Histéresis del sello dinámico y posicionamiento de precisión

La histéresis del sello dinámico es una fricción dependiente del sentido y del historial de movimiento en un sello móvil del cilindro. Se observa cuando unas entradas mecánicas equivalentes producen una fricción o un desplazamiento diferentes después de aproximaciones desde sentidos opuestos. No es un error universal expresado en milímetros. Un experimento de 2014 con cilindros neumáticos midió bucles no lineales de fuerza-desplazamiento en el régimen de predeslizamiento con memoria no local, lo que demuestra por qué el historial de movimiento anterior debe formar parte del ensayo (Bo et al., 2014).

Los problemas de posicionamiento aparecen cuando esa fricción interactúa con la presión de las cámaras, la compresibilidad del aire, la carga, el comportamiento de la válvula, el guiado y la lógica de control. Una traza de posición por sí sola no permite identificar el origen. El diagnóstico útil consiste en un registro sincronizado de la orden, las presiones de ambas cámaras, la posición, la velocidad, la carga y el tiempo.

Puntos clave

La histéresis del sello, la fricción de arranque, la adherencia-deslizamiento y el retardo dinámico son mediciones relacionadas, pero diferentes.

Un estudio de 2026 utilizó la posición, la velocidad, las presiones de dos cámaras y la fuerza de fricción en tres cilindros.

Estime la fricción mediante un balance de fuerzas documentado y después compare condiciones equivalentes de sentido, permanencia, velocidad, presión y temperatura.

¿Qué significa realmente la histéresis del sello dinámico?

Un estudio de 2014 sobre el predeslizamiento controló las presiones de ambas cámaras y calculó la fricción a partir de la presión y del desplazamiento del pistón. Detectó un comportamiento elástico no lineal, histéresis con memoria no local y un tamaño de bucle dependiente de la presión. Por tanto, la histéresis del sello dinámico exige un ensayo declarado de fuerza-desplazamiento o de historial de fricción, y no cualquier diferencia inexplicada entre la posición ordenada y la real (Bo et al., 2014).

Es necesario definir por separado cuatro términos:

Histéresis de predeslizamiento: bucle de fuerza-desplazamiento generado por pequeños movimientos reversibles antes de que se establezca un deslizamiento sostenido.
Fricción de arranque: fuerza resistente máxima que debe superarse después de un tiempo de permanencia declarado.
Fricción en movimiento: resistencia durante un movimiento sostenido con velocidad, presión, sentido, estado de lubricación y temperatura declarados.
Adherencia-deslizamiento (stick-slip): alternancia entre adherencia y deslizamiento causada por la interacción de la fricción, la energía neumática acumulada, la carga y la dinámica del movimiento.

El retardo dinámico es otra magnitud. Es un retraso temporal o una diferencia de fase entre una orden y una respuesta medida. Pueden contribuir el caudal de la válvula, los tubos, el volumen de las cámaras, la compresibilidad del aire, los filtros de los sensores, el muestreo del controlador, la masa y la fricción. Por ejemplo, un bucle amplio entre orden y posición a alta velocidad no demuestra que el propio sello tenga una histéresis cuasiestática elevada.

El artículo sobre histéresis en el control proporcional de presión explica los bucles entre orden y presión. La guía de la curva de Stribeck en neumática aborda los mapas de fricción-velocidad. Este artículo relaciona la fricción medida del sello con el resultado final de posicionamiento sin mezclar esos ensayos.

Defina los ejes antes de identificar la avería. Un bucle de fuerza-desplazamiento, un mapa de fricción-velocidad, un bucle de orden-presión y un bucle de orden-posición pueden denominarse «histéresis», pero cada uno comprende una cadena física diferente. El par ordenado forma parte de la medición.

El balance de fuerzas que explica el error de posicionamiento inducido por la fricción

El estudio de 2026 sobre adherencia-deslizamiento estimó la fricción del cilindro a partir de las presiones de ambas cámaras, las áreas efectivas, la masa móvil y la aceleración. Los tres cilindros ensayados mostraron formas diferentes de adherencia-deslizamiento al variar el caudal, la presión, la carga y la posición inicial. El resultado respalda el cálculo de la fuerza residual en lugar de atribuir cada desviación de posicionamiento a un porcentaje genérico de fricción (Ngoc et al., 2026).

Para la extensión positiva de un cilindro convencional de doble efecto y vástago simple, un balance de fuerzas útil con presión manométrica es:

F_f = p_1 A_1 - p_2 A_2 - F_L - m a

$F_f$ es la fuerza de fricción residual con signo; $p_1$ y $p_2$ son las presiones manométricas sincronizadas de las cámaras; $A_1$ y $A_2$ son las áreas efectivas del lado de la tapa y del lado del vástago; $F_L$ es la carga externa con signo, incluida la gravedad cuando corresponda; $m$ es la masa móvil; y $a$ es la aceleración. La convención de signos debe permanecer invariable durante todo el ensayo.

A velocidad muy baja, el término inercial puede ser pequeño, pero no debe descartarse antes de comprobar los datos. La diferenciación numérica puede amplificar el ruido del encoder. El estudio de 2026 obtuvo la aceleración a partir de la posición y aplicó un filtro paso bajo fuera de línea, por lo que la resolución del sensor, la frecuencia de muestreo, el método de filtrado y el tratamiento de la fase deben figurar en el informe.

¿Por qué no puede multiplicarse simplemente la fricción por la longitud de carrera para predecir el error de posicionamiento? Porque la posición responde al balance completo de fuerzas y control. Puede expresarse una aproximación lineal local como:

\Delta x \approx \frac{\Delta F_f}{k_{\mathrm{eff}}}

$\Delta x$ es el desplazamiento local de la posición, $\Delta F_f$ es el cambio de fricción dependiente del sentido o del historial, y $k_{\mathrm{eff}}$ es la rigidez efectiva neumática, estructural, de la carga y del lazo cerrado alrededor del punto de funcionamiento. Esta aproximación solo es válida en una región pequeña donde esa rigidez combinada pueda considerarse localmente lineal.

La guía sobre el efecto de la compresibilidad del aire en el control explica por qué la rigidez neumática cambia con la presión de las cámaras, el volumen y la posición del pistón. La fricción es un término de ese sistema dependiente de la posición, no un porcentaje de la carrera total.

¿Cómo debe medirse la histéresis de fricción del sello?

ISO 10099:2001 especifica ensayos de examen final y criterios de aceptación para cilindros neumáticos de doble efecto y vástago simple. La investigación de 2026 también repitió ensayos controlados en tres cilindros. Del mismo modo, una investigación de la histéresis de posicionamiento necesita un banco, una secuencia, una regla de estabilización y un límite de seguridad explícitos antes de comparar bucles o valores de repetibilidad (ISO 10099, 2001).

Utilice un montaje de ensayo con la carga retenida y un estado seguro definido para la pérdida de alimentación eléctrica, de señal y de aire. La energía neumática almacenada puede mover el eje después de retirar la orden de la válvula. Las medidas de protección del sistema de ISO 4414 y la evaluación de riesgos de la máquina siguen siendo aplicables; el plan de medición no sustituye el resguardo ni la retención de la carga.

Registre estas señales en una misma base de tiempo:

Orden a la válvula o al regulador de presión
Presión de alimentación antes del elemento de control
Presión de la cámara del lado de la tapa
Presión de la cámara del lado del vástago
Posición en el actuador y, cuando sea pertinente, en el punto de referencia del utillaje
Velocidad y aceleración obtenidas mediante un método documentado
Carga externa o fuerza de la célula de carga
Temperatura del sello, del aire y del ambiente

A continuación, declare la configuración mecánica: diámetro interior, diámetro del vástago, carrera, posición del pistón, montaje, guiado, carga útil, centro de gravedad, tubos, racores, válvula, ajustes de control de caudal, estado del lubricante, perfil del sello y tiempo de permanencia antes del movimiento.

Un bucle de orden-posición incluye toda la cadena. La fricción del sello solo puede identificarse después de registrar los efectos de la válvula, la presión, la carga, la inercia y la medición.

Utilice dos secuencias complementarias:

Ensayo de inversión estabilizada: aplique escalones lentos equivalentes de fuerza o presión desde sentidos opuestos, utilice un criterio de permanencia declarado y examine la fricción residual o el desplazamiento dependientes del sentido.
Ensayo con el perfil de producción: reproduzca la orden, la carga útil, la velocidad y la temporización reales mientras registra el sobreimpulso, la estabilización, el sentido de aproximación y el resultado del ciclo.

En nuestra experiencia, las señales que más suelen faltar son la presión del lado del vástago y la posición en el punto de referencia del utillaje. Sin la presión del lado del vástago, la fuerza neumática opuesta se estima de forma incierta. Sin la posición del utillaje, la holgura de la guía o la flexión del dispositivo pueden confundirse con el comportamiento del sello.

La histéresis estática de predeslizamiento y el retardo dinámico son ensayos diferentes

El estudio de 2014 registró histéresis con memoria no local en datos de fuerza-desplazamiento de predeslizamiento. El estudio de 2026 siguió la alternancia entre adherencia y deslizamiento a lo largo del tiempo. Estos ensayos relacionados responden a preguntas diferentes: uno mide pequeños desplazamientos dependientes del sentido antes del deslizamiento sostenido; el otro sigue la acumulación y liberación de presión, el movimiento y los eventos repetidos de adherencia-deslizamiento (Bo et al., 2014; Ngoc et al., 2026).

Para un ensayo cuasiestático de predeslizamiento, represente la fuerza de fricción estimada frente al desplazamiento del pistón durante inversiones equivalentes. Mantenga constantes los niveles de presión, la carga, la permanencia, la temperatura y la amplitud del desplazamiento. La anchura y la forma del bucle describen esa configuración. No especifican directamente el error final de posicionamiento de una máquina controlada.

Para un ensayo dinámico, represente la orden, la presión, la posición, la velocidad y la estimación de fricción en función del tiempo. Examine también gráficos de entrada-salida equivalentes con una velocidad de variación de la orden declarada. Las rampas más rápidas pueden ensanchar un bucle por el caudal de la válvula, el llenado de las cámaras, los filtros, el muestreo y la inercia, aunque la trayectoria de fricción estabilizada no cambie.

Diagramas exclusivamente conceptuales. El bucle de la izquierda aísla la dependencia de la trayectoria durante el predeslizamiento; la traza de la derecha representa el retardo dinámico de todo el sistema.

No utilice el área del bucle como una magnitud de energía salvo que los ejes formen un par de variables conjugadas respecto al trabajo y se conserven las unidades. El área fuerza-desplazamiento puede representar el trabajo mecánico durante el ciclo declarado. El área tensión-posición u orden-posición no tiene una interpretación energética automática.

Ejecute primero el ensayo de inversión estabilizada. Así se determina si el comportamiento dependiente del sentido se mantiene después de estabilizarse las señales de presión y posición. A continuación, ejecute el perfil de producción. La diferencia entre ambos resultados muestra qué parte de la anchura del bucle procede de la dinámica del sistema dependiente de la velocidad y no de la fricción estabilizada del sello.

¿Qué señales permiten distinguir la fricción del sello de otros fallos de posicionamiento?

Parker indica que su gráfico de fricción frente a presión y velocidad solo es aplicable a un sello en una aplicación concreta. Su manual también enumera como causas de adherencia-deslizamiento la dilatación de los anillos de desgaste, la carga lateral, la pulsación de la válvula, la lubricación deficiente, las superficies deslizantes externas y la presión atrapada. Elimine las trayectorias de carga alternativas antes de atribuir el fallo a un sello (Manual de juntas tóricas de Parker, consultado en 2026).

Observación	Indicio de fricción del sello	Causa alternativa	Medición que permite diferenciarlas
Retardo antes del primer movimiento	La fricción residual aumenta hasta un pico de arranque repetible después de la permanencia	Retardo de la válvula, baja presión de pilotaje, restricción	Orden, presión de la válvula, presiones de ambas cámaras, instante del primer movimiento
Movimiento intermitente a baja velocidad	La presión aumenta durante la adherencia y disminuye o se redistribuye durante el deslizamiento	Pulsación de la válvula, ciclo límite del controlador, agarrotamiento de la guía	Presión, posición, velocidad, orden de la válvula, fuerza de la guía
Punto final diferente según el sentido de aproximación	Fuerza residual dependiente del sentido cerca del objetivo	Holgura, montaje del sensor, elasticidad del tope	Posición del utillaje, posición del cilindro, presiones de ambas cámaras, fuerza externa
El error aumenta al calentarse la máquina	El bucle de fricción cambia con la temperatura medida del sello	Deriva del sensor, deriva del regulador, dilatación del bastidor	Temperatura, referencia de posición calibrada, presión, estimación de fricción
Desgaste unilateral del sello	La fricción varía con el sentido y la orientación de la carga	Desalineación, holgura del cojinete, carga lateral	Patrón de desgaste, alineación, reacción de la guía, ensayo de fricción sin carga
Bucle amplio de orden-posición a velocidad	Puede contribuir la fricción en movimiento	Retardo del recorrido de aire, saturación de caudal, filtros, masa	Ensayo de inversión estabilizada más traza de producción temporizada

Un sello de vástago o de pistón no es la guía del cilindro. La guía sobre sellos dinámicos y estáticos distingue las interfaces de sellado, mientras que el diagnóstico de pérdidas de fuerza explica por qué las presiones de ambas cámaras deben conservarse en el balance de fuerzas.

En nuestro trabajo de revisión de fallos de posicionamiento, cambiar el material del sello antes de comprobar la alineación y la reacción de la guía suele modificar el síntoma sin identificar la trayectoria de carga. Una referencia sin carga y con alineación mecánica resulta más útil que comparar dos sellos en un eje que se agarrota.

¿Cómo modifican el resultado la permanencia, la presión, la velocidad, el sentido y la temperatura?

Un estudio de 2019 varió la sección transversal y el diámetro del sello, la presión, la velocidad y el sentido de la carrera en equipos neumáticos comerciales. La presión tuvo más influencia que la velocidad, y los sellos del pistón representaron el 90% de la fricción medida en esos montajes de ensayo. Como las variables interactuaban, ese porcentaje es específico de la configuración y no una constante universal del cilindro (Azzi et al., 2019).

Construya la matriz de ensayo en torno a las variables que pueden cambiar el contacto o el balance de fuerzas del sistema:

Permanencia: indique el tiempo de inmovilidad antes del arranque. Parker señala que una permanencia más prolongada puede expulsar el lubricante del contacto y permitir que el material se adapte más estrechamente a la superficie.
Presión: ensaye el intervalo real de presión de las cámaras, no solo la alimentación de planta. Por ejemplo, los perfiles activados por presión pueden modificar la tensión de contacto.
Velocidad: separe el arranque, el deslizamiento a baja velocidad, la inversión y la velocidad de producción. No asigne regímenes universales de Stribeck únicamente a partir de la velocidad.
Sentido: mantenga la extensión y la retracción como trazas independientes, porque las áreas efectivas, la carga de los sellos, el guiado y las fuerzas externas pueden diferir.
Temperatura: mida la temperatura del sello o de la camisa cercana en lugar de suponer que la temperatura ambiente representa el contacto deslizante.
Historial de lubricación: documente el tipo y la cantidad de grasa, la relubricación, la limpieza, la exposición a aire seco y los ciclos anteriores.
Desgaste y contaminación: repita la referencia solo después de registrar el estado del sello, los daños de la contrasuperficie, las partículas y el desgaste unilateral.

Los experimentos de 2026 también observaron que un mayor caudal de aire y una mayor presión de alimentación atenuaban gradualmente la adherencia-deslizamiento, en lugar de eliminarla en los tres cilindros ensayados. Esta es una advertencia importante para el diagnóstico. Aumentar la presión puede modificar el síntoma mientras eleva la fuerza y el consumo de aire; no demuestra que se haya resuelto el problema del sello o del control.

La guía sobre el movimiento de adherencia-deslizamiento aborda la inestabilidad general. Este artículo mantiene la variable de aceptación vinculada a la cadena de fricción y posición medida.

Estrategia de diseño y control para reducir el error limitado por la fricción

El catálogo de sellos metálicos MQQ de SMC indica, para variantes especificadas, una presión mínima de funcionamiento de 0.005 MPa y velocidades de 0.5 a 500 mm/s, con algunos valores marcados únicamente como referencia. Este es el patrón de evidencia adecuado: las afirmaciones sobre baja fricción deben corresponder a una construcción, un diámetro interior, una carga, una presión, una velocidad y unas condiciones de ensayo exactos (catálogo SMC MQQ, consultado en 2026).

Utilice una secuencia de corrección por capas:

Corrija la trayectoria de carga mecánica

Alinee el cilindro, la guía, el acoplamiento y el utillaje antes de cambiar las ganancias del controlador. Elimine las cargas laterales no previstas sobre las superficies de sellado. Mida la posición en el punto de referencia del utillaje cuando la holgura del carro, la flexión del dispositivo o el desplazamiento de la carga útil puedan mover la pieza respecto al sensor del cilindro.

Seleccione el sello como un sistema ensayado

Ajuste el perfil, el compuesto, la contrasuperficie, la ranura, la presión, la temperatura, la velocidad, la carrera, el lubricante y los controles de contaminación. «PTFE» o «poliuretano» por sí solos no especifican la fricción. El estudio de 2019 demostró que la sección transversal y el diámetro interactúan con las condiciones de funcionamiento.

Conserve el estado de lubricación previsto

Utilice el lubricante y el método de mantenimiento aprobados para el conjunto de sellos exacto. Añadir un lubricador de línea a un equipo diseñado para aire sin lubricación puede arrastrar o diluir la grasa de fábrica, mientras que hacer funcionar en seco un contacto que depende de la grasa puede aumentar la fricción de arranque y el desgaste. Siga la documentación del modelo.

Reduzca el retardo del recorrido de aire sin crear restricciones

Las líneas cortas entre válvula y cilindro reducen el volumen controlado, pero un tubo más pequeño puede restringir el caudal másico. Verifique las presiones de ambas cámaras durante el movimiento. Una traza de presión revela si el controlador está venciendo la fricción o esperando a que se acumule fuerza en la cámara.

Aplique compensación solo después de identificar el sistema

La compensación anticipada de la fricción de arranque, los observadores de fricción, la programación de ganancias, la lógica según el sentido de aproximación y el control integral pueden mejorar la respuesta. Cada método tiene límites. Una compensación excesiva puede generar sobreimpulso o ciclos límite cuando cambian la carga, la temperatura, la lubricación o el estado del sello.

En nuestra experiencia, una aproximación repetible desde un solo sentido suele ser la mejora más sencilla cuando el proceso lo permite. La máquina elimina el sentido de aproximación como variable, en lugar de pedir al controlador que invierta una trayectoria de fricción incierta cerca de la velocidad cero.

¿Cómo deben especificarse los requisitos de posicionamiento de precisión?

La ficha técnica DNCM de Festo indica una resolución de desplazamiento de 0.01 mm o mejor, una repetibilidad de punto final con parada suave inferior a 0.1 mm y una repetibilidad en posiciones intermedias de ±2 mm. Los valores describen un producto configurado, pero responden a preguntas diferentes. Por tanto, la resolución, la repetibilidad del punto final y el posicionamiento intermedio no pueden sustituirse entre sí (ficha técnica Festo DNCM).

Formule el requisito de aceptación en función del proceso:

Métrica: exactitud, repetibilidad unidireccional, repetibilidad bidireccional, resolución, sobreimpulso, tiempo de estabilización, fluctuación de velocidad o estabilidad de fuerza
Referencia: sensor del cilindro, carro, utillaje, característica de la pieza o marco metrológico externo
Posiciones objetivo: tope mecánico, punto final con parada suave o posición intermedia
Aproximación: desde un sentido o desde ambos, incluida la distancia de inversión
Condiciones: presión, carga, orientación, velocidad, permanencia, temperatura, lubricación, historial de ciclos y variación de la alimentación
Estadística: número de repeticiones, estado de calentamiento, dispersión comunicada, regla para valores atípicos e incertidumbre de medición
Resultado dinámico: perfil de la orden, sobreimpulso, banda de estabilización y tiempo de estabilización permitido
Estado de fallo: comportamiento después de la pérdida de aire, pérdida de alimentación, reinicio y parada de emergencia

La guía sobre repetibilidad y exactitud define estas métricas en detalle. Para la histéresis del sello, comunique por separado el bucle de fricción residual y el resultado de posicionamiento de la máquina. Uno documenta un mecanismo sospechoso; el otro determina si el proceso cumple los requisitos.

La especificación de compra más defendible tiene dos niveles. El nivel del actuador define el ensayo medido de fricción o arranque para la configuración exacta. El nivel de la máquina define la exactitud y la repetibilidad de la posición de la pieza con el perfil de producción. Así, un proveedor puede demostrar el componente sin dar a entender que una sola cifra de sellado garantiza el comportamiento de toda la máquina.

Preguntas frecuentes sobre la histéresis del sello dinámico: ¿qué deben medir los ingenieros?

Parker distingue la fricción de arranque de la fricción en movimiento, mientras que un estudio de 2014 sobre predeslizamiento detectó histéresis no lineal antes del movimiento sostenido. Estas preguntas frecuentes mantienen separadas cinco mediciones que suelen confundirse: el historial de fricción, la fuerza residual obtenida de la presión, la repetibilidad de posicionamiento, el comportamiento de la lubricación y la compensación del controlador. Cada respuesta presupone que se han declarado la carga, el sentido, la presión, la temperatura y el lugar de medición (Manual de juntas tóricas de Parker, consultado en 2026).

¿Una traza de posición por sí sola puede demostrar que el problema es la histéresis del sello?

No. La posición muestra el resultado, no la causa. Registre en una misma base de tiempo la orden, la presión de alimentación, las presiones de ambas cámaras, la carga y la posición del utillaje. Compare un ensayo de inversión estabilizada con el perfil de producción. El retardo de la válvula, la compresibilidad del aire, el agarrotamiento de la guía, la holgura, el movimiento del sensor y la fricción del sello pueden producir trazas de posición similares.

¿Cómo se estima la fricción de un cilindro neumático a partir de mediciones de presión?

Utilice un balance de fuerzas con signo que incluya las presiones sincronizadas de las cámaras del lado de la tapa y del vástago, sus áreas efectivas, la carga externa, la masa móvil y la aceleración. Deben documentarse la referencia de presión y el sentido positivo. A velocidad muy baja, el término inercial puede ser pequeño, pero aun así deben indicarse la diferenciación de la señal del encoder y el filtrado antes de despreciarlo.

¿Un sello de baja fricción garantiza una mayor precisión de posicionamiento?

No. Una fricción menor y más repetible puede reducir una perturbación, pero la precisión también depende de la rigidez neumática, el comportamiento de la válvula, la estrategia de control, la carga, el guiado, la estructura, el montaje del sensor y la ubicación del objetivo. Compare datos del producto exacto en condiciones pertinentes y después verifique la máquina instalada en el punto de referencia del utillaje y a la velocidad de aproximación de producción.

¿Deben ensayarse por separado la repetibilidad unidireccional y la bidireccional?

Sí. Un ensayo en un solo sentido elimina el sentido de aproximación como variable, mientras que un ensayo bidireccional revela la fricción dependiente del sentido, la holgura, la elasticidad y el comportamiento del controlador. Indique la distancia de inversión, el tiempo de permanencia, el objetivo, la carga, la presión, la velocidad, el estado de calentamiento, el número de repeticiones y la dispersión estadística comunicada para que ambos resultados sigan siendo comparables.

¿Puede la compensación por software eliminar la histéresis del sello dinámico?

La compensación puede reducir efectos de fricción predecibles, pero no puede eliminar los cambios de lubricación, desgaste y temperatura, la saturación de la válvula, las limitaciones del sensor ni el agarrotamiento mecánico. Identifique primero la trayectoria de fricción y después valide la compensación en todo el intervalo de funcionamiento permitido. Las funciones de seguridad y retención de carga deben seguir siendo independientes del controlador de precisión y de su modelo de fricción.

Histéresis del sello dinámico: cómo el desfase de la fricción afecta al posicionamiento de precisión

Jack Chen