Cilindros Neumáticos

Objetivo:

Dar a conocer la información básica de los "Cilindros Neumáticos", de manera que cualquier lector, con o sin conocimientos de este tema, los adquiera de una manera sencilla y fácil.

Introducción: 

Un cilindro neumático es un actuado neumático lineal, y este pude ser de simple efecto o de doble efecto.

Cilindros Neumático de simple efecto: Este tipo de cilindros realizan el trabajo en un solo sentido. El émbolo se regresa por medio de un resorte interno o por algún otro medio externo como cargas, movimientos mecánicos, etc. El cilindro puede ser de tipo “normalmente dentro” o “normalmente fuera”.

Cilindros Neumáticos de doble efecto: Son aquellos cilindros que realizan tanto su carrera de avance como la de retroceso por medio de aire comprimido.

Estos componentes neumáticos son utilizados en las industrias para diversos procesos de la producción de las industrias.

Funcionamiento de un cilindro neumático.

Un cilindro neumático funciona por aire comprimido, este genera una presión en una área determinada. La función principal de un cilindro neumático es convertir la energía neumática de presión en energía mecánica para realizar un proceso automatizado. Este recibe la orden de accionarse por medio de una válvula neumática o electromagnética, las cuales son las que permiten o niegan el paso del aire comprimido. 

¿Qué factores tomar en cuenta al utilizar un cilindro neumático?

Al utilizar un cilindro neumático primero se debe elegir el cilindro que mejor se acomode según las necesidades que se requiera, ya que no todos los cilindros neumáticos son iguales y esto depende de cinco factores: 

1. La fuerza que se genera al avanzar y retroceder el vástago.
2. La distancia que recorre el vástago.
3. La velocidad de entrada y salida máxima de vástago.
4. El rango de presiones en que puede trabajar el cilindro referente a la presión de trabajo de las dos cámaras.
5. La gran mayoría de los cilindros tienen carios tipos de sujeciones (esto es algo auxiliar al propio cilindro y puede ser de libre elección).

¿Problemas que se pueden encontrar con un cilindro neumático?

Cuando utilizamos un cilindro y este no avanza o no realiza la acción programada en el sistema o circuito neumático, entonces nos encontramos con una falla y algunas de las causas podrían ser:

• Atoramiento externo.
• Fugas internas.
• Falta de aire.
• No hay presión suficiente.
• Fugas externas.
• Válvulas de mando no accionan.
• Válvulas de mando dañada o defectuosa.

Tipos de cilindros neumáticos y su simbología

De simple efecto retorno por muelle: se utilizan principalmente como cilindros de sujeción de piezas y bloqueo de elementos mecánicos.

De simple efecto retorno por fuerza externa:  solo se pueden utilizar en aquellos casos en los cuales la carga empuje hacia atrás al cilindro. 

De doble efecto: pueden realizar el trabajo en ambas direcciones porque se les aplica la presión en ambas caras del émbolo.

De doble efecto con amortiguador: se utilizan cuando la masa que traslada el cilindro son muy grandes, para evitar un choque y daños se utiliza un sistema amortiguador.

                                                                                                                                                                     Símbolo 

De doble efecto con doble vástago: Tienen vástagos por las dos partes del émbolo. Se utilizar cuando se quiere realizar trabajo en las dos direcciones, la carga se puede colocar en uno de los vástagos o en ambos.

De simple efecto telescópico: se caracterizan por conseguir largas carreras utilizando una camisa relativamente corta pudiendo se estos cilindros de doble efecto y simple efecto.

• Simple efecto: el cilindro sale cuando se aplica presión y el retroceso normalmente es por fuerza externa.
• De doble efecto: El avance como el retroceso es mediante aire.

Simple efecto                    Doble efecto

                 

Lineal sin vástago: son cilindros compactos con guía o sin guía, con acoplamientos mecánicos con posibilidades optimizadas de fijación para el montaje sencillo.

Accionador angular o actuadores de paleta de giro limitado: realizan un movimiento de giro que rara vez supera los 270°, tienen unos topes mecánicos que permiten la regulación del giro.

Motor neumático de un solo sentido de giro: son motores que solo van en un solo sentido.

Motor neumático con dos sentidos de giro: son motores que pueden ir en dos sentidos.

Partes de un cilindro neumáticos

Construcción de un cilindro neumático

El cilindro de émbolo se compone de: tubo, tapa posterior (fondo) y tapa anterior con cojinete y aro rascador, además de piezas de unión y juntas. Cuando el cilindro ha de realizar trabajos pesados, el tubo 

se fabrica en la mayoría de los casos de tubo de acero embutido sin costura (St. 35). Para prolongar la duración de las juntas, la superficie interior del tubo debe someterse a un mecanizado de precisión (bruñido). 

Hoy en día, donde la mayoría de las aplicaciones requieren esfuerzos débiles, se suelen construir en aluminio. Estas ejecuciones especiales se emplean cuando los cilindros no se accionan con frecuencia o para protegerlos de influencias corrosivas. También para la captación de finales de carrera magnéticamente. 

La camisa marca dos parámetros fundamentales del cilindro:

• Por un lado, su diámetro interno marcará la sección que presenta el cilindro y por tanto, para una presión dada nos indicará la fuerza que este es capaz de realizar, es decir, a mayor diámetro, mayor fuerza y consumo.
• Por otro lado, la longitud del tubo delimita lo que se conoce como carrera del cilindro, o longitud útil para el trabajo con el mismo.

Para las tapas posterior fondo y anterior se emplea preferentemente material de fundición (aluminio o acero en función del resto de materiales del cilindro). La fijación de ambas tapas en el tubo puede realizarse mediante tirantes, roscas o bridas. 

El vástago se fabrica preferentemente de acero bonificado. Este acero contiene un determinado porcentaje de cromo que lo protege de la corrosión. A deseo, el émbolo se puede someter a un tratamiento de temple. Su superficie se comprime en un proceso de rodado entre discos planos. En algunas ocasiones, sobre la simbología de los actuadores los fabricantes indican mediante una serie de símbolos tratamientos específicos aplicados a los vástagos. 

La profundidad de asperezas del vástago es de 1 μm. En general, las roscas se laminan al objeto de prevenir el riesgo de roturas. En cilindros hidráulicos debe emplearse un vástago cromado (con cromo duro) o templado. El vástago acopla mecánicamente con el émbolo del cilindro, cerrando la unión mediante tuerca y juntas estáticas (para el sellado). Sobre el émbolo se montaran las juntas dinámicas y el imán (si es un cilindro preparado para captación magnética de la posición).

Para hermetizar el vástago, se monta en la tapa anterior un collarín obturador . De la guía de vástago se hace cargo un casquillo del cojinete, que puede ser de bronce sinterizado o un casquillo metálico con revestimiento de plástico. Delante del casquillo del cojinete, se encuentra un aro rascador, este impide que entren partículas de polvo y suciedad en el interior del cilindro. Por eso, no se necesita emplear un fuelle. Pertenece a los elementos estanqueizantes que componen el cilindro. El junta dinámica , hermetiza las cámaras del cilindro para un óptimo rendimiento. Las juntas tóricas o anillos toroidales , se emplean para la obturación estática, porque deben presentarse, y esto causa pérdidas elevadas por fricción en aplicaciones dinámicas.

En este vídeo se muestra el funcionamiento, aplicación y tipos de cilindros neumáticos.

Cálculos de cilindros

Fuerza del émbolo:

La fuerza ejercida por un elemento de trabajo depende principalmente de la presión del aire, del diámetro del cilindro y del rozamiento de las juntas.

Ft= (P)(A)

Donde:

Ft = Fuerza teórica.

P = Presión relativa.

A = Superficie del émbolo.

Longitud de carrera:

La longitud de carrera en cilindros neumáticos no debe exceder de 2000 mm. Con émbolos de gran tamaño y carrera larga, el sistema neumático no resulta económico por el elevado consumo de aire y precio de los actuadores. 

Cuando la carrera es muy larga, el esfuerzo mecánico del vástago y de los cojinetes de guía, es demasiado grande. Para evitar el riesgo de pandeo, si las carreras son grandes, deben adoptarse vástagos de diámetro superior a lo normal. Además, al prolongar la carrera, la distancia entre cojinetes aumenta y, con ello, mejora la guía del vástago. Otra solución la aportan los cilindros de vástago guiado, mucho más resistentes a los esfuerzos mecánicos. 

Velocidad del embolo:

La velocidad del émbolo, en cilindros neumáticos depende de la fuerza antagonista, de la presión del aire, de la longitud de la tubería, de la sección entre los elementos de mando y trabajo y del caudal que circula por el elemento de mando. Además, influye en la velocidad la amortiguación de final de carrera. Cuando el 

émbolo abandona la zona de amortiguación, el aire entra por una válvula antirretorno y de estrangulación y produce un aumento de la velocidad. 

La velocidad media del émbolo, en cilindros estándar, está comprendida entre 0,1 y 1,5 m/s. Con cilindros especiales (cilindros de impacto) se alcanzan velocidades de hasta 10 m/s. La velocidad del émbolo puede regularse con válvulas especiales. Las válvulas de estrangulación, las antirretorno y de estrangulación, y las de escape rápido, proporcionan velocidades mayores o menores, dependiendo de su regulación. 

Consumo del aire:

     

Para disponer de aire y conocer el gasto de energía, es importante conocer el consumo de la instalación, cálculo que comenzará por los actuadores (potencia). Para una presión de trabajo, un diámetro y una carrera de émbolo determinados, el consumo de aire se calcula:

Q = 2 ( (S) (n) (q) )

Donde:

Q = Caudal nominal.

S = Carrera.

n = carreras por minuto.

q = Consumo por carrera.

Resumen

Los cilindros neumáticos se utilizan en las industrias para automatizar los procesos de producción, ya que los cilindros neumáticos son fáciles de utilizar, ademas de que existen diversos tipos, y diferentes tipos de funcionamiento, como son los cilindros de simple (solo realizan su función en un solo sentido) y doble efecto (realizan el trabajo en dos sentidos.), y de estos podemos encontrar con amortiguador, telescópico, de doble vástago, etc. Al elegir o seleccionar un cilindro primero debes de verificar la carrera del vástago, la velocidad de la carrera, la salida máxima y mínima de vástago, y los ciclos que realiza por minutos, ademas de la presión necesaria que necesita el cilindro neumático, y no nos olvidemos de elegir correctamente el diámetro del vástago, pues el diámetro tiene mucho que ver puesto que a mayor diámetro mayor fuerza y mayor consumo de energía (aire comprimido).

Problemas de cilindros neumáticos

1.- Calcula el equivalente en psi, atmósferas, Kp/cm2 y Pascales de 25 bar.

PSI: 36.2325 bar.
Atmósferas: 24.675 bar.
Kp/cm2: 25.5
Pascales: 2,500,000 bar.

2.- Calcula cuantos bar, atmósferas, Kp/cm2 y PSI corresponden a 260 Pa.

Bar: 0.0026 Pa.
Atmósferas: 0.0025662 Pa.
Kp/cm2: 0.002652 Pa.
PSI: 0.037674 Pa.

3.- Calcula la presión absoluta correspondiente a 14 Kp/cm2 de presión absoluta.

PAb = 14Kp/cm2 + 0.968 Atm.
PAb = 14.968 Kp/cm2

4.- Calcula la presión relativa correspondiente a 10 atmósferas de presión absoluta.

PRel = 10 atm. - 1 Atm.
PRel = 9 Atm.

5.- Calcula la presión absoluta a 14 PSI manométricos.

PAb = 14 PSI + O.968 Atm.
PAb = 14.968 PSI.

6.- Calcula la presión absoluta correspondiente a 10 bar manométricos.

PAb = 10 bar + 0.968 Atm.
PAb = 10.968 bar.

7.- Calcula la presión absoluta en Pascal equivalente a 5 Kp/cm2 de presión relativa.

PAb = 5 Kp/cm2 + 0.968 Atm.
PAb = 5.968 Kp/cm2
Pa= 585,460.8 Pa.

8.- Calcula a que presión relativa hemos de comprimir un gas que ocupa 2 litros a 4 Kp/cm2 para que ocupe solamente 1 litro.

P1= 4 Kp/cm2                     P2 = 8 Kp/cm2
V1= 2 L.                             V2 = 1L

Formula: P1 x V1 = P2 x V2     entonces   V2= (4 Kp/cm2 x 2L) / 1L = 8 Kp/cm2.

9.- Calcula el equivalente en atmósferas, bar, Kp/cm2 y psi de 32 Pascal.

Atmósferas: 3.1584 x 10-4 Pa
Bar: 3.2 x 10-4 Pa
Kp/cm2: 3.264 x 10-4 Pa
PSI: 4.6368 x 10-3 Pa

10.- Calcula qué presión manométrica o relativa, hemos de comprimir cierta cantidad de gas que ocupa 0,4 m3 a 50 MPa de presión, para que ocupe solamente 0,3 m3.

V1 = 0.4 m3                                          V2 = 0.3 m3
P1 = 50 MPa                                         P2 = 66.66 MPa

Formula: P1 x V1 = P2 x V2     entonces:  (P2 = 50 MPa * 0.4 M3) / 0.3 m3 = 66.66 MPa.

Cuestionario 10

Bibliografía:

http://www.uhu.es/rafael.sanchez/ingenieriamaquinas/carpetaapuntes.htm/Trabajos%20IM%202009-10/Manuel%20Jesus%20Esacalera-Antonio%20Rodriguez-Actuadores%20Neumaticos.pdf

http://olmo.pntic.mec.es/jmarti50/neumatica/cilindros.html

http://demo.imh.es/Electroneumatica/Ud03/modulos/m_en001/ud04/html/en0_ud04_1111_con.htm

http://demo.imh.es/Electroneumatica/Ud03/modulos/m_en001/ud04/html/en0_ud04_1112_con.htm

http://www.sapiensman.com/neumatica/neumatica7.htm

http://demo.imh.es/Electroneumatica/Ud03/modulos/m_en001/ud04/html/en0_ud04_1121_con.htm

http://es.slideshare.net/guionbajho/actuadores-neumaticos

https://www.youtube.com/watch?v=pwFBxBEV1Xs