Amortiguación de final de carrera de actuadores hidráulicos
Authors:   , Algar Espejo Antonio 
Published: September 2023

The internal cushioning systems of hydraulic linear actuators, of special interest in mobile machinery, pursue to avoid mechanical shocks at their end of stroke. The design where the piston, with perimeter grooves, regulates the flow by standing in front of the outlet port has not been studied in depth until now. Consequently, the operating fundamentals, influencing factors and optimization of these cushioning designs have been investigated.
First, a dynamic model has been developed using the bond graph technique that integrates the mechanical equations of the actuator, the hydraulic circuit and the flow through the studied internal cushion design. This considers the evolution of internal flow during cushioning, characterized in detail by fluid-dynamic simulation. This CFD model has been validated experimentally for its refinement and well-founded determination of discharge coefficients. Subsequently, the complete dynamics of the actuator and, in particular, the radial movement of the piston are experimentally studied by means of the difficult installation of a sophisticated displacement sensor. Finally, the experimental observations and the fluid-dynamic coefficients are integrated into the dynamic model; ultimately, the model aims to predict the experimental behavior of the cushioning during the movement of the arm of an excavator.
The radial movement of the observed piston turns it into an active and adjusting element that is essential in cushioning. This radial movement in coherence with the significant drag force estimated in the CFD simulation, generated by the flow through the grooves, where the laminar flow regime predominates. Analytical models are suitable for predicting the behavior of the cushioning system, observing results comparable to those experimentally obtained . There is an optimal behavior, highly influenced by the mechanical stress conditions of the system, subject to a compromise between an increasing section of the grooves and an optimization of the radial gap.
In addition, given the difficult direct measurement of the radial movement of the piston, an indirect measurement method has been evaluated using low-cost accelerometers. Thus, a bond graph simulation model predicts the results of the double integration of acceleration, observed experimentally. Influenced by the diverse nature of the existing movements, the severe propagation of measurement errors makes indirect measurement of piston radial motion inadequate.
Los sistemas internos de amortiguación de actuadores lineales hidráulicos, de especial interés en maquinaria móvil, buscan evitar choques mecánicos en sus finales de carrera. El diseño donde el pistón, dispuesto con ranuras perimetrales, regula el flujo al interponerse frente al puerto de salida no ha sido estudiado en profundidad hasta ahora. En consecuencia, se han investigado las bases de funcionamiento, los factores de influencia y la optimización de estos diseños de amortiguación. Primeramente, se ha desarrollado un modelo dinámico mediante la técnica bond graph que integra las ecuaciones mecánicas propias del actuador, del circuito hidráulico y del flujo a través del amortiguador interno estudiado. Éste considera la evolución del flujo interno durante la amortiguación, caracterizada detalladamente mediante simulación fluido-dinámica. Este modelo CFD ha sido validado experimentalmente para su refinamiento y la determinación fundada de los coeficientes de descarga. Seguidamente, se estudia experimentalmente la dinámica completa del actuador y, en especial, el movimiento radial del pistón mediante la difícil instalación de un sofisticado sensor de desplazamiento. Finalmente, las observaciones experimentales y los coeficientes fluido-dinámicos se integran en el modelo dinámico; éste pretende, en última instancia, prever el comportamiento experimental de la amortiguación del actuador durante el movimiento del brazo de una retroexcavadora. El movimiento radial del pistón observado convierte éste en un elemento activo fundamental en la amortiguación. Este movimiento radial es coherente con la significativa fuerza de empuje estimada en la simulación CFD, generada por el flujo a través de las ranuras, donde predomina el régimen laminar. Los modelos analíticos se muestran adecuados para la predicción del comportamiento del sistema de amortiguación, observándose resultados comparables a los obtenidos experimentalmente. Existe un comportamiento óptimo, influenciado en gran medida por las condiciones de solicitación mecánica del sistema, sujeto a un compromiso entre una sección creciente de las ranuras y una optimización del espacio radial. Complementariamente, dada la complicada medida directa del movimiento radial del pistón, se ha evaluado la medida indirecta mediante acelerómetros de bajo coste. Así, un modelo de simulación bond graph predice los resultados de la doble integración de la aceleración, observados experimentalmente. Influenciada por la diversa naturaleza de los movimientos presentes, la severa propagación de los errores de medida hace inadecuada la medida indirecta del movimiento radial del pistón.