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Oleohidráulica: Tema 4
Cilindros hidráulicos y accionamientos
oscilantes.
Sistemes Oleohidràulics i Pneumàtics
Código 372
Ingeniería Industrial. 5º CursoIngeniería Industrial. 5º Curso
Área Mecánica de Fluidos.
Universitat Jaume I
2Tema 4: Cilindros hidráulicos y accionamientos oscilantes.
Cilindros hidráulicos y accionamientos oscilantes.
Para el accionamiento con cilindros hidráulicos en movimientos lineales de maquinas de trabajo se
obtienen las siguientes ventajas:
•EI accionamiento directo con cilindros hidráulicos es sencillo en su montaje y fácilmente ubicable
para el constructor de maquinas.
• AI no haber conversión de movimiento rotatorio en movimiento lineal, el accionamiento del
cilindro posee buen rendimiento.
• Un cilindro hidráulico puede presentar su fuerza máxima de cilindro de forma constante desde el
comienzo hasta el final de la carrera. Una válvula de presión ofrece la posibilidad de limitar de
manera sencilla la fuerza de carrera.
• La velocidad del pistón de un cilindro hidráulico depende del caudal y de la superficie de pistón
efectiva. Si se mantiene constante el caudal, también será constante la velocidad del pistón desde
el comienzo hasta el final de la carrera.
• De acuerdo con el tipo constructivo de un cilindro hidráulico, este solo podrá proporcionar fuerzas
de presión o fuerzas de presión y tracción.
• EI dimensionamiento de cilindros hidráulicos permite construir accionamientos de gran potencia
con cotas reducidas de montaje.
3Tema 4: Cilindros hidráulicos y accionamientos oscilantes.
Cilindros hidráulicos y accionamientos oscilantes. Tipos Cilindros Hidráulicos.
a) Cilindro buzo sin retorno por muelle
b) Cilindro buzo con retorno por muelle
c) Cilindro para compresión con/sin retorno por
muelle
d) Cilindro para tracción con/sin retorno
e) Cilindro telescópico
f) Cilindro de doble efecto con vástago simple
g) Cilindro de doble efecto con vástago pasante
h) Cilindro de doble efecto con vástago doble por
muelle
d) Cilindro para tracción con/sin retorno
e) Cilindro telescópico
Clasificación
4Tema 4: Cilindros hidráulicos y accionamientos oscilantes.
Cilindros hidráulicos y accionamientos oscilantes. Tipos Cilindros Hidráulicos.
Cilindros de simple efecto En este tipo de cilindros, el aceite entra por un lado
del émbolo, por lo que solo puede transmitir
esfuerzo en una dirección.
El retroceso puede conseguirse por el peso propio
del cilindro, por la acción de un muelle o por una
fuerza exterior.
A
QV
D
F
A
Fp
p
FAD
DA
ApF
ApthF
=
==
==
=
=
=
ηπη
ηππ
π
η
..2
.4
.
..
.4.4
4
.2
..
.
η : Rendimiento del cilindro
Algunas Relaciones útiles para el
cálculo de cilindros simples
5Tema 4: Cilindros hidráulicos y accionamientos oscilantes.
Cilindros hidráulicos y accionamientos oscilantes. Tipos Cilindros Hidráulicos.
En este tipo de cilindros, el volumen de aceite que entra en el cilindro coincide con el
volumen del vástago. Necesitan guiado en la zona de salida del vástago del cilindro.
Cilindro de simple efecto para compresión (o para tracción)
Necesitan un buen mecanizado de la superficie interior del cilindro y un buen sellado de la zona
de contacto entre el vástago y el cilindro. Las fugas de aceite deben ser recogidas con una línea
de drenaje.
6Tema 4: Cilindros hidráulicos y accionamientos oscilantes.
Cilindros hidráulicos y accionamientos oscilantes. Tipos Cilindros Hidráulicos.
Cilindros de simple efecto: Tipo Telescópico
Se utilizan cuando se necesita conseguir una gran carrera y se dispone de poco espacio (volquetes
de camiones, ascensores). Cuando el cilindro avanza, se mueven todas las secciones hasta que la
exterior se extiende completamente; a continuación avanzan el resto de secciones hasta la última
que es la interior. Si el caudal es constante, la velocidad de avance aumenta cada vez que se
bloquea una sección. Si la presión de suministro es constante, la fuerza que puede ejercer el
cilindro disminuye cada vez que se bloquea una sección.
También pueden ser de simple y doble efecto
7Tema 4: Cilindros hidráulicos y accionamientos oscilantes.
Cilindros hidráulicos y accionamientos oscilantes. Tipos Cilindros Hidráulicos.
Cilindros de Doble efecto
Un cilindro de doble efecto en el cual el desplazamiento en uno y otro sentido
del vástago del cilindro se realiza por medio de la presión hidráulica. El
cilindro de doble efecto puede estar montado en cualquier posición o
dirección ya que el retorno del mismo no se debe a ninguna acción ajena al
mismo. A pesar de que los cilindros de simple efecto son bastante utilizados,
la mayoría de los cilindros de los sistemas hidráulicos son de doble efecto.
En este tipo de cilindros, el aceite puede entrar por los
dos lados del émbolo, pero debido a la presencia del
vástago, las superficies de contacto entre embolo y
fluido pueden ser distintas. Si las superficies son distintas, pueden transmitir esfuerzos distintos en las dos direcciones.
8Tema 4: Cilindros hidráulicos y accionamientos oscilantes.
Cilindros hidráulicos y accionamientos oscilantes. Tipos Cilindros Hidráulicos.
Cilindros de Doble efecto
9Tema 4: Cilindros hidráulicos y accionamientos oscilantes.
Cilindros hidráulicos y accionamientos oscilantes. Tipos Cilindros Hidráulicos.
Cilindros de Doble efecto
4
.22
21
.
4
.21
..
4
.22
21
4
.21
π
π
π
π
−
=
==
−
=
=
ddp
AF
dp
CApCF
dd
AA
d
CAFC
FAπ
π
.22
21
.4
.21
.4
−
=
=
dd
FAAp
d
CFCp
π
π
.21
.4
.22
21
.
.4
d
CQ
CA
CQCV
dd
AQ
AA
AQAV
==
−
==
AAAFCACFSF .. −=
10Tema 4: Cilindros hidráulicos y accionamientos oscilantes.
Cilindros hidráulicos y accionamientos oscilantes. Tipos Cilindros Hidráulicos.
11Tema 4: Cilindros hidráulicos y accionamientos oscilantes.
Cilindros hidráulicos y accionamientos oscilantes. Tipos Cilindros Hidráulicos.
Cilindros de Doble efecto: Tipo Vástago Pasante
Se utiliza cuando:
- Se quiere tener la misma velocidad en el avance y en el retroceso.- Se precisa trabajar en los dos sentidos.- El extremo que no trabaja se usa para indicar
la posición de la carga.
Cilindros de Doble efecto: Tipo Tándem
Este tipo de cilindros consiste en dos cilindros
montados en línea con los émbolos
interconectados por un vástago común que
permite convertirlos en cilindros de doble
efecto.
La gran ventaja de los cilindros en tándemes que multiplican las fuerzas sin necesidad de incrementar las presiones de trabajo o la superficie del émbolo.
12Tema 4: Cilindros hidráulicos y accionamientos oscilantes.
Cilindros hidráulicos y accionamientos oscilantes. Tipos Cilindros Hidráulicos.
Cilindros de Doble efecto: Tipo Multiplicador de la presión
Aunque su función no sea la de un accionador final se puede utilizar
un cilindro como multiplicador de presión.
Al aplicar una determinada presión en la cara del pistón del cilindro,
la presión resultante en la cara anular del mismo se verá
incrementada en función de la diferencia de áreas
Por ello, si se conecta la salida de la cara anular del cilindro a una
línea de presión, se obtendrá una presión superior a la de entrada.
13Tema 4: Cilindros hidráulicos y accionamientos oscilantes.
Cilindros hidráulicos y accionamientos oscilantes. Tipos Cilindros Hidráulicos.
Cilindros de Marcha Rápida
Los cilindros de marcha rápida se emplean especialmente en la construcción de prensas. En este
tipo de cilindro, mientras no se requiera la fuerza completa de trabajo, solamente se carga una
parte de la superficie efectiva del pistón, el as! denominado pistón de marcha rápida. La superficie
efectiva total se une mas tarde con la bomba hidráulica a través del mando, mediante la reacción
de válvulas de presión e interruptores de fin de curso.
Ventajas:
Gran velocidad de marcha rápida por volumen pequeño
Gran fuerza de compresión por gran superficie efectiva del pistón
14Tema 4: Cilindros hidráulicos y accionamientos oscilantes.
Cilindros hidráulicos y accionamientos oscilantes. Tipos Cilindros Hidráulicos.
El movimiento lineal de un cilindro se convierte en movimiento circular a través de un piñón. Se
pueden utilizar dos cilindros, uno para el avance y otro para el retroceso. Aunque son posibles
varias revoluciones completas, el rango habitual es del orden de una vuelta. Se suelen utilizar
amortiguadores ("cushion") y topes ("stroke adjuster") para limitar el movimiento. Hay que drenar
el aceite que se fuga entre el émbolo y el cilindro.
Cilindro rotativo oscilante de tipo pistón
15Tema 4: Cilindros hidráulicos y accionamientos oscilantes.
Cilindros hidráulicos y accionamientos oscilantes. Tipos Constructivos de los Cilindros Hidráulicos.
Construcción por tirantes En los cilindros de tirantes la cabeza del cilindro, el tubo del
cilindro y la base del cilindro están unidas firmemente mediante
barras de tracción (tirantes). Los cilindros de tirantes se
caracterizan por su construcción especialmente compacta.
Dada la construcción compacta que ahorra espacio, se emplean
especial mente en la industria de maquinas herramienta y en
instalaciones de fabricación en la industria automotriz, como por
ejemplo, centros de maquinado.
En los cilindros hidráulicos de construcción redonda la cabeza
del cilindro, el tubo del cilindro y la base del cilindro están
firmemente unidos mediante tornillos, soldaduras o anillos de
retención.
Dado su montaje robusto los cilindros hidráulicos de
construcción redonda resultan adecuados también para ser
empleados bajo condiciones extremas de operación.
Los campos de aplicación de los cilindros hidráulicos de
construcción redonda son la construcción general de maquinas,
fabricas de laminación, fabricas siderúrgicas, hidroeléctricas,
astilleros y técnica de tierra firme y en alta mar.
Construcción redonda
16Tema 4: Cilindros hidráulicos y accionamientos oscilantes.
Cilindros hidráulicos y accionamientos oscilantes. Modos de fijación los Cilindros Hidráulicos.
17Tema 4: Cilindros hidráulicos y accionamientos oscilantes.
Cilindros hidráulicos y accionamientos oscilantes. Modos de fijación los Cilindros Hidráulicos.
18Tema 4: Cilindros hidráulicos y accionamientos oscilantes.
Cilindros hidráulicos y accionamientos oscilantes. Modos de fijación los Cilindros Hidráulicos.
19Tema 4: Cilindros hidráulicos y accionamientos oscilantes.
Cilindros hidráulicos y accionamientos oscilantes. Modos de fijación los Cilindros Hidráulicos.
20Tema 4: Cilindros hidráulicos y accionamientos oscilantes.
Cilindros hidráulicos y accionamientos oscilantes. Otras Características.
Sujeciones típicas de los cilindros
21Tema 4: Cilindros hidráulicos y accionamientos oscilantes.
Cilindros hidráulicos y accionamientos oscilantes. Conexión Diferencial de los Cilindros Hidráulicos.
Conexión Diferencial
Avance
QB+q q
Las presiones en ambos lados serían iguales si exceptuamos las posibles
perdidas en el trayecto al pasar por al bifurcación o la válvula.
A la Izquierda tenemos una superficie circular ( AC ) y a la derecha una
anular ( AA ) de menor tamaño, por lo que la fuerza hacia la derecha será
mayor que hacia la izquierda, por lo que habrá un movimineto neto hacia
la derecha.
4
.22
21
.
4
.21
..
4
.22
21
4
.21
π
π
π
π
−
=
==
−
=
=
ddp
AF
dp
CApCF
dd
AA
d
CA
qCSASqASBQAS
q
CS
qBQavanceV ... =+→=
+=
).().(..
ASCSavanceVASCSAS
q
AS
ASqqCSBQ −=−=
−=
VS
BQ
ASCS
BQavanceV =
−=
)(
QB
VSpApSCSpavanceF .. =−=
El caudal de la cámara anular se suma al de la
bomba, aumentando la velocidad de la fase de
avance respecto al caso de conexión directa.
22Tema 4: Cilindros hidráulicos y accionamientos oscilantes.
Cilindros hidráulicos y accionamientos oscilantes. Conexión Diferencial de los Cilindros Hidráulicos.
Retroceso
QB
AS
BQaretorcesoV =
QB
ApSretrocesoF =
Considerando que no hay perdidas en el escape.
Como se ve no afecta al retroceso la conexión
diferencial..
23Tema 4: Cilindros hidráulicos y accionamientos oscilantes.
Cilindros hidráulicos y accionamientos oscilantes. Conexión Diferencial de los Cilindros Hidráulicos.
Conexión Diferencial
Ejemplo de conexión diferencial
sugerida en un catálogo
24Tema 4: Cilindros hidráulicos y accionamientos oscilantes.
Cilindros hidráulicos y accionamientos oscilantes. Otras Características.
Amortiguación
Si la velocidad del cilindro es muy grande, al llegar a los extremos de la carrera se
producen impactos entre el émbolo y las tapas del cilindro que pueden dañar ambos elementos. Para
evitar los efectos perjudiciales de estos impactos, se instalan elementos amortiguadores, que reducen
la velocidad del cilindro en los finales de la carrera
Los cilindros provistos de amortiguación de posiciones finales son utilizados para frenar
suavemente la velocidad del desplazamiento del cilindro y para evitar un impacto en el final de
carrera. El pivote amortiguador reduce y, finalmente cierra totalmente el paso del caudal de salida
poco antes de llegar al final de carrera. En consecuencia, el aceite tiene que evacuar a través de una
válvula de estrangulamiento. De este modo disminuye la velocidad del cilindro y el émbolo frena
suavemente.
Este tipo de amortiguación en las posiciones finales se utiliza si las velocidades del cilindro
oscilan entre 6 m/min y 20 m/min. Si las velocidades son superiores, deberá recurrirse a otros
sistemas de amortiguación y frenado. Además, en estos casos, hay que aumentar la sección de las
tuberías de entrada y salida.
25Tema 4: Cilindros hidráulicos y accionamientos oscilantes.
Cilindros hidráulicos y accionamientos oscilantes. Otras Características.
El aceite escapa por la junta , hasta que el
vástago de amortiguamiento penetra en la
junta taponando el paso. El único sitio por el
que puede ahora pasar el fluido es por el
tornillo de estrangulamiento, por lo que la
presión aumenta , amortiguando el pistón.
Amortiguación
26Tema 4: Cilindros hidráulicos y accionamientos oscilantes.
Cilindros hidráulicos y accionamientos oscilantes. Otras Características.
Perdidas volumétricas, mecánica e hidráulicas
Posibles pérdidas de caudal: Rendimiento
volumétrico
Posibles pérdidas hidráulicas en las
entradas y salidas : Rendimiento
volumétrico
Posibles pérdidas Mecánicas por
rozamiento : Rendimiento mecánico
27Tema 4: Cilindros hidráulicos y accionamientos oscilantes.
Cilindros hidráulicos y accionamientos oscilantes. Otras Características.
Pandeo ( Buckling )
El vástago de un cilindro puede sufrir pandeo cuando está sometido a compresión, por lo que debe
tener el diámetro adecuado para evitarlo. El cálculo de dicho diámetro se realiza mediante la teoría de
Euler. Según esta teoría, la máxima fuerza que el vástago puede soportar sin pandeo es:
siendo: K: carga de pandeo (kg)
S: factor de seguridad (3.5)
E: módulo de elasticidad (kg/cm2) (E= 2.1 106 kg/cm2 para el acero)
J: momento de inercia de la sección transversal del vástago (cm4)
para un vástago de sección circular de diámetro d
Lp: longitud de pandeo (cm), que depende del método de sujeción:
S
KF =
2
..2
Lp
JEK
π=
64
2.dJ
π=
28Tema 4: Cilindros hidráulicos y accionamientos oscilantes.
Cilindros hidráulicos y accionamientos oscilantes. Otras Características.
Pandeo
29Tema 4: Cilindros hidráulicos y accionamientos oscilantes.
Cilindros hidráulicos y accionamientos oscilantes. Otras Características.
Para el caso 2 de Euler , columna delgada
articulada en ambos extremos, la longitud
libre de pandeo, lp, es la misma que la
longitud entre articulaciones l. Para el
caso 1 de Euler, en el que un extremo es
libre y el otro articulado, lp = 2.lEuler
2
lp = l
Euler
1
lp = 2.l
lp < 2.l
lp < 1.5 l
Pandeo
30Tema 4: Cilindros hidráulicos y accionamientos oscilantes.
Cilindros hidráulicos y accionamientos oscilantes. Otras Características.
Pandeo
31Tema 4: Cilindros hidráulicos y accionamientos oscilantes.
Cilindros hidráulicos y accionamientos oscilantes. Otras Características.
Pandeo
32Tema 4: Cilindros hidráulicos y accionamientos oscilantes.
Cilindros hidráulicos y accionamientos oscilantes. Otras Características.
Amortiguación EI pistón (1) esta atornillado al vástago a través del buje
amortiguador (2). AI hacer entrar el buje amortiguador
cónico (2) en el agujero de la base del cilindro (3) se reduce
la sección transversal para el fluido que sale de la cámara
del pistón (4), hasta Ilegar a cero. EI fluido solamente puede
escurrirse de la cámara del pistón (4) a través del taladro (5)
y de la válvula estranguladora ajustable (6). En la válvula
estranguladora (6) se ajusta el efecto amortiguador. Cuanto
menor la sección transversal de flujo tanto mayor el efecto
de amortiguación de fin de curso. La forma constructiva de
la válvula estranguladora evita que pueda desenroscarse
hacia afuera el perno estrangulador (7) al ajustar la
amortiguación de fin de curso. EI ajuste de la amortiguación
de fin de curso realizado se asegura por medio de la
contratuerca (8). La válvula antirretorno (9) sirve como
ayuda para salir de la posición de fin de curso. Con ella se
evita el punto de estrangulamiento. EI purgado de los
cilindros se Ileva a cabo con el tornillo purgador (10).
33Tema 4: Cilindros hidráulicos y accionamientos oscilantes.
Cilindros hidráulicos y accionamientos oscilantes. Otras Características.
Amortiguación
Fuerza de frenadoLa amortiguación de fin de curso debe
permitir un retardo controlado (frenado) de la
velocidad de carrera en ambas posiciones de
fin de curso. Aquí todas las energías
actuales, como producto de masa en
movimiento por velocidad de carrera, no
deben superar la capacidad máxima de la
amortiguación al comienzo de la misma. La
energía a frenar es convertida en calor en la
amortiguación, la cual trabaja según el
principio de estrangulamiento de un flujo de
Iíquido.
34Tema 4: Cilindros hidráulicos y accionamientos oscilantes.
Cilindros hidráulicos y accionamientos oscilantes. Otras Características.
Amortiguación
35Tema 4: Cilindros hidráulicos y accionamientos oscilantes.
Cilindros hidráulicos y accionamientos oscilantes. Otras Características.
La longitud de amortiguación nos la da el fabricante para cada cilindro
Amortiguación
Una vez calculada la Energía a Absorber ,
hay que buscar en las tablas del fabricante
cual es la máxima energía que puede
absorber cada cilindro en función del tipo
de junta o sistema de amortiguamiento.
Ejemplo tabla y
gráfico para para un
cilindro
36Tema 4: Cilindros hidráulicos y accionamientos oscilantes.
Cilindros hidráulicos y accionamientos oscilantes. Otras Características.
Ejemplo de cálculo de un
cilindro ( del catálogo de
Rexroth Boch )
37Tema 4: Cilindros hidráulicos y accionamientos oscilantes.
Cilindros hidráulicos y accionamientos oscilantes. Accionamientos Oscilantes.
Cilindro rotativo tipo paleta
Consiste en una o dos paletas conectadas a un eje de salida que gira cuando se aplica aceite a
presión sobre una de las caras de las paletas. Un cilindro de una paleta está limitado a un
ángulo de rotación de 320º y un cilindro de dos paletas está limitado a 150º. Siempre existirá
una fuga de aceite a través de las paletas y esta fuga aumentará con la presión. Esta fuga
interna puede causar problemas cuando se requiere un control preciso de la velocidad de
rotación.
Hasta unos 280º de giro
Hasta unos 170º de giro
38Tema 4: Cilindros hidráulicos y accionamientos oscilantes.
Cilindros hidráulicos y accionamientos oscilantes. Accionamientos Oscilantes.
Cilindro rotativo o Motor oscilante de
pistones paralelosCilindro rotativo o Motor oscilante de
pistón accionado por piñón y
cremallera
Hasta unos 100º de giro
Puede llegar a mas de 360º de giro
39Tema 4: Cilindros hidráulicos y accionamientos oscilantes.
Anotaciones.
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