciona la fuerza para completar la retracción total del cilindro. Por lo tanto, las etapas restantes son de acción simple. Esta combinación especial es mucho menos compleja y mucho menos costosa que usar un diseño de doble efecto en su totalidad. [3]
En algunas aplicaciones especiales, se requiere que un cilindro telescópico se extienda con una fuerza o velocidad constante. Para lograr esto, el cilindro está diseñado de modo que todas las etapas se extiendan al mismo tiempo. Esto también se puede lograr en un diseño de doble efecto haciendo coincidir las áreas de extensión y retracción de los pistones en todas las etapas. [3]