Los cilindros telescópicos son un diseño especial de cilindro hidráulico o cilindro neumático, así como de un sistema de poleas, que proporcionan un recorrido de salida excepcionalmente largo desde una longitud retraída muy compacta. Normalmente, la longitud plegada 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 inferiores al 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 estilo varilla de una sola etapa no encaja en una aplicación para producir la carrera de salida requerida. [1]
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Los cilindros telescópicos de servicio pesado generalmente funcionan con sistema hidráulico de aceite , 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 de varias etapas.
Una aplicación común para los cilindros telescópicos es la de la caja volquete de un camión volquete utilizado en una obra de construcción . Para vaciar completamente la carga de grava , la caja de descarga debe elevarse en un ángulo de aproximadamente 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 un gran desafío para el ingeniero de diseño colocar el cilindro de una etapa en el chasis del camión volquete con la carrocería en posición de reposo horizontal . Sin embargo, esta tarea se logra fácilmente utilizando un cilindro de múltiples etapas de estilo telescópico. [3]
Los cilindros telescópicos están diseñados con una serie de tubos de acero o aluminio [2] de diámetros progresivamente más pequeños encajados unos dentro de otros. La manga de mayor diámetro se llama principal o barril. Las mangas interiores más pequeñas se llaman etapas. La etapa más pequeña suele denominarse émbolo [3] o vástago del pistón.
Los cilindros suelen estar montados en maquinaria mediante soportes de pivote soldados al extremo o cuerpo exterior del cilindro, así como al extremo del émbolo.
Los cilindros telescópicos suelen estar restringidos a un máximo de 6 etapas. Comúnmente se piensa que 6 etapas es el límite de diseño práctico, ya que los problemas de estabilidad se vuelven más difíciles con un mayor número de etapas. Sin embargo, hay excepciones: un fabricante de cilindros neumáticos incorporó 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 plena extensión. 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 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 sólo deben utilizarse en maquinaria como dispositivo para proporcionar fuerza y desplazamiento. Se deben minimizar las fuerzas laterales y las cargas de momento. No se deben utilizar cilindros telescópicos para estabilizar un componente estructural. [4]
Los cilindros telescópicos hidráulicos a menudo están limitados a una presión hidráulica máxima de 2000 a 3000 psi. Esto se debe a que las fuerzas hacia afuera producidas por la presión hidráulica interna tienden a expandir las secciones del manguito de acero . Demasiada presión hará que las mangas anidadas se inflen hacia afuera, traben el mecanismo y dejen de moverse. Existe el peligro de que se produzca una deformación permanente del diámetro exterior de un casquillo, estropeando así un actuador telescópico. Por esta razón, se debe tener cuidado para evitar presiones de choque en un sistema hidráulico que utiliza cilindros telescópicos. A menudo, estos sistemas hidráulicos están equipados con componentes supresores de impactos, como acumuladores hidráulicos , para absorber los picos de presión. [5]
Los cilindros telescópicos normalmente se pueden clasificar en dos diseños básicos: simple efecto y doble efecto. También existen otros diseños especiales, incluido 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 común. Al igual que con un cilindro estilo varilla de simple efecto, el cilindro telescópico de simple efecto se extiende usando presión hidráulica o neumática pero se retrae usando fuerzas externas cuando el medio fluido se retira y se descarga al depósito . Esta fuerza de retracción externa suele ser la gravedad que actúa sobre el peso de la carga. Obviamente, este peso externo 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 caja volcadora, ahora elevada en un ángulo de 60 grados pero sin carga, debe ser suficiente para forzar el fluido hidráulico despresurizado fuera del cilindro y hacer que se retraiga hasta el posición completamente colapsada. [6]
Un cilindro de doble efecto se extiende y retrae mediante presión hidráulica o neumática en ambas direcciones. Por tanto, los cilindros telescópicos de doble efecto tienen un diseño mucho más complejo que los del tipo de simple efecto. Esta complejidad adicional se debe al requisito de añadir caras de pistón retráctiles 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 característica de doble acción, se agregan sellos hidráulicos adicionales para sellar internamente las etapas individuales. Además, los conductos internos de aire o aceite están mecanizados de modo que cuando cada etapa completa la retracción, se abre un conducto para suministrar a la siguiente etapa fluido presurizado para retraerse. Por lo tanto, un actuador telescópico de doble efecto normalmente se retrae comenzando desde la etapa de menor diámetro hasta terminar con la etapa más grande retrayéndose por último. Debido a que los sellos utilizados para lograr esto deben pasar sobre estos orificios de transferencia de fluido mecanizados internamente, los sellos generalmente están hechos de materiales duros para resistir el desgaste y la abrasión. Suelen ser anillos de hierro o juntas de nailon reforzadas con fibra de vidrio . [3]
Los puertos de suministro de fluido de extensión y retracción en los cilindros telescópicos hidráulicos de doble acción generalmente están 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 plena extensión. En tal caso, ambos puertos pueden estar situados en el cañón. Sin embargo, se debe instalar un conducto interno para que el fluido de retracción se suministre a la sección del émbolo en plena extensión. Este pasaje especial es en sí mismo un conjunto telescópico que se prolonga con el cilindro y está equipado con juntas en las distintas etapas. [3]
Esta complejidad adicional encarece mucho los cilindros telescópicos de doble efecto. Suelen estar diseñados a medida para cada aplicación.
Las aplicaciones típicas de los cilindros telescópicos de doble efecto incluyen los cilindros empacadores-eyectores en camiones de basura y remolques de transferencia, compactadores horizontales, palas excavadoras telescópicas y camiones rodantes. 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 acción. El área de retracción efectiva suele ser mucho menor que el área de extensión. Por lo tanto, si la línea de retorno de fluido hidráulico se bloquea durante la extensión, puede ocurrir un efecto de intensificación de la presión que causa falla en el sello o incluso hace que el manguito metálico se infle hacia afuera. Por lo tanto, el cilindro podría no poder retraerse debido a sellos defectuosos o atascarse en su posición debido a un atasco. [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 vuelve a alcanzar la altura 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 efecto es adecuado para realizar el trabajo , excepto en una etapa que se requiere que sea de doble efecto.
Un ejemplo de esto es la construcción del mástil de una gran plataforma de perforación móvil . El mástil se eleva a la posición vertical mediante un cilindro telescópico. Sin embargo, para bajar el mástil, la gravedad no está disponible para la inclinación inicial desde la posición vertical. Por lo tanto, sólo la etapa de émbolo del actuador telescópico está equipada como un cilindro de doble acción para proporcionar la fuerza inicial para tirar del mástil hacia atrás desde la vertical. Una vez que se ha iniciado la inclinación hacia atrás, la gravedad toma el control y proporciona la fuerza para completar la retracción completa del cilindro. Las etapas restantes, por tanto, son de simple efecto. Esta combinación especial es mucho menos compleja y mucho menos costosa que utilizar un diseño de doble efecto. [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 manera que todas las etapas se extiendan al mismo tiempo. Esto también se puede lograr en un diseño de doble acción haciendo coincidir las áreas de extensión y retracción de los pistones en todas las etapas. [3]