Introducción: Por qué es importante la selección de los cilindros hidráulicos
Hidráulico cilindros Son actuadores fundamentales en los sistemas hidráulicos. Su selección adecuada influye directamente en la compatibilidad y el rendimiento de los equipos. En los distintos entornos industriales y condiciones de trabajo, desde el mecanizado de precisión con máquinas-herramienta hasta las operaciones con maquinaria pesada de construcción, los requisitos que deben cumplir los cilindros hidráulicos varían considerablemente.
Una selección inadecuada puede provocar una baja eficiencia operativa del equipo, averías frecuentes e incluso riesgos para la seguridad. Por lo tanto, es esencial contar con un método de selección científico y sistemático. En esta guía se analizan los elementos clave y los pasos a seguir para la selección de cilindros hidráulicos, con el fin de ofrecerte una guía de selección completa y práctica.
Paso 1: Determinar la presión del sistema P
La elección de la presión depende del tamaño de la carga (F) y del tipo de equipo. También hay que tener en cuenta limitaciones como el espacio disponible para la instalación del actuador, las condiciones económicas y la disponibilidad de los componentes.
Cuando la carga es fija, una presión de trabajo baja exige unas dimensiones estructurales mayores del actuador. En algunos equipos, las dimensiones están limitadas y, desde el punto de vista del consumo de material, esto no resulta económico. Por el contrario, si la presión es demasiado alta, también aumentan los requisitos relativos a los materiales de la bomba, el cilindro y las válvulas, así como a las juntas y a la precisión de fabricación, lo que eleva inevitablemente los costes del equipo.
Directrices generales:
- Equipos fijos con menos restricciones de tamaño: seleccione una presión más baja
- Móvil Maquinaria que da prioridad a la compacidad: elija una presión más alta
Selección de la presión en función de la carga:
| Carga (kN) | Presión de diseño (MPa) |
|---|
| < 5 | 0.8-1.2 |
| 5-20 | 1.5-2.5 |
| 20-50 | 2.5-3.5 |
| 50-100 | 3.5-5 |
| > 100 | > 5 |
Presión de diseño según el tipo de equipo:
| Tipo de equipo | Presión de diseño (MPa) |
|---|
| Maquinaria agrícola | 10-16 |
| Máquina herramienta | 2.5-4 |
| Máquina de moldeo por inyección de plástico | 14-18 |
| Maquinaria minera | 21-32 |
| Maquinaria de construcción | 16-21 |
Paso 2: Selecciona el diámetro interior D y el diámetro de la varilla d
Tras seleccionar la presión de diseño (P es conocida) y conocer la magnitud de la carga (F), calcula el área de apoyo de la fuerza utilizando las fórmulas. A continuación, calcula el diámetro interior del cilindro basándote en el área de apoyo de la fuerza.
Fórmulas de la fuerza:
- Empuje (impulso): F1 = A1 × P1 × β
- Fuerza de tracción: F2 = A2 × P2 × β
Cálculos de área:
- A1: Área de presión del pistón en el lado de empuje (cm²), A1 = π/4 × D² = 0,785 × D²
- A2: Área de presión del pistón en el lado de tracción (cm²), A2 = π/4 × (D² – d²) = 0,785 × (D² – d²)
Dónde:
- D: Diámetro interior del cilindro / diámetro del pistón (cm)
- d: Diámetro del vástago del pistón (cm)
- P1: Presión de funcionamiento en el lado de empuje (kgf/cm²)
- P2: Presión de funcionamiento en el lado de succión (kgf/cm²)
- β: Tasa de carga
Notas importantes:
- El rendimiento real del cilindro es inferior al teórico
- Valor de la tasa de carga β: 80% para aplicaciones de baja inercia, 60% para aplicaciones de alta inercia
Ejemplo de cálculo
Dado que: La fuerza de salida del cilindro es de 1000 kg y la presión de funcionamiento es de 70 kgf/cm²
Solución:
- Fuerza F = 1000 kg
- Presión de funcionamiento P = 70 kgf/cm²
- Índice de carga β = 0,8
Paso 1: Calcular el área de presión
A1 = F1 / (P1 × β) = 1000 / (70 × 0,8) = 17,86 cm²
Paso 2: Calcular el diámetro interior
A1 = π/4 × D² = 0,785 × D²
D² = 17,86 / 0,785 = 22,75 cm²
D = √22,75 = 4,8 cm = 48 mm
Resultado: El diámetro interior del orificio debe ser de 50 mm
Selección del diámetro de la varilla
| Presión del sistema | Relación de diámetros de la varilla |
|---|
| P ≤ 10 MPa | d = 0,5D |
| P = de 12,5 a 20 MPa | d = 0,56 D |
| P > 20 MPa | d = 0,71 D |
Cuanto mayor es la presión, mayor debe ser la relación del diámetro de la varilla para garantizar la resistencia y la estabilidad.
Paso 3: Selecciona «Stroke S»
En función de los requisitos del diseño general del equipo o del sistema del dispositivo, determine el método de instalación y la carrera S.
Fórmula para el ictus:
S = Carrera máxima real de trabajo (Smáx) + Margen de carrera (ΔS)
Dónde: ΔS = ΔS1 + ΔS2 + ΔS3
Principios para la determinación del margen de corte:
- ΔS1: Margen de tolerancia de fabricación para las dimensiones de instalación estructural del sistema
- ΔS2: Margen de carrera útil necesario en la posición inicial de la carrera del cilindro
- ΔS3: Margen de carrera útil necesario en la posición final de la carrera del cilindro
Importante: Cuando los cilindros hidráulicos deben cumplir requisitos de amortiguación, el margen de carrera influye directamente en el rendimiento de la amortiguación. Se recomienda reducir al mínimo el margen de carrera ΔS.
Aspectos a tener en cuenta en las carreras de larga distancia: En el caso de los cilindros cuya carrera supere la máxima permitida en los catálogos de productos, se deberá realizar una verificación de la estabilidad en función de las condiciones de trabajo específicas (características de la carga, método de instalación, etc.).
Paso 4: Seleccionar el método de montaje
El método de montaje del cilindro se refiere a la forma en que el cilindro se acopla al equipo. Una vez determinado el método de montaje, comprueba las dimensiones de montaje.
Tabla comparativa de métodos de montaje
| Tipo de montaje | Aplicación | Características |
|---|
| Montaje con brida | Instalación fija, fuerza en el eje central | Opciones de bridas delanteras, traseras y de cola |
| Soporte giratorio | Trayectorias curvas, operaciones angulares | Opciones de montaje con horquilla y pasador |
| Soporte para el pie | Instalación fija, aplicación de fuerza descentrada | Opciones de apoyo para los pies: delantero, trasero y lateral |
Montaje con brida
Adecuado para instalaciones fijas en las que la fuerza que actúa y el centro de apoyo se encuentran en el mismo eje. Opciones de posición de montaje: extremo delantero, central o trasero.
- Aplicaciones de compresión (empuje): Utiliza el montaje en la brida trasera o central
- Aplicaciones de tensión (tracción): Utiliza el montaje en la brida delantera o central
Montaje en muñón
Adecuado para aplicaciones en las que la fuerza ejercida hace que el componente móvil de la máquina describa una trayectoria curva en el mismo plano de movimiento.
Fijación mediante horquilla en la cola (la más habitual):
- Horquilla simple: Para movimientos dentro de un rango de ±3° en un plano de movimiento
- Doble horquilla: Para cualquier ángulo en un plano de movimiento; se tiene en cuenta el pandeo del vástago del pistón debido a la fuerza de empuje en una carrera larga
Fijación con pasadores (delantera/central/trasera):
- Fijación con pasador central: Es la más habitual y permite mantener el equilibrio en cualquier posición entre ambos extremos.
- Fijación trasera con pasador: Similar al método de selección de horquilla doble
- Fijación con pasador delantero: Adecuado para cilindros con un diámetro de vástago más pequeño; limitar la carrera a 5 veces el diámetro del ánima.
Montaje en pie
Adecuado para instalaciones fijas en las que el plano de montaje no coincide con el eje central del cilindro. Es imprescindible garantizar el posicionamiento correcto, la fijación adecuada del componente instalado y una guía de carga adecuada para evitar una carga lateral excesiva sobre el vástago del pistón.
Paso 5: Seleccionar el margen de la posición final
Selecciona la amortiguación en ambos extremos o en un solo extremo en las siguientes condiciones:
- Cuando el pistón del cilindro recorre toda la carrera con una velocidad de retorno superior a 100 mm/s: seleccione la amortiguación en ambos extremos.
- Cuando la velocidad en un solo sentido o de retorno sea superior a 100 mm/s al acercarse al final de la carrera: seleccione la amortiguación en un solo extremo o en ambos extremos.
- Otras condiciones de trabajo específicas
Paso 6: Seleccionar el tipo de puerto y el diámetro
Tipos de puerto: Rosca interior, brida y otros tipos especiales: dependen del método de conexión de las tuberías del sistema.
Principio de selección del diámetro de los puertos: Cuando se conoce el caudal del fluido en la tubería de conexión entre el sistema y el cilindro, la velocidad del fluido a su paso por el orificio no debería superar, por regla general, los 5 m/s.
Paso 7: Cilindro con válvulas integradas
Mantenimiento de la presión: Las válvulas de corredera presentan fugas por holgura y solo pueden mantener la presión durante breves periodos de tiempo. Para cumplir los requisitos de mantenimiento de la presión, incorpore al circuito una válvula piloto-de retención.
“Soporte” del cilindro: En los cilindros hidráulicos verticales, conecte la válvula piloto-de retención al circuito de la cámara inferior para evitar el deslizamiento.
Cierre con cilindro: Cuando la válvula de dirección se encuentra en posición neutra, dos válvulas piloto-de retención se cierran herméticamente, sellando ambas cámaras del cilindro.
Paso 8: Selección de condiciones de trabajo especiales
Medio de trabajo:
- El medio habitual es el aceite mineral.
- Recomendado: Aceite hidráulico antidesgaste 32# y 46#
- Temperatura óptima del aceite: 20-55 °C
- No lo utilices a temperaturas inferiores a 15 °C ni superiores a 70 °C.
- Cambia el aceite hidráulico cada 1-6 meses y limpia el depósito de aceite
Temperatura ambiente/del medio:
- Temperatura normal del medio de trabajo: de -20 °C a +80 °C
- Fuera de este rango, hay que tener en cuenta los efectos sobre la estanqueidad, los materiales y los sistemas de refrigeración.
Alta precisión operativa:
En el caso de los sistemas servo o de presión media-alta con requisitos de presión de arranque baja, hay que tener en cuenta los efectos sobre la estanqueidad, los materiales y el diseño detallado.
Sin fugas:
En el caso de los cilindros con requisitos específicos de mantenimiento de la presión, hay que tener en cuenta los efectos sobre la estanqueidad y las propiedades de los materiales.
Entorno con vibraciones de alta frecuencia:
Tenga en cuenta los efectos sobre las propiedades de los materiales, las estructuras de unión y el diseño detallado.
Congelación a baja temperatura o entorno contaminado:
Entornos con mucho polvo, salpicaduras de agua, niebla ácida o niebla salina: ten en cuenta los efectos sobre las juntas, los materiales, el tratamiento superficial del vástago del pistón y la protección del producto.
Paso 9: Selección de la calidad del sello
En caso de condiciones de trabajo especiales, requisitos de calidad específicos o fallos en el sistema de juntas de los cilindros hidráulicos con consecuencias graves (que afecten a la seguridad, dificulten la sustitución o provoquen grandes pérdidas económicas), así como en caso de requisitos especiales para cilindros destinados a la exportación, se recomienda que los ingenieros profesionales del fabricante propongan marcas de juntas de reconocido prestigio que ofrezcan una buena intercambiabilidad y sean fáciles de adquirir, en función de las condiciones de trabajo.
Paso 10: Selección de otras características
Válvula de purga de aire: En función de la posición de trabajo del cilindro, que normalmente se fija en el punto más alto, donde el aire acaba acumulándose en la cámara final de ambas cavidades. Una vez expulsado el aire, esto evita el deslizamiento, protege las juntas y retrasa la degradación del aceite.
Orificio de fuga: En entornos de trabajo en los que esté estrictamente prohibido que se produzcan fugas de aceite al exterior, debido a la larga carrera del cilindro o a determinadas condiciones de trabajo que provoquen la acumulación de aceite detrás del retén antipolvo durante el funcionamiento, se debe instalar un orificio de purga en el punto de acumulación de aceite.
Resumen de la lista de verificación para la selección
Antes de decidirte por un cilindro hidráulico, comprueba lo siguiente:
- [ ] Presión del sistema determinada en función de la carga y del tipo de equipo
- [ ] Diámetro interior calculado a partir de los requisitos de fuerza y presión
- [ ] Diámetro de la varilla seleccionado en función de la presión de funcionamiento
- [ ] Recorrido determinado con un margen adecuado de tolerancia y posicionamiento
- [ ] Método de montaje seleccionado para su aplicación (brida/muñón/pie)
- [ ] Se selecciona el amortiguador si la velocidad del pistón supera los 100 mm/s
- [ ] Tipo y tamaño de la conexión adecuados para los requisitos de caudal
- [ ] Requisitos especiales cumplidos (temperatura, precisión, fugas)
- [ ] Calidad de las juntas adecuada a la criticidad y a la accesibilidad para el mantenimiento
Preguntas frecuentes
¿Cómo se calcula el diámetro interior de un cilindro hidráulico?
Utiliza la fórmula A1 = F / (P × β), donde F es la fuerza requerida, P es la presión de funcionamiento y β es el coeficiente de carga (normalmente 0,8 para aplicaciones de baja inercia). A continuación, calcula D a partir de A1 = 0,785 × D².
¿Cuál es la relación entre la presión y el diámetro de la varilla?
Para P ≤ 10 MPa, el diámetro de la varilla d = 0,5D; para P = 12,5-20 MPa, d = 0,56D; para P > 20 MPa, d = 0,71D.
¿Cuándo debo utilizar un amortiguador en los cilindros hidráulicos?
Seleccione la amortiguación en ambos extremos cuando la velocidad del pistón supere los 100 mm/s en ambas direcciones. Seleccione la amortiguación en un solo extremo cuando solo una de las direcciones alcance una velocidad elevada al acercarse al final de la carrera.
¿Cuál es el mejor método de montaje para un movimiento curvo?
El montaje con muñón (con horquilla o pasador) es el más adecuado para trayectorias de movimiento curvas. La horquilla simple es adecuada para movimientos dentro de un rango de ±3°; la horquilla doble permite cualquier ángulo en un plano.
¿Qué líquido hidráulico se recomienda para los cilindros hidráulicos?
Se recomienda utilizar aceite hidráulico antidesgaste 32# o 46#. La temperatura óptima de funcionamiento es de 20 a 55 °C.
Conclusión
La selección de un cilindro hidráulico requiere tener en cuenta de forma sistemática múltiples factores, entre los que se incluyen la presión, el diámetro interior, el diámetro del vástago, la carrera, el método de montaje y las condiciones de trabajo especiales. Siguiendo el proceso de selección paso a paso que se describe en esta guía, podrá garantizar una adaptación óptima entre el cilindro hidráulico y su equipo.
Una selección adecuada garantiza el rendimiento del equipo, reduce las averías y prolonga la vida útil del sistema.
