Cilindro hidráulico - Hydraulic cylinder

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

Operación

Los cilindros hidráulicos obtienen su energía del fluido hidráulico presurizado , que generalmente es aceite . El cilindro hidráulico consta de un cilindro de cilindro , en el que un pistón conectado a un vástago de pistón se mueve hacia adelante y hacia atrás. El cañón está cerrado en un extremo por la parte inferior del cilindro (también llamado tapa) y el otro extremo por la culata del cilindro (también llamado 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 del lado del vástago del pistón (extremo del vástago / extremo de la cabeza).

Las 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 de aceite fijo o regulado al cilindro hidráulico para mover el pistón. Hay tres tipos de bombas de uso generalizado: bomba manual hidráulica, bomba de aire hidráulica y bomba eléctrica hidráulica. El pistón empuja el aceite de la otra cámara hacia el depósito. Si asumimos que el aceite entra por el extremo de la tapa, durante la carrera de extensión, y la presión de 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 del pistón A :

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

Diferencia de fuerza de retracción

Para los cilindros de vástago simple de doble acción, cuando las presiones de entrada y salida se invierten, existe una diferencia de fuerza entre los dos lados del pistón debido a que un lado del pistón está cubierto por la varilla que se le adjunta. El vástago del cilindro reduce el área de la superficie 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 al cabezal (o casquillo) en el extremo de la varilla y el aceite del extremo de la tapa fluye de regreso al depósito sin presión, la presión del fluido en el extremo de la varilla 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.

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

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 plegadoras hidráulicas , máquinas cizallas de chapa metálica, tableros de partículas o contrachapados para hacer prensas en caliente .

Partes

Un cilindro hidráulico tiene las siguientes partes:

Barril de cilindro

La función principal del cuerpo del cilindro es contener la presión del cilindro. El cilindro del cilindro está hecho principalmente de tubos pulidos. Los tubos pulidos se producen a partir de tubos sin costura estirados en frío de acero adecuados para pulir (tubos CDS) o tubos estirados sobre mandril (DOM). La tubería afilada está lista para usar en cilindros hidráulicos sin procesamiento adicional de identificación. El acabado de la superficie del cilindro del cilindro es típicamente de 4 a 16 micropulgadas. El proceso de bruñido y el proceso de desbastado y bruñido con rodillos (SRB) son los dos tipos principales de procesos para la fabricación de tubos cilíndricos. 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.

Base o tapa del cilindro

La función principal de la tapa es encerrar la cámara de presión en un extremo. La tapa se conecta al cuerpo mediante 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 utiliza un sello / junta tórica estática entre la tapa y el cilindro (excepto la construcción soldada).

Cabeza de cilindro

La función principal del cabezal es encerrar la cámara de presión desde el otro extremo. El cabezal contiene una disposición de sellado de varilla integrada o la opción de aceptar un casquillo de sellado. La cabeza se conecta al cuerpo mediante roscas, pernos o tirantes. Se utiliza un sello / junta tórica estática entre la cabeza y el cilindro.

Pistón

La función principal del pistón es separar las zonas de presión dentro del cañón. El pistón está mecanizado con ranuras para adaptarse a sellos elastoméricos o metálicos y elementos de cojinete. Estos sellos pueden ser de acción simple o doble. 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 es típicamente una pieza cromada dura de acero laminado en frío que se adhiere al pistón y se extiende desde el cilindro a través de la cabeza del extremo del vástago. En los cilindros de extremo de vástago doble, el actuador tiene un vástago que se extiende desde ambos lados del pistón y hacia ambos extremos del cañón. 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 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 el vástago y la culata. Esta área se llama glándula de foca. La ventaja de un prensaestopas de sello es una fácil extracción y reemplazo del sello. El casquillo del sello contiene un sello primario, un sello secundario / sello amortiguador, elementos de cojinete, 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 mecanizada.

focas

Los sellos se consideran / diseñan según la presión 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. En términos generales, los sellos de elastómero hechos de caucho de nitrilo , poliuretano u otros materiales son mejores en ambientes de baja temperatura, mientras que los sellos hechos de fluorocarbono Viton son mejores para temperaturas más altas. También se encuentran disponibles sellos metálicos y hierro fundido de uso común 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 limpiaparabrisas / raspadores se utilizan para eliminar contaminantes como la humedad, la suciedad y el polvo, que pueden causar daños importantes a las paredes de los cilindros, varillas, sellos y otros componentes. El compuesto común de 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 rodamiento / bandas de desgaste se utilizan para eliminar el contacto de metal con metal. Las bandas de desgaste están diseñadas según los requisitos de carga lateral. 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 forman la parte interna de un cilindro hidráulico. Todas estas piezas se combinan para crear un componente en pleno funcionamiento.

• Conexión de la base del cilindro
• Cojines
• Cabezales dúctiles roscados internos
• Glándulas de la cabeza
• Pistones Polypak
• Tapas de culata de cilindro
• Placas de tope
• Soportes de ojo / Soportes de horquilla
• Soportes desmontables MP
• Ojos de varilla / Horquilla de varilla
• Pasadores de pivote
• Bujes de bolas esféricos
• Ojo de varilla esférico
• Acoplador de alineación
• Puertos y accesorios

Acción simple frente a acción doble

• Los cilindros de acción simple son económicos y 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 una diferencia de área. Una fuerza externa, un resorte de retracción interno o la gravedad devuelven el vástago del pistón.
• Los cilindros de doble acción tienen un puerto en cada extremo o lado del pistón, que se suministra con fluido hidráulico tanto para la retracción como para la extensión.

Diseños

Hay principalmente dos estilos principales de construcción de cilindros hidráulicos utilizados en la industria: cilindros con barra de dirección y cilindros con cuerpo soldado.

Cilindro de barra de acoplamiento

Los cilindros hidráulicos de estilo de barra de acoplamiento utilizan barras 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 gran calibre pueden requerir hasta 16 o 20 tirantes para retener las tapas de los extremos bajo las tremendas fuerzas producidas. Los cilindros de estilo de barra de acoplamiento se pueden desmontar completamente para servicio y reparación, y no siempre se pueden personalizar.

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.

Cilindro de cuerpo soldado

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

Los cilindros de cuerpo soldado tienen una serie de ventajas sobre los cilindros con barra de dirección. 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 de la barra de acoplamiento 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 múltiples etapas.

Los cilindros hidráulicos de carrocería soldada 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 elevadoras). También son utilizados por la industria pesada en grúas, plataformas petrolíferas y grandes vehículos todo terreno para operaciones mineras sobre el suelo.

Construcción de vástago de pistón

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

Revestimientos

Son deseables superficies resistentes al desgaste y a la corrosión en el diámetro exterior del vástago del pistón. Las superficies se aplican a menudo utilizando técnicas de recubrimiento como el cromado (níquel), el dúplex Lunac 2+, el revestimiento láser, la soldadura PTA y la pulverización térmica. Estos recubrimientos 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 superficial 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 costa afuera 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 propios beneficios y desventajas.

Largo

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 se pueden soldar o mecanizar para una rosca .

Distribución de fuerzas sobre componentes

Las fuerzas en 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 usa 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 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 retén de la cabeza del pistón. Una vez aplicada la 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 en 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. 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 la varilla del cilindro. Esta deformación descentrada puede llevar a la flexión de la varilla en casos extremos, pero más comúnmente causa fugas debido a la deformación de los sellos circulares en una forma ovalada. También puede dañar y agrandar el orificio alrededor de la varilla y la pared interior del cilindro alrededor de la cabeza del pistón, si la varilla se presiona lo suficientemente fuerte hacia los lados para comprimir y deformar completamente los sellos para hacer un contacto de raspado 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 la palanca 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.

Métodos de montaje de cilindros

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

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

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 diámetro de los cilindros de montaje lateral (la carga pesada tiende a hacer que los cilindros de gran diámetro y carrera corta sean inestables). Los montajes laterales deben estar bien alineados y la carga soportada y guiada.

Montajes de asas Centerline fuerzas -Absorb en la línea central, y requieren clavijas para asegurar las lengüetas para evitar el movimiento a presiones más altas o bajo condiciones de choque. Los pasadores lo sujetan a la máquina cuando se opera a alta presión o bajo carga de impacto.

Montajes de pivote: absorbe la fuerza en la línea central del cilindro y deja 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 pivoten. 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 grosor del pistón, el grosor de la base 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 usa como cilindro del pistón y se usa un segundo vástago del pistón. Estos tipos de cilindros se denominan cilindros telescópicos . Si llamamos a un cilindro de vástago normal de una etapa, los cilindros telescópicos son unidades de etapas múltiples de dos, tres, cuatro, cinco o más etapas. En general, los cilindros telescópicos son mucho más costosos que los cilindros normales. La mayoría de los cilindros telescópicos son de acción simple (empujar). Los cilindros telescópicos de doble efecto deben diseñarse y fabricarse especialmente.

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 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 vástago simple y doble acción. 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.

Cilindro hidráulico "inteligente" con sensor de posición

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.

Terminología

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

Referencias