Sistemas oleohidraulicos iii cilindros

Actuadores hidráulicos
Objetivos:
El propósito de esta tema es describir:
1. los tipos de cilindros, las diferentes situaciones de aplicación,
las configuraciones de diferentes componentes del cilindro.
2. el cálculo de cilindros.
3. la construcción y el sellado de los cilindros
4. los pasos básicos de diseño de cilindros.
Al completar esta tema, debería poder :
• Distinguir los diferentes tipos de cilindros, las diferentes
condiciones de trabajo, las configuraciones de los diferentes
componentes del cilindro.
• Dominar el cálculo básico de cilindros, especialmente las
velocidades y las fuerzas de salida de los cilindros.
• Comprender las características de los tipos de sellos.
• Familiarícese con los pasos básicos de diseño de los cilindros.

Actuadores hidráulicos
Clasificación:
Movimiento
alternativo(lineales)
Movimiento oscilante
Motores
 Cilindros de simple
efecto.
 Cilindros de doble
acción.
 Cilindros telescópicos.
 Cilindros en tándem.
 Piñón - cremallera.
 Paletas.

LADO DEL VÁSTAGO LADO DE LA TAPA O PISTÓN
El cilindro
CAMISA
O BARRIL
VÁSTAGO
PISTÓN
PUERTOPUERTO

¿Qué hay adentro?
Eaton Corp.

Eaton Corp.
BARRILPISTON
SELLO DEL PISTÓN
VÁSTAGO
ROD SEAL
RODAMIENTO DE LA BARRA
PUERTO

sello de copa para el pistón
PISTÓN
BARRIL
SELLO DE
RESPALDO
SELLO TAZA

Sistemas hidráulicos y neumáticos 8
Actuadores hidráulicos: cilindros
Tipos de cilindros :
de simple efecto:
el trabajo se puede hacer solo en una dirección
Pistón
de doble efecto:
Vástago en ambos lados
Buzo
El trabajo se realiza en
ambas direcciones
Telescópico Telescópico
Tándem

Tipos de cilindros
Cilindro de doble efecto– Más comúnmente utilizado

Tipos de cilindros
Cilindro de simple efecto– Actúa bajo presión en una dirección y regresa
automáticamente cuando se libera la presión. Pueden ser de tipo empujar o tirar
(extracción).
Tipo de empuje: actúa bajo
presión en la carrera de
extensión y se retrae
automáticamente cuando se
libera la presión.
Tipo de extracción ‐ Actúa
bajo presión en la carrera
de retracción y se extiende
automáticamente cuando
se libera la presión.

Tipos de cilindros
Tipo de empuje:
actúa bajo presión en
la carrera de
extensión y se retrae
automáticamente
cuando se libera la
presión.
Tipo de extracción ‐ Actúa
bajo presión en la carrera
de retracción y se extiende
automáticamente cuando
se libera la presión.

Tipos de cilindros
Tipo de retorno individual,
cilindros de simple efecto

Tipos de cilindros
Cilindro Telescópico– Se
usa cuando se requiere una
longitud de recorrido larga y
una longitud retraída corta.
Ej: elevar una cama de
camión volquete

Tipos de cilindros
Cilindro doble vástago– La
varilla se extiende desde
ambos extremos, por lo que
se puede trabajar en ambos
extremos. Puede soportar
cargas más altas.

Tipos de cilindros
Cilindro tándem –
Aplicaciones donde se
requiere una gran cantidad de
fuerza de un cilindro de
pequeño diámetro.

Ejemplo: ecuaciones del transformador
v
FrodP1
P2
Q1 Q2
A1 A2

Repaso
• Conservación del momento
– Fhyd =PA
• Conservación de la masa
– Asumiendo un flujo incompresible Flujo
conservado
– v = Q/A
• Relaciones constitutivas
– Relacionar presión y flujo
Q
P
v
F
A

Tipos y Cálculo de cilindros
Cilindros de vástago bilateral
Un cilindro de vástago bilateral tiene vástagos en ambos extremos.
(a) (b)
Cilindros de vástago bilateral
a. El cuerpo del cilindro es estacionario. b. El vástago está estacionario.
Cilindros tipo pistón
Un cilindro de vástago bilateral tiene la misma fuerza de empuje
y velocidad en ambas direcciones.
)(
4
22
dD
q
A
q
v v




mppdDF 

))((
4
21
22


Un cilindro de vástago unilateral tiene una sola varilla.
Cilindros de varilla de un solo extremo
)(
4
222
dD
q
A
q
v v




mpDpdDF 

]
4
)(
4
[ 2
2
1
22
2 
d
A2
DA1
F1
1
p1
q
p2
(a)
d
A2
D
A1
p2
(b)
p1
q
2
1
1
4
D
q
A
q
v v



mpdDpDF 

])(
44
[ 2
22
1
2
1 
Compara las ecuaciones anteriores, podemos sacar una conclusión que
v2>v1, F1>F2. La relación de velocidad es )/(/ 222
12 dDDvv 

La conexión diferencial (regenerativa) se usa generalmente
para aumentar la velocidad de un dispositivo de uso final.
La conexión flotante puede hacer que un dispositivo de uso
final se mueva libremente.
uncertainv 404 F
23
4
d
q
v v


mpdF 

1
2
3
4


Embolo buzo
El orificio de un buzo no necesita un mecanizado preciso, por lo
que el costo inicial es sustancialmente bajo. Sin embargo, un
cilindro buzo se controla en una sola dirección.
Si se necesita acción doble, se deben usar un par de cilindros.
柱塞
p q
缸筒
A
（a）
v
F
v
F
(b)
A
p
q

Cilindros de combinación
Los cilindros amplificadores pueden convertir la baja presión de
entrada en alta presión de salida.
cilindro amplificador
A1 A2
p2p1
1
2
1
2 p
A
A
p 02211  ApApFx

Cilindros telescópicos
Un cilindro telescopio consta de vástagos multinivel. El pistón de
nivel anterior es el interior del manguito de nivel posterior.
La secuencia de movimiento de extensión es :
la primera extensión es la etapa 1, luego la etapa 2, etc.
La fuerza de salida es decreciente y la velocidad es creciente.
por el contrario, la secuencia de retracción es inversa.
El cilindro telescópico se utiliza cuando se requieren una
longitud de carrera larga y una longitud retraída corta.

Actuadores hidráulicos rotativos
Actuador giratorio de paleta :
Ángulo limitado en ambas direcciones
Ángulo máximo siempre menor que 360 °
El mismo par en ambas direcciones
Actuador rotativo de pistón :
Con acoplamiento de cremallera y engranaje
Aquí el ángulo máximo puede ser mayor que 360 °
En ambas direcciones,
un impulsor oscilante
de rodillo accionado
con rodillo y cremallera
Actuador de giro
con pasador de
accionamiento
roscado
Actuador giratorio de
ángulo limitado
Actuador giratorio de
ángulo limitado
Actuador
rotativo de
pistón
paralelo

Motores oscilantes
Los de paletas se pueden usar para proporcionar un
movimiento oscilatorio de menos de una rotación completa.
Los de una sola paleta pueden girar menos de 280 grados y los
de doble paleta se pueden limitar a unos 150 grados.
D
d
1 2 3
4
4
3
2
41
1

Cilindro de piñón y cremallera
El cilindro de cremallera y piñón incorporar un vástago con una
cremallera y un piñón. El accionamiento de cremallera y piñón es
adaptable para movimientos giratorios. Por lo general, se utiliza para
el desplazamiento en ángulos y graduadores en línea automática de
productos o máquina combinada, etc..

Cilindros hidráulicos
Propiedades:
Los cilindros tienen que ser de acero de buena calidad con
tolerancias estrechas.
Tiene que haber un buen sellado tanto en el vástago como en el
cilindro.
Con el tiempo, puede entrar suciedad y dañar las superficies.
Esto tiene que ser reducido en lo posible.
En este caso, las fugas aumentarán todo el tiempo.

Fig Construcción del cilindro de vástago unilateral de doble acción
l-tapa 2-estribo 3,5,9,11, 12-sellos 4-piston 6-camisa o barril
7-vástago 8-buje 10-cubierta o tapa del lado del vástago
Construcción de cilindros
componentes del cuerpo del cilindro
Las cámaras selladas por el componente del cuerpo del cilindro
y el componente del pistón soportan la presión de aceite. Por lo
tanto, el componente del cuerpo del cilindro debe ser suficiente
resistencia, alta precisión superficial y hermeticidad confiable.

conexión de tapa y camisa
(a) (b) (c)
(d) (e) (f)
(1) La conexión de brida es simple, confiable y conveniente de
mecanizar. Sin embargo, el grosor del extremo del cilindro es
mayor para montar el tornillo.
(2) La conexión del tipo de llave de whitney es conveniente,
confiable y compacta.

(a) (b) (c)
(d) (e) (f)
(3) La ventaja de conexión de rosca es poco espacio, poco peso y
fiable. Pero la construcción del extremo de la camisa es complicada.
(4) La conexión de tipo barra de tracción es simple, conveniente.
Sin embargo, el volumen y el peso de la cubierta es grande.
(5) La conexión del tipo de soldadura es de alta resistencia y
conveniente para maquinar. Pero es fácil que la camisa se deforme.

Requisitos básicos de la camisa, la cubierta y el manguito de
guía
La rugosidad superficial del agujero del cilindro es de 0.1 a 0.4 μm
El barril sufre una gran fuerza de presión de aceite, por lo tanto,
debe ser de suficiente resistencia y rigidez.
Las cubiertas se establecen en ambos extremos del barril. También
deben soporta una gran fuerza de presión de aceite, por lo tanto las
cubiertas y sus conexiones debe ser de suficiente resistencia.
El manguito guía guía y sostiene el vástago. Por lo tanto, la cubierta
debe reemplazarse después de que se haya desgastado.
La selección del material del barril, la cubierta y el manguito
guía debe ser tomado de manuales de diseño hidráulico y
especificaciones de componentes.

Componentes del pistón
formas de conexión del pistón y el vástago
La conexión roscada es simple y conveniente para desmontar
y ensamblar,
El enlace semicíclico tiene la ventaja de alta resistencia, su
desventaja es que es complicado y difícil de desmontar y montar.

Sello del componente del pistón
Sello de separación o brecha
El sello de brecha depende de la ligera separación entre dos
superficies con movimiento relativo para evitar fugas.
Es simple en estructura y tiene una larga vida útil, pero no garantiza
que no gotee en absoluto. Además, necesita una alta precisión de
mecanizado.
Es racional que se use el sello de brecha en el caso de un movimiento
rápido.
Sello mediante el uso de anillo de sellado
El sello usando anillo de empaque tiene una buena estanqueidad, no
necesita una gran precisión de mecanizado, pero no tiene muy larga
vida,
Es racional el uso de anillo de empaque en el caso del movimiento
lento.

（1）O-ring
(2) V-ring
（a) （b) （c）
a) ring de presión b)V-ring c) ring de soporte
(3) Y-ring
(a) (b)

Dispositivos de amortiguación
Por lo general, se necesitan dispositivos de amortiguación cuando el
cilindro demanda un movimiento rápido y una carga pesada.
El principio de amortiguación es aumentar la contrapresión del
puerto de salida para reducir la velocidad del cilindro y proteger el
impacto del pistón contra la tapa cuando el pistón está cerca del final
del recorrido..
u
d
u
(b)
u
(a)
（c）
u
(d)

Cálculo de cilindros
1maxmax
FFFF FLc  FLC FFF  maxmax
22110 pApAFC 
1122 pApAFCB 
1
0
A
Q
v 
2A
Q
vB 
fuerzas de fricción fuerzas de inerciacarga máxima
movimiento lento,
a menudo puede
ser descuidado
Hacia adentro:
Hacia afuera:
Q
A2A1
p1
p2
vB
v0

Cálculo de cilindros
Los cilindros hidráulicos deberían ser operados
posiblemente en la 3ra región para una
operación suave.
Si el cilindro es nuevo, las pérdidas por fugas
son insignificantemente pequeñas de modo que:
ηc = ηmech
Ff
1
v
2 3
1. Stick-slip
2. Transición
3. Comportamiento normal
22112211 ApAp
F
QpQp
Fv LL
c





92,085,0max
c
ηc
Δp
extensión
retracción
a presiones más altas

Comprobación de pandeo
n: factor de seguridad: 1-3,5
lk: longitud de pandeo
I1: momento de inercia del vástago
E: módulo de elasticidad del
material de la varilla
1
2
max
1
IE
ln
F
k
L 






 64
4
d
Fuerza máxima permisible :

Amortiguación de cilindros :
Se debe inhibir un fuerte impacto del pistón en las superficies
finales: la energía cinética debe ser absorbida.
Esto se hace aumentando la resistencia hidráulica al final de la
carrera.

Pérdidas de energía:
• Fricción de sello
• Fricción Viscosa
• Fuga
Eficiencia:
Mecánica
Eficiencia de un cilindro
v
FrodP1
P2
Q1 Q2
A1 A2
P F v
   out rod
Pin Pin Qin
Volumétrica
m
inP A
F
  rod
v
inQ
Av
 

Fuerza de cilindro
Ej: Se requiere un cilindro con un diámetro interior de 4 pulgadas y un
diámetro de varilla de 1.5 pulgadas para extenderlo contra una carga de
12000 lbs. ¿Qué presión se requiere?

Fuerza de cilindro
Ej: Se requiere un cilindro con un diámetro interior de 4 in y un diámetro de
varilla de 1.5 in para retraer una carga de 700 lb. ¿Qué presión se
requiere?

Fuerza de cilindro
Ej: Se requiere un cilindro para extenderse contra una carga de 20,000 lbs
con una presión máxima de 1800 psi. ¿Qué tamaño de cilindro se
requiere?

Velocidad del cilindro
Ej: En un sistema con una bomba de 20 gpm, se debe usar un cilindro con
un diámetro interior de 3 pulgadas y un diámetro de varilla de 1,5 pulgadas.
¿Cuáles son las velocidades de extensión y retracción?

Ej: Se requiere un cilindro con un diámetro de agujero de 40 mm y un
diámetro de varilla de 10 mm para extenderse a una velocidad de 0.5 m / s.
¿Qué caudal se requiere para alcanzar esta velocidad?

Ej: Se requiere que un cilindro se extienda a una velocidad mínima de 0,65
m / s en un sistema con un caudal de 50 lpm. ¿Qué tamaño de cilindro se
requiere?

Los cilindros no suelen tener fugas, por lo que la eficiencia volumétrica no
es un problema.
Nota: cuando las juntas en el pistón se desgastan, una cantidad
significativa de líquido que ingresa al cilindro se escapa del pistón, lo que
hace que el cilindro disminuya la velocidad. Dado que es interno, las fugas
pueden pasar desapercibidas.
Si la junta de la varilla tiene fugas, el fluido se filtra desde el sistema.
Mantenimiento preventivo de sellos y rodamientos.

Potencia del cilindro
Fuerza motriz
(Motor eléctrico o
de combustión)
Potencia
mecánica
entrada
Potencia
hidráulica
Potencia
mecánica
salida
Motor
primario
Bomba Actuador Carga

Los cilindros convierten el flujo de fluido de una bomba en el movimiento lineal
del pistón. Si el movimiento del pistón es resistido por la carga, la presión se
acumulará hasta que se genere suficiente fuerza para superar la carga.
Detenido: cuando la presión máxima del sistema no es suficiente para superar la
carga.
Potencia hidráulica: el pistón se mueve bajo carga, se está transmitiendo
potencia..

Ej: Se requiere un cilindro para mover una carga de 10,000 lb a una velocidad de
3 pies / s. ¿Cuál es la potencia de salida?
Ej: Se requiere un cilindro para mover una carga de 3500 lb 20 pulgadas en 3
segundos. ¿Cuál es la potencia de salida?

Ej: Se requiere un cilindro para mover una carga de 15 kN 200 mm en 0,75
segundos. ¿Cuál es la potencia de salida?

Flujo diferencial
Flujo diferencial: la diferencia en las áreas del extremo ciego y de varilla del
cilindro. La entrada de flujo no es la misma que la salida de flujo.
Extend Retract

Flujo diferencial
Ej: Se debe usar un cilindro con un diámetro interior de 5 pulgadas y un diámetro
de varilla de 2 pulgadas en un sistema con una bomba de 25 gpm. ¿Cuáles son
los caudales de retorno cuando el cilindro está extendiendo y retrayendo?

Dados: Q = 10 lit/min, P = 21 MPa
Diámetro Cilindro = 38 mm
Diámetro Vástago = 25 mm
ηm = .92, ηv = .95
Hallar: Fuerza y velocidad máxima en
extensión y retracción
Suponer: puerto sin presión en Patm
Ejemplo: fuerza y velocidad del cilindro
v
FrodP1
P2
Q1 Q2
A1 A2
PinA
Frod
Recordar : m 
Qin
Av
v 

Símbolos gráficos
Usados en esquemas

Símbolos gráficos
Cilindro de doble acción: actúa bajo presión en las direcciones de extender y retraer.
Cilindro de simple efecto: actúa bajo presión en una dirección, generalmente en la
carrera de extensión.

Símbolos gráficos
Cilindro de simple efecto, retorno por muelle : actúa bajo presión en la dirección
de extender.
Cilindro de doble efecto con vástago bilateral: actúa bajo presión en las dos
direcciones.

Símbolos gráficos
Cilindro telescópico de doble acción:
Cilindro telescópico de acción simple:

Aplicaciones de cilindros
Los cilindros trabajan en ángulo con una carga.
Dos componentes para la carga de trabajo en un ángulo :
Horizontal (Paralelo)
· cos
Vertical (Perpendicular)
· sin
Diagramas de fuerza
Triángulo derecho

Ej: Se requiere un cilindro montado a 60 ° con respecto a la horizontal para
levantar un peso de 15,000 lbs. ¿Cuál es la fuerza que debe generar el cilindro?
Determine el ángulo :
90 – 60 = 30
Calcule la fuerza del cilindro :
· cos 15000 · cos 30 12,990
Calcule la fuerza del cilindro:
· sin 15000 · sin 30 7,500

Ej: Se requiere un cilindro montado horizontalmente para extenderse contra una
carga de 5000 lbs que está en un ángulo de 20 ° con respecto al eje del cilindro.
El cilindro tiene un diámetro interior de 2 pulgadas. ¿Cuál es la presión requerida?
Calcule la fuerza del cilindro :
· cos 5000 · cos 20 4698
Calcule la presión :
4698
3.142
1495
Calcule el área:
·
4
3.142 · 2
4
3.142

Girando un brazo de palanca usando un soporte de horquilla (bisagra y pasador)
La fuerza neta al brazo de palanca es perpendicular al brazo de palanca
· cos

El par se genera alrededor del punto de pivote. L es la longitud del brazo.
·

Ej: Un cilindro con un agujero de 200 mm gira un brazo de palanca de 400 mm en
un sistema con una presión operativa máxima de 18,000 kPa. Determine la fuerza
máxima de la palanca cuando el ángulo entre el eje del cilindro y la perpendicular
del brazo de palanca es de 65 °. ¿Cuál es el par máximo del brazo de palanca en
este momento?
Calcular el área:
·
4
3.142 · 0.200
4
0.03142
Calcule la fuerza del cilindro:
· 18000 · 0.03142 565.56
Calcule la fuerza de la palanca:
· cos 565.56 · cos 65 239.02
Calcule el par de la palanca :
· 239.02 · 0.400 95.61 ·

Especificaciones del cilindro
Móvil e Industrial
Cilindros tipo molino–Industrial, construcción más
resistente. Operar continuamente.
Dimensionamiento – Los cilindros se dimensionan
por su diámetro interior (pistón)
Longitud de la carrera– Diferencia entre la longitud
completamente retraída y completamente extendida.
Usualmente en incrementos de una pulgada
Tamaño de varilla (vástago)- Un diámetro de varilla
estándar para cada tamaño de agujero, o varios
tamaños de varilla para cada agujero.

Estilos de montaje -
Fijo (se mantiene en su lugar)
Pivote (permite movimiento) - horquilla y
muñón

Otras especificaciones-
Valores de presión comunes: 1000 psi (70 bar) a 5000 psi (350 bar).
El factor de seguridad de 4 - Cilindros no fallará hasta que alcance 4 veces su
presión nominal.
Pico de presión - cuando la presión de repente salta alto debido a un cambio
repentino de la válvula.

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