CILINDROS NEUMÁTICOS
2.- Objetivo.
Conocer
de manera amplia los funcionamientos y aplicaciones de los cilindros neumáticos
en procesos industriales, así como sus componentes principales para que en un
futuro consigamos dar mantenimiento, utilizarlos y en su defecto repararlos de
manera adecuada, ya que, al conocer estos procesos y su funcionamiento se puede
buscar la manera de mejorarlos con el fin de evitar posibles fallos y
retrabajos en área de producción
3.- Introducción.
Los cilindros neumáticos se usan en el área industrial de
diversas maneras dependiendo del diseño del sistema donde estén siendo
ocupados. Generalmente se utilizan en el
área de la automatización, es decir, en procesos que no necesitan la
intervención del hombre ya que se realiza por elementos definidos, donde estos
dispositivos ejecutan acciones como desplazamientos, alimentación, elevación;
por ello son conocidos como los actuadores principales en un sistema neumático.
Este dispositivo como muchos otros funciona a través del uso
de la neumática, que es un tipo de energía en forma de aire comprimido, este
aire es tomado de la atmósfera y tiene un proceso de compresión y esta energía
es utilizada para desarrollar un trabajo mecánico. Esta aplicación de energía tiene las ventajas
de ser veloz y limpia.
4.- Función de un cilindro neumático.
Básicamente la función de los cilindros neumáticos consta de
un movimiento rectilíneo, que se realiza en la carrera (distancia que recorre
el vástago) que puede ser tanto de salida como de retroceso, y esto dependerá
del tipo de cilindro que se este utilizando.
Estos dispositivos logran transformar la energía cinética
del aire comprimido en energía mecánica, el aire comprimido que entra en el
cilindro fuerza al vástago en la dirección deseada hasta lograr hacerlo salir
con una fuerza proporcional a la cantidad de presión con la cual allá echo su
ingreso el aire.
El material del cual están constituidos los cilindros
neumáticos principalmente es un metal muy fuerte, que puede soportar diferentes
tipos de desgaste, temperatura, etc.
Vídeo: "Actuadores Neumáticos" en
el se explican las funciones de los cilindros de simple y doble efecto. (Minutos 0:00-1:53).
5.- Tipos de Cilindros Neumáticos y su simbología.
Existen diferentes tipos de cilindros neumáticos los cuales
han surgido debido a los avances tecnológicos que nos incitan a desarrollar
nuevos dispositivos que cumplan las funciones necesarias para desarrollar una
mejora en el trabajo anteriormente ejecutado por un dispositivo que no cumplía
con todos los requerimientos necesarios.
Existen 2 grandes ramas de cilindros neumáticos presentadas
en el siguiente mapa:
Cilindros de simple efecto: . La presión empuja al vástago en
la dirección determinada, y al dejar de recibirla un resorte interno retrocede el vástago hasta
su posición inicial, o esto puede suceder también por la carga, sin embargo por
este resorte es necesaria una presión “alta” ya que aplicará fuerza en la
dirección inversa a la deseada. Además de que el resorte provoca una longitud
global (tamaño del cilindro) mayor y una longitud de carrera limitada. Sin
embargo puede existir el caso donde este resorte no exista, pero esto dependerá
de la función que tenga el dispositivo.
Cilindros de doble efecto: Son aquellos cilindros neumáticos
que pueden desarrollar tanto un movimiento de avance como de retroceso por
causa del aire comprimido. Este dispositivo tiene 2 entradas de aire una que
será encargada de realizar el movimiento de salida y otro encargado del de
entrada. Es llamado así porque son
utilizadas sus dos cámaras para la inyección del aire comprimido con el fin de
controlar los movimientos del vástago.
Sus componentes internos son similares al cilindro de simple
efecto, sin embargo no completamente, ya
que, en el área de la culata anterior tiene un orificio roscado por el cual ingresará
el aire comprimido, en el cilindro de simple efecto este orificio no es
utilizado y en lugar de esto sirve para la comunicación con la atmósfera para
que no se produzcan contrapresiones en el interior de la cámara.
Debido a sus características tiene funciones más amplias y
complejas que el cilindro de simple efecto, ya que pueden existir aquellos que
tengan un doble vástago y por esto puedan ejecutar 2 operaciones diferentes al
mismo tiempo.
Para lograr desplazar el vástago debe haber una diferencia
de presión en sus dos cámaras porque si la presión es la misma no existirá un
vencimiento del estado de reposo del vástago.
Por esto siempre que una cámara
esta recibiendo aire comprimido la otra debe estar conectada únicamente a la
atmósfera para que no exista una fuerza y el vástago pueda efectuar su
desplazamiento con facilidad.
En este dispositivo no se pierde el movimiento
debido a que no tiene un muelle (resorte) en oposición, solo en el caso de que
tenga una carga. Además de que la carrera de este dispositivo es mayor que al
de simple efecto al no existir volumen de alojamiento ni un muelle.
Video:
Cilindros de doble vástago: En estos tipos, el cilindro tiene
un vástago largo que tanto puede entrar y salir de ambos lados. Tiene, al igual
que los cilindros de doble efecto, dos entradas de aire una encargada de
provocar la salida del vástago de un lado y la otra encargada de la salida del
otro lado. Su precisión es mayor que los cilindros de doble y simple efecto,
esto debido a sus dos cojinetes y por esto mismo el vástago puede soportar
pequeñas cargas laterales.
De esta forma el vástago que no es utilizado puede ser el encargado
de accionar sensores para saber la posición de este y así evitar posibles
fallos.
La fuerza, velocidad y desplazamiento es el mismo en los dos
lados.
Cilindro telescópico: se caracterizan por conseguir largas
carreras, y pueden ser de doble y simple efecto. Cuando estos dispositivos son de simple efecto
la salida del vástago es ocasionada por la presión del aire comprimido y su
retroceso es por una carga externa. Y los de doble efecto tienen avance y
retroceso ocasionado por el aire comprimido.
Cilindro neumático de simple efecto con amortiguador: Se
utilizan amortiguadores que son
casquillos, con el fin de evitar el daño del cilindro por causa de los impactos
del vástago contra la camisa. Cuando el
casquillo entra en contacto con un alojamiento, obstruye posibles salidas del
aire y el aire que puede quedar dentro del cilindro es obligado a salir por un
regular de caudal, lo que provoca que la velocidad de avance del vástago
disminuya, de esta forma evitando golpes contra la camisa.
Sistemas de doble vástago: Estos cilindros tienen función antigiro,
es decir, evitan el giro que puede sufrir el vástago sobre si mismo, y pueden soportar grandes cargas exteriores.
Al disponer de un doble émbolo, puede desarrollar el doble de fuerza a un
cilindro de simple efecto, sin necesidad de tener un tamaño mayor.
Cilindros multiposicionales: Su función principal es que estos
cilindros pueden desarrollar 3 ó 4 posiciones diferentes, a manera que este va
recibiendo presión puede salir uno u otro vástago, dándole, por esta razón, la
capacidad de tener diferentes posiciones.
Cilindro Tandem: Son aquellos
que están conformados por dos cilindros de doble efecto unidos, al
recibir presión simultáneamente, ejercen una fuerza equivalente al doble de un
cilindro de simple efecto, con la ventaja de tener el mismo diámetro sin
embargo su longitud es mucho mayor.
SIMBOLIGIA:
6.-Partes de los Cilindros Neumáticos.
Camisa del cilindro: Es la vista exterior y tiene la función
de soportar todos los demás componentes puede estar fabricado de hierro
fundido, bronce, aluminio, aceros y otros materiales dependiendo el uso.
7.-Pasos
para determinar el diámetro de un cilindro.
a). Datos necesarios:
Presión de trabajo.
Tiempo en que se desea alcanzar la posición final.
Simple efecto o doble efecto.
Un vástago o dos vástagos o sin vástago.
Valor de la carga.
Carga por fricción.
Longitud de la carrera.
b). Fórmula básica.
P = F/A
c). Fórmula aplicada.
F = (P x A) - Fuerza de fricción (para cálculos generales considerar un 10% de la fuerza
teórica).
d). Liga de sw para cálculo.
http://www.festo.com/cat/es-mx_mx/products_010100
Presión de trabajo.
Tiempo en que se desea alcanzar la posición final.
Simple efecto o doble efecto.
Un vástago o dos vástagos o sin vástago.
Valor de la carga.
Carga por fricción.
Longitud de la carrera.
b). Fórmula básica.
P = F/A
c). Fórmula aplicada.
F = (P x A) - Fuerza de fricción (para cálculos generales considerar un 10% de la fuerza
teórica).
d). Liga de sw para cálculo.
http://www.festo.com/cat/es-mx_mx/products_010100
8.-Pasos para determinar el consumo de aire.
a) Datos necesarios
·
Volumen del cilindro
· Numero de repeticiones en unidad de tiempo
(ciclos/minuto)
· Presión de trabajo
b) Formula básica
Ley de Boyle-Mariotte: (P1 )(V1)= (P2)(V2)=
(P3 )( V3)=Cte
c) Formula aplicada
(P1)(V1) = (P2)(V2)
---- > Se despeja V2= P1/P2 (V1)= V2=10bar’s/6bar’s (20cm3)= 33.33 cm3
Donde:
P1=Presión
10 bar’s
V1=Contenedor de 20 cm3
P2=Presión 6 bar’s
V2=Contenedor ¿ ? cm3
V1=Contenedor de 20 cm3
P2=Presión 6 bar’s
V2=Contenedor ¿ ? cm3
d)
Liga de sw para calculo
http://e-ducativa.catedu.es/44700165/aula/archivos/repositorio/1000/1144/html/3_clculo_de_cilindros_fuerza_consumo_de_aire.html
RESUMEN.
En la industria son
utilizados diferentes dispositivos
mecánicos, hidráulicos, etc. y unos de los más importantes de estos son
los neumáticos, es decir, que trabajar a partir de la energía que contiene el
aire comprimido para lograr transformarla en energía mecánica. Existen
diferentes dispositivos que cumplen funciones específicas para las cuales
fueron desarrollados, y unos de los más importantes y también los más
utilizados son los Cilindros Neumáticos.
Los cilindros
neumáticos tienen como tarea fundamental transformar la energía neumática en un
movimiento rectilíneo, que será desarrollado por un vástago (barra rígida que
transmite movimiento) el cual tendrá 2 movimientos, uno de salida y de
retroceso dependiendo de la aplicación del aire comprimido.
A manera que la
tecnología va avanzando son necesarios nuevos dispositivos que cumplan
funciones que antes no se podían desarrollar con estos instrumentos, así de
esta forma existe una gran variación de cilindros neumáticos, los cuales han
sido desarrollados para realizar un trabajo especifico y pueden ejecutar los
trabajos que otros cilindros ya desarrollaban pero con una mayor precisión con
lo cual ahora se pueden evitar posibles fallos.
Los cilindros de
simple efecto son los más comunes, puesto a que solamente realizan un
movimiento de salida, y tienen únicamente una entrada de aire, por donde
ingresará el aire comprimido que impulsará al vástago hasta lograr hacerlo
salir y al momento de dejar de recibir aire este regresara a su posición
inicial por causa de un muelle (resorte).
También existen los
de doble efecto, estos pueden realizar un movimiento tanto de salida como de
retroceso pero controlado, ya que se realizarán a la misma velocidad y con la misma
fuerza. Tiene 2 entradas una conectada a cada cámara. Al momento que entre el aire comprimido en
una de las cámaras entrará o saldrá el vástago dependiendo la entrada que se
utilice. Tiene 2 entradas una conectada a cada cámara.
Así mismo existen variaciones de estos cilindros
como el de doble vástago, que como su nombre lo dice, tiene un vástago largo
que aparenta ser dos (uno de un extremo y el otro del opuesto,) de esta forma
en el momento que es accionada una cámara con aire comprimido, un lado del
vástago saldrá y el otro entrará, y así sucesivamente. Por esto tiene varias ventajas.
También existen otros tipos de cilindros neumáticos que buscan mejorar el alcance, la fuerza, la velocidad, resistencia, etc. para realizar trabajos especiales y precisos.
También existen otros tipos de cilindros neumáticos que buscan mejorar el alcance, la fuerza, la velocidad, resistencia, etc. para realizar trabajos especiales y precisos.
10.- Problemas de cálculo de cilindros neumáticos.
5.10- Calcular a 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.
5.13-
Calcular la presión ejercida por un gas sobre las paredes del recipiente cuando
se encuentra a 40ºC, si hemos medido una presión de 3 bar cuando se encontraba
a 10 ºC.
5.14-
Calcular el volumen que ocupa un gas a 1 MPa de presión y 30
ºC de temperatura, si sabemos que la misma cantidad de gas a 0.4 MPa y 10 ºC de
temperatura ocupa 0.8 m3.
5.26- Calcular la
presión mínima a que hemos de alimentar un cilindro cuyo embolo tiene un
diámetro de 30 mm y el vástago de 10 mm, si necesita ejercer una fuerza de avance
de 40 Kp y una fuerza de retroceso de 38 Kp.
5.31-
Calcular el caudal de agua necesario para llenar de agua un recipiente de 20 l
en 5 minutos.
5.15-
Calcular el volumen que ocupa cierta cantidad de aire a -30 ºC y 2 Kp/cm2 de
presión relativa, si sabemos que esa misma cantidad de aire ocupa 0.5 m3 cuando
se encuentra a 20 ºC y 1 Kp/cm2 de presión relativa.
5.21-
Calcular la presión de alimentación necesaria para que un cilindro cuyo embolo
es de 40 mm de diámetro ejerza una fuerza de 10 N.
5.24-
Calcular la fuerza ejercida por un cilindro de simple efecto al avanzar si la
presión de alimentación es de (5) (10)5 Pa siendo su embolo de 40 mm
de diámetro.
|
5.28-
Calcular el volumen de aire libre (a presión atmosférica), necesario para
realizar la carrera completa: avance + retroceso, de un cilindro de 25 cm de
carrera y un émbolo de 10 cm de diámetro y un vástago de 3 cm de diámetro,
alimentado con aire a 6 bar de presión.
5.32-
Calcular el caudal de aire necesario para que un cilindro de simple efecto (embolo
de 5 cm de diámetro 15 cm de carrera) avance toda la carrera en 5 segundos.
5.36-
Calcular el diámetro del émbolo de un cilindro de doble efecto alimentado a una
presión de 8 Kp/cm2, si necesitamos que ejerza una fuerza de 28 Kp en el
avance.
5.39-
Calcular los diámetros de émbolo y vástago de un cilindro de doble efecto
alimentado a una presión de 8 Kp/cm2, si necesitamos que ejerza una fuerza de
28 Kp en el retroceso sabiendo que el diámetro del émbolo es 4 veces el del
vástago.
5.41-
Calcular la presión ejercida por un gas sobre las paredes del recipiente cuando
se encuentra a 25ºC, si hemos medido una presión de 5 bar cuando se encontraba
a 20 ºC.
11.- Cuestionario.
1.-Relaciona las palabras con su función y/o definición:
2.-Subraya
la respuesta correcta las siguientes preguntas:
a) Nombre
del dispositivo que, en un cilindro neumático, es el encargado de realizar el
movimiento de salida y retroceso
1.- Vástago
2.- Camisa
3.- Culata
2.- Camisa
3.- Culata
b) En un
sistema neumático cual es el principal elemento, es decir aquel que proporciona
la energía
1.- Energía
Eléctrica
2.- Movimiento mecánico
3.- Aire comprimido
2.- Movimiento mecánico
3.- Aire comprimido
c) En un
Cilindro Neumático de Simple efecto, ¿Cuál es el nombre que recibe el elemento
encargado que regresar a su posición inicial al vástago al dejársele de aplicar
el aire comprimido?
1.-Muelle
2.- Culata
3.- Émbolo
2.- Culata
3.- Émbolo
d) Tipo de cilindro neumático que se caracteriza por
tener un vástago largo que puede realizar movimiento de salida y entrada de los
dos lados del cilindro.
1.- Cilindro de doble efecto
2.- Cilindro de doble vástago
3.- Cilindro Tandem
2.- Cilindro de doble vástago
3.- Cilindro Tandem
12.- Bibliografía.
Actuadores Neumáticos:
Partes internas de un cilindro neumático:
Cálculos en circuitos neumáticos:
Actuadores Neumáticos:
(http://es.slideshare.net/guionbajho/actuadores-neumaticos)
13.- Actuadores Neumáticos de Giro (Cilindros Giratorios y Motores neumáticos).
13.- Actuadores Neumáticos de Giro (Cilindros Giratorios y Motores neumáticos).
Existen dispositivos que sirven para transformar la energía
del aire comprimido en energía mecánica de rotación, es decir, de giro. Dependiendo
si estos dispositivos tienen un ángulo de giro limitado o no, los podemos
dividir en 2 grandes ramas:
-Actuadores de giro limitado/ Cilindros Neumáticos giratorios: Son
todos aquellos que producen un movimiento de giro pero no lograr realizar una revolución
(giro de 360°) completa, y continua. Pueden existir de deferentes cantidades de
ángulo 90°, 180°, 270°, etc.
-Motores Neumáticos: Estos dispositivos generan un movimiento
giratorio constante. Al igual que un motor eléctrico puede generar una gran
cantidad de revoluciones por minuto.
13.1.-Cilindros Neumáticos
Giratorios.
Existen 2 tipos de Cilindros Giratorios los cuales dependerán
de la característica que los haga obtener el giro mecánico, estos son:
Cilindro rotativo:
En este dispositivo el vástago tiene una cara especial, ya que consta de una
especie de cremallera a través dela cual se desplazara una rueda dentada, con
lo cual se generará el movimiento rotativo. Al entrar el aire comprimido por
una cámara este desplazará a la cremallera y se obtendrá el movimiento.
Se podría decir que es un cilindro rotativo de doble efecto,
ya que puede realizar un giro tanto a la derecha como a la izquierda respecto a
su eje. Ya que consta de una cremallera tiene
un giro limitado, que incluso puede alcanzar los 360° de giro, o inclusive más
logrando hasta 720°, pero esto dependerá del tamaño de la cremallera de la cual
disponga este dispositivo.
Se puede utilizar para realizar diferentes trabajos, por
ejemplo, trasportar piezas de un lado a otro o girar elementos sobre su propio
eje.
Cilindro Oscilante: La
presión entrará por una válvula, la cual moverá a un aspa y este movimiento se trasmitirá
directamente al árbol obteniendo así un movimiento de giro.
En este dispositivo el giro tiene un limite que puede ser de
180° a 270° el cual será definido por la pared de la cámara, que funciona como
tope mecánico, donde se detendrá completamente la aleta hasta que se le aplique
nuevamente presión pero ahora en sentido contrario, para esto el aire en esta ocasión
ingresará por la válvula contraria.
Algunas veces la aleta puede ser utilizada para la detección
magnética a través de sensores exteriores móviles ajustables, para saber la posición
en la cual se encuentra este dispositivo y de esta forma evitar fallas posibles
por no encontrarse en el ángulo requerido.
Al igual que los rotativos estos dispositivos son de doble
efecto.
13.2 Motores Neumáticos.
Estos dispositivos son aquellos que pueden producir un
movimiento giratorio constante a partir de la energía del aire comprimido.
Tienen la ventaja de ser muy ligeros y compactos por esto pueden ser ocupados
en herramientas de trabajo que son de reducido tamaño como pulidoras,
desarmadores, etc.
Pueden alcanzar grandes velocidades dependiendo de la
cantidad de presión que se les aplique.
Motores Neumáticos de
Aletas
Consta de un rotor con ranuras distribuidas
proporcionalmente en las cuales se encontrarán las aspas, este elemento se
encontrará situado excéntricamente en el cuerpo del motor.
El movimiento de giro se obtiene en el momento en el cual el
aire ingresa en la cámara de admisión y comienza a impulsar a las aspas y después
sale por la válvula de escape, y este proceso se repite continuamente para
lograr un movimiento constante.
Estos motores pueden ser de giro izquierda-derecha o
derecha-izquierda dependiendo de la válvula en la cual sea aplicado el aire.
Motor de pistones radiales
Este dispositivo es accionado por un cuerpo de pistones
radiales los cuales reciben el aire a presión obligándolos a desplazarse hacia
arriba o hacia abajo a través de las superficies curvas del anillo de levas que
se encuentra en la carcasa.
Este dispositivo alcanza velocidades menores a los motores
de aletas debido al gran peso de sus elementos, sin embargo el torque es mayor
y produce pocas vibraciones.
Ver
video: Actuadores neumáticos rotativos
http://www.youtube.com/watch?v=-65-t7ST6Tw
Simbología:
14.- Bilbliografía.
Automatización Industrial
http://industrial-automatica.blogspot.com/2010/09/elementos-de-fuerza-cilindros-y-motores.html
Pistones Radiales:
Actuadores Neumaticos: