Los cilindros hidráulicos son los actuadores primarios en los sistemas hidráulicos, convirtiendo la presión del fluido hidráulico en una fuerza lineal controlada y movimiento. Son omnipresentes en todas las industrias, desde excavadoras de construcción hasta robots de fabricación de precisión, debido a su capacidad para ofrecer altas relaciones fuerza-tamaño, control preciso y rendimiento confiable en condiciones adversas. Sin embargo, no todos los cilindros hidráulicos son idénticos; cada tipo está diseñado para abordar necesidades operativas específicas, como la longitud de carrera, la dirección de la fuerza, las restricciones de espacio y la accesibilidad al mantenimiento. Este artículo proporciona una visión general técnica de los tipos de cilindros hidráulicos más comunes, sus principios de diseño, características de rendimiento y aplicaciones específicas de la industria, junto con criterios de selección clave para guiar las decisiones de ingeniería y adquisición.
1. Componentes básicos del cilindro hidráulico
Antes de explorar los tipos de cilindros, es fundamental comprender los componentes principales que definen su funcionalidad. Estas piezas son consistentes en la mayoría de los diseños, aunque su configuración varía según el tipo:
| Componente | Funcionamiento | Consideraciones críticas de diseño |
|---------------------|--------------------------------------------------------------------------|------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Cilindro barril| Tubo hueco que contiene fluido hidráulico y guía el movimiento del pistón. | Material (acero al carbono para uso industrial, acero inoxidable para resistencia a la corrosión); espesor de la pared (para resistir la presión interna). |
| El pistón | Un componente cilíndrico que separa el barril en dos cámaras de fluido; convierte la presión del fluido en movimiento lineal. | Compatibilidad del sello (con fluido hidráulico); material (hierro fundido, acero o polímero para una fricción baja); diámetro (determina la fuerza de salida: * Fuerza = Presión × Área del pistón *). |
| Pistón Rod | Conecta el pistón a la carga externa; transmite el movimiento lineal fuera del barril. | Acabado superficial (Ra 0,2 - 0,8 μ m para reducir el desgaste del sello); material (acero de aleación con cromado duro para durabilidad). |
| Cabeza y Cap (Head & Cap)| Sella los extremos del barril; la "cabeza" contiene la glándula de la varilla (para el sellado de la varilla), mientras que la "cappada" es el extremo cerrado. | Colocación del puerto (para la entrada / salida de fluido); características de montaje (bridas, trunnions o clevis); integración del sello (para evitar fugas). |
| Sistema de sellado| Previene fugas de fluido entre componentes (sellos de varilla, sellos de pistón, sellos de limpiaparabrisas) y mantiene la separación de presión. | Material (nitrilo para uso general, Viton ® para altas temperaturas, PTFE para resistencia química); diseño (copas en U, juntas tóricas o sellos de labios). |
| puertos hidráulicos| Aberturas roscadas en las tapas finales para el flujo de fluido; dimensionadas para que coincida con los caudales del sistema (para minimizar la caída de presión). | tamaño del puerto (por ejemplo,½" NPT, M16x1.5); location (varies by cylinder type-single-acting vs. double-acting). |
2. Tipos principales de cilindros hidráulicos
Los cilindros hidráulicos se clasifican por su dirección de fuerza, método de construcción o diseño de carrera. A continuación se enumeran los tipos más utilizados, cada uno optimizado para aplicaciones específicas:
2.1 Cilindros de acción única (SAC)
Los cilindros de una sola acción generan fuerza en una sola dirección (típicamente extensión) utilizando presión hidráulica; la retracción depende de fuerzas externas (gravedad, peso de carga, resortes o sistemas mecánicos auxiliares).
Diseño características
- Un puerto hidráulico (en el "extremo de la tapa "); ningún puerto en el" extremo de la cabeza " (ya que la retracción no requiere fluido presurizado).
- Resorte interno opcional (para aplicaciones de carga ligera, por ejemplo, pequeños actuadores de puertas) o peso externo (para cargas pesadas, por ejemplo, Caminos de camión).
- Sistema de sellado simplificado (solo se requieren sellos de pistón; sin sello de varilla para la retracción).
Características de rendimiento
- Fuerza de salida: Limitada a la extensión (la fuerza de retracción depende de la fuerza externa de la carga / resorte).
- Costo: 30 - 50% más bajo que los cilindros de doble acción (menos componentes, diseño más simple).
- Eficiencia: Menor caída de presión (menos puertos / válvulas); ideal para aplicaciones de bajo ciclo.
Aplicaciones ideales
- Camas de camión volquete (la gravedad retrae el cilindro después de que la extensión levanta la cama).
- El vehículo se eleva (resorte o gravedad retrae el cilindro cuando se alivia la presión).
- Dispositivos de sujeción (el resorte retrae el pistón para liberar la abrazadera).
- Productos agrícolas (p. ej., Tractor arado ascensores, donde la gravedad ayuda a la retracción).
2.2 Cilindros de doble acción (DAC)
Los cilindros de doble acción generan fuerza en ambas direcciones de extensión y retracción utilizando presión hidráulica: cada carrera es impulsada por fluido presurizado.
Diseño características
- Dos puertos hidráulicos (uno en el extremo de la tapa para la extensión, uno en el extremo de la cabeza para la retracción).
- Sistema de sellado completo (los sellos de pistón separan las dos cámaras; los sellos de varilla evitan fugas durante ambos golpes).
- Diseño de pistón simétrico o asimétrico:
- Simétrico: Área de pistón igual en ambos lados (igual fuerza en extensión / retracción; retracción más lenta debido al desplazamiento de la varilla).
- Asimetría: Mayor área de pistón en el extremo de la tapa (mayor fuerza de extensión; retracción más rápida debido a un volumen de fluido más pequeño en el extremo de la cabeza).
Características de rendimiento
- Fuerza de salida: Controlable en ambas direcciones (fuerza de extensión = Presión × Área del pistón; fuerza de retracción = Presión × (Área del pistón - Área de la varilla)).
- Versatilidad: Adecuado para movimiento bidireccional de alto ciclo (por ejemplo, brazos robóticos, elevadores de transporte).
- Complejidad: Mayor que la de una sola acción (requiere una válvula direccional de 4 vías para cambiar el flujo de fluido).
Aplicaciones ideales
- Equipos de construcción (articulaciones de brazo de excavadora, extensiones de pluma de grúa - requieren un control bidireccional preciso).
- Prensas de fabricación (estampación, forja-necesidad de fuerza igual en ambas direcciones para sujetar y liberar las piezas).
- Manejo de materiales (cilindros de elevación de carretillas elevadoras, actuadores de transportadores: requieren movimiento suave y controlado hacia arriba / abajo).
- Líneas de montaje automotriz (soldadores robóticos, sistemas de posicionamiento de piezas de alto ciclo, movimiento bidireccional).
2.3 Cilindros Tie-Rod
Los cilindros de barra de amarre se definen por su método de construcción: varillas roscadas de alta resistencia (barras de amarre) sujetan la cabeza y la tapa al barril, reemplazando las juntas soldadas.
Diseño características
- 4 - 12 barras de amarre (espaciadas uniformemente alrededor del barril) aseguradas con tuercas; apretadas para precargar el barril y evitar la separación bajo presión.
- Diseño modular: Fácil de desmontar (simplemente retire las varillas de amarre) para reemplazar o mantener el sello.
- Dimensiones estandarizadas (según ISO 6022, NFPA T3.6.7) para la intercambiabilidad entre los fabricantes.
Características de rendimiento
- Clasificación de presión: Hasta 3.000 psi (207 bar) para los modelos estándar; las variantes de alta presión (hasta 5.000 psi / 345 bar) utilizan varillas de amarre más gruesas.
- Mantenimiento: Bajo costo y rápido (sin soldadura necesaria para acceder a los componentes internos).
- Tamaño: Más voluminoso que los cilindros soldados (las varillas de amarre agregan diámetro externo), limitando el uso en aplicaciones con espacio limitado.
Aplicaciones ideales
- Maquinaria industrial (prensas de fábrica, máquinas de moldeo por inyección: un mantenimiento fácil es crítico para un alto tiempo de actividad).
- Equipos estacionarios (ascensores hidráulicos, transportadores de material, sin restricciones de espacio para las barras de amarre).
- Planta de tratamiento de agua (variantes resistentes a la corrosión con varillas de acero inoxidable).
2.4 Cilindros de cuerpo
Los cilindros de cuerpo soldados (o "cilindros soldados") utilizan soldaduras permanentes para unir la cabeza y la tapa directamente al barril, eliminando las varillas de amarre.
Diseño características
- Soldaduras sin costuras de barril a tapa (generalmente soldadas TIG o MIG) para la rigidez estructural; sin sujetadores externos.
- Huella compacta (30 - 50% de diámetro exterior más pequeño que los cilindros de varilla de amarre del mismo tamaño de orificio).
- Construcción de servicio pesado: Las soldaduras distribuyen la tensión de manera uniforme, permitiendo mayores clasificaciones de presión.
Características de rendimiento
- Presión nominal: Hasta 5.000 psi (345 bar) para los modelos estándar; variantes de ultra alta presión (hasta 10.000 psi / 690 bar) para uso pesado.
- Durabilidad: Resistente a las vibraciones y choques (ideal para equipos móviles).
- Mantenimiento: Más complejo que los cilindros de barra de amarre (requiere cortar y volver a soldar para desmontar, mejor dejar a los profesionales).
Aplicaciones ideales
- Equipos móviles (excavadoras de construcción, tractores agrícolas - las limitaciones de espacio exigen un diseño compacto).
- Maquinaria fuera de carretera (camiones mineros, equipos forestales - la resistencia al choque / vibración es crítica).
- Sistemas de alta presión (equipos petrolíferos, construcciones soldadas con elevadores pesados manejan presiones extremas).
2.5 Cilindros telescópicos (cilindros multietapa)
Los cilindros telescópicos cuentan con múltiples etapas anidadas (barriles concéntricos de diámetro decreciente) que se extienden secuencialmente para entregar trazos largos a partir de una longitud compacta retraída.
Diseño características
- 2 - 6 etapas (cada etapa actúa como un pistón para la siguiente etapa más grande); la longitud retraída es del 20 - 30% de la longitud extendida.
- Single o doble acción:
- Acción única: más común (extensión por presión, retracción por gravedad / carga).
- Doble acción: rara (requiere pasajes internos de fluido en cada etapa para la presión de retracción).
- Materiales ligeros (aluminio o acero de aleación) para minimizar el peso del escenario.
Características de rendimiento
- Longitud de carrera: Hasta 10 veces más larga que los cilindros estándar (por ejemplo, 10 pies de longitud extendida desde una longitud retraída de 1 pie).
- Fuerza de salida: disminuye con cada etapa extendida (las etapas más pequeñas tienen áreas de pistón más pequeñas).
- Estabilidad: Requiere una alineación cuidadosa (las longitudes extendidas son propensas a doblarse bajo cargas laterales).
Aplicaciones ideales
- Camiones volquete (eleva la cama a 45 - 60 ° con una carrera larga desde un montaje compacto debajo de la cama).
- Puertas de cola del vehículo (se extienden para cargar / descargar artículos pesados sin rampas externas).
- Grúas de construcción (extiende secciones de pluma para alcanzar altas elevaciones).
- Pulverizadores agrícolas (extiende las plumas para cubrir las largas filas de cultivos).
Para aplicaciones de nicho que requieren capacidades únicas de movimiento o fuerza, los cilindros especializados están diseñados para satisfacer necesidades específicas:
3.1 Cilindros de ram (Ram Cylinders)
- diseño: Utiliza un émbolo sólido y de gran diámetro (en lugar de un pistón) sin sello de pistón; la fuerza se genera solo en la extensión (retracción a través de carga externa).
- Característica clave: Capacidad de carga excepcional (hasta 200 toneladas) debido a la gran área del émbolo.
- Aplicaciones: Jacking de puentes, prensado de concreto, soporte de maquinaria pesada.
3.2 Actuadores rotativos (cilindros hidráulicos rotativos)
- Diseño: Convierte la presión hidráulica en movimiento de rotación (en lugar de lineal) a través de un mecanismo de engranaje o paleta.
- Características clave: Rotación limitada (90 - 360 °) con alta salida de par.
- Aplicaciones: Accionamiento de válvulas (tubos de petróleo / gas), articulaciones de brazo robótico, cambios de dirección del transportador.
3.3 Cilindros diferenciales
- Diseño: El área asimétrica del pistón / varilla crea diferentes velocidades de carrera (retracción más rápida, extensión más lenta) con el mismo caudal de fluido.
- Característica clave: Optimiza el tiempo de ciclo para aplicaciones de alto rendimiento.
- Aplicaciones: Maquinaria de embalaje, líneas de montaje automatizadas, manipulación de materiales.
3.4 Cilindros de pistón hueco
- Diseño: El pistón y la varilla cuentan con un orificio central para el paso de fluido o cable (por ejemplo, alimentación de refrigerante a una herramienta o enrutamiento de cables a través del cilindro).
- Características clave: Integra funciones secundarias sin mangueras / cables externos.
- Aplicaciones: Máquinas de corte de metal, herramientas de soldadura robóticas, equipos médicos.
4. Aplicaciones específicas de la industria de cilindros hidráulicos
La selección de cilindros hidráulicos está fuertemente influenciada por los requisitos de la industria: a continuación se presentan los casos de uso comunes en los sectores clave:
| Industria | Tipo típico de cilindro | Ejemplos de aplicación |
|------------------------|--------------------------------------|---------------------------------------------------------------------------------------|
| Construcción | Soldado, de doble acción, telescópico | Elevadores de brazos de excavadora, extensiones de pluma de grúa, ajustes de cuchillas de excavadoras. |
| manufactura | Tie-rod, de doble acción, diferencial| Abrazaderas de máquina de moldeo por inyección, prensas de estampado de metal, brazos de montaje robótico. |
| Agricultura | Acción única, soldada, telescópica | Elevadores de arado del tractor, ajustes de cabezal de cosechadora, extensiones de pluma de pulverización. |
| Automóvicos | Doble acción, soldado compacto | Sistemas de suspensión del vehículo, pinzas de freno, actuadores de elevadora. |
| Petróleo y gas | Soldado a alta presión, émbolo | Prueba de presión de cabeza de pozo, actuación de válvula de tubería, equipos de fracking. |
| Marines | Acero inoxidable Tie-rod / Soldado | Sistemas de dirección de buques, actuadores de escotillas, cilindros de cabrestante (resistencia a la corrosión). |
5. Criterios clave para la selección de cilindros hidráulicos
Para elegir el cilindro adecuado para su aplicación, evalúe estos factores técnicos y operativos:
5.1 Requisitos de fuerza y presión
- Calcule la fuerza requerida usando * Fuerza = Presión del sistema × Área del pistón * (segúrese de que la presión nominal del cilindro exceda la presión del sistema en un 10 - 20% para seguridad).
- Para el movimiento bidireccional, dar prioridad a los cilindros de doble acción; para el movimiento unidireccional, los cilindros de acción única o de émbolo son más rentables.
5.2 Stroke Length y restricciones de espacio
- Los cilindros estándar (soldados) funcionan para trazos cortos a moderados (0,5 - 6 pies); se requieren cilindros telescópicos para trazos largos (6 + pies) en espacios estrechos.
- Los cilindros soldados se prefieren para equipos móviles con espacio limitado; los cilindros de barra de amarre son mejores para aplicaciones estacionarias sin límites de tamaño.
5.3 Estilo de montaje
- Elija un diseño de montaje que se alinee con la dirección de carga y la geometría de la máquina:
- Monte Clevis: Para movimiento pivotante (por ejemplo, Excavadoras de armas).
- Montaje de brida: Para aplicaciones estacionarias de alta fuerza (por ejemplo, prensa).
- Montado de trunnion: para montaje en medio del cilindro (por ejemplo, crane booms).
- Montado para pie: Para cargas verticales (por ejemplo, ascensor).
5.4 Ambiente Operativo
- Corrosión: Utilice cilindros de acero inoxidable (AISI 316) para aplicaciones marinas, químicas o de procesamiento de alimentos.
- Temperatura: Seleccione los sellos Viton ® para altas temperaturas (> 120 ° C / 248 ° F) o nitril de baja temperatura para ambientes fríos (< -20 ° C / -4 ° F).
- Contaminación: Agregue sellos de limpiadores y botas de polvo para entornos sucios (construcción, minería).
5.5 Mantenimiento e intercambiabilidad
- Los cilindros de varilla de amarre son ideales para aplicaciones que requieren el reemplazo frecuente del sello (fácil desmontaje).
- Los cilindros soldados son mejores para necesidades de bajo mantenimiento y alta confiabilidad (sin varillas de amarre que se aflojen).
- Elija cilindros estandarizados ISO / NFPA para la intercambiabilidad (reduce el tiempo de inactividad si se necesita reemplazar).
