ach cilindros
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hidraulicaTRANSCRIPT
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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