martes, 31 de agosto de 2021

BOTELLAS HIDRÁULICAS: ¿CON EL VÁSTAGO DEL PISTÓN, HACIA ARRIBA O HACIA ABAJO?

Botellas ¿Hacia arriba o hacia abajo?
VÁSTAGO ARRIBA, VÁSTAGO ABAJO

Es curioso que tanto en tractores (por ejemplo, en las botellas externas del elevador hidráulico) o en máquinas y aperos agrícolas, como la pala, se encuentran dos diseños, aparentemente antagónicos: la posición de los cilindros hidráulicos.

Se encuentran diseños en los cuales se montan los cilindros hidráulicos “boca arriba” (con el vástago del pistón por encima del cilindro) mientras otros se montan “boca abajo” (con el vástago del pistón por debajo del cilindro) (en la foto adjunto se entenderá mejor a lo que nos referimos)

¿Por qué los dos diseños? ¿existe alguna razón mecánica o hidráulica? ¿qué diseño es más eficiente?

Desde el punto de vista de hidráulica básica, la fuerza de elevación es el producto de presión por la superficie, sección circular, del pistón. Mientras que la velocidad del movimiento depende del caudal a la par que de la superficie:

F (fuerza) = S (Superficie) x P (Presión)

V (velocidad) = C (Caudal) / S (Superficie)

Si se modifica la superficie (teniendo en cuenta los diferentes tamaños de la cámara grande y pequeña), respecto a la fuerza, se observa que, a mayor superficie, más fuerza se ejerce; en cuanto a la velocidad, si aumenta la superficie, menor velocidad de desplazamiento.

Pero no parece que esta "hidráulica básica" condicione uno u otro montaje, así que lo mejor es indagar, pero para eso lo mas conveniente es que "hablen los profesionales"

Cilindro simple efecto
Que hablen los profesionales: Aunque yo, quizá intuía la respuesta, he preferido dejar que hablen los expertos sobre el tema.
Así que he preguntado a dos empresas expertas en hidráulica y mantenimiento hidráulico y neumático.

Una de las empresas ha sido Hynesur (Sevilla) con buenos profesionales que se han prestado gustosamente a ayudarnos a resolver las dudas.

También me he puesto al habla con Gerpe, Mantenimiento Industrial (Zamora) otros profesionales con los que tengo muy buena relación y que también les ha faltado tiempo para darnos su visión.

ELECCIÓN DEL CILINDRO

Corte esquemático cilindro doble efecto
Simple efecto: Son aquellos cilindros con una única entrada, y salida, del fluido hidráulico. La gran mayoría de los tractores, en el elevador, montan cilindros de simple efecto. La presión hidráulica sirve para elevar la carga, mientras que el retorno se produce únicamente por la acción de la gravedad.

Doble efecto: En este caso existen dos comunicaciones con el “exterior”, una entrada y una salida de fluido hidráulico. Este tipo de cilindros tienen la particularidad de poder utilizarse en carga, con la cámara grande y con la cámara pequeña. Por ello, con la misma presión y mismo caudal el cilindro empujará con más fuerza con la cámara grande y menos con la cámara pequeña.

En la cámara pequeña la superficie que ocupa el vástago hace que con los mismos parámetros de caudal y presión sea más rápido y tenga menos fuerza al recoger con la corona circular.

Esto se debe a la superficie que tenemos en cada una de las diferentes cámaras. En la cámara grande (encargada del empuje) existe una mayor superficie de empuje, mientras que, en la cámara pequeña (encargada de la tracción) la superficie “útil” es la del propio pistón menos la del vástago.

Pandeo del cilindro:

Es relevante destacar que, en el montaje, se debe tener en cuenta el denominado pandeo del cilindro. Para evitar pandeo la posición más idónea es aquella que deja la camisa, cilindro, en la parte fija del brazo, mientras que el pistón en la móvil.

¿Qué es el pandeo de un cilindro?: El pandeo es la tendencia a “doblarse” lateralmente un elemento rígido al ejercer presión sobre él. A mayor longitud, y menor sección, mayor posibilidad de pandeo.

Si se coloca la parte del vástago en la parte móvil existe menos pandeo. Para entenderlo, se debe analizar el principio de palanca, ya que el brazo de fuerza teniendo el vástago hacia abajo es más grande que si tenemos el vástago hacia arriba, lo que hará que la presión de pandeo a la que se somete el cilindro sea superior y ponga en riesgo la deformación del cilindro.

En la imagen adjunta, teniendo la misma apertura del cilindro, hay diferentes brazos de fuerza, y de ahí el mayor riesgo de pandeo.

No es habitual el pandeo en un cilindro bien calculado (los cálculos siempre llevan aparejado un sobredimensionado del cilindro) y con un uso de la máquina adecuado, pero en casos extremos, el detalle puede ser determinante.

ELECCIÓN DEL MONTAJE

Para el montaje se deberá tener en cuenta tanto la fuerza, la velocidad del cilindro, el pandeo del mismo y las posibilidades geométricas (cotas de montaje).

Gerpe, reconoce que cualquier fabricante, mínimamente responsable, montarán los cilindros con los cálculos oportunos para que todo funcione correctamente y ofreciendo las prestaciones necesarias. Por lo que es independiente la posición del cilindro.
Así que según Gerpe “las ventajas o desventajas de cada tipo de montaje no radican más allá del espacio que se disponga para la botella debido al resto de la construcción que tenga el tractor, por ejemplo, la forma de los brazos, tamaño de las trompetas etc.”

Para Hynesur la respuesta es muy similar “tanto por pandeo, como por fuerza y velocidad del cilindro, se puede obtener mejor rendimiento si se realiza el empuje hacia arriba y la tracción hacia abajo. Pero con un diseño lógico y responsable, el conjunto funcionará de forma correcta, independientemente de la posición del cilindro”.

Otros detalles

Si que, en el caso concreto del elevador del tractor, disponer del vástago hacia abajo, es a priori una posición más expuesta a impactos de piedras.

También con el vástago hacia arriba además de estar más protegida a los impactos, es que la vida útil del latiguillo hidráulico puede durar más ya que al estar el culo de botella en la parte que queda fija al tractor habrá muchas menos flexiones y estiramientos del latiguillo

DOS EJEMPLOS

Para los ejemplos, he cogido dos tractores de la misma marca, Massey Ferguson, ambos tractores los tuvimos en las instalaciones del NEMA AGROTEC (UFSM, RS, Brasil) y allí estuvimos analizando las ventajas de uno y otro montaje: MF 7719 (Modelo de Massey que incorpora las botellas hacia abajo) y MF 6711 (Modelo de Massey con las botellas hacia abajo)

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Mediciones en cilindros y pistones, instalaciones AGROTEC-NEMA-UFSM

8 comentarios:

  1. Helio, entradas de las que nos gustan... ¡¡enhorabuena!!

    Una cosita: si te fijas, por ejemplo, en un Deutz-Fahr, los cilindros del elevador trasero tiene el bástago prácticamente con el mismo grosor que el cilindro (similar al de las fotos del MF que has publicado), pero si te fijas en Fendt o Valtra, el bástago es muy fino en relación al grosor del cilindro.

    A ver si nos puedes dar más información de por qué DF monta ese cilindro y Fendt monta el otro

    Gracias.
    Twins' Farm
    www.twins-farm.es

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    1. Sabía que os iba a gustar, en realidad la idea es totalmente vuestra, pues recuerdo, ya hace años, que me lo preguntasteis y yo no supe encontrar respuesta (igual que ahora)
      Efectivamente cuando el vástago tiene "igual" diámetro que el pistón pues la cosa está clara, cuando hay mucha diferencia de diámetro pues normalmente son de doble efecto.
      Delante de un Fendt o un Valtra lo vemos y lo analizamos.
      Saludos

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    2. Los cilindros cuyo vástago tiene diámetro casi igual que el interior del cilindro se llaman ciegos; son de simple efecto pues en el lado del vástago no puede haber aceite. Se utilizan para levantar cargas muy grandes con un riesgo de pandeo prácticamente nulo.

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    3. Twins, no sé si conocéis a Jacinto, pero en muchos temas, y en hidráulica ni se considera, su palabra es ley. Podría contar alabanzas, en base a experiencias vividas, de Jacinto, pero no viene al caso, simplemente, para mi, Jacinto Gil es sinónimo de hidráulica de alta presión.

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  2. Muy buen texto, profesor. Realmente no importa la posición de los cilindros ya que la fuerza ejercida es la misma. Sin embargo, la cuestión del montaje y la asignación de los demás componentes del sistema es muy importante. Saludos, profesor Heliodoro.

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    1. Amigo Junior, ¡qué alegría verte por aquí y escribiendo en español!... Me has dado la alegría del día.
      Efectivamente, es una cuestión de montaje.
      Un abrazo amigo Junior, nos vemos.

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  3. Hola a todos y felicidades por el articulo,

    Levo muchos años haciéndome la misma pregunta, y un amigo mío que trabaja en minería donde muchas retros, volquetes llevan montados este sistema de botella boca abajo , me dijo que otra de los motivos era que los retenes estaban mas limpios y se acumulaba menos suciedad y su durabilidad era mayor

    Un saludo

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