Cómo dimensionar un cilindro hidráulico: diámetro, vástago y carrera

Parta de la fuerza en el punto más desfavorable: peso, rozamiento (F = μ × m × g), plano inclinado (F = m × g × (sen α + μ × cos α)), aceleración (F = m × a) y fuerzas del proceso. Con palanca, multiplique por la relación de brazos y divida entre el seno del ángulo cilindro-palanca en ambos extremos de la carrera.

Aplique un margen de 1,2 a 1,5, el alto con golpes, y divida entre el rendimiento mecánico: por el rozamiento de las juntas, un cilindro sano rinde del 85 al 95 %.

Es la presión en el puerto del cilindro con la carga en movimiento: la de tarado menos las pérdidas en válvulas y mangueras. Más presión da un cilindro menor; menos, un control más suave. La serie FDH trabaja a 160 bar (2321 psi), se prueba a 240 bar y se fabrica para 250 bar como opción.

Con F en newtons y p en N/mm² (1 bar = 0,1 N/mm²), redondee siempre al diámetro estándar superior y recalcule la fuerza real.

Toneladas-fuerza métricas (1 t = 9,81 kN), ya con el margen. Por encima de Ø200 mm, los cilindros se fabrican bajo pedido. Otros valores, en la calculadora de cilindro hidráulico.

A compresión y extendido, un vástago esbelto trabaja como una columna y puede pandear —doblarse de golpe— con mucha menos fuerza de la que rompería el acero. Lo deciden la longitud libre y la fijación.

E = 210.000 N/mm² (acero) y L es la longitud libre con el vástago fuera. K vale 2 con brida o patas y vástago libre, 1 articulado en ambos extremos, 0,7 con brida y vástago articulado y guiado, y 0,5 empotrado y guiado. F_k se divide entre 3,5, práctica habitual. La tabla da la L_k máxima con la que cada vástago FDH soporta todo el empuje del cilindro a 160 bar:

La carrera es la distancia que recorre el vástago entre la posición recogida y la extendida. Es la longitud extendida menos la recogida, medidas entre los mismos puntos: un cilindro de 850 mm recogido y 1350 mm extendido tiene 500 mm de carrera.

Parta del recorrido de la máquina y, en hidráulica, añada unos milímetros para que el émbolo no haga de tope. La longitud recogida de un cilindro de una etapa siempre supera a la carrera: compruebe que cabe.

Carrera corta y carrera larga

Un cilindro de carrera corta sujeta, bloquea o prensa en poco espacio y rara vez pandea. En carrera larga mandan el pandeo y el guiado: revise el paso 4 y valore un tubo distanciador o trabajar a tracción. La serie FDH tiene carreras estándar de 100, 200, 300, 400 y 500 mm y llega a 5000 mm; si no cabe, un cilindro telescópico da mucha carrera con poca longitud recogida.

Carrera de un cilindro neumático

Se calcula igual, pero el neumático suele trabajar de tope a tope, frenado por la amortiguación: la carrera coincide con el recorrido, y el consumo de aire crece con ella. Hay carreras estándar de 50 a 500 mm y cualquier otra bajo pedido, hasta 3000 mm en Ø32–Ø100 y 2800 mm en Ø125–Ø320.

En el retorno el aceite actúa sobre el área anular: el vástago entra más rápido y del fondo sale más aceite del que da la bomba; dimensione el retorno para ese caudal. Velocidad máxima en la serie FDH: 0,5 m/s. Un Ø80 mm que sale a 0,1 m/s pide 30,2 L/min, 8,0 kW a 160 bar; otros casos, en la calculadora de caudal hidráulico.

Si la carga describe un arco, articule el cilindro en los dos extremos; si va en línea y guiada, una brida o patas dan más rigidez. La serie FDH sigue las cotas CETOP RP 58 H: brida delantera (FFM) o trasera (RFM), horquilla trasera (RSM) o con rótula (RHM), horquilla (FSM) o rótula (FRM) en el vástago, muñón central (CTM) y patas (FMM). Monte la brida de modo que la fuerza la apriete contra la estructura. Accesorios en equipos de montaje.

Datos. Empuje de 14 t, horquilla trasera y ojo en el vástago, 2900 mm entre centros extendido, 160 bar en el cilindro, margen 1,25 y rendimiento 0,9.

1. Fuerza. 14 t = 137,29 kN; con margen, 171,62 kN; de diseño, 171,62 / 0,9 = 190,68 kN.

2 y 3. Diámetro. A = 190.685 N / 16 N/mm² = 11.918 mm², D = 123,2 mm → Ø125 mm, que empuja 196,3 kN (20,02 t).

4. Vástago. Si la compactadora se bloquea, el vástago recibe todo el empuje: se comprueba con 196,3 kN, K = 1 y L_k = 2900 mm. Ø70 mm: F_k = 290,5 kN, admisible 83,0 kN, insuficiente. Ø90 mm: F_k = 793,7 kN, admisible 226,8 kN, suficiente. Vástago de Ø90 mm.

5 y 6. Carrera y caudal. 1200 mm en 12 s: v = 100 mm/s y Q = 73,6 L/min. Mover la carga pide 124 bar y 15,3 kW. En el retorno, el vástago entra a 208 mm/s y del fondo salen 152,9 L/min.

7. Fijación. Horquilla trasera (RSM) y horquilla en el vástago (FSM), como se supuso para el pandeo.

Mismo método, con aire de 1,5 a 10 bar y tres cambios: por la compresibilidad y el rozamiento, con cargas en movimiento se aprovecha del 50 al 70 % de la fuerza teórica (en vertical, el 50 %); se calcula con la presión mínima en la máquina, normalmente 6 bar; y el consumo de aire decide el compresor.

Catálogo en kg (1 kg = 10 N). Ejemplo: una compuerta de 120 kg sube en vertical a 6 bar, 400 mm de carrera, 4 ciclos por minuto. Con factor 0,5 hacen falta 2354 N, unos 235 kg: el Ø63 mm (187 kg) no llega y el Ø80 mm (301 kg) sirve. Consumo: (5027 + 4536) mm² × 400 mm × 7,013 / 1,013 / 10⁶ = 26,5 L de aire libre por ciclo, unos 106 L/min.

Más en cilindros neumáticos, la calculadora de cilindro neumático y partes de un cilindro neumático.