Prevención del pandeo del vástago del pistón en cilindros hidráulicos

Mattias Awad explica cómo los diseñadores de ingeniería mecánica pueden utilizar acero de vástago de pistón especializado de mayor resistencia para aumentar la resistencia al pandeo en los cilindros hidráulicos.

Los cilindros hidráulicos controlan cargas pesadas con alta precisión en vehículos de construcción, equipos de elevación, maquinaria agrícola, turbinas eólicas y otras aplicaciones industriales. Sus diseñadores deben asegurarse de que los vástagos del pistón resistan fallas por pandeo cuando los cilindros hidráulicos están bajo fuerzas de compresión.

El pandeo es una forma repentina e impredecible de falla con graves consecuencias. Surge de una carga excesiva en el modo de empuje; es por eso que los ingenieros prestan mucha atención a las tensiones de compresión al diseñar los vástagos de los pistones.

En los cilindros de simple efecto que proporcionan una fuerza de empuje, el vástago del pistón está sujeto a compresión. Debe diseñarse para mantener la tensión axial por debajo de un umbral crítico de pandeo.

Los cilindros de doble efecto también deben poder resistir la fatiga que puede surgir de los muchos miles de ciclos que alternan entre compresión y tensión. Estos ciclos crean tensión elevada alrededor de imperfecciones microscópicas, lo que lleva a la propagación de grietas y fallas eventuales. La fatiga generalmente ocurre en lugares con sección transversal reducida, como las raíces o los filetes de rosca, o en defectos en las uniones soldadas.

La elección cuidadosa del acero puede reducir el riesgo de falla por pandeo y fatiga. Al diseñar cilindros con varillas delgadas, los ingenieros pueden aplicar la teoría de Euler, que es un modelo de pandeo elástico. Sin embargo, para varillas menos esbeltas, la teoría de Euler sobreestima en gran medida la resistencia al pandeo y los ingenieros pueden protegerse contra el pandeo recurriendo a materiales con mayor límite elástico.

Esta práctica se ha integrado en los códigos de diseño para columnas en la industria de la construcción y la edificación a través de metodologías en el Instituto Americano para la Construcción en Acero (AISC) y la Convención Europea para la Construcción en Acero (ECCS).

Además, el estándar de grúas prEN 13001-3-6A es un recurso útil. Incluye un proceso para evaluar la resistencia al pandeo de cilindros hidráulicos y un método para calcular la longitud efectiva de un vástago de pistón. La longitud efectiva depende de si el cilindro solo está conectado en los extremos o si tiene un soporte en el medio en el prensaestopas.

Se han desarrollado aceros de vástago de pistón especializados específicamente para sistemas hidráulicos, como Cromax 180X y Cromax 280X de Ovako. Cromax 180X se presenta en forma de barra cromada dura y se basa en un acero microaleado de carbono medio. Tiene un límite elástico mínimo de 500 N/mm2 gracias a un cuidadoso control sobre la mezcla de aleación y el procesamiento. Esto se compara con 305 N/mm2 para el grado C45E.

Un mayor límite elástico significa que el vástago del pistón puede resistir mejor el pandeo. Por lo tanto, un diseñador puede reducir el diámetro de un vástago de pistón, reduciendo el peso de todo el cilindro.

Alternativamente, podrían reemplazar un vástago C45E por uno idéntico en Cromax 180X para transmitir una mayor carga con el mismo margen de seguridad contra el pandeo, siempre que el cilindro esté dimensionado para la mayor fuerza/presión.

Los ingenieros pueden comparar diferentes grados de acero para vástagos de pistón utilizando un predictor de vástagos de pistón que forma parte de la herramienta Steel Navigator en el sitio web de Ovako. El predictor del vástago del pistón proporciona información sobre cómo la resistencia al pandeo se ve afectada por diferentes grados utilizando los métodos AISC y ECCS.

Los ingenieros pueden usar modelos de fatiga para ayudarlos a diseñar vástagos de pistón de doble acción. Como regla general, la resistencia a la fatiga aumenta con la resistencia a la tracción del material de la barra. Es posible que también se deba considerar la resistencia al impacto garantizada para aplicaciones críticas para la seguridad.

Siendo similares otros factores, la mayor resistencia a la tracción de Cromax 180X proporciona un rendimiento de fatiga considerablemente mejor que el C45E. Al igual que con la resistencia al pandeo, el uso de Cromax 180X podría permitir reducir el tamaño de un vástago de pistón o mejorar la vida de fatiga con el mismo tamaño de vástago.

Los ingenieros también tienen que diseñar para la fabricación. Por lo tanto, es importante considerar el impacto en el mecanizado y la producción. La maquinabilidad de los grados Cromax ha sido completamente probada tanto en torneado como en roscado. Aunque su resistencia y dureza son considerablemente mayores, el acero se puede procesar de manera eficiente en comparación con materiales como el C45E.

La soldabilidad también es importante, y en particular la soldadura por fricción, que a menudo se usa en vástagos de pistón que estarán sujetos a cargas pesadas. Los ingenieros quieren evitar que se formen componentes frágiles en la zona afectada por el calor de la soldadura (HAZ).

Los grados Cromax son una buena opción gracias al contenido de aleación que se desarrolló para evitar el riesgo de segregación del centro que podría provocar la fragilización después de la soldadura por fricción. Junto con su mayor límite elástico, esto los convierte en una buena opción para ayudar a los diseñadores de sistemas hidráulicos a mejorar el rendimiento y reducir el tamaño de los sistemas.

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