Cilindros de elevación y los límites que protegen la máquina

Cuando la pluma de un apilador se mueve sin aviso

Un apilador de carbón de Queensland estaba bajando la pluma hasta su posición cuando esta se elevó de repente. Había un trabajador a bordo, pero nadie resultó herido. La alerta de seguridad, publicada el 12 de mayo de 2025, informó de que el cilindro hidráulico se había desprendido en su conexión inferior de horquilla. El contrapeso impulsó entonces la pluma hacia arriba. Las observaciones preliminares identificaron pernos desgastados y roscas de tuercas arrancadas; la investigación seguía en curso cuando se emitió la alerta. [1]

No era necesario que el cilindro reventara para perder la sujeción. El fallo de su unión interrumpió la trayectoria que sostenía la pluma. Por ello, la evaluación de un cilindro debe incluir el vástago, los pasadores, las horquillas, los pernos, las orejetas, las soldaduras y la estructura de acero de soporte.

Por qué una inspección desde la pasarela puede no detectar el problema. Una conexión puede parecer en buen estado mientras oculta deterioro en un pasador, casquillo, rosca o superficie de apoyo. Las comprobaciones externas siguen siendo útiles, pero no permiten determinar el estado de todas las uniones montadas. Planifique las inspecciones durante las paradas en torno a las conexiones críticas, utilizando controles dimensionales, desmontaje y ensayos no destructivos adecuados cuando sea necesario.

Un movimiento relativo inesperado puede revelar holgura o aflojamiento. Obsérvelo únicamente mediante un método controlado, con medidas de exclusión adecuadas y medición remota cuando corresponda. La inspección que requiere intervención necesita aislamiento y un soporte diseñado mediante ingeniería; el personal no debe acercarse a una conexión sospechosa bajo carga para buscar movimiento.

Por qué importa disponer de una sola vía de soporte. Si falla la única restricción efectiva, la pluma puede moverse por el desequilibrio de pesos restante. La dirección y el alcance del movimiento dependen del equilibrio de la máquina, su posición y las demás restricciones. Un segundo cilindro solo puede proporcionar soporte de emergencia cuando tanto el cilindro como sus conexiones y la estructura circundante pueden soportar la transferencia de carga y seguir siendo efectivos.

Mantener la posición tras un fallo también es distinto de descender de forma segura o continuar la producción. El Boletín de Seguridad Minera 128 de Australia Occidental describe el movimiento incontrolado de un apilador durante tareas de mantenimiento y problemas con los ajustes hidráulicos de retención y alivio. La condición de retención requerida y el método de recuperación deben establecerse para la máquina concreta. [2]

Por qué es necesario revisar las máquinas antiguas. La máquina de Queensland se diseñó en 1990 conforme a BG1986. [1] Para las máquinas existentes, la cláusula 1.2 de AS 4324.1:2025 sitúa la evaluación dentro de un análisis de riesgos para la continuidad del servicio, la actualización o la modificación. [4] Evalúe el estado y el régimen de servicio actuales. La inspección y el mantenimiento siguen siendo esenciales, pero no crean una trayectoria de carga que siga funcionando tras un fallo si esta no existe.

Reparto de cargas en un sistema de dos cilindros

Un sistema de dos cilindros debe mantener la distribución de cargas prevista en el diseño y proporcionar el soporte necesario después de que falle un cilindro. Ambas funciones dependen de la disposición de los cilindros, sus conexiones, el circuito hidráulico y la estructura de soporte.

Un ejemplo anonimizado de una recuperadora procedente de la experiencia del autor ilustra el problema del reparto de cargas. Las alarmas por diferencia de fuerza entre cilindros interrumpían repetidamente la producción. La máquina presentaba un desequilibrio hacia la pluma y los cilindros soportaban cargas de tracción elevadas. A menudo, un cilindro soportaba más carga que el otro. Al principio, las alarmas parecían ser un inconveniente para la producción.

Elevar el umbral redujo las paradas. No eliminó la distribución desigual de cargas. El equilibrio de la máquina explicaba la elevada solicitación global, pero no explicaba por sí solo por qué los dos cilindros soportaban fuerzas diferentes. Esa distinción importa al decidir qué corregir.

Compruebe la fuerza combinada y cómo se reparte. La fuerza total es la suma de las fuerzas soportadas por ambos cilindros. El reparto de carga describe qué parte de ese total soporta cada cilindro. Un cilindro puede soportar más y el otro menos, sin que cambie el total. Esto puede aumentar las cargas locales en las conexiones y provocar torsión en el bastidor de soporte.

Si las fuerzas de ambos cilindros aumentan simultáneamente en la misma cantidad, su diferencia no cambia, mientras que el total aumenta. Por tanto, una alarma basada únicamente en esa diferencia puede no detectar una demanda total excesiva. Compruebe la fuerza de cada cilindro y la fuerza combinada frente a los límites evaluados para esa máquina y esa condición de funcionamiento.

La cuestión de fatiga es la variación de tensiones en las orejetas, soldaduras y estructura de acero circundante. Los cambios repetidos en el reparto de fuerzas pueden aumentar los rangos de tensión locales, incluso si la estructura supera una comprobación de carga máxima. Un desequilibrio constante, por sí solo, no demuestra daño por fatiga; la evaluación necesita el historial de tensiones, el número de ciclos y la resistencia del detalle.

Una alarma por diferencia de fuerzas debe dar lugar a una investigación. Confirme si refleja una distribución desigual real de la carga, el comportamiento hidráulico, la fricción, la alineación, el movimiento estructural o un error de medición. Elevar su umbral o prolongar su retardo puede permitir que se desarrolle una diferencia mayor antes de la parada. Un menor número de paradas demuestra menos interrupciones; no demuestra un historial de cargas aceptable.

Compruebe las fuerzas que provocan la alarma

Las lecturas de presión solo son útiles si se convierten correctamente en fuerza. En un cilindro de vástago simple, la presión actúa sobre áreas diferentes a ambos lados del pistón. Se necesitan las presiones de las dos cámaras. [3]

La presión de la cámara sin vástago actúa sobre toda el área del pistón. La presión de la cámara del vástago actúa sobre el área menor que rodea el vástago y produce una fuerza opuesta. La fuerza de cada cámara es su presión multiplicada por esa área efectiva.

Calcule la fuerza de cada cilindro por separado. Confirme las dimensiones, la ubicación de los sensores, la calibración, el rango y la sincronización de las lecturas; después, relacione los resultados con la posición de la pluma, la carga y el movimiento. La misma presión en una cámara no demuestra la misma fuerza en los cilindros. Un registro de sensor que alcanza su límite de medición no permite determinar el pico real.

El ajuste de disparo debe admitir las variaciones normales justificadas y, al mismo tiempo, detener la máquina antes de que se desarrollen solicitaciones inaceptables. Incluya la incertidumbre de medición, la tolerancia del ajuste y la carga que puede desarrollarse durante la respuesta de parada. Si estos requisitos no dejan ningún intervalo de ajuste utilizable, cambiar el valor en el controlador no resolverá el problema.

La solución debe responder a la causa. Puede consistir en corregir el comportamiento hidráulico o la alineación, restablecer el equilibrio previsto de la máquina, cambiar el régimen de funcionamiento o reforzar un detalle susceptible a la fatiga. Inspeccione los pasadores, las orejetas, las soldaduras y los soportes donde la evaluación identifique solicitaciones elevadas. El refuerzo por sí solo no corrige un problema de reparto de cargas que siga sin resolverse.

Los detalles pequeños también importan: un racor mal montado, un detalle de soldadura inadecuado o una válvula de capacidad insuficiente pueden comprometer la protección prevista. En un cargador de buques, una apiladora o una recuperadora cuyo fallo tenga consecuencias graves, la redundancia debe juzgarse por la respuesta verificada del sistema completo, no por el número de cilindros comprados.

Aplicación de los requisitos de los cilindros

AS 4324.1:2025 establece requisitos para los sistemas de soporte mediante cilindros hidráulicos. La cláusula 5.7.7 prohíbe los sistemas de soporte con un único cilindro hidráulico trabajando a tracción o compresión y exige evaluar la estructura y los cilindros con un cilindro averiado. El caso de fallo de un cilindro de elevación es una carga extraordinaria (Extra Load), cuyas combinaciones de carga se definen en la especificación técnica conforme al Apéndice B. [4]

Los comentarios de la norma identifican 2017 como la edición que incorporó la cláusula 5.7.7. La edición de 2025 añade requisitos explícitos sobre el pandeo de cilindros sometidos a compresión y mantiene la evaluación del fallo de un cilindro. [4, Clause A.119]

En compresión, el factor de pandeo es la capacidad de pandeo calculada del cilindro dividida por la carga aplicada: como mínimo, 4 en el caso normal con dos cilindros y 2 después de que falle uno. Utilice un método establecido en una norma reconocida; la cláusula 5.7.7 cita DNV ST 0194 y EN 13001 3 6 como ejemplos. Estos factores no son multiplicadores de los ajustes de presión ni autorizan a seguir operando después de un fallo.

Aplique el factor a la carga evaluada en cada cilindro, incluido el reparto desigual. No suponga que cada cilindro soporta siempre la mitad de la carga total.

La solución de diseño debe cumplir los requisitos de los cilindros y seguir siendo compatible con la máquina completa. Si se selecciona un cilindro de mayor tamaño, revise su masa, anclajes, pasadores, ménsulas, requisitos hidráulicos y acceso para mantenimiento. Incluya los cambios asociados de contrapeso o estructura en el alcance de diseño, el plan de instalación y la estimación de costes.

En un apilador con cilindros situados en el lado de la pluma, la masa adicional de los cilindros y sus elementos de conexión puede aumentar el momento de ese lado y exigir un ajuste del contrapeso. En un recuperador con cilindros situados en la pluma de contrapeso, la masa adicional puede aumentar el peso de ese lado sin añadir bloques de contrapeso. El resultado depende de las ubicaciones reales, la geometría y la distribución de masas; ninguna de estas disposiciones describe todas las máquinas.

Estabilidad y contrapeso. Vuelva a comprobar la estrategia de equilibrado y la estabilidad para las condiciones de funcionamiento y fallo pertinentes. Añadir lastre puede resolver una condición de equilibrio y, al mismo tiempo, agravar otra solicitación.

Rodamiento de giro y soportes. Trace los cambios de carga vertical, momento de vuelco y fuerzas del mecanismo a través del pivote, el rodamiento de giro, los soportes y la subestructura.

Resistencia y fatiga. Compruebe la estructura de acero, las soldaduras y las uniones críticas para las cargas y el historial de tensiones revisados. Algunas máquinas pueden necesitar elementos de mayor tamaño o conexiones más resistentes. Un cilindro mayor no aumenta automáticamente el daño por fatiga, pero tampoco puede suponerse que la evaluación anterior cubra la máquina modificada.

Seleccione una solución de diseño para la condición determinante

Establezca los casos de carga determinantes y las comprobaciones de los componentes y, después, seleccione una solución que cumpla la norma aplicable y los requisitos de funcionamiento. El pandeo del cilindro, la resistencia de sus uniones y la demanda de funcionamiento requieren consideraciones separadas.

Si el pandeo del cilindro es la condición determinante, evalúe el conjunto completo en todo su rango de extensión, incluidas las restricciones reales de los extremos, la alineación y las cargas laterales. Una mejor restricción o un mejor soporte pueden aumentar la capacidad, pero deben demostrarse su rigidez, sus holguras y su comportamiento durante toda la carrera. La incorporación de guías puede introducir cargas laterales o impedir la articulación necesaria.

Si la conexión es el factor determinante, considere un aumento local de rigidez o modificaciones en los pasadores, las orejetas y los soportes. Compruebe la flexión del pasador, las presiones de apoyo, las soldaduras y la transferencia de carga. Cambiar la separación entre orejetas puede mejorar la conexión; no reduce automáticamente la longitud efectiva de pandeo del cilindro.

Si la demanda de funcionamiento es determinante, investigue el equilibrio y las condiciones de servicio antes de aumentar la capacidad de los componentes. Un diámetro interior mayor no reduce la fuerza necesaria para sostener la misma carga con la misma geometría. Cambia las presiones requeridas y la fuerza disponible con los ajustes de presión existentes. También cambia la relación entre el caudal de aceite y la velocidad del cilindro, por lo que deben revisarse las válvulas y la respuesta.

La comprobación del cilindro que permanece operativo debe incluir la transferencia de carga, las solicitaciones asimétricas en las conexiones, la torsión del bastidor y cualquier movimiento o impacto. Defina el fallo que se evalúa y determine si también podría inutilizar el soporte restante a través de un elemento hidráulico, de control o estructural compartido.

Cuando un límite de elevación empieza a condicionar la máquina

En un ejemplo operativo anonimizado procedente de la experiencia del autor, la pluma dejaba ocasionalmente de descender durante operaciones de recuperación con cargas elevadas. El sistema de elevación había alcanzado su límite y el funcionamiento se reanudaba cuando disminuía la carga. No se habían detectado defectos estructurales evidentes. Desde fuera, la máquina parecía no haber cambiado.

La interrupción parecía deberse a un ajuste de control que obstaculizaba la producción. Aumentar el límite parecía ofrecer una mejora sencilla. Sin embargo, ese límite también definía las condiciones de funcionamiento en las que la máquina podía seguir operando.

Los datos de funcionamiento posteriores indicaron que las cargas se acercaban al extremo superior del intervalo supuesto en el diseño original y apuntaban a que el equilibrio de la máquina había cambiado con el tiempo. Por ello, la propuesta requería revisar las condiciones de servicio de la máquina, no solo comprobar la presión disponible en los cilindros. Antes de atribuir una tendencia a un cambio de equilibrio, compare las lecturas con posiciones de pluma y condiciones de funcionamiento equivalentes y, después, compruebe la masa y la geometría correspondientes.

Con un límite más alto, la pluma puede permanecer más tiempo funcionando bajo cargas elevadas, experimentar ciclos más exigentes o alcanzar picos mayores. Aunque la carga máxima no cambie, pueden variar la frecuencia y el patrón de carga. El tiempo cerca de la presión máxima no constituye por sí solo un cálculo de fatiga; convierta el historial de funcionamiento en los rangos de tensión y los ciclos que experimenta la estructura.

Compruebe qué ocurre antes de que la máquina se detenga

Identifique la función que se va a cambiar. Una parada por fuerza total, una parada por diferencia de fuerzas, el alivio de presión y un límite del ángulo de elevación cumplen funciones distintas. La evaluación necesita los ajustes, el filtrado, el retardo, la respuesta de las válvulas y la acción de parada reales. La cláusula 3.1.2 de AS 4324.1:2025 trata las cargas limitadas por dispositivos de protección; la cláusula 3.5.16 establece los requisitos correspondientes para las cargas extraordinarias (Extra Loads). [4]

La investigación de Schmidt y van Rensburg sobre una apiladora identificó deficiencias en las conexiones, pernos defectuosos y una protección inadecuada, con una alarma de sobrecarga ajustada a un valor demasiado alto. [5] Ese caso refuerza la necesidad de comprobar tanto la trayectoria física de las cargas como los ajustes destinados a protegerla.

Antes de aumentar un límite, establezca el equilibrio y las cargas de funcionamiento existentes, compare el servicio propuesto con las hipótesis de diseño y evalúe el historial de tensiones y la respuesta de parada resultantes. Registre los ajustes de protección en los cálculos estructurales y en el manual de operación y mantenimiento, junto con la acción requerida cuando se activen. Durante la puesta en servicio, compruebe que los ajustes instalados y la respuesta coincidan con la base evaluada. Cuando una función de control evita una sobrecarga, determine su fiabilidad requerida y su respuesta ante fallos con el especialista en control.

Una máquina puede tener el mismo aspecto y superar la misma inspección visual mientras funciona con un historial de cargas diferente. Cualquier problema de fatiga resultante puede aparecer en una orejeta, soldadura o conexión de la subestructura, lejos del controlador. Modificar el límite constituye un cambio de ingeniería en la máquina.

La decisión debe abarcar toda la máquina

La inspección ayuda a detectar el deterioro. Un soporte restante verificado puede limitar las consecuencias del fallo. Un reparto correcto de las cargas y unos controles adecuados mantienen las solicitaciones operativas dentro de los límites evaluados. Ninguno de estos elementos sustituye a los demás.

AS 4324.1:2025 establece requisitos para la capacidad de los cilindros y la condición de fallo de un cilindro. La aplicación de esos requisitos abarca el sistema de soporte completo. Evalúe cada cilindro para su carga real y demuestre que el soporte restante sigue siendo eficaz después del fallo definido. Compruebe los cambios de tamaño de los cilindros o de los límites operativos frente al equilibrio de la máquina, las solicitaciones estructurales, el régimen de servicio y la respuesta de parada. Los cálculos, los ajustes aprobados y la respuesta verificada de la máquina deben mantener su trazabilidad respecto de las bases de diseño aceptadas.

ACE evalúa el diseño estructural y mecánico junto con la información y las evidencias de los sistemas hidráulicos y de control para apoyar una solución coordinada para la máquina completa.