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Centro de presión

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    2018 marzo 05, 09:00 CEST

    Para el desarrollo de una gama de sellos de pistón hidráulico de alta gama, fue necesario que los ingenieros de SKF crearan materiales a medida y aplicaran técnicas analíticas avanzadas

    Gotemburgo, 5 de marzo de 2018: El sello de pistón es una parte fundamental del rendimiento del cilindro hidráulico. Ubicado en una ranura del diámetro exterior del pistón, este sello debe contener el fluido hidráulico de alta presión sin impedir el movimiento del pistón por el cilindro. Debido a que la mayoría de cilindros hidráulicos funcionan bidireccionalmente, el sello debe poder soportar la presión desde ambos lados. El diseño de los sellos de pistón supone que los ingenieros tengan que optar entre el rendimiento de fricción o de sellado. Si el sello deja que filtre demasiado fluido del lado del cilindro con alta presión hacia el lado con poca presión, el rendimiento se verá comprometido. Por otra parte, el exceso de fricción en la pared del cilindro dará como resultado un desgaste acelerado y una vida útil reducida. Un rotundo fracaso del sello del pistón, conocido como soplado, puede tener serias implicaciones de funcionamiento y seguridad, y hacer posiblemente que la estructura o el equipamiento de manipulación de materiales pierda el control de la carga, por ejemplo.

    Si los requisitos de funcionamiento básicos no fuesen lo suficientemente exigentes, los sellos de pistón también presentarían un gran desafío para la ingeniería de materiales, con fluidos hidráulicos a altas temperaturas y presiones violentas frente a los materiales de sellado y que pueden hacer que otros componentes se dilaten y contraigan durante su funcionamiento.

    El material elegido con frecuencia para cumplir con esas exigencias es el politetrafluoroetileno (PTFE). Cuenta con muchas particularidades que hacen que sea adecuado para esta labor, con características de fricción por deslizamiento y estática excepcionalmente bajas y buena resistencia química. No obstante, los sellos de PTFE cuentan con importantes limitaciones. En particular, la limitada elasticidad del material hace que no sea fácil instalar los sellos de PTFE sin dañarlos. Es necesario estirar los manguitos especiales antes de instalar los sellos de PTFE, y hay que volver a calibrarlos al diámetro correcto, un proceso que aumenta el tiempo y el costo tanto para los fabricantes de equipos como para el personal de mantenimiento. Además, la plasticidad del PTFE hace que el material pueda ser reacio a volver a su forma original bajo cargas que giran continuamente, lo cual limita el rendimiento del sellado.

    Fue una aventura superar las desventajas de los sellos de PTFE, que llevó a los ingenieros de SKF a intentar desarrollar una tecnología de sellado alternativa, basada en ECOPUR, un material de poliuretano consolidado de la empresa.

    No fue nada fácil fabricar un sello de poliuretano que pudiera alcanzar el rendimiento de los mejores sellos de PTFE, explica Wolfgang Swete, director de I+D para la línea de productos estratégicos de sellos de fluido en SKF. “El gran huelgo de extrusión entre el pistón y las paredes del cilindro significa que se necesita un material con suficiente resistencia a la extrusión para que mantenga su forma bajo cualquier condición de funcionamiento”.

    Cuando SKF probó el prototipo de sellos fabricados con poliuretano Ecopur del mayor grado de dureza posible, descubrieron que no estaba a la altura. La empresa, que no se dejó intimidar, aprovechó el desarrollo de su material interno y de las capacidades de fabricación para producir un grado especial de Ecopur específico para la aplicación de sellos de pistón. El nuevo material, X-Ecopur PS, es el poliuretano más duro que haya fabricado SKF hasta ahora.

    Para probar la durabilidad del nuevo material, SKF realizó una serie de pruebas de extrusión estática, mediante la instalación de muestras de material en un elemento que aplicaba aceite a 500 bar para tratar de empujar el material por los huelgos de extrusión de diversas medidas que iban desde 0,15 hasta 0,7 mm. Dejaron las muestras de la prueba dentro del elemento durante dos semanas a temperaturas que oscilaban entre 60 y 100 ºC y, al final de la prueba, se midió la deformación permanente de las muestras. “X-Ecopur PS funcionó mucho mejor que las alternativas que había a la venta en toda la serie de pruebas”, comentó Swete.

    Con el material apropiado ya preparado, el equipo de SKF tuvo que crear la geometría de sellado adecuada. Los ingenieros de la empresa estaban familiarizados con esto, ya que cuentan con un proceso consolidado de desarrollo del producto que combina amplia simulación por computadora usando técnicas de elementos finitos, un desarrollo rápido del prototipo usando herramientas de máquinas de control numérico (Computer Numerical Control, CNC) y pruebas físicas en equipos de prueba estáticos y dinámicos hechos a medida.

    Este proceso iterativo dio lugar al diseño final de la empresa, en el que la geometría de la superficie exterior del anillo de deslizamiento de poliuretano tiene una forma superficial en “M” con dos labios de sellado cuidadosamente optimizados. “Un perfil de sello con puntos de sellado pronunciados proporciona fuerzas de sellado más efectivas que una superficie plana, lo que mejora el rendimiento del sello al tiempo que reduce la cantidad de resistencia de fricción creada por el sello”, declara Swete. “Y el hecho de concentrar las fuerzas en dos bordes de sellado y no en uno significa que el sello no se va a volcar durante su uso, lo que puede llevar a un fallo prematuro”.

    Los posteriores perfeccionamientos en el diseño de la nueva gama de sellos están relacionados con el funcionamiento del deflector del sello. Este es un componente de caucho más blando que se coloca abajo del anillo deslizante de poliuretano dentro de la ranura del pistón, y empuja el anillo deslizante hacia afuera contra la pared interior del cilindro. En los sellos ligeros, este deflector es una simple junta tórica, mientras que los diseños para los de peso medio y alto usan un deflector de caucho de nitrilo con una forma especial.

    En el nuevo diseño de SKF, se incorporaron los respiraderos laterales a las paredes radiales laterales del anillo deslizante para asegurar la activación de presión del deflector. Esto permite que el sello cambie rápidamente de posición a medida que cambia la dirección de la presión, reduzca el potencial de soplado y se produzca una pérdida de la funcionalidad del cilindro. Los respiraderos laterales también reducen la probabilidad de que la presión quede atrapada cuando el anillo deslizante se selle contra las paredes radiales del casquillo de sello, que también puede resultar en una pérdida de la funcionalidad del cilindro.

    Para validar los diseños, los prototipos de sellos pasaron por duras pruebas que implicaban más de 200 km de movimiento hacia arriba y hacia abajo en un cilindro de prueba de 400 mm a presiones de hasta 250 bar y temperaturas de 80 ºC. La fricción y la fuga se midieron durante la prueba, y después se midieron y examinaron los sellos de prueba para comprobar el desgaste de la superficie y la extrusión. “Las pruebas nos demostraron que nuestros nuevos sellos ofrecían un mejor rendimiento que las alternativas a la venta”, comentó Swete. “De hecho, algunos de los sellos de referencia con los que comparamos los nuestros, fallaron antes de finalizar el proceso de pruebas”.

    SKF ha desarrollado su diseño de sello de pistón innovador en una oferta completa de una amplia gama de aplicaciones hidráulicas. La gama de LPV ligeros con un actuador de junta tórica está dirigida a aplicaciones fijas de interior, como maquinaria para fabricación. Los sellos aguantan presiones de hasta 250 bar, velocidades de hasta 0,5 m/s y temperaturas de entre -20 y 100 ºC. La gama de MPV de peso medio y alto está destinada a aplicaciones más exigentes, como aquellas que se encuentran en maquinaria agrícola móvil y de construcción. Con medidas que encajan en soportes de tamaño métrico, los sellos de MPV aguantan presiones de hasta 400 bar, velocidades de hasta 1 m/s y temperaturas de -20 a 110 ºC. Una tercera gama de sellos, llamada DPV, ofrece las mismas especificaciones de funcionamiento que la gama de MPV para soportes de tamaño en pulgadas.

    “Estoy satisfecho con que hayamos creado un sello de pistón que no solo dure más que cualquier alternativa de poliuretano”, concluye Swete. “También funciona al menos tan bien como los mejores sellos de PTFE, con la ventaja añadida de su rápida y fácil instalación que beneficiará a los fabricantes de equipos originales y al personal de mantenimiento”.

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