Cilindro hidráulico

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Un cilindro hidráulico (también llamado motor hidráulico lineal ) es un actuador mecánico que se utiliza para proporcionar una fuerza unidireccional a través de un recorrido 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 un movimiento lineal cuando la energía hidráulica se convierte en movimiento mecánico. Puede compararse 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 cuerpo cilíndrico , en el que un pistón conectado a un vástago del pistón se mueve hacia adelante y hacia atrás. El cuerpo está cerrado en un extremo por la parte inferior del cilindro (también llamada tapa) y el otro extremo por la cabeza del cilindro (también llamada casquillo) por donde sale el vástago del pistón 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/cabeza).

Las bridas , los muñones , las horquillas y las 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 suministra 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 ingresa desde el extremo de la tapa, durante la carrera de extensión, y la presión de aceite en el extremo de la varilla/cabeza es aproximadamente cero, la fuerza F sobre la varilla del pistón es igual a la presión P en el cilindro multiplicada por el área del pistón A :

${\displaystyle F=P\cdot A}$

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 unido a él. El vástago del cilindro reduce el área de superficie del pistón y reduce la fuerza que se puede aplicar para la carrera de retracción. ^[4]

Durante la carrera de retracción, si se bombea aceite hacia la cabeza (o glándula) en el extremo del vástago y el aceite desde el 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):

${\displaystyle P={\frac {F_{p}}{A_{p}-A_{r}}}}$

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 de la varilla.

En los cilindros de doble efecto y doble vástago, cuando 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. Estos cilindros suelen tener el cuerpo del cilindro fijado a un soporte fijo.

Los cilindros hidráulicos se pueden utilizar en cualquier máquina donde se requieran grandes fuerzas, siendo uno de los más conocidos los equipos de movimiento de tierras como excavadoras, retroexcavadoras y tractores para levantar o bajar la pluma, el brazo o el cucharón. ^[5] La fabricación es otra aplicación popular donde se pueden encontrar en máquinas dobladoras hidráulicas, cizallas de chapa metálica, prensas en caliente para fabricar tableros aglomerados o madera contrachapada .

Un cilindro hidráulico tiene las siguientes partes:

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La función principal del cuerpo del cilindro es contener la presión del cilindro. El cuerpo del cilindro está hecho principalmente de tubos pulidos. ^[6] Los tubos pulidos se producen a partir de tubos sin costura estirados en frío de acero aptos para el pulido (tubos CDS) o tubos estirados sobre mandril (DOM). Los tubos pulidos están listos para usar en cilindros hidráulicos sin procesamiento adicional de diámetro interior. El acabado de la superficie del cuerpo del cilindro es típicamente de 4 a 16 micropulgadas. El proceso de pulido y el proceso de pulido con rodillo y desbaste (SRB) son los dos tipos principales de procesos para la fabricación de tubos de cilindros. ^[7] El pistón se mueve alternativamente en el cilindro. El cuerpo del cilindro tiene características de superficie interior lisa, alta tolerancia de 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 del cilindro [brida de tapa, muñón de tapa, horquilla de tapa]. El tamaño de la tapa se determina en función de la tensión de flexión. Se utiliza un sello estático/junta tórica entre la tapa y el cañón (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. El cabezal está conectado al cuerpo mediante roscas, pernos o tirantes. Se utiliza un sello estático/junta tórica entre el cabezal y el cañón.

La función principal del pistón es separar las zonas de presión dentro del cilindro. El pistón está mecanizado con ranuras para colocar sellos elastoméricos o metálicos y elementos de apoyo. 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.

El vástago del pistón es típicamente una pieza de acero laminado en frío y cromado duro que se fija al pistón y se extiende desde el cilindro a través de la cabeza del extremo del vástago. En los cilindros con extremos de vástago dobles, el actuador tiene un vástago que se extiende desde ambos lados del pistón y hacia afuera 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 tener la forma de una rosca de máquina o un accesorio de montaje. El vástago del pistón está altamente rectificado y pulido para proporcionar un sellado confiable y evitar fugas.

La culata está equipada con juntas para evitar que el aceite presurizado se escape más allá de la interfaz entre la biela y la culata. Esta área se denomina casquillo de junta. La ventaja de un casquillo de junta es que se puede quitar y reemplazar fácilmente. El casquillo de junta 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 de la biela y los elementos de cojinete están hechos de una sola pieza mecanizada integral.

Los sellos se consideran/diseñan para soportar la presión máxima de trabajo del cilindro, la velocidad del cilindro, la temperatura de operación , el medio de trabajo y la aplicación. Los sellos de pistón son sellos dinámicos y pueden ser de acción simple o doble. ^[8] En términos generales, los sellos de elastómero hechos de caucho de nitrilo , poliuretano u otros materiales son mejores en entornos 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 varilla son sellos dinámicos y generalmente son de acción simple. Los compuestos de los sellos de varilla son caucho de nitrilo , poliuretano o fluorocarbono Viton . Los limpiadores/rascadores se utilizan para eliminar contaminantes como humedad, suciedad y polvo, que pueden causar daños importantes a las paredes del cilindro, varillas, sellos y otros componentes. El compuesto común para los limpiadores es el poliuretano. Los raspadores metálicos se utilizan para aplicaciones de temperatura bajo cero y aplicaciones donde materiales extraños pueden depositarse en la varilla. Los elementos de apoyo/bandas de desgaste se utilizan para eliminar el contacto 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 tejido y bronce.

Hay muchos componentes que forman la parte interna de un cilindro hidráulico. Todas estas piezas se combinan para crear un componente completamente funcional. ^[9]

• Conexión de la base del cilindro
• Cojines
• Cabezas dúctiles con rosca interna
• Glándulas de la cabeza
• Pistones Polypak
• Tapas de culata
• Placas de tope
• Soportes de ojo/Soportes de horquilla
• Monturas desmontables MP
• Ojos de varilla/horquilla de varilla
• Pasadores de pivote
• Bujes de bolas esféricas
• Ojo de varilla esférico
• Acoplador de alineación
• Puertos y accesorios

• 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 el vástago por medio de una diferencia de área. Una fuerza externa, un resorte de retracción interno o la gravedad devuelven el vástago del pistón.
• Los cilindros de doble efecto tienen un puerto en cada extremo o lado del pistón, suministrado con fluido hidráulico tanto para la retracción como para la extensión. ^[10]

Existen principalmente dos estilos principales de construcción de cilindros hidráulicos utilizados en la industria: cilindros tipo barra de acoplamiento y cilindros tipo cuerpo soldado.

Los cilindros hidráulicos con tirantes utilizan varillas de acero roscadas de alta resistencia para sujetar las dos tapas de los extremos al cuerpo del cilindro. Se los ve con mayor frecuencia en aplicaciones industriales. Los cilindros de diámetro pequeño suelen tener 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 tirantes se pueden desmontar por completo para realizar tareas de mantenimiento y reparación, y no siempre son personalizables. ^[11]

La Asociación Nacional de Energía Fluida (NFPA) ha estandarizado las dimensiones de los cilindros hidráulicos con tirantes. Esto permite que los cilindros de diferentes fabricantes se intercambien dentro de los mismos montajes.

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 biela delantera suele estar roscado o atornillado al cañón del cilindro. Eso permite quitar el conjunto de la biela del pistón y los sellos de la biela para realizar tareas de mantenimiento.

Los cilindros con cuerpo soldado tienen una serie de ventajas sobre los cilindros con tirantes. 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 confines de la maquinaria. Los cilindros soldados no sufren fallas debido al estiramiento de los tirantes a altas presiones y carreras largas. ^[12] El diseño soldado también se presta a la personalización. Se pueden agregar fácilmente características especiales al cuerpo del cilindro, incluidos puertos especiales, montajes personalizados, colectores de válvulas, etc. ^[11]

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

Los cilindros hidráulicos con cuerpo soldado dominan el mercado de equipos hidráulicos móviles, como equipos de construcción ( excavadoras , topadoras y motoniveladoras) y equipos de manipulación de materiales (carretillas elevadoras, manipuladores telescópicos y plataformas elevadoras). También se utilizan en la industria pesada en grúas, plataformas petrolíferas y vehículos todoterreno de gran tamaño para operaciones mineras en superficie.

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

Las superficies resistentes al desgaste y a la corrosión son deseables en el diámetro exterior del vástago del pistón. Las superficies se aplican a menudo mediante técnicas de recubrimiento como cromado (níquel), Lunac 2+ dúplex, revestimiento láser, soldadura PTA y pulverización térmica. Estos recubrimientos se pueden acabar con la rugosidad superficial deseada (Ra, Rz) donde las juntas ofrecen un rendimiento óptimo. Todos estos métodos de recubrimiento tienen sus ventajas y desventajas específicas. Es por este motivo que los expertos en recubrimientos desempeñan 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, lo que hace que sea un desafío encontrar la solución de recubrimiento adecuada. En el dragado puede haber impacto de piedras u otras piezas, en entornos de agua salada, hay ataques de corrosión extremos, en los cilindros en alta mar se enfrentan a flexiones e impactos 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 de desgaste operativas específicas. Cada técnica tiene sus propias ventajas y desventajas.

Las varillas 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 se pueden soldar o mecanizar para una rosca de tornillo .

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 anillo de retención (o cualquier sistema no precargado), la fuerza que actúa para separar la cabeza del pistón y el resalte del eje del cilindro es la presión aplicada multiplicada por el área de la cabeza del pistón. La cabeza del pistón y el resalte del eje se separarán y la carga será absorbida por completo por el retenedor de la cabeza del pistón.

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 retén de la cabeza del pistón. Una vez que se haya aplicado presión, esta fuerza se reducirá. La cabeza del pistón y el reborde 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 soportará el retenedor de la cabeza del pistón será la mayor de las dos: la precarga y la presión aplicada multiplicada por el área total 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. Al aumentar esta porción del eje se 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 el vástago se doble en casos extremos, pero más comúnmente causa fugas debido a que los sellos circulares se deforman y adquieren una forma ovalada. También puede dañar y agrandar el orificio alrededor del vástago y la pared interna del cilindro alrededor de la cabeza del pistón, si el vástago se presiona lo suficientemente fuerte hacia los lados como para comprimir y deformar por completo los sellos y hacer que el metal se raspe contra el 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 al tiempo que reducen la longitud de la carrera. Alternativamente, las guías deslizantes externas y las bisagras pueden soportar la carga y reducir las fuerzas de carga lateral aplicadas directamente sobre el cilindro. ^[15]

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

Soportes de brida : muy resistentes 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 varilla donde una carga importante pone al vástago del pistón en tensión. Hay tres tipos: brida rectangular de cabeza, brida cuadrada de cabeza 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. ^[16]

Cilindros de montaje lateral: son fáciles de instalar y de mantener, pero los montajes generan 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 (la carga pesada tiende a hacer que los cilindros de carrera corta y diámetro grande sean inestables). Los montajes laterales deben estar bien alineados y la carga debe estar soportada y guiada.

Soportes de orejetas en la línea central: absorben fuerzas en la línea central y requieren pasadores de espiga para asegurar las orejetas y evitar que se muevan a presiones más altas o en condiciones de impacto. Los pasadores de espiga las sujetan a la máquina cuando funcionan a alta presión o bajo cargas de impacto. ^[16]

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 más comunes incluyen horquillas, soportes de muñón y cojinetes esféricos. Debido a que estos soportes permiten que un cilindro pivote, se deben utilizar con accesorios de extremo de varilla que también pivoten. 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]

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 ese caso, el vástago del pistón también se utiliza como cuerpo del pistón y se utiliza un segundo vástago del pistón. Este tipo de cilindros se denominan cilindros telescópicos . Si llamamos a un 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 diseñarse y fabricarse especialmente. ^[18]

Un cilindro hidráulico sin pistón o con pistón sin juntas se denomina 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.

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 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 proporcionar es como la de 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 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 hasta el 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 una varilla hueca. En su lugar, 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.