372 oleo tema 4 cilindros hidraulicos y accionamientos oscilantes

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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.


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



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



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.



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



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.




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 .. −=



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.



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.



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



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


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


Cilindros hidráulicos y accionamientos oscilantes. Modos de fijación los Cilindros Hidráulicos.


Cilindros hidráulicos y accionamientos oscilantes. Otras Características.

Sujeciones típicas de los cilindros


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.



Retroceso

QB

AS

BQaretorcesoV =

QB

ApSretrocesoF =

Considerando que no hay perdidas en el escape.

Como se ve no afecta al retroceso la conexión

diferencial..



Conexión Diferencial

Ejemplo de conexión diferencial

sugerida en un catálogo



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.



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



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



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=



Pandeo



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



Pandeo



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).



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.



Amortiguación



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



Ejemplo de cálculo de un

cilindro ( del catálogo de

Rexroth Boch )


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



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


Puede llegar a mas de 360º de giro


Anotaciones.

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