Cilindros Hidrulicos (motores lineales)

Funcin y clases

La funcin de los cilindros hidrulicos es reali-zar movimientos rectilneos de translacin ytransmitir fuerzas, convirtiendo la energa queaporta el fluido en trabjo mecnico. La fuerzamxima que produce el ci-lindro, es funcin de la su-perficie activa del mbolo yde la presin mxima admi-sible del actuador:

F = p . A

Esta fuerza es constantedesde el inicio hasta la fina-lizacin de la carrera, siem-pre que la presin se man-tenga constante dentro deltiempo que dura la carrera. La velocidad depen-de del caudal de fluido y de la superficie delmbolo. Segn la versin, el cilindro puede re-alizar fuerzas de traccin y/o de compresin. Acontinuacin se describe un resumen de los ci-lindros hidrulicos ms comunes:

Cilindros de accin simple

Estos cilindros pueden transmitir fuerzas en unsolo sentido, es decir durante la salida del vs-tago o en el retorno del mismo.

Embolo buzo o sumergido

Al actuar la presin a travs de la conexin Asobre la superficie del mbolo, el mismo sale

hacia la derecha (g). Para que retorne a la posicin inicial (figura 1)

es necesaria una fuerza externa (f).

Cilindro con resorte de retorno

Tambin este cilindro es accionado hidrulica-mente. La salida se produce por el ingreso defluido a travs del conector A.El retorno del mbolo, como se observa en lafigura 2, se realiza mediante el resorte.

Cilindros de doble accin

Estos cilindros de doble ac-cin, pueden transmitir fuer-zas en ambos sentidos demovimiento, es decir en sali-da y en retraccin.

Cilindro con vstago simple

Tambin suele denominarsecilindro diferencial. Al ser ali-

mentado por la conexin A, el mbolo se des-plaza hacia afuera. Al suministrarse fluido porel conector B, el vstago retorna (figura 3).

Las fuerzas mximas dependen de las super-

ficies actuantes:

Salida superficie total del mbolo (cabeza del

mbolo).

Retorno superficie anular del mbolo (culata

del molo).

Adems dichas fuerzas dependen de la pre-

sin mxima admisible. En este caso las fuer-

zas en la salida son mayores que en el retorno

del mbolo.

Las cmaras del cilindro a ser llenadas son igua-

les en longitud, pero se diferencian por la seccin.

Por esta razn las velocidades son inversas

respecto de las secciones (superficiales).

A

A A

F FA

A

F

Figura 1 Figura 2

Fe

CILInDROS

Ello significa: salida lenta del vstago entrada rpida, porque el volumen a llenar esmenor por el volumen ocupado por el vstago.

Cilindro con doble vstago o pasante

Debido a que el vstago espasante en ambos extremos,las superficies actuantes enambos sentidos son iguales,pues ambas asemejan a cu-latas (figura 4). Esto ocasiona que tanto lasfuerzas como las velocidadessean iguales en los dos sen-tidos y en ambos vstagos.

Cilindros Telescpicos

Aqu se trata de una construccin especial, en

la cual el cilindro retrado completamente debe

ocupar un largo muy pequeo, respecto de la

longitud del cilindro completamente extendido.

La altura de montaje es un poco mayor que la

primera etapa.

Cilindro telescpico de simple efecto

Este recurso lo satisfacen estos cilindros teles-cpicos, empleados tpicamente en el vuelcode cajas de camiones con cargas a granel, porejemplo arena o piedras para la construccin.Este cilindro a diferencia de los cilindros ante-

riores, tiene por lo menos dosmbolos coaxiales de modoque el cilindro extendido pue-de llegar aproximadamentea tres o cuatro veces el lar-go del cilindro retrado.

Como los tramos del cilin-

dro cumplen simultneamen-

te las funciones de cuerpo y

mbolo, cuando se expan-

de tiene el peligro de perder

rigidez propia, razn por la cual se limita el n-

mero de tramos de este tipo de actuador

Normalmente se conecta al suministro de acei-te por la puerta A. Con esta construccin com-puesta por algunos tramos, se puede alcanzaruna gran carrera utilizando un reducido espa-cio para el montaje. Si la presin acta por la

Los cilindrostelescpicosson actuadoreslinealesformados porvarios tuboscoaxiales

A A A A

B B

A B A B

Figura 3 Figura 4

Figura 5 Figura 6

CILInDROS

63 AC+H

Cilindros

conexin A, los mbolos salen en funcin de la

carga y de la superficie actuante. El mbolo

mayor es el que sale primero (figura 5).

Con cada mbolo que sale, manteniendo la car-

ga constante, aumenta la presin requerida ya

que la superficie de los mbolos remanentes

disminuye. Si se mantiene

constante el caudal, aumen-

ta la velocidad de etapa en

etapa.

El orden en el retroceso, pro-

ducido por una carga ex-

terna, por ejemplo el peso

propio de la caja del ca-

min, es inverso. El mbo-

lo ms pequeo es el pri-

mero en entrar.

Cilindro telescpico de doble efecto

Una construccin muy especial y limitada, la

constituye el cilindro telescpico de doble efec-

to. La salida se efecta con alimentacin por la

conexin A y la retraccin alimentando el cilin-

dro por la conexin B, mientras la A se abre a

descarga (figura 6).

El desarrollo de materiales estructurales de alta

resistencia, empleados en la industria semo-

viente, permiten construir volcadores ms livia-

nos que dificultan la retraccin de estos cilin-

dros por gravedad, abriendo el campo a los

nuevos cilindros telescpicos de doble efecto.

Formas Constructivas de los Cilindros

El cilindro hidrulico ms utilizado en la cons-

truccin de mquinas y equipos, es el de doble

efecto, con un solo vstago: el cilindro diferencial.

Se pueden distinguir dos modelos bsicos:

1.- Construccin con tirantes

2.- Construccin roscada en ambos extremos

o construccin soldada en el pie y construccin

roscada en la cabeza.

Construccin con tirantes

La fotografa muestra un cilindro de construc-

cin con tirantes.

El cilindro est compuesto esencialmente por

el pie del cilindro, la camisa, la cabeza, los ti-

rantes, el vstago con mbolo, casquillo gua

(figura 8).

El pie de cilindro, la camisa y

la cabeza, estn empotrados

entre s y son sujetados por

cuatro tirantes. La estanquei-

dad entre las cmaras es ga-

rantizada por los sellos.

Un movimiento suave, sin sal-

tos, an a velocidades mni-

mas y a baja presin, se lo-

gra mediante la seleccin de

juntas apropiadas y una adecuada terminacin

superficial de la camisa, del vstago y del cas-

quillo gua.

Estos detalles se tuvieron en cuenta conside-

rando el campo de accin de los cilindros, por

ejemplo, mquinas herramienta.

Una dimensin importante en los cilindros dife-

renciales, es la relacin de superficies:

Superficie de la culata =

= superficie de la cabeza seccin del vstago

Las fuerzas en la salida y entrada del mbolo

estn en la misma relacin. Las velocidades

son inversamente proporcionales a la relacin

de superficies.

Datos tcnicos

Presin de servicio: hasta 105 bar (en funcin

del mbolo)

Dimetro del mbolo: 32 hasta 200 mm

Dimetro del vstago: 18 hasta 140 mm

Las dos formasconstructivas

de los cilindroscubren

en general laindustria de la

maquinaria(tirantes) y la

industria de lasmquinas

que trabajan alabierto (soldado)

Figura 7

Rtula

Tirantes

Cabezales

66

AC

+H

Cilindros

Construccin roscada

Las alternativas de esta construccin son: sol-

dadas en ambos extremos o soldada en el pie

y construccin roscada en la cabeza

En la figura se muestra un cilindro con cons-

truccin soldada en el pie y construccin ros-

cada en la cabeza. Estos ci-

lindros fueron construidos pa-

ra presiones de servicio has-

ta 250 bar y 350 bar.

Las juntas son retenes obtu-

radores, incorporados a la

produccin seriada.

El casquillo gua trabaja en

la zona seca 2 para de ba-rra hasta 100 mm y para ba-

rras mayores de 100 mm en

la zona hmeda 3.

Datos tcnicos

Presin de servicio: hasta 350 bar

Dimetro del mbolo: 40 hasta 320 mm

Dimetro del vstago: 20 hasta 220 mm

Naturalmente existen, adems de los cilindros

seriados, una inmensa cantidad de cilindros es-

peciales, construidos para funciones especiales.

Importante para todos los cilindros son, inde-

pendiente de la versin de construccin, los

dispositivos de montaje y sujecin. Influyen en

la carrera y estn en relacin con los dimetros

de vstago y la forma y magnitud de la solicita-

cin. Los cilindros estn diseados para sopor-

tar esfuerzos de traccin y compresin y se

debe evitar cualquier carga lateral que pueda

producir un bloqueo.

Pandeo de cilindros

Los cilindros estn fabricados para operar em

cualquier posicin desde horizontal hasta ver-

tical. Muchas veces se descuida el problema

que los cilindros pueden pandear o flexionar

debido a su peso muerto o a las cargas que ge-

neran tensiones de compre-

sin en el conjunto.

Esto es especialmente im-

portante cuando los cilindros

son de gran longitud y sus

vstagos operan completa-

mente extendidos y compri-

midos por la resistencia ex-

terior.

El clculo o verificacin de

la carga crtica Pcr de pan-

deo, debido a la longitud importante del cilin-

dro/vstago, se efecta por medio de la Ecua-

cin de Euler:

Pcr [kg] = carga crtica de pandeo

E [kg/cm2] = mdulo de elasticidad

J [cm4] = momento de inercia de la seccin del

vstago

LC [cm] = longitud de pandeo del vstago

d [cm] = dimetro del vstago

F [kg] = carga de servicio de compresin en el

cilindro

CSP [--] = coeficiente de seguridad contra pan-

deo (de 2,5 a 3,5)

En la tabla siguiente se muestran los valores de

la longitud LC de pandeo del vstago para las

distintas posibilidades de sustentacin del ci-

Los cilindroslargos cuando seexpandencompletamentepara vencer unaresistencia,forman unconjuntotubo/vstagocomprimido quedebe verificarsepor pandeo

Casquillo guia

CabezaSellos

Pie

Tirante

CamisaSellos

Vstago

EmboloFigura 8

67

AC

+H

Cilindros

Caso 1 Caso 2 Caso 3 Caso 4

Un extremo libre,

un extremo fijo

Dos extremos

articulados

Un extremo

articulado,

un extremo fijo

Dos extremos fijos

Lc = 2L Lc = L Lc = L * 0,7 Lc = 1/2

so

licit

acio

nes

seg

n

Eu

ler

Gr

fico

longitud libre de pandeo

sit

uaci

n d

e m

on

taje

del cilin

dro

70

AC

+H

Grfico 1

Cilindros

lindro con el fin de incluirlo en la ecuacin de

Euler. En el clculo, por lo general se acepta

que el cilindro extendido tiene en su totalidad

la seccin del vstago.

dimensionado de los cilindros

El dimensionamiento de un

cilindro consiste principal-

mente en la determinacin

del espesor del tubo, que

constituye el cuerpo externo

y de los bloques que forman

los cabezales.

En segundo lugar debe rea-

lizarse una seleccin ade-

cuada de los distintos sellos

y los alojamientos en las par-

tes metlicas del cilindro.

En realidad esta informacin suele ser suminis-

trada por los fabricantes de guarniciones en

sus catlogos tcnicos. Adems del aspecto di-

mensional, debe prestarse atencin a la com-

patibilidad de los materiales de los sellos, cuan-

do operan tanto con el fluido hidrulico como

con el ambiente.

Para el clculo del espesor del tubo, se em-

plean ecuaciones derivadas de la Teora de Tu-

bos Gruesos (Lam), adaptada conveniente-

mente por distintos autores internacionales.

Una de estas ecuaciones es la siguiente:

La expresin anterior es vlida siempre que se

cumpla la siguiente desigualdad:

En las dos expresiones anteriores se adoptan

los siguientes valores:

D [mm] = dimetro exterior del tubo

d [mm] = dimetro interior

del tubo

ad [N/mm2] = tensin admi-sible del material del tubo

p [bar] = presin mxima que

acta en el cilindro

Cuando el cilindro es de cons-

truccin soldada en el pie, de-

be calcularse el espesor del

fondo mediante la ecuacin:

h [mm] = espesor del fondo de cilindro

ds [mm] = dimetro del cordn de soldadura.

Este ltimo dimetro representa el dimetro in-

terno del cordn, que puede ser distinto del di-

metro interno del cuerpo del cilindro. Por ra-

zones de seguridad, confirmadas por la expe-

riencia constructiva, en la expresin anterior se

toma una presin igual a la dcima parte de la

presin de servicio, este alto coeficiente de se-

guridad est destinado a compensar la aproxi-

macin de dicha expresin especialmente cuan-

do el espesor del fondo es relativamente gran-

de respecto del dimetro interno del cuerpo del

cilindro.

El elementoprincipal que debecalcularse es elcuerpo externo ocamisa delcilindro, pues porla presion que segenera en suinterior se produceuna tensin en lacamisa que puedereventar con unarajaduralongitudinal

Figura 9

71

AC

+H