Especifique el cilindro hidráulico correcto para el trabajo correcto

Los cilindros hidráulicos esencialmente convierten la presión y el flujo del fluido en fuerza y ​​movimiento lineal. Están disponibles en una variedad de estilos, tamaños, materiales y configuraciones. Muchos ingenieros OEM garantizan la seguridad al especificar cilindros en exceso. Pero con sistemas hidráulicos complejos, a veces menos es más. Primero identifiquemos algunos factores clave que deben tenerse en cuenta al especificar un cilindro hidráulico.

Factores de diseño de cilindros hidráulicos

Especificar un cilindro hidráulico es esencialmente un acto de equilibrio o una serie de compromisos, ya que cada factor de diseño afecta a uno o más factores de diseño. Los diseñadores deben sopesar cada efecto positivo frente a los posibles efectos negativos para lograr un rendimiento óptimo. Aquí hay una breve descripción de estos factores:

capacidad. La mayoría de los sistemas hidráulicos industriales se consideran de servicio mediano, con una presión de trabajo de 1000 psi. Los sistemas hidráulicos de servicio pesado son comunes en aplicaciones de prensas y maquinaria automotriz y pueden manejar presiones de hasta 3000 psi. Si las cargas son muy altas, se prefieren los cilindros en tándem a los diseños de cilindros de gran diámetro o de alta presión personalizados.

Toca la distancia. Los cilindros personalizados pueden tener distancias de carrera de más de 10 pies (5,05 metros), pero las clasificaciones de presión pueden ser un problema para carreras tan largas. El diámetro de la barra debe determinarse como una medida de su capacidad para manejar cargas. Si es necesario, se debe especificar la clasificación de presión para las cargas de empuje (modo de empuje). En aplicaciones horizontales comunes, el desgaste prematuro de los cojinetes de la biela puede hacer que la biela se combe en carreras largas. Si bien son posibles distancias de viaje personalizadas de más de 10 pies (3,05 m), las clasificaciones de presión pueden ser un problema.

velocidad. Cada ingeniero de aplicaciones tiene su propia definición de «sobrevelocidad». Una buena regla general es que los sellos de cilindros hidráulicos estándar pueden manejar fácilmente velocidades de hasta 3,28 pies/seg.(1 m/s). El umbral de tolerancia para un sillín estándar es de aproximadamente dos tercios de esa velocidad. Los sellos estándar de baja fricción suelen ser una mejor opción para aplicaciones de alta velocidad, pero lo que se gana en un área de rendimiento se pierde en otra. Cuanto mayor sea la velocidad del fluido, mayor será la temperatura del fluido. Por lo tanto, al optar por velocidades más altas, es esencial considerar cómo afectarán las temperaturas más altas a todo el sistema hidráulico. En algunos sistemas hidráulicos, los puertos sobredimensionados pueden eliminar las preocupaciones sobre las altas temperaturas.

la temperatura. Como se mencionó anteriormente, los cilindros hidráulicos que usan componentes estándar pueden diseñarse para cumplir con temperaturas de aplicación de hasta 500 °F (260 °C) y tan bajas como -65 °F (-54 °C). Pero la temperatura afecta los componentes de diseño «duro» y «blando» del cilindro. Esto significa que los ingenieros que diseñan aplicaciones que verán temperaturas extremas altas y/o bajas deben ser conscientes de las interdependencias de los componentes individuales para equilibrar mejor el rendimiento a corto y largo plazo. Por ejemplo, los sellos y las piezas metálicas que se usan en ambientes fríos pueden encogerse.

Estilo de instalación. Hay básicamente tres métodos de instalación. La carga, la velocidad y el movimiento del cilindro son parámetros que ayudan a determinar cuál es el mejor. Por ejemplo, los montajes fijos y de pivote absorben fuerzas en la línea central del cilindro, que es la forma preferida para que los montajes manejen el empuje o la tensión. Estos dos tipos de instalaciones normalmente pueden ser de servicio medio o pesado. Un tercer tipo de fijación soporta todo el cilindro sobre su superficie de montaje, por debajo de la línea central del cilindro, en lugar de solo absorber fuerzas a lo largo de la línea central.

Tipo J (NFPA MF1)

Tipo JB (NFPA MF5)

Tipo H (NFPA MF2)

Para montar el cilindro, la mejor práctica es utilizar una instalación que absorba las fuerzas en la línea central del cilindro. Si el vástago del pistón está sujeto principalmente a tensión (tracción), use montajes de cabecera como tipo J y tipo JB. Sin embargo, si el pistón se carga principalmente en compresión (empuje), use un montaje de tapa de extremo como el tipo H.

Varios montajes estandarizados en estos estilos brindan a los ingenieros alternativas para cumplir con los requisitos de la aplicación. Por ejemplo, los cilindros de barra de dirección NFPA se utilizan en la mayoría de los sistemas hidráulicos industriales, generalmente con cabezas de muñón y tapas de barra de dirección extendidas y/o montajes en el extremo de la cabeza;cabeza de brida;Tipo de orejeta lateral y tipo de rosca lateral;rodamiento esférico;Y tapa con diseño de horquilla fija. La mayoría de las opciones de montaje están disponibles para cilindros de simple efecto y doble vástago.

El propósito de la instalación es absorber la fuerza, estabilizar el cilindro y mejorar el rendimiento. Para varillas que se cargan principalmente por compresión (empuje), se recomienda el montaje de la tapa de extremo. Para aquellos que están en tensión (tirón), el soporte de cabecera es la primera opción. La cantidad de tensión o compresión determina el diámetro del vástago del pistón. La fuerza de tracción o empuje determina la apertura.

Cada tipo de instalación tiene sus propias ventajas y limitaciones. Por ejemplo, los muñones que se utilizan para montar cilindros pivotantes no son adecuados para cojinetes autoalineables donde el área de apoyo pequeña está a cierta distancia del muñón y la culata. Los cojinetes autoalineables introducen fuerzas de flexión que sobrecargan los pasadores de muñón.

Puede parecer que muchas aplicaciones requieren una instalación atípica, pero la mayoría se puede manejar con los estilos existentes con solo modificaciones menores, lo que simplifica el reemplazo y reduce los costos.

Otros factores relevantes a considerar al elegir un método de instalación incluyen:

El tamaño del agujero. El tamaño de los poros es función de la presión de trabajo. El empuje o tirón requerido (fuerza) determina la apertura. En el pasado, los diámetros de orificio y los tamaños de barra no estándar se usaban a menudo en equipos de acero y aluminio. Hoy en día, casi todos los requisitos industriales se pueden cumplir con componentes que cumplen con NFPA y/o ISO.

Tamaño del vástago del pistón. Los ingenieros pueden necesitar dimensiones de vástago de pistón personalizadas más que cualquier otro componente de cilindro hidráulico personalizado. Lo que ignoran es que empujar o tirar nunca es independiente de la longitud de la carrera. Una barra en compresión o tensión tiende a distribuir la fuerza en una dirección no lineal. Especificar un material costoso para la varilla, como acero inoxidable o aleado, es otro ejemplo común de ingeniería excesiva. Pero en aplicaciones extremas, puede ser necesario el cromado para mejorar la resistencia a la corrosión.

Configuración del cilindro. Para aplicaciones que requieren la misma fuerza (presión) en ambos lados del pistón, la configuración preferida es un cilindro estándar de doble efecto, que usa presión para extender y retraer el cilindro, combinado con una válvula direccional de 4 vías que dirige la presión al cilindro. cabeza o tapa final. Casi siempre es mejor que una configuración personalizada.

Los fabricantes hidráulicos experimentados están familiarizados con casi todas las configuraciones de cilindros y las consecuencias no deseadas de los componentes personalizados frente a la combinación creativa de cilindros estándar para cumplir con los requisitos de rendimiento inusuales.

Extremo del vástago/rosca del vástago. Esta es un área donde las opciones estándar son tan completas que rara vez se requiere personalización. Además, las roscas estándar pueden estar en formato imperial o métrico. Por lo general, hay cuatro estilos de extremos de varilla diferentes para cada diámetro. Incluso en los raros casos en los que parece ser necesaria una modificación, es importante considerar el impacto de la modificación en el accesorio. Las ganancias de rendimiento relativamente pequeñas que vienen con el uso de extremos de varilla estandarizados casi siempre están garantizadas por la versatilidad que viene con la estandarización.

Incluso las modificaciones modestas, como las roscas de tamaño insuficiente, pueden requerir una reducción de la potencia del cilindro y herramientas especiales para lograr pasos de rosca no estándar. Estas acciones provocan demoras, aumentan los costos y evitan que los cilindros se acoplen fácilmente con los accesorios.

Tubo de cilindro. Los bloques de cilindros estándar son lisos o cromados y pueden manejar la mayoría de las aplicaciones. El acero aleado, el acero inoxidable y el latón son comunes en aplicaciones especiales, como entornos húmedos.

Detener la tubería. La línea de aceite de tope aumenta la distancia entre el cojinete de la biela y el cojinete del pistón para reducir la carga del cojinete en el cilindro de empuje cuando el cilindro está completamente extendido. El tubo de tope es fundamental para los cilindros montados horizontalmente porque limita dónde se puede extender la varilla. En tales aplicaciones, el aumento de la distancia da como resultado una mayor estabilidad y una vida útil más larga del rodamiento.

Focas. Los fabricantes hidráulicos experimentados ofrecen sellos que son compatibles con una amplia gama de temperaturas y fluidos, y pueden ayudar con la selección de materiales de sello para cumplir con los requisitos de la aplicación.

Algunas aplicaciones requieren cilindros de tamaño, material o configuración personalizados. Sin embargo, trabajar con un fabricante experimentado de equipos hidráulicos en las primeras etapas de la fase de diseño puede ahorrarle tiempo y dinero al equipo de ingeniería y, al mismo tiempo, garantizar que el sistema final realice la tarea asignada de la manera más eficiente posible, durante el mayor tiempo posible.

Hidráulica y Neumática

Si bien los sistemas neumáticos son más simples en algunos aspectos, a menudo no pueden manejar las altas cargas y fuerzas que pueden manejar los cilindros hidráulicos. Los cilindros hidráulicos también tienen un movimiento más suave y controlado porque no tienen la acción similar a un resorte asociada con la liberación de aire presurizado. Como beneficio adicional, el sistema hidráulico puede realizar funciones auxiliares como lubricación y enfriamiento.

Sin embargo, dado que la disponibilidad de energía y medios no son factores negociables en el diseño de sistemas de energía de fluidos, se debe tener en cuenta que los sistemas neumáticos diseñados y dimensionados adecuadamente pueden lograr un mayor rendimiento sin requerir una huella compacta. La consideración adicional del diseño del cilindro está más allá del alcance de este artículo.

Si bien las normas NFPA y las pautas que cumplen con ISO son un buen punto de partida para el diseño de sistemas hidráulicos, muchas industrias tienen sus propias pautas.

Jim Hauser y Rade Knezevic con Corporación Parker Hannifin

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