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. [1] Tiene muchas aplicaciones, especialmente en equipos de construcción ( vehículos de ingeniería ), maquinaria de fabricación , ascensores e ingeniería civil. Un cilindro hidráulico es un actuador hidráulico que proporciona movimiento lineal cuando la energía hidráulica se convierte en movimiento mecánico. Se puede comparar con un músculo en el sentido de que, cuando se activa el sistema hidráulico de una máquina, el cilindro es responsable de proporcionar el movimiento. [2]
Los cilindros hidráulicos obtienen su potencia del fluido hidráulico presurizado , que es incompresible. [3] Normalmente se utiliza aceite como fluido hidráulico. El cilindro hidráulico consta de un cilindro en el que se mueve hacia delante y hacia atrás un pistón unido a un vástago . El cañón 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) por donde sale el vástago 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 (extremo del vástago/extremo de la 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 empuja o tira.
Un cilindro hidráulico es el lado del actuador o "motor" de este sistema. El lado "generador" del sistema hidráulico es la bomba hidráulica que suministra un flujo de aceite fijo o regulado 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 de la otra cámara de regreso al depósito. Si suponemos que el aceite entra por el extremo de la tapa, durante la carrera de extensión, y la presión del aceite en el extremo del vástago/cabezal es aproximadamente cero, la fuerza F sobre el vástago del pistón es igual a la presión P en el cilindro multiplicada por el área del pistón A. :
Para los cilindros de doble efecto y vástago simple, cuando las presiones de entrada y salida se invierten, hay una diferencia de fuerza entre los dos lados del pistón debido a que un lado del pistón está cubierto por la varilla unida a él. El vástago del cilindro reduce la superficie del pistón y reduce la fuerza que se puede aplicar para la carrera de retracción. [4]
Durante la carrera de retracción, si el aceite se bombea al cabezal (o casquillo) en el extremo del vástago y el aceite del extremo de la tapa fluye de regreso al depósito sin presión, la presión del fluido en el extremo del vástago 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, Ap es el área de la cara del pistón y Ar es el área de la sección transversal del vástago.
Para cilindros de doble vástago y doble efecto, cuando la superficie del pistón está igualmente cubierta por un vástago del mismo tamaño en ambos lados de la cabeza, no hay diferencia de fuerza. Estos cilindros suelen tener su cuerpo de cilindro fijado a un soporte estacionario.
Los cilindros hidráulicos se utilizan principalmente en equipos de movimiento de tierras, como excavadoras, retroexcavadoras y tractores, para elevar o bajar la pluma, el brazo o el cucharón. [5] Estos cilindros también se utilizan en máquinas dobladoras hidráulicas, máquinas cortadoras de láminas metálicas, prensas en caliente para fabricación de tableros de partículas o madera contrachapada .
Un cilindro hidráulico tiene las siguientes partes:
La función principal del cuerpo del cilindro es contener la presión del cilindro. El cilindro se fabrica principalmente con tubos pulidos. [6] Los tubos bruñidos se producen a partir de tubos sin costura estirados en frío (tubos CDS) de acero aptos para bruñir o tubos trefilados sobre mandril (DOM). Los tubos pulidos están listos para usarse en cilindros hidráulicos sin necesidad de procesamiento adicional de ID. El acabado superficial del cilindro suele ser de 4 a 16 micropulgadas. El proceso de bruñido y el proceso de bruñido y bruñido con rodillos (SRB) son los dos tipos principales de procesos para fabricar tubos de cilindros. [7] El pistón oscila en el cilindro. El cilindro del cilindro tiene características de superficie interior lisa, tolerancia de alta precisión, uso duradero, etc.
La función principal de la tapa es encerrar la cámara de presión en un extremo. La tapa se conecta al cuerpo mediante soldadura, rosca, pernos o tirantes. Las tapas también funcionan como componentes de montaje de cilindros [brida de la tapa, muñón de la tapa, horquilla de la tapa]. El vuelco se determina en función de la tensión de flexión. Se utiliza un sello estático/junta tórica entre la tapa y el cilindro (excepto en la construcción soldada).
La función principal del cabezal es encerrar la cámara de presión desde el otro extremo. El cabezal contiene un dispositivo de sellado de varilla integrado o la opción de aceptar un casquillo de sellado. La cabeza está conectada al cuerpo mediante roscas, pernos o tirantes. Se utiliza un sello estático/junta tórica entre la cabeza y el cilindro.
La función principal del pistón es separar las zonas de presión dentro del cañón. El pistón está mecanizado con ranuras para adaptarse a sellos y elementos de cojinete elastoméricos o metálicos. Estos sellos pueden ser de simple efecto o de 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 mediante roscas, pernos o tuercas para transferir el movimiento lineal.
El vástago del pistón suele ser una pieza cromada dura de acero laminado en frío que se fija al pistón y se extiende desde el cilindro hasta la cabeza del extremo del vástago. En los cilindros de doble vástago, el actuador tiene una varilla que se extiende desde ambos lados del pistón y sale por ambos extremos del cilindro. El vástago del pistón conecta el actuador hidráulico al componente de la máquina que realiza el trabajo. Esta conexión puede realizarse a través de una rosca de máquina o de un accesorio de montaje. El vástago del pistón está altamente rectificado y pulido para proporcionar un sello confiable y evitar fugas.
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 glándula foca. La ventaja de un casquillo de sello es su fácil extracción y reemplazo del sello. El casquillo del sello contiene un sello primario, un sello secundario/sello amortiguador, elementos de cojinete, un limpiador/rascador y un sello estático. En algunos casos, especialmente en cilindros hidráulicos pequeños, el casquillo del vástago y los elementos de cojinete están fabricados a partir de una única pieza integral mecanizada.
Los sellos se consideran/diseñan para soportar la presión máxima 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 simple efecto o de doble efecto. [8] En términos generales, los sellos de elastómero hechos de caucho de nitrilo , poliuretano u otros materiales son mejores en ambientes de temperaturas más bajas, mientras que los sellos hechos de fluorocarbono Viton son mejores para temperaturas más altas. También se encuentran disponibles sellos metálicos y comúnmente se usa hierro fundido como material del sello. Los sellos de vástago son sellos dinámicos y generalmente son de simple efecto. Los compuestos de las juntas de vástago son caucho de nitrilo , poliuretano o fluorocarbono Viton . Los limpiadores/raspadores se utilizan para eliminar contaminantes como humedad, suciedad y polvo, que pueden causar daños importantes a las paredes de los cilindros, varillas, sellos y otros componentes. El compuesto común para los limpiaparabrisas es el poliuretano. Los raspadores metálicos se utilizan para aplicaciones de temperaturas bajo cero y aplicaciones donde se pueden depositar materiales extraños en la varilla. Los elementos de soporte/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 tejido y bronce.
Hay muchos componentes que forman la parte interna de un cilindro hidráulico. Todas estas piezas se combinan para crear un componente en pleno funcionamiento. [9]
En la industria se utilizan principalmente dos estilos principales de construcción de cilindros hidráulicos: cilindros con barra de acoplamiento y cilindros con carrocería soldada.
Los cilindros hidráulicos con barra de acoplamiento utilizan varillas de acero roscadas de alta resistencia para sujetar las dos tapas de los extremos al cilindro 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 estilo barra de acoplamiento se pueden desmontar completamente para realizar servicio y reparación, y no siempre son personalizables. [11]
La Asociación Nacional de Energía Fluida (NFPA) ha estandarizado las dimensiones de los cilindros de tirantes hidráulicos. Esto permite intercambiar cilindros de diferentes fabricantes dentro de los mismos soportes.
Los cilindros con cuerpo soldado no tienen tirantes. El cañón está soldado directamente a las tapas de los extremos. Los puertos están soldados al cañón. El casquillo de la varilla delantera suele estar roscado o atornillado al cilindro. Esto permite retirar el conjunto del vástago del pistón y los sellos del vástago para realizar el mantenimiento.
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 adaptarse mejor a los estrechos límites de la maquinaria. Los cilindros soldados no sufren fallas debido al estiramiento del tirante a altas presiones y carreras largas. [12] El diseño soldado también se presta a la personalización. Se agregan fácilmente características especiales al cuerpo del cilindro, incluidos puertos especiales, soportes personalizados, colectores de válvulas, etc. [11]
El cuerpo exterior liso de los cilindros soldados también permite la construcción de cilindros telescópicos de varias etapas.
Los cilindros hidráulicos con cuerpo soldado dominan el mercado de equipos hidráulicos móviles, como equipos de construcción ( excavadoras , topadoras y niveladoras de carreteras) y equipos de manipulación de materiales (carretillas elevadoras, manipuladores telescópicos y puertas levadizas). También se utilizan en la industria pesada en grúas, plataformas petrolíferas y grandes vehículos todoterreno para operaciones mineras en superficie.
El vástago de un cilindro hidráulico funciona tanto dentro como fuera del cilindro y, en consecuencia, tanto dentro como fuera del fluido hidráulico y la atmósfera circundante.
En el diámetro exterior del vástago del pistón son deseables superficies resistentes al desgaste y a la corrosión. Las superficies a menudo se aplican utilizando técnicas de recubrimiento como cromado (níquel), Lunac 2+ dúplex, revestimiento láser, soldadura PTA y pulverización térmica. Estos recubrimientos se pueden terminar con la rugosidad superficial deseada (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 desempeñan un papel crucial a la hora de seleccionar el 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 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 propios beneficios y desventajas.
Los vástagos de pistón generalmente están disponibles en longitudes cortadas para adaptarse a la aplicación. Como las varillas comunes tienen un núcleo de acero dulce o dulce, sus extremos pueden soldarse o mecanizarse para una rosca .
Las fuerzas sobre la cara del pistón y el retenedor de la cabeza del pistón varían según el sistema de retención de la cabeza del pistón que se utilice.
Si se utiliza un circlip (o cualquier sistema no precargado), 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 retenedor 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 haya 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 retenedor de la cabeza del pistón es la mayor entre la precarga y la presión aplicada multiplicada por el área completa de la cabeza del pistón. La carga sobre el retenedor 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. Aumentar esta porción del eje reduce la carga sobre el retenedor. [13]
La carga lateral es una presión desigual que no está centrada en el vástago del cilindro. Esta tensión descentrada puede provocar que la varilla se doble en casos extremos, pero lo más común es que cause fugas debido a que los sellos circulares se deforman en una 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 con suficiente fuerza hacia los lados para comprimir y deformar completamente los sellos para hacer contacto de raspado de metal con metal. [14]
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 la carga lateral y al mismo tiempo reducen la longitud de la carrera. Alternativamente, las guías deslizantes externas y las bisagras pueden soportar la carga y reducir las fuerzas de carga laterales aplicadas directamente sobre el cilindro. [15]
Los métodos de montaje también juegan un papel importante en el rendimiento del cilindro. Generalmente, los soportes fijos en la línea central del cilindro son mejores para transferir la fuerza en línea recta y evitar el desgaste. Los tipos comunes de montaje incluyen:
Montajes con brida : muy fuertes y rígidos, pero tienen poca tolerancia a la desalineación. Los expertos recomiendan soportes de extremo de tapa para cargas de empuje y soportes de extremo de vástago donde una carga importante pone el vástago en tensión. Tres tipos son cabeza de brida rectangular, cabeza de brida cuadrada o cabeza rectangular. Los soportes de brida funcionan de manera óptima cuando la cara de montaje se fija a un miembro de soporte de la máquina. [dieciséis]
Cilindros de montaje lateral : fáciles de instalar y mantener, pero los soportes 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 orificio para los cilindros de montaje lateral (las cargas pesadas tienden a hacer inestables los cilindros de carrera corta y de gran diámetro). Los soportes laterales deben estar bien alineados y la carga soportada y guiada.
Montajes de orejetas de línea central : absorben fuerzas en la línea central y requieren pasadores para asegurar las orejetas y evitar el movimiento a presiones más altas o en condiciones de impacto. Los pasadores lo sujetan a la máquina cuando se opera a alta presión o bajo carga de impacto. [dieciséis]
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 varilla que también giren. Los soportes de horquilla se pueden utilizar en cualquier orientación y generalmente se recomiendan para carreras cortas y cilindros de diámetro pequeño a mediano.[17]
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La longitud de un cilindro hidráulico es la suma de la carrera, el espesor del pistón, el espesor del fondo y la cabeza y la longitud de las conexiones. A menudo esta longitud no cabe en la máquina. En este caso se utiliza también el vástago del émbolo como cilindro del émbolo y un segundo vástago del émbolo. Este tipo de cilindros se denominan cilindros telescópicos . Si a un cilindro de vástago normal lo llamamos 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 diseñarse y fabricarse especialmente. [18]
Un cilindro hidráulico sin pistón o con pistón sin sellos se llama cilindro de émbolo. Un cilindro de émbolo sólo puede utilizarse 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 tiene en general un vástago de pistón relativamente grueso.
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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 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 la de un cilindro de émbolo. Un cilindro diferencial se puede fabricar como un cilindro normal, y sólo se le añade 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 vástago simple. El circuito de control incluye una válvula y una tubería que, durante la extensión del pistón, conduce el aceite desde el lado del vástago 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.
Los cilindros hidráulicos con detección de posición eliminan la necesidad de un vástago de cilindro hueco. En cambio, una "barra" de detección externa que utiliza 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.
