Cilindro hidráulico

Un cilindro hidráulico (también llamado motor hidráulico lineal) es un actuador mecánico que se utiliza para generar una fuerza unidireccional a través de una carrera unidireccional. Tiene muchas aplicaciones, especialmente en equipos de construcción (vehículos de ingeniería), maquinaria de fabricación, ascensores e ingeniería civil.

Operación

Los cilindros hidráulicos obtienen su potencia del fluido hidráulico presurizado, que suele ser aceite. El cilindro hidráulico consta de un cilindro cilíndrico, en el que un pistón conectado a un vástago de pistón se mueve hacia adelante y hacia atrás. El cilindro está cerrado en un extremo por la parte inferior del cilindro (también llamada tapa) y en el otro extremo por la culata (también llamada prensaestopas) donde el vástago del pistón sale del cilindro. El pistón tiene anillos deslizantes y sellos. El pistón divide el interior del cilindro en dos cámaras, la cámara inferior (extremo de la tapa) y la cámara lateral del vástago del pistón (extremo del vástago/extremo de cabeza).

Bridas, muñones, horquillas y orejetas son opciones comunes de montaje de cilindros. El vástago del pistón también tiene accesorios de montaje para conectar el cilindro al objeto o componente de la máquina que está empujando o tirando.

Un cilindro hidráulico es el lado del actuador o "motor" de este sistema. El lado del "generador" del sistema hidráulico es la bomba hidráulica que entrega un flujo fijo o regulado de aceite al cilindro hidráulico, para mover el pistón. Hay tres tipos de bombas ampliamente utilizadas: bomba manual hidráulica, bomba de aire hidráulica y bomba eléctrica hidráulica. El pistón empuja el aceite en la otra cámara de regreso al depósito. Si asumimos que el aceite entra desde el extremo de la tapa, durante la carrera de extensión, y la presión del aceite en el extremo del vástago/extremo del cabezal es aproximadamente cero, la fuerza F en el vástago del pistón es igual a la presión P en el cilindro multiplicada por el área A del pistón.:

Diferencia de fuerza de retracción

En los cilindros de vástago simple de doble efecto, cuando se invierten las presiones de entrada y salida, existe una diferencia de fuerza entre los dos lados del pistón debido a que un lado del pistón está cubierto por el vástago que se le une. El vástago del cilindro reduce el área superficial del pistón y reduce la fuerza que se puede aplicar para la carrera de retracción.

Durante la carrera de retracción, si el aceite se bombea a la cabeza (o casquillo) en el extremo de la barra y el aceite del extremo de la tapa regresa al depósito sin presión, la presión del fluido en el extremo de la barra es (Fuerza de tracción) / (área del pistón - área del vástago del pistón):

donde P es la presión del fluido, F _p es la fuerza de tracción, A _p es el área de la cara del pistón y A _r es el área de la sección transversal del vástago.

Para cilindros de doble vástago y doble acción, cuando el área de la superficie del pistón está cubierta por igual por un vástago de igual tamaño en ambos lados de la cabeza, no hay diferencia de fuerza. Dichos cilindros normalmente tienen su cuerpo de cilindro fijado a un soporte estacionario.

Aplicaciones

Los cilindros hidráulicos se utilizan en equipos de movimiento de tierras para levantar o bajar la pluma, el brazo o el cucharón. Estos cilindros también se utilizan en máquinas dobladoras hidráulicas, máquinas cortadoras de láminas de metal, tableros de partículas o madera contrachapada que hacen prensas en caliente.

Partes

Un cilindro hidráulico tiene las siguientes partes:

Barril del cilindro

La función principal del cuerpo del cilindro es contener la presión del cilindro. El cuerpo del cilindro está hecho principalmente de tubos pulidos. Los tubos bruñidos se fabrican a partir de tubos sin soldadura estirados en frío (tubos CDS) o tubos estirados sobre mandril (DOM) adecuados para bruñir. La tubería afilada está lista para usar en cilindros hidráulicos sin más procesamiento de ID. El acabado superficial del cuerpo del cilindro es típicamente de 4 a 16 micropulgadas. El proceso de bruñido y el proceso de biselado y bruñido con rodillos (SRB) son los dos tipos principales de procesos para la fabricación de tubos de cilindros. El pistón se mueve alternativamente en el cilindro. El cilindro del cilindro tiene características de superficie interior lisa, tolerancia de alta precisión, uso duradero, etc.

Cilindro base o tapa

La función principal de la tapa es encerrar la cámara de presión en un extremo. La tapa se conecta al cuerpo por medio de soldadura, roscado, pernos o tirantes. Las tapas también funcionan como componentes de montaje de cilindros [brida de tapa, muñón de tapa, horquilla de tapa]. El vuelco se determina en función de la tensión de flexión. Se usa un sello estático/junta tórica entre la tapa y el cilindro (excepto la construcción soldada).

Cabeza de cilindro

La función principal de la cabeza es encerrar la cámara de presión desde el otro extremo. El cabezal contiene un arreglo de sellado de varilla integrado o la opción de aceptar un prensaestopas de sello. La cabeza está conectada al cuerpo por medio de roscas, pernos o tirantes. Se utiliza un sello estático/junta tórica entre la cabeza y el cilindro.

Pistón

La función principal del pistón es separar las zonas de presión dentro del cañón. El pistón está maquinado con ranuras para adaptarse a sellos elastoméricos o metálicos y elementos de rodamiento. Estos sellos pueden ser de simple o doble efecto. La diferencia de presión entre los dos lados del pistón hace que el cilindro se extienda y se retraiga. El pistón está unido al vástago del pistón por medio de roscas, pernos o tuercas para transferir el movimiento lineal.

Vástago de émbolo

El vástago del pistón suele ser una pieza cromada dura de acero laminado en frío que se une al pistón y se extiende desde el cilindro a través de la cabeza del extremo del vástago. En los cilindros de doble vástago, el actuador tiene un vástago que se extiende desde ambos lados del pistón y sale por ambos extremos del cilindro. El vástago del pistón conecta el actuador hidráulico con el componente de la máquina que realiza el trabajo. Esta conexión puede tener la forma de una rosca de máquina o un accesorio de montaje. El vástago del pistón está muy rectificado y pulido para proporcionar un sello confiable y evitar fugas.

Glándula de sello

La culata está equipada con sellos para evitar que el aceite presurizado se escape más allá de la interfaz entre la varilla y la culata. Esta área se llama la glándula del sello. La ventaja de un prensaestopas de sello es su fácil remoción y reemplazo del sello. El prensaestopas del sello contiene un sello primario, un sello secundario/sello amortiguador, elementos de rodamiento, un limpiador/raspador y un sello estático. En algunos casos, especialmente en cilindros hidráulicos pequeños, el prensaestopas y los elementos de cojinete están hechos de una sola pieza integral maquinada.

Focas

Los sellos están considerados/diseñados para soportar la máxima presión de trabajo del cilindro, la velocidad del cilindro, la temperatura de funcionamiento, el medio de trabajo y la aplicación. Los sellos de pistón son sellos dinámicos y pueden ser de acción simple o doble. En términos generales, los sellos de elastómero hechos de caucho de nitrilo, poliuretano u otros materiales son mejores en ambientes de temperatura más baja, mientras que los sellos hechos de fluorocarbono Viton son mejores para temperaturas más altas. Los sellos metálicos también están disponibles y comúnmente se usa hierro fundido para el material del sello. Los sellos de vástago son sellos dinámicos y, por lo general, son de acción simple. Los compuestos de los sellos de vástago son caucho de nitrilo, poliuretano o fluorocarbono viton. Los limpiadores/raspadores se utilizan para eliminar contaminantes como la humedad, la suciedad y el polvo, que pueden causar daños importantes en las paredes del cilindro, las varillas, los sellos y otros componentes. El compuesto común para los limpiaparabrisas es el poliuretano. Los raspadores metálicos se utilizan para aplicaciones de temperatura bajo cero y aplicaciones en las que se pueden depositar materiales extraños en la varilla. Los elementos de cojinete/bandas de desgaste se utilizan para eliminar el contacto de metal con metal. Las bandas de desgaste están diseñadas para soportar cargas laterales máximas. Los compuestos principales utilizados para las bandas de desgaste son PTFE relleno, resina de poliéster reforzada con tela tejida y bronce.

Otras partes

Hay muchos componentes que componen la parte interna de un cilindro hidráulico. Todas estas piezas se combinan para crear un componente completamente funcional.

• Conexión de la base del cilindro
• Cojines
• Cabezas dúctiles roscadas internas
• glándulas de la cabeza
• Pistones Polypak
• Tapas de culata
• Placas a tope
• Soportes de ojo/soportes de horquilla
• Monturas desmontables MP
• Ojos de varilla/Horquilla de varilla
• Pasadores de pivote
• Bujes esféricos de bolas
• Ojo de varilla esférico
• Acoplador de alineación
• Puertos y Accesorios

Actuación simple vs. doble acción

• Los cilindros de simple efecto son económicos y tienen el diseño más simple. El fluido hidráulico ingresa a través de un puerto en un extremo del cilindro, que extiende la varilla por medio de la diferencia de área. Una fuerza externa, un resorte de retracción interno o la gravedad devuelve el vástago del pistón.
• Los cilindros de doble efecto tienen un puerto en cada extremo o lado del pistón, alimentado con fluido hidráulico tanto para la retracción como para la extensión.

Diseños

Existen principalmente dos estilos principales de construcción de cilindros hidráulicos que se utilizan en la industria: cilindros con tirante y cilindros con cuerpo soldado.

Cilindro de tirante

Los cilindros hidráulicos con tirante utilizan varillas de acero roscadas de alta resistencia para sujetar las dos tapas de los extremos al cuerpo del cilindro. Se ven con mayor frecuencia en aplicaciones de fábricas industriales. Los cilindros de diámetro pequeño generalmente tienen 4 tirantes, y los cilindros de diámetro grande pueden requerir hasta 16 o 20 tirantes para retener las tapas de los extremos bajo las tremendas fuerzas producidas. Los cilindros con tirante se pueden desarmar por completo para servicio y reparación, y no siempre se pueden personalizar.

La National Fluid Power Association (NFPA) ha estandarizado las dimensiones de los cilindros de tirantes hidráulicos. Esto permite que los cilindros de diferentes fabricantes se intercambien dentro de los mismos montajes.

Cilindro de cuerpo soldado

Los cilindros con cuerpo soldado no tienen tirantes. El cilindro está soldado directamente a las tapas de los extremos. Los puertos están soldados al cañón. El prensaestopas de la biela delantera generalmente se enrosca o se atornilla al cuerpo del cilindro. Eso permite quitar el conjunto del vástago del pistón y los sellos del vástago para el servicio.

Un corte de un cilindro hidráulico de cuerpo soldado que muestra los componentes internos

Los cilindros con cuerpo soldado tienen una serie de ventajas sobre los cilindros con tirante. Los cilindros soldados tienen un cuerpo más estrecho y, a menudo, una longitud total más corta, lo que les permite encajar mejor en los estrechos límites de la maquinaria. Los cilindros soldados no sufren fallas debido al estiramiento de la barra de dirección a altas presiones y carreras largas. El diseño soldado también se presta a la personalización. Las características especiales se agregan fácilmente al cuerpo del cilindro, incluidos puertos especiales, montajes personalizados, colectores de válvulas, etc.

El cuerpo exterior liso de los cilindros soldados también permite el diseño de cilindros telescópicos de etapas múltiples.

Los cilindros hidráulicos de cuerpo soldado dominan el mercado de equipos hidráulicos móviles, como equipos de construcción (excavadoras, topadoras y motoniveladoras) y equipos de manejo de materiales (carretillas elevadoras, manipuladores telescópicos y puertas elevadoras). También son utilizados por la industria pesada en grúas, plataformas petrolíferas y grandes vehículos todoterreno para operaciones mineras sobre el suelo.

Construcción de vástago de pistón

El vástago del pistón de un cilindro hidráulico opera tanto dentro como fuera del cilindro y, en consecuencia, tanto dentro como fuera del fluido hidráulico y la atmósfera circundante.

Recubrimientos

Las superficies resistentes al desgaste ya la corrosión son deseables en el diámetro exterior del vástago del pistón. Las superficies a menudo se aplican utilizando técnicas de recubrimiento como el cromado (níquel), el dúplex Lunac 2+, el revestimiento láser, la soldadura PTA y la pulverización térmica. Estos revestimientos se pueden terminar con la rugosidad superficial deseable (Ra, Rz) donde los sellos brindan un rendimiento óptimo. Todos estos métodos de recubrimiento tienen sus ventajas y desventajas específicas. Es por esta razón que los expertos en recubrimientos juegan un papel crucial en la selección del procedimiento de tratamiento de superficie óptimo para proteger los cilindros hidráulicos.

Los cilindros se utilizan en diferentes condiciones operativas y eso hace que sea un desafío encontrar la solución de recubrimiento adecuada. En el dragado puede haber impacto de piedras u otras partes, en ambientes de agua salada, hay ataques extremos de corrosión, en cilindros marinos que enfrentan flexión e impacto en combinación con agua salada, y en la industria del acero, hay altas temperaturas involucradas, etc. No existe una única solución de recubrimiento que combata con éxito todas las condiciones específicas de desgaste operativo. Cada técnica tiene sus propias ventajas y desventajas.

Longitud

Los vástagos de pistón generalmente están disponibles en longitudes que se cortan para adaptarse a la aplicación. Como las varillas comunes tienen un núcleo de acero blando o dulce, sus extremos pueden soldarse o mecanizarse para una rosca de tornillo.

Distribución de fuerzas en los componentes

Las fuerzas sobre la cara del pistón y el retén de la cabeza del pistón varían según el sistema de retención de la cabeza del pistón que se utilice.

Si se usa un circlip (o cualquier sistema sin precarga), la fuerza que actúa para separar la cabeza del pistón y el hombro del eje del cilindro es la presión aplicada multiplicada por el área de la cabeza del pistón. La cabeza del pistón y el hombro del eje se separarán y el retén de la cabeza del pistón reaccionará completamente a la carga.

Si se utiliza un sistema precargado, la fuerza entre el eje del cilindro y la cabeza del pistón es inicialmente el valor de precarga del retenedor de la cabeza del pistón. Una vez que se ha aplicado presión, esta fuerza se reducirá. La cabeza del pistón y el hombro del eje del cilindro permanecerán en contacto a menos que la presión aplicada multiplicada por el área de la cabeza del pistón exceda la precarga.

La fuerza máxima que verá el retén de la cabeza del pistón es la mayor entre la precarga y la presión aplicada multiplicada por el área total de la cabeza del pistón. La carga sobre el retén de la cabeza del pistón es mayor que la carga externa, lo que se debe al tamaño reducido del eje que pasa a través de la cabeza del pistón. El aumento de esta parte del eje reduce la carga sobre el retenedor.

Carga lateral

La carga lateral es una presión desigual que no está centrada en el vástago del cilindro. Esta tensión descentrada puede conducir a la flexión de la varilla en casos extremos, pero más comúnmente provoca fugas debido a la deformación de los sellos circulares en forma ovalada. También puede dañar y agrandar el orificio alrededor de la varilla y la pared interna del cilindro alrededor de la cabeza del pistón, si la varilla se presiona lo suficientemente fuerte hacia los lados para comprimir completamente y deformar los sellos para hacer un contacto de raspado de metal con metal.

La tensión de la carga lateral se puede reducir directamente con el uso de tubos de tope internos que reducen la longitud máxima de extensión, dejando cierta distancia entre el pistón y el sello del orificio y aumentando el apalancamiento para resistir la deformación de los sellos. Los pistones dobles también distribuyen las fuerzas de carga lateral al mismo tiempo que reducen la longitud de la carrera. Alternativamente, las guías y bisagras deslizantes externas pueden soportar la carga y reducir las fuerzas de carga lateral aplicadas directamente sobre el cilindro.

Métodos de montaje del cilindro

Los métodos de montaje también juegan un papel importante en el rendimiento del cilindro. Por lo general, los montajes fijos en la línea central del cilindro son los mejores para transferir la fuerza en línea recta y evitar el desgaste. Los tipos comunes de montaje incluyen:

Montajes de brida: muy fuertes y rígidos, pero tienen poca tolerancia a la desalineación. Los expertos recomiendan montajes en el extremo de la tapa para cargas de empuje y montajes en el extremo del vástago donde la carga principal pone el vástago del pistón en tensión. Tres tipos son brida rectangular de cabeza, brida cuadrada de cabeza o cabeza rectangular. Los montajes de brida funcionan de manera óptima cuando la cara de montaje se une a un miembro de soporte de la máquina.

Cilindros de montaje lateral: fáciles de instalar y reparar, pero los montajes producen un momento de giro cuando el cilindro aplica fuerza a una carga, lo que aumenta el desgaste. Para evitar esto, especifique una carrera al menos tan larga como el tamaño del diámetro interior para los cilindros de montaje lateral (la carga pesada tiende a hacer que los cilindros de carrera corta y diámetro interior grande sean inestables). Los soportes laterales deben estar bien alineados y la carga soportada y guiada.

Montajes de orejetas en la línea central: absorben fuerzas en la línea central y requieren pasadores para asegurar las orejetas para evitar el movimiento a presiones más altas o bajo condiciones de impacto. Los pasadores guía lo sujetan a la máquina cuando se opera a alta presión o bajo cargas de choque.

Soportes de pivote: absorben la fuerza en la línea central del cilindro y permiten que el cilindro cambie de alineación en un plano. Los tipos comunes incluyen horquillas, soportes de muñón y cojinetes esféricos. Debido a que estos soportes permiten que un cilindro gire, deben usarse con accesorios de extremo de barra que también giren. Los soportes de horquilla se pueden usar en cualquier orientación y generalmente se recomiendan para carreras cortas y cilindros de diámetro pequeño a mediano.

Cilindros hidráulicos especiales

Cilindro telescópico

La longitud de un cilindro hidráulico es el total de la carrera, el espesor del pistón, el espesor de fondo y cabeza y la longitud de las conexiones. A menudo, esta longitud no cabe en la máquina. En ese caso, el vástago del pistón también se usa como cilindro del pistón y se usa un segundo vástago del pistón. Este tipo de cilindros se denominan cilindros telescópicos. Si llamamos cilindro de vástago normal de una sola etapa, los cilindros telescópicos son unidades multietapa de dos, tres, cuatro, cinco o más etapas. En general, los cilindros telescópicos son mucho más caros que los cilindros normales. La mayoría de los cilindros telescópicos son de simple efecto (empuje). Los cilindros telescópicos de doble efecto deben estar especialmente diseñados y fabricados.

Cilindro de émbolo

Un cilindro hidráulico sin pistón o con un pistón sin sellos se llama cilindro de émbolo. Un cilindro de émbolo solo se puede utilizar como cilindro de empuje; la fuerza máxima es el área del vástago del pistón multiplicada por la presión. Esto significa que un cilindro de émbolo en general tiene un vástago de pistón relativamente grueso.

Cilindro diferencial

Un cilindro diferencial actúa como un cilindro normal al tirar. Sin embargo, si el cilindro tiene que empujar, el aceite del lado del vástago del pistón del cilindro no regresa al depósito sino que va al lado inferior del cilindro. De esta manera, el cilindro va mucho más rápido, pero la fuerza máxima que puede dar el cilindro es como un cilindro de émbolo. Un cilindro diferencial se puede fabricar como un cilindro normal, y solo se le agrega un control especial.

El cilindro diferencial anterior también se denomina circuito de control de cilindro regenerativo. Este término significa que el cilindro es un cilindro hidráulico de doble efecto y una sola varilla. El circuito de control incluye una válvula y tuberías que, durante la extensión del pistón, conducen el aceite desde el lado de la varilla del pistón al otro lado del pistón en lugar de al depósito de la bomba. El aceite que se conduce al otro lado del pistón se denomina aceite regenerativo.

Cilindro hidráulico "inteligente" con detección de posición

Los cilindros hidráulicos de detección de posición eliminan la necesidad de una varilla de cilindro hueca. En cambio, una "barra" de detección externa que utiliza la tecnología de efecto Hall detecta la posición del pistón del cilindro. Esto se logra mediante la colocación de un imán permanente dentro del pistón. El imán propaga un campo magnético a través de la pared de acero del cilindro, proporcionando una señal de localización al sensor.

Terminología

En los Estados Unidos, el uso popular se refiere al conjunto completo de cilindro, pistón y vástago del pistón (o más) en conjunto como un "pistón", lo cual es incorrecto. En cambio, el pistón es el componente de metal cilíndrico corto que separa las dos partes del cuerpo del cilindro internamente.