Flujo estrangulado en puertos de cilindros de alta velocidad

El flujo estrangulado en los puertos de cilindros de alta velocidad es un límite local de caudal másico en el paso efectivo más pequeño del trayecto de aire activo. No es un límite de velocidad permanente para todo el cilindro. Durante la extensión, la garganta que controla el caudal puede encontrarse en la válvula de alimentación, el racor, el regulador de caudal, el puerto del cilindro, el trayecto de retorno o el silenciador de escape. Su ubicación puede cambiar durante la carrera y según la dirección de flujo activa. Por tanto, el diagnóstico dinámico requiere medir la presión en los límites pertinentes, no basarse en una única lectura estática del regulador. Asigne las presiones aguas arriba y aguas abajo de cada restricción, convierta ambas a presión absoluta y compare la demanda de carrera medida con los datos de caudal ensayados. Así se distingue el estrangulamiento sónico de una pérdida de presión ordinaria, una capacidad insuficiente de la válvula, la amortiguación y la carga mecánica.

Puntos clave

El aire seco ideal alcanza su límite sónico cerca de una relación de presión absoluta de 0.528.

Una menor presión aguas abajo no puede aumentar el caudal una vez producido el estrangulamiento, pero una mayor presión total aguas arriba sí puede hacerlo.

El tamaño de la rosca del puerto no revela la garganta interna más pequeña.

Ensaye por separado los trayectos de alimentación y escape durante la carrera real.

¿Por qué se estrangula el flujo en un puerto de cilindro?

La derivación de flujo compresible de la NASA alcanza el caudal másico máximo a Mach 1. Con una relación de calores específicos de 1.4 para aire seco ideal, la relación correspondiente entre la presión absoluta aguas abajo y aguas arriba es de aproximadamente 0.528 (NASA Glenn Research Center, 2021, consultado en 2026). El puerto es solo una de las posibles gargantas de control del trayecto activo.

Para un gas ideal, el límite sónico es:

\left(\frac{p_2}{p_1}\right)_* = \left(\frac{2}{\gamma + 1}\right)^{\frac{\gamma}{\gamma - 1}}

Aquí, $p_1$ es la presión absoluta aguas arriba, $p_2$ es la presión absoluta aguas abajo y $\gamma$ es la relación de calores específicos. Con $\gamma = 1.4$ , el resultado es aproximadamente 0.528. La expresión inversa, $p_1/p_2 \approx 1.89$ , es matemáticamente equivalente, pero solo cuando se utilizan las mismas ubicaciones y presiones absolutas.

El estrangulamiento significa que seguir reduciendo $p_2$ no puede aumentar el caudal másico a través de la misma garganta con el mismo estado aguas arriba. No significa que la presión aguas arriba haya dejado de influir. La relación ideal de flujo estrangulado de la NASA es:

\dot{m}_* = A_t p_0 \sqrt{\frac{\gamma}{R T_0}}\left(\frac{2}{\gamma + 1}\right)^{\frac{\gamma + 1}{2(\gamma - 1)}}

$\dot{m}_*$ es el caudal másico estrangulado, $A_t$ es el área efectiva de la garganta, $p_0$ y $T_0$ son la presión y la temperatura totales aguas arriba, y $R$ es la constante del gas. Un paso real también requiere una corrección mediante el coeficiente de descarga o la conductancia ensayada. La ecuación muestra por qué una mayor presión absoluta aguas arriba puede elevar el caudal másico estrangulado, aunque una menor contrapresión no pueda hacerlo.

ISO 6358-1 define los ensayos en régimen estacionario de componentes neumáticos con pasos internos fijos o variables y especifica cómo se declaran sus características de caudal. Los cilindros completos están excluidos (ISO 6358-1, 2013, confirmada en 2022). Aplique los datos ensayados a cada restricción y valide después el conjunto en movimiento.

¿Por qué el tamaño de la rosca del puerto no demuestra la capacidad de caudal?

Los datos de SMC indican que los reguladores de caudal AS2000-02 y AS3000-02 tienen un puerto de 1/4 de pulgada, pero sus valores de conductancia sónica en flujo libre son 0.94 y 2.3 dm³/(s·bar) (SMC Series AS, consultado en 2026). El valor mayor es aproximadamente 2.45 veces el menor pese a que el tamaño de rosca es idéntico.

El tamaño de rosca describe la interfaz de conexión. El flujo aún debe atravesar los pasos internos de los conectores, codos, aberturas de aguja, elementos antirretorno, ventanas de válvula, galerías mecanizadas y cuerpos del cilindro. El paso con el área efectiva más pequeña controla el límite sónico. Instalar un tubo mayor no permite recuperar la capacidad perdida en una garganta interna más pequeña. La conductancia también puede variar según la dirección. Los datos representativos del AS2000-02 de SMC indican 0.94 dm³/(s·bar) para flujo libre y 0.7 dm³/(s·bar) para flujo regulado. Un circuito de regulación a la salida restringe deliberadamente el escape, mientras que el paso antirretorno permite una entrada más libre. Registre tanto la dirección del movimiento como la dirección activa de cada componente.

Mida el par de presiones a ambos lados de cada restricción activa. Un cilindro no tiene una relación de estrangulamiento permanente.

¿Qué caudal exige el tiempo de carrera objetivo?

La herramienta de dimensionamiento de cilindros de Parker calcula el caudal necesario para alcanzar la velocidad del cilindro a partir de la geometría del actuador y el tiempo de movimiento (Parker Hannifin Cylinder Sizing Tools). Los datos de entrada son el diámetro interior, el diámetro del vástago y la carrera. La temporización en cada dirección completa el requisito de movimiento. Determine la demanda antes de decidir si el puerto u otro elemento del trayecto de aire tiene capacidad insuficiente.

Comience por el área del pistón y el volumen desplazado para la extensión por el lado de la tapa:

A_p = \frac{\pi D^2}{4}, \qquad Q_{\mathrm{chamber}} = \frac{A_p L}{t}

$A_p$ representa el área del pistón. El diámetro interior es $D$ y la carrera es $L$ ; al dividir el volumen desplazado entre el tiempo objetivo $t$ se obtiene $Q_{\mathrm{chamber}}$ . Este promedio excluye los transitorios de aceleración y amortiguación. Considere por separado las fugas, la temporización de la válvula y la variación de presión en la cámara.

Convierta el caudal de la cámara en una demanda aproximada de aire de referencia solo después de definir la presión y la temperatura:

Q_N \approx Q_{\mathrm{chamber}}\frac{p_{\mathrm{chamber,abs}}}{p_N}\frac{T_N}{T_{\mathrm{chamber}}}

$Q_N$ es el caudal en condiciones de referencia. El par $p_N$ y $T_N$ define ese estado de referencia; la presión de la cámara sigue siendo absoluta. Las atmósferas de referencia de los catálogos varían, por lo que deben conservarse las unidades y condiciones declaradas por el proveedor. Un diámetro interior de 63 mm que recorre 200 mm desplaza aproximadamente 0.623 L. El objetivo de 0.20 s exige alrededor de 3.12 L/s de volumen medio en la cámara. Suponiendo una presión absoluta de 7 bar en la cámara y la misma temperatura de referencia, la demanda simplificada de aire de referencia es de aproximadamente 1,309 L/min. Este es un ejemplo de demanda, no una aprobación de la válvula. Utilice la calculadora de caudal necesario para cilindros para comparar extensión y retracción antes de seleccionar los componentes.

¿Cómo se mide el estrangulamiento durante una carrera de alta velocidad?

Los límites publicados por SMC son de 750 a 2500 mm/s para la serie CM2-X3423 y de 500 a 2500 mm/s para CQ2-X3423, restringidos a los diámetros, carreras, cargas, amortiguadores y condiciones de funcionamiento indicados (SMC CM2/CQ2-X3423, consultado en 2026). Por tanto, la alta velocidad es un rango operativo específico de cada modelo, no un umbral universal.

Cilindro neumático ISO 6431 con dos puertos de trabajo utilizado para planificar mediciones dinámicas de presión.

Según nuestra experiencia, el ensayo que aporta más información sincroniza en una misma base temporal la presión de entrada de la válvula, las presiones de ambos puertos, la orden de la válvula y la posición del pistón. Un manómetro estático puede mantenerse estable mientras la rama activa pierde presión durante milisegundos. Adapte la respuesta del sensor y la frecuencia de muestreo al evento.

Realice el ensayo en este orden:

Confirme el cilindro, la válvula, el regulador, los racores, el tubo, el silenciador y la orientación de montaje exactos.
Mida la presión de alimentación en la entrada de la válvula durante la peor carga compartida razonablemente previsible.
Instale sensores de presión cerca de ambos puertos del cilindro sin crear una nueva rama restrictiva.
Registre el primer ciclo después del acondicionamiento térmico en frío o en caliente pertinente y, a continuación, ciclos de producción repetidos.
Registre la temporización de la orden y el movimiento real del pistón en la misma base temporal.
Convierta a unidades absolutas toda presión utilizada en una relación.
Evalúe por separado los trayectos de alimentación y escape para la extensión y la retracción.

No diagnostique el estrangulamiento únicamente por el ruido. Una estrangulación normal o una fuga pueden producir un silbido, al igual que un silenciador o un regulador de caudal ajustado deliberadamente. Del mismo modo, una meseta de velocidad puede deberse a la amortiguación, un margen de fuerza insuficiente, cargas laterales, un retardo de conmutación de la válvula o la lógica de control. Consulte la guía sobre velocidad del cilindro y flujo estrangulado para conocer la relación completa entre demanda y movimiento.

Separación de las restricciones de alimentación y escape

ISO 6358-3 proporciona métodos para conjuntos instalados que permiten estimar el caudal en régimen estacionario a partir de datos conocidos de los componentes y las tuberías (ISO 6358-3, 2014, confirmada en 2025). Abarca el comportamiento subsónico y estrangulado. Esta perspectiva del sistema explica por qué una sola relación de presiones no puede identificar qué elemento controla un cilindro en movimiento.

Los trayectos de alimentación y escape funcionan simultáneamente durante la extensión. La presión aguas arriba se encuentra antes de una restricción de alimentación y la presión aguas abajo, después de ella. Para una restricción de escape, la cámara del cilindro pasa a ser el punto aguas arriba y la salida de descarga actúa como punto aguas abajo. Estas funciones se invierten durante la retracción.

Observación dinámica	Rama más probable	Siguiente medición
La presión de entrada de la válvula cae en ambas direcciones	Alimentación compartida, regulador, colector o línea principal	Mida aguas arriba de cada elemento compartido bajo carga
La entrada de la válvula permanece estable, pero la presión del cilindro en el lado de alimentación aumenta lentamente	Trayecto de la válvula, racor, tubo, regulador o entrada del cilindro	Mida antes y después de cada restricción sospechosa
La presión de la cámara de entrada es adecuada, pero la cámara opuesta mantiene presión	Trayecto de escape de la válvula, regulador, silenciador o descarga obstruida	Mida simultáneamente las presiones de la cámara y del escape
Una dirección es lenta y la otra normal	Trayecto de válvula, elemento antirretorno, tubo o puerto específico de una dirección	Compare los dos trayectos activos y las direcciones de los componentes
La traza de presión es correcta, pero el movimiento se ralentiza cerca del final	Amortiguación, carga, alineación o fricción mecánica	Revise el ajuste de la amortiguación, el margen de fuerza, las guías y la carga lateral

Considere 0.528 como una relación de evaluación inicial. No demuestra que un componente de catálogo tenga esa relación crítica. Utilice en su lugar los valores publicados por el proveedor. Deben indicar la conductancia sónica $C$ y la relación crítica de presión $b$ , como se explica en la guía de conductancia sónica. Esa guía también diferencia $C$ y $b$ de la rosca del puerto y el Cv.

¿Qué cambios aumentan realmente la velocidad del cilindro?

El caudal másico estrangulado es proporcional al área efectiva de la garganta y a la presión total aguas arriba. La temperatura total actúa de otra manera: el caudal varía de forma inversamente proporcional a su raíz cuadrada (NASA Glenn Research Center, 2021). Una modificación solo resulta útil cuando cambia la restricción de control o reduce el caudal necesario para el movimiento.

Ensayar un solo cambio cada vez permite conservar la relación de causa y efecto.

Cambio	Cuándo puede resultar útil	Qué debe volver a comprobarse
Válvula o colector de mayor conductancia	El trayecto de la válvula genera la mayor caída dinámica de presión	Tiempo de conmutación, capacidad de escape, tensión, estado de fallo y homologaciones
Tubo de mayor diámetro o menor longitud	El tubo y los racores dominan la pérdida	Radio de curvatura, paso interno del racor, volumen de respuesta, tendido y movimiento
Regulador de caudal de mayor capacidad	El regulador es la garganta de control	Estabilidad de la regulación a la salida, embalamiento de la carga, energía de amortiguación y velocidad segura
Silenciador limpio o de mayor capacidad	La contrapresión de escape aumenta durante el movimiento	Objetivo de ruido, origen de la contaminación, dirección de descarga e intervalo de mantenimiento
Válvula de escape rápido cerca del cilindro	Un trayecto de retorno largo limita el escape	Comportamiento de parada, presión residual, ruido, protecciones y aislamiento seguro
Opción de puerto de cilindro mayor	Se ha demostrado que la galería de entrada del cilindro es limitante	Modelo de cilindro, dimensiones, resistencia, disponibilidad y código de sustitución
Tiempo de carrera mayor	El caudal necesario supera la capacidad práctica de los componentes	Ritmo de producción, perfil de fuerza, secuencia de control y carga térmica

Aumentar la presión del regulador no es una solución neutra. Puede elevar el caudal másico estrangulado, pero también modifica la fuerza del cilindro, la energía almacenada, el consumo de aire, la carga sobre las juntas y la demanda de escape. Manténgase dentro de la presión nominal de todos los componentes y vuelva a validar la evaluación de riesgos de la máquina.

HerramientaVálvulas y caudalCalculadora de caudal por orificioEstime si una restricción circular conocida funciona en régimen subcrítico o estrangulado a partir de su diámetro, el par de presiones, la temperatura y el coeficiente de descarga.Caudal de gas = Cd x área x función de flujo compresiblediámetro del orificiopresión aguas arribapresión aguas abajotemperatura del aireAbrir calculadora

Ensayo de aceptación a nivel de puerto

Una modificación de 2026 de ISO 6358-1 aborda específicamente la evaluación de la incertidumbre de medición (ISO 6358-1:2013/Amd 2:2026, 2026). Del mismo modo, un registro de aceptación de la máquina debe identificar el rango, la precisión y la respuesta de los sensores, la frecuencia de muestreo, las ubicaciones, las condiciones de referencia y la incertidumbre calculada, en lugar de indicar una única relación de presiones sin cualificar.

Utilice la matriz siguiente con la carga de producción prevista:

Estado del ensayo	Condición eléctrica y neumática	Evidencia requerida	Decisión de aceptación
Identidad	Cilindro, válvula, regulador, tubo, racores y silenciador exactos del pedido	Códigos de pieza y fichas técnicas vigentes	El trayecto instalado coincide con el diseño aprobado
Arranque en frío	Temperatura ambiente válida mínima y primera orden	Presiones, orden, posición y tiempo de carrera sincronizados	Carrera completa sin movimiento inestable
Régimen estabilizado	Frecuencia de ciclo normal después de la estabilización térmica	Trazas de presión y temperaturas repetibles	Sin deriva progresiva de la temporización ni de la presión
Demanda compartida	Peor carga razonablemente previsible de máquinas vecinas	Trazas de entrada de la válvula y de los puertos del cilindro	La alimentación se mantiene dentro del límite aprobado
Extensión	Llenado por el lado de la tapa y escape por el lado del vástago	Relaciones locales de presión absoluta para cada restricción sospechosa	Rama de control identificada o descartada
Retracción	Llenado por el lado del vástago y escape por el lado de la tapa	Mismas mediciones con la dirección de flujo invertida	Capacidad específica de la dirección verificada
Prueba del escape	Referencia limpia y condición de servicio definida	Traza del silenciador y de la contrapresión de escape	El límite de mantenimiento dispone de evidencia medible
Repetición	Número de ciclos y carga útil acordados	Carreras fallidas, tiempo medio, variación y conservación de trazas	Los criterios de aceptación siguen cumpliéndose

No establezca «ausencia de estrangulamiento en cualquier punto» como objetivo de aceptación. Un trayecto de regulación a la salida restringido deliberadamente puede funcionar cerca de su límite de caudal y aun así producir un movimiento estable y seguro. El requisito útil es que cada trayecto activo proporcione el tiempo de carrera, el margen de fuerza, la temperatura, la repetibilidad y el comportamiento ante fallos especificados dentro de los valores nominales publicados.

¿Qué debe incluir una solicitud de cotización para un puerto de cilindro de alta velocidad?

SMC indica para los modelos de la serie AS una capacidad representativa de 340 a 2,840 L/min (ANR) en las condiciones declaradas en el catálogo (SMC Series AS, consultado en 2026). Varios tienen la misma designación de puerto de 1/4 de pulgada. Una solicitud de cotización que solo indique el tamaño de rosca deja sin definir la capacidad de caudal decisiva.

Envíe al proveedor:

código completo del cilindro y diámetro interior;
diámetro del vástago, carrera, tipo de amortiguación, montaje, orientación, carga útil, guías externas, geometría de la carga en voladizo, aceleración prevista, riesgo de agarrotamiento y cualquier problema de vibración o repetibilidad que pueda modificar la traza de movimiento;
tiempos objetivo en cada dirección, permanencia y frecuencia de ciclo;
presión dinámica mínima en la entrada de la válvula;
presión máxima permitida para cada componente instalado;
códigos de la válvula, el colector, el regulador, los racores, el tubo y el silenciador, incluida la dirección de flujo activa a través de cada uno;
temporización de la orden eléctrica cuando la respuesta de la válvula afecte al resultado;
caudal necesario con las unidades de referencia y la atmósfera indicadas;
trazas sincronizadas de extensión y retracción para la entrada de la válvula, ambos puertos, la orden y la posición;
límites ambientales y requisitos de calidad del aire;
$C$ , $b$ bidireccionales o datos de caudal ensayados equivalentes;
contrapresión de escape admisible, ruido, exposición a contaminación y acceso para mantenimiento;
límites medibles de tiempo de carrera, variación, presión, temperatura, fugas y comportamiento ante fallos;
homologaciones aplicables de seguridad de máquinas y medioambientales.

Exija los códigos exactos del pedido y las revisiones de los documentos. La documentación de respuesta también debe identificar las condiciones de ensayo, la dirección de flujo, la atmósfera de referencia y la tolerancia; a continuación, compárela con la guía de dimensionamiento de válvulas neumáticas de control de caudal y la guía de selección de caudal frente a presión.

Preguntas frecuentes sobre puertos de cilindros de alta velocidad

La NASA establece el caudal másico ideal máximo a Mach 1. ISO 6358 distingue las características ensayadas de los componentes del comportamiento del cilindro completo. Los datos de SMC confirman que puertos idénticos pueden tener conductancias diferentes; por tanto, estas cinco respuestas diferencian el criterio simplificado de relación de presiones ideal de las mediciones en el trayecto instalado y de la evidencia de aceptación específica del modelo.

¿El flujo estrangulado detiene cualquier aumento adicional del caudal en el puerto del cilindro?

No. El estrangulamiento impide que una menor presión aguas abajo aumente el caudal a través de la misma garganta cuando el estado aguas arriba y el área efectiva permanecen sin cambios. Una mayor presión total aguas arriba o una mayor área efectiva aún pueden elevar el caudal estrangulado. Mantenga cualquier cambio dentro de los límites validados de los componentes y de la seguridad de la máquina.

¿Debe utilizarse presión manométrica para la relación de flujo estrangulado de 0.528?

No. Utilice presión absoluta a ambos lados de la restricción. Las lecturas manométricas omiten la presión atmosférica y pueden clasificar incorrectamente el régimen de flujo. Considere 0.528 como un criterio de evaluación inicial. Para componentes reales, utilice los datos de relación crítica de presión publicados por el fabricante para la dirección de flujo y las condiciones de ensayo indicadas.

¿Puedo diagnosticar un puerto restringido únicamente a partir de la velocidad del cilindro?

No. La velocidad puede estabilizarse por una capacidad limitada de la válvula, contrapresión de escape, amortiguación, un margen de fuerza insuficiente, fricción, conmutación retardada o temporización del control. Registre conjuntamente la orden, el movimiento y tres señales de presión. Compare las relaciones locales y las caídas dinámicas en las restricciones sospechosas.

¿Una rosca de puerto de cilindro mayor siempre aumenta la velocidad?

No. El tamaño de rosca solo identifica la interfaz de conexión. Las correderas de la válvula, las agujas de los reguladores, los pasos internos de los racores, las galerías internas y los silenciadores aún pueden constituir el área efectiva más pequeña del trayecto activo. SMC indica valores de conductancia diferentes para un mismo tamaño de puerto, por lo que deben compararse los datos de ensayo bidireccionales.

¿El estrangulamiento del escape es diferente del estrangulamiento de la alimentación?

La física es la misma, pero las ubicaciones de presión son diferentes. Durante la extensión, la cámara del lado del vástago está aguas arriba de sus restricciones de escape y la cámara del lado de la tapa está aguas abajo del trayecto de alimentación. Estas funciones se invierten durante la retracción. Ensaye ambas direcciones, ya que solo uno de los trayectos puede ser limitante.

Análisis del flujo estrangulado en los puertos de cilindros de alta velocidad

Jack Chen