Abstracto

En un intento por aliviar el problema de la escasez de equipos en nuestros laboratorios, en la mayoría de nuestras instituciones superiores, se ha construido un... prensa hidráulica Se diseñó, construyó y probó con materiales de origen local. Los parámetros principales del diseño incluyeron la carga máxima (300 kN), la distancia que debe recorrer la resistencia de carga (carrera del pistón: 150 mm), la presión del sistema, el área del cilindro (diámetro del pistón: 100 mm) y el caudal volumétrico del fluido de trabajo. Los principales componentes de la prensa diseñada incluyen el conjunto de cilindro y pistón, el bastidor y el circuito hidráulico.

La máquina fue probada para su rendimiento con una carga de 10 kN proporcionada por dos resortes de compresión de 9 N/mm constantes cada uno dispuestos en paralelo entre las platinas superior e inferior y se encontró que era satisfactoria. Un perno de acero fijado a la placa inferior de una prensa hidráulica está sujeto a altas fuerzas de impacto. Este perno tiene un diámetro mayor de 14 mm y un paso de 2 mm.

Tiene 300 mm de largo y la tuerca tiene una energía de impacto de 4500 n-mm. El perno utilizado se muestra en la figura 1b. La rosca se corta para el diámetro completo de 14 mm. Usando los principios dfm, diseñe un mejor tornillo que pueda reducir la tensión del área de la raíz a 245 mpa desde la tensión del área de la raíz estándar de 290 mpa. Muestre los cálculos.

1. Introducción 

El desarrollo de la ingeniería a lo largo de los años se ha centrado en el estudio de métodos cada vez más eficientes y prácticos para empujar, tirar, rotar, impulsar y controlar cargas, desde unos pocos kilogramos hasta miles de toneladas. Las prensas se utilizan ampliamente para lograrlo. 

Las prensas, según la definición de Lange, son máquinas herramienta que ejercen presión. Se clasifican en tres categorías principales: prensas hidráulicas, que funcionan según el principio de la presión hidrostática; prensas de tornillo, que utilizan tornillos de potencia para transmitir la potencia; y prensas mecánicas, que utilizan la conexión cinemática de elementos para transmitir la potencia.

En una prensa hidráulica, la generación, transmisión y amplificación de fuerza se logra mediante un fluido a presión. El sistema líquido presenta las características de un sólido y proporciona un medio muy positivo y rígido para la transmisión y amplificación de potencia. En una aplicación sencilla, un pistón más pequeño transfiere fluido a alta presión a un cilindro de mayor área, amplificando así la fuerza. Permite una fácil transmisión de grandes cantidades de energía con una amplificación de fuerza prácticamente ilimitada. Además, presenta un efecto de inercia muy bajo.

Una prensa hidráulica típica consta de una bomba que proporciona la fuerza motriz al fluido, el fluido mismo que es el medio de transmisión de potencia a través de tuberías y conectores hidráulicos, dispositivos de control y el motor hidráulico que convierte la energía hidráulica en trabajo útil en el punto de resistencia de carga.

Las principales ventajas de las prensas hidráulicas sobre otros tipos de prensas son que ofrecen una respuesta más positiva a los cambios en la presión de entrada, la fuerza y la presión se pueden controlar con precisión, y la magnitud total de la fuerza está disponible durante toda la carrera de trabajo del pistón. Las prensas hidráulicas son preferibles cuando se requiere una fuerza nominal muy elevada.

La prensa hidráulica es un equipo invaluable en talleres y laboratorios, especialmente para operaciones de prensado y deformación de materiales, como en procesos de conformado de metales y pruebas de resistencia. Un vistazo al taller en Nigeria revela que todas estas máquinas son importadas. Por lo tanto, se pretende diseñar y fabricar una prensa de bajo costo y de operación hidráulica con materiales de origen local. Esto no solo ayudará a recuperar las pérdidas de divisas, sino que también mejorará el nivel de nuestra tecnología local en el aprovechamiento de la transmisión de potencia hidráulica.

2. Metodología de diseño

Los sistemas de potencia fluida se diseñan por objetivos. El principal problema a resolver en el diseño del sistema es traducir el rendimiento deseado del sistema en presión hidráulica.

Fig. 1. Diagrama esquemático de la prensa hidráulica. caudal volumétrico y adecuación de estas características a una entrada disponible al sistema para mantener el funcionamiento.

Los parámetros principales del diseño incluyeron la carga máxima (300 kN), la distancia que debe recorrer la resistencia de carga (carrera del pistón: 150 mm), la presión del sistema, el área del cilindro (diámetro del pistón: 100 mm) y el caudal volumétrico del fluido de trabajo. Los componentes críticos que requieren diseño incluyen el cilindro hidráulico, el bastidor y el circuito hidráulico (Fig. 1).

2.1.Diseño de componentes

● Cilindro hidráulico:

Los cilindros hidráulicos tienen una estructura tubular en la que un pistón se desliza al introducir fluido hidráulico. Los requisitos de diseño incluyen el espesor mínimo de pared del cilindro, la placa de cubierta, el espesor de la brida y la especificación y selección del número y tamaño de los pernos. La fuerza de salida requerida por un cilindro hidráulico y la presión hidráulica disponible para este fin determinan el área y el diámetro interior del cilindro, así como el espesor mínimo de pared.

● Placa de cubierta del extremo del cilindro: 

El espesor T, de la placa de cubierta del extremo, que está sostenida en la circunferencia por pernos y sujeta a una presión interna distribuida uniformemente sobre el área, está dada por la ecuación (2) de Khurmi y Gupta (1997), como: T = KD(P/δt) 1/2, (2) donde: D = Diámetro de la placa de cubierta del extremo (m), 0,1; K = Coeficiente que depende del material de la placa, 0,4, de Khurmi y Gupta (1997); P = Presión interna del fluido (N/m2 ), 38,2; δt = Esfuerzo de diseño admisible del material de la placa de cubierta, 480 N/m2 ; de donde se obtuvo el espesor de la placa que fue 0,0118 m.

● Perno:

La tapa del cilindro puede fijarse mediante pernos o espárragos. La posible disposición para fijar la tapa con pernos se muestra en la Fig. 2. Para determinar el tamaño y número correctos de pernos (n), se empleó la siguiente ecuación (3), adoptada de Khurmi y Gupta (1997): (πDi²/4)P = (πdc²/4)δtbn, (3) donde: P = Presión interna del fluido (N/m²); Di = Diámetro interno del cilindro (m); dc = Diámetro del núcleo del perno (m), 16 × 10⁻³ m; δtb = Resistencia a la tracción admisible del perno.

Si se conoce el tamaño del perno, se puede calcular el número de pernos y viceversa. Sin embargo, si el valor de n obtenido anteriormente es impar o una fracción, se adopta el siguiente número par superior. El número de pernos se calculó en 3,108, por lo que se eligieron cuatro. La estanqueidad de la unión entre el cilindro y la placa de cubierta depende del paso circunferencial, Dp, del perno, que se obtuvo como 0,0191 m a partir de la ecuación (4): Dp = Di + 2t + 3Dc, (4) donde: t = espesor de la pared del cilindro (m), 17 × 10⁻³.

● Brida del cilindro: 

El diseño de la brida del cilindro consiste esencialmente en obtener el espesor mínimo tf, que puede determinarse considerando la flexión. Aquí intervienen dos fuerzas: una debida a la presión del fluido y otra que tiende a separar la brida debido al sellado, que debe ser resistido por la tensión producida en los pernos. La fuerza que intenta separar la brida se calculó en 58,72 kN a partir de la ecuación (5): F = (π/4)D⁻²⁻P, (5) donde: D⁻ = diámetro exterior del sello, 134 × 10⁻³ m.

● Determinación del espesor de la brida: 

El espesor de la brida, tf, se puede obtener considerando la flexión de la brida respecto a la sección AA, que es la sección donde la brida presenta mayor debilidad (Fig. 3). Esta flexión se produce debido a la fuerza ejercida sobre dos pernos y a la presión del fluido dentro del cilindro.

Por lo tanto, la ecuación (6) dio un espesor de ala de 0,0528 m: tf = (6M)/(bδf), (6) donde: b = Ancho de la ala en la sección AA, 22,2×10-3 m; δf = Esfuerzo cortante del material de la ala, 480 N/m2 ; M = Momento de flexión resultante, 5.144,78 Nm.

● Pistón: 

El tamaño de la columna del vástago del pistón necesario para sostener la carga aplicada y que está alineado con la línea central del orificio del cilindro está influenciado por la resistencia del material del vástago, la fuerza aplicada a la columna del vástago en compresión, la situación de montaje del propio cilindro y la carrera sobre la que se debe aplicar la carga.

El procedimiento para calcular el tamaño de la columna del vástago del pistón y las longitudes del cilindro en condiciones de empuje axial se realizó mediante el procedimiento sugerido por Sullivan. Por lo tanto, se consideró adecuado para el diseño un vástago con un diámetro no inferior a 0,09 m.

● Selección de sellos: 

Los sellos se utilizan para prevenir fugas internas y externas en el sistema bajo condiciones de operación variables de presión y velocidad. El sello estático seleccionado utiliza el principio de ranura y anillo. La dimensión de la ranura se calcula de tal manera que la junta tórica seleccionada se comprima entre 15 y 30 TP3T en una dirección y sea igual a 70 y 80 TP3T del diámetro libre de la sección transversal. El problema en la selección del sello estático radica en especificar la ranura de tal manera que la junta tórica pueda comprimirse en una dirección y expandirse en otra. Por lo tanto, se especificó una dimensión de ranura de 4 mm × 3 mm para el sello. 

2.2.Diseño del marco 

El bastidor proporciona puntos de montaje y mantiene las posiciones relativas correctas de las unidades y piezas montadas durante su vida útil, en todas las condiciones de trabajo especificadas. También proporciona rigidez general a la máquina (Acherkan, 1973). El diseño considera la tensión directa impuesta sobre los pilares. Otros elementos del bastidor, como las platinas (como en nuestro caso), están sometidos a tensiones de flexión simples. 

● Platina: 

Las placas superior e inferior proporcionan un punto de contacto directo con el objeto comprimido. Por lo tanto, están sometidas a una tensión de flexión pura debido a un par de fuerzas iguales y opuestas que actúa en el mismo plano longitudinal. El diseño se basa fundamentalmente en la flexión y consiste principalmente en la determinación del valor máximo del momento flector (M) y la fuerza cortante (V) generados en la viga, que se obtuvieron en 45 kN/m y 150 kN, respectivamente. Estos valores se calcularon mediante el procedimiento adoptado. 

● Módulo de sección: 

Los valores de V y M obtenidos facilitan el cálculo del módulo de sección de las platinas. Esto proporciona el espesor mínimo d, calculado en 0,048 m a partir de la ecuación (7): d = [(6M)/(δb)]², (7) donde: M = momento flector máximo, 45 kN/m; b = 600 × 10⁻³ m; δ = 480 × 10⁻³ N/m². 

2.3.Bomba 

El parámetro inicial del diseño es estimar la presión máxima de descarga de fluido requerida en el cilindro, y posteriormente se añade un factor para tener en cuenta la pérdida por fricción en el sistema. Este valor se obtuvo en 47,16 × 10 6 N/m².  

El bombeo se acciona mediante un sistema de palanca. La longitud real de la palanca se obtuvo en 0,8 m. Esta se calculó asumiendo un esfuerzo teórico máximo y tomando el momento en torno al fulcro. 

3. Procedimiento detallado de fabricación 

Se obtuvo un perfil de acero en U de 200 mm × 70 mm del proveedor de acero estructural, y dos placas de acero de 200 × 400 × 40 mm se obtuvieron de un desguace en Benin City, Nigeria. Tras determinar las dimensiones principales de las secciones críticas a partir del diseño, se cortaron dos secciones de 2800 mm del acero con una sierra para metales en el taller donde se fabricó el marco.

También se obtuvo del desguace un tubo de Φ150 mm con un diámetro interior de Φ90 mm, que se mandrinó y lapeó a Φ100 mm en el torno. También se obtuvo un tubo tubular de acero dulce de Φ70 mm y 15 mm de espesor, cuyo extremo se torneó a Φ60 mm para alojar el sello y su carcasa.

El pistón y el cilindro se ensamblaron y montaron en la base del bastidor mediante pernos previamente soldados. Se proporcionó una barra guía de tubo de acero para permitir el movimiento vertical recto de la platina. Las platinas se fabricaron a partir de la placa de acero y se perforaron dos orificios de 20 mm de diámetro en ambos extremos para el paso de la barra guía. La platina inferior se montó sobre la parte superior del pistón y se mantuvo en su posición mediante un rebaje mecanizado en ella. También se fabricó un anillo de calibración a partir de una placa de acero dulce de 10 mm de espesor, que se colocó entre la platina superior y la barra transversal de la prensa, como se muestra en la Fig. 1.

3.1.Resultado de la prueba de rendimiento 

Es habitual someter los productos de ingeniería a pruebas tras su fabricación. Este es un paso importante en el proceso de fabricación. Durante las pruebas, se verifica el producto para comprobar si cumple los requisitos funcionales, identificar problemas de fabricación, determinar su viabilidad económica, etc. 

Por lo tanto, se emplean pruebas para comprobar la eficacia del producto. En el caso de la prensa hidráulica, la prueba de fugas es la más importante. La prueba comenzó con el cebado inicial de la bomba. Tras lo cual se bombeó el fluido. Esto se realizó sin carga. La máquina permaneció en esta posición durante dos horas. 

La máquina se sometió a una carga de 10 kN mediante dos resortes de compresión de 9 N/mm constantes cada uno, dispuestos en paralelo entre las platinas. Los resortes se comprimieron axialmente hasta una longitud de 100 mm. Esta configuración se dejó en reposo durante dos horas y se observó la presencia de fugas. No se detectaron fugas en el sistema, ya que la platina inferior no se desplazó de su posición inicial. 

4. Conclusión 

Se diseñó, fabricó y calibró una prensa hidráulica de 30 toneladas. La máquina se probó para garantizar su conformidad con los objetivos de diseño y su capacidad de servicio. La máquina resultó satisfactoria con una carga de prueba de 10 kN. Aún se deben realizar más pruebas para la carga de diseño.

5. Análisis de fallos

5.1 Descripción general

Para analizar la falla del cilindro principal de la prensa hidráulica de cuatro columnas, merecen atención las siguientes cuestiones:

●Análisis en profundidad del diagrama del sistema hidráulico, combinado con la tabla de acción del electroimán relevante y los diagramas de circuitos relacionados, determine el mecanismo de trabajo completo del circuito y, al mismo tiempo, comprenda correctamente la intención y las ideas del diseño del circuito, las medidas técnicas tomadas y los antecedentes relacionados.

● Compare el diagrama del principio de funcionamiento de la prensa hidráulica con el objeto real para obtener una impresión específica. El diagrama esquemático de la tubería del circuito hidráulico suele ser muy diferente del objeto real. Siempre que sea posible, determine la relación entre la colusión entre los orificios de la válvula en la placa de válvulas y la resistencia de la barrera. Estos factores están estrechamente relacionados con la inspección del circuito.

●Consulte libros y materiales relevantes para encontrar la base para juzgar las características de los dispositivos hidráulicos y luego juzguelos.

●De acuerdo con las páginas web, libros y manuales de instrucciones de equipos pertinentes, explore el mecanismo de falla y los métodos de prueba analítica relacionados.

●Análisis de falta de presión de retención en el cilindro maestro

Como se muestra en la figura, el cilindro principal de la máquina hidráulica de cuatro columnas utiliza una válvula de llenado de líquido para lograr un rápido movimiento descendente. El cilindro principal a menudo no mantiene la presión. Esta máquina requiere retención de presión y, por lo general, requiere una caída de presión de <2 a 3 MPa en 10 minutos.

Análisis: Si el cilindro principal no mantiene la presión, debe haber una fuga de aceite a presión. Según el análisis esquemático, está relacionada con el circuito de aceite, y no hay más de cinco componentes que causen fugas.

●Tuberías y uniones: tensiones, malas soldaduras, grietas, etc.;

● Válvula de retención de presión de retención: sellado deficiente;

●Cuerpo de la válvula de llenado: sellado deficiente o asiento de válvula suelto;

●Varilla de empuje de aceite de control de la válvula de llenado: un poco más larga, levanta y descarga el carrete pequeño

●Pistón del cilindro maestro (casquillo guía): el anillo de sello está dañado.

Método de exclusión: Según los resultados del análisis, verificar y excluir de lo simple a lo complejo, de afuera hacia adentro.

Primero revise las tuberías y las uniones (de simples a complejas, de afuera hacia adentro) y realice la soldadura inicial para detectar fallas y grietas. Es recomendable retirar las juntas tóricas de las uniones y calentar las curvas con soldadura de oxígeno hasta que se enrojezcan. Coloque ligeramente la tuerca y espere a que se enfríe y se endurezca antes del ensamblaje.

Si no hay defectos en las tuberías y juntas, revise la válvula de retención de presión (desde afuera y desde adentro), retire el tapón de la válvula de retención, pula su línea de sellado, límpiela con el asiento de la válvula, límpiela y móntela.

Tras comprobar la válvula de retención, si el cilindro principal sigue sin mantener la presión, revise la válvula de control de la válvula de llenado (desde el exterior y el interior), retire la varilla de control de aceite y bloquee el aceite de control para comprobar si se mantiene la presión. Si no se puede mantener la presión para confirmar si el putter es largo, lije el extremo. Tras comprobar la varilla de empuje, si la presión no se mantiene, revise la válvula de llenado. El objetivo principal es comprobar si la línea de sellado y el anillo de asiento están sueltos. Pula, esmerile o vuelva a montar el anillo de asiento. 

Después de verificar la válvula de llenado, no se puede mantener la presión y se puede determinar que el anillo de sello del cilindro principal está dañado, por lo que se puede quitar y reemplazar.

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