Cilindros Neumáticos

Informe del Mes de Agosto

Cilindros Neumáticos

Objetivo.

• Tener los conocimientos básicos sobre los cilindros neumáticos desde su funcionamiento hasta su estructura tanto interna como externa, tipos y su simbología.
• Conocer los principios constructivos de cilindros que  existen en el mercado (en su gama básica) con objeto de conocer las amplias posibilidades que ofrece la neumática.

Introducción.

La neumática es una energía en forma de aire comprimido se toma el aire de la atmósfera y se utiliza para producir un trabajo mecánico además son los elementos de trabajo más
utilizados en neumática.

Los cilindros neumáticos, actuadores o pistones  AIR VAC son los equipos de elección para fabricantes de maquinaria de todo tipo de industria, ya que por sus características aseguran la vida de su equipo. Fabricados con perfil de aluminio anodizado y su vástago de acero cromado, son de gran resistencia, durabilidad y no requieren lubricación. Las velocidades que alcanzan 1.5m/s en los convencionales y 10m/s en los de impacto.

Tipos de Cilindros.

Cilindro de simple efecto.

• Estos cilindros tienen una sola conexión de aire comprimido
• No pueden realizar trabajos más que en un sentido.
• Se necesita aire sólo para un movimiento de traslación.
• El vástago retorna por el efecto de un muelle incorporado o de una fuerza externa.
• El resorte incorporado se calcula de modo que haga regresar el émbolo a su posición inicial a una velocidad suficientemente grande.
• Activación: Válvula 3/2 vías.
• Aplicación: Elemento auxiliar.
• Ventaja: Reducido consumo de aire.

En los cilindros de simple efecto con muelle incorporado, la longitud de éste limita la carrera. 

Por eso, estos cilindros no sobrepasan una carrera de unos 100 mm.
Se utilizan principalmente para:

• Sujetar
• Expulsar
• Apretar
• Levantar
• Alimentar
• Etc.

Cilindro de émbolo: Son los más utilizados en neumática.

1. Tubo del cilindro o Camisa: Material: acero embutido sin costura (St. 35) o aluminio. Parámetros imp: diámetro y longitud.
2. Tapa posterior (fondo) y tapa anterior con cojinete y aro rascador: Material: Fundición, Unión al cuerpo: tirantes, roscas o bridas.
3. Émbolo
4. Vástago: Material: Acero bonificado con algo de cromo y rosca laminada
5. Piezas de unión y juntas: Collarín obturador, casquillo de cojinete, aro rascador.

Cilindros Lineales Especiales.

Un ejemplo son los cilindros que debe trabajar en atmósferas agresivas o contaminantes.

Particularidades: Vástago de acero inoxidable, acero resistente a los ácidos o

aleaciones especiales. Fuelles.

• Cilindro Telescópico: Elementos de elevado costo que encuentran su aplicación en largas carreras con mínimo espacio de recogida.

 

Cilindros de Doble Vástago.

Tiene un vástago corrido hacia ambos lados. El guiado del vástago es mejor porque dispone de dos cojinetes y la distancia entre éstos permanece constante. Por eso, este cilindro puede absorber también cargas laterales pequeñas.

Fuerza de avance = Fuerza de retorno

Velocidad de avance = Velocidad de retorno

Cilindros sin Vástago.

Puede realizar el mismo trabajo en ambos sentidos. Son cortos y no hay peligro de

que el vástago pueda torcerse. Pueden efectuarse carreras de hasta 10m de largo.

Fuerza de avance = Fuerza de retorno

Velocidad de avance = Velocidad de retorno

Cilindro de Barra henermética con camisa ranurada.

Cilindro con acoplamiento magnético del carro.

Cilindro de cinta o de cable 

Cilindros de Doble Efecto

Los cilindros de doble efecto pueden realizar el trabajo en ambas direcciones porque se les aplica la presión en ambas caras del émbolo.

• Se dispone de una fuerza útil tanto en la ida como en el retorno
• Los cilindros de doble efecto se emplean especialmente en los casos en que el émbolo tiene que realizar una misión también al retornar a su posición inicial.
• En principio, la carrera de los cilindros no está limitada, pero hay que tener en cuenta el pandeo y doblado que puede sufrir el vástago salido.

• Cilindro Diferencial: Un solo vástago y relación de superficies (émbolo - vástago) de 2:1. Se utiliza cuando solo se quiere realizar trabajo en un sentido.

https://www.youtube.com/watch?v=U4cAeWZHyNE

Factores para la elección de un cilindro neumático:

1. Tipo de cilindro

2. Diámetro interior

3. Diámetro del vástago y su carrera

4. Velocidad del émbolo

5. Fuerza del émbolo

6. Amortiguación

7. Posición

8. Forma de fijación

9. Temperatura

10. Presión de la red

11. Presión de trabajo

12. Tipo de trabajo: estático o dinámico

Como calcular la fuerza de un cilindro.

En los sistemas neumáticos que normalmente manejamos o, se requiere conocer de una forma rápida la fuerza que ejerce un cilindro neumático, al igual que el aire consumido, para tener un mayor conocimiento del grado de desarrollo del trabajo para el que este que ha sido diseñado o instalado. 

La fuerza teórica que actúa sobre el pistón es:

F = P * S

Donde P es la presión en bar, S la superficie del pistón en metros cuadrados y F la fuerza en Newtons. También podemos usar la presión P en kg/cm2, la superficie S en cm2 y la fuerza F en Kg fuerza.

S=S avance + S retroceso

S av= π *R²                   R=radio del émbolo.

S re= π*(R²-r²)              r=radio del vástago.

En la práctica, la fuerza real o necesaria es un poco mayor, ya que existen fuerzas de rozamiento con la estanqueidad del cilindro. Por ello se considera que la fuerza teórica del cilindro se ve reducida entre un 10-15 % para presiones normales de trabajo entre 4-8 bar.

En la tabla siguiente podemos conocer rápidamente la fuerza teórica de empuje expresada en Newtons, N. Si queremos conocer los Kg que es capaz de desplazar, basta dividir este valor entre 9,8 o de forma aproximada y para mayor comodidad entre 10.

Fuerza Real.

Formula en cilindro de simple efecto

Fn=    ( Ft /Sav *p)-(Fr - Fm)  ó  Fr=p*S embolo - (Fm + Fr)

Formula el cilindro de doble efecto

Fn  avance. Fn=Sav * p - Fr

Fn  retroceso.Fn=Ser * p – Fr

Longitud de carrera

No debe pasar de los 2000 mm.

La carrea (S) de avance y retroceso se calcula:

S avance=π*Øe² /4

S retroceso=π*(Øe² - Øv²)/4

Volumen de Aire por ciclo

Cilindro de simple efecto

V= π*Øe² *e /4    El resultado debe ser en m³/ciclo

Cilindro de doble efecto:

V avance= π*Øe² *e /4                             

V retroceso= π*(Øe² - Øv²)* e /4                

V=V avance + V retroceso

e=carrera del vástago

V=volumen

Consumo de Aire

Q maniobra=n*V el resuttado debe quedar en m³/min

Para transformar el aire se usa la ley de Boyle-Mariotte.

Patm*Qatm=Pman*Qman

Presion atmosférica=Patm=10x5 Pa

Prsion de maniobra=Patm+Ptrabajo

Qatm=Pman*Qman/Patm El resutlato queda en l/min, ya que: los m³ los pasamos a dm³ y 1dm³ equivale a 1Litro

Resumen

En general los cilindros neumáticos son herramientas muy utilizadas para distintos mecanismos Industriales, en su gran diversidad ofrecen ventajas como algunas desventajas, debemos tener en cuenta la utilización del mismo:

1. Tipo de cilindro.
2. Funcionamiento.
3. Estructura Interna.
4. Conocimientos para mantenimiento del cilindro.
5. Simbología. 
6. Calculo de fuerza, consumo de aire y velocidad de desplazamiento. (depende su utilización)
7. Condiciones aceptables para el uso correcto del cilindro.

Cuestionario General.

1. ¿Como se clasifican los cilindros neumáticos?

a) Especiales y sin vástago

b) Simple y Doble efecto

c) Telescópicos

2. ¿En que sentido ejerce su trabajo el cilindro de simple efecto?

a) En ambos sentidos

b) De retorno

c) En un solo sentido

3. ¿Cuales son las partes principales de un cilindro de simple efecto?

a) Vástago, émbolo, resorte

b) Camisa y Tapas

c) Amortiguadores

4. Menciona las partes principales de un cilindro de doble efecto.

Culata anterior y posterior, émbolo, amortiguación del émbolo, casquillos, guía, amortiguación ajustable y vástago.

5. ¿En un montaje fijo de un cilindro que precaución debe tener en consideración?

a) Tipo del cilindro

b) Buen estado del cilindro

c) Si es de cinta o de cable

6. ¿En que sentido ejerce su trabajo un cilindro de doble efecto?

a) En un solo sentido

b) Sin sentido

c) En ambos sentidos

7. ¿Cómo se llama este tipo de cilindro?

Cilindro Telescópico 

8. Menciona al menos 5 factores para la elección de un cilindro:

1. Velocidad del émbolo.

2. Tipo de cilindro.

3. Diámetro interior.

4. Diámetro del vástago.

5. Fuerza del émbolo.

9. ¿Qué se necesita para determinar la fuerza de un cilindro?

La formula: F= P*S

Donde P es la presión en bar, S la superficie del pistón en metros cuadrados y F la fuerza en Newton.

10. Que representan los siguientes símbolos:

Cilindro de simple Efecto

      Cilindro de Doble efecto

    Cilindro de Doble Efecto con Doble vástago

Cilindro de doble efecto con amortiguación no regulable en un sentido.


Cuestionario de Matemáticas

1. En la fabricación de refractarios, se emplea un cilindro neumático de simple efecto de diámetro 15cm, para comprimirlos. Determina la presión del aire comprimido utilizado si se necesita una fuerza de 13.000N. calcula también, qué caudal mínimo debe proporcionar el compresor si la longitud de salida del vástago es de 50cm y realiza 35 ciclos por minuto. Considerar la fuerza del muelle como el 3 % de la teórica.

E=13000N

D= 15cm=0,15m

S=50cm=0,5m

FE=0,9FT- FM= 0,9FT-0,03FM=0,87*P*A = 0,87*P*0,785*D²

P= 13000N/0,6829*(0,15m)²=846KPa

CAUDAL

V=0,785*D²*s*n*Rc

Rc=(Patm+Ptrab)/Patm=(101,35KPa+846KPa)/101,35KPa=9,34

V=0,785*(0,15m)²*0,5m*35*9,34=2,886m³/min

2.Calcule la fuerza efectiva en el avance y en el retroceso que desarrolla un cilindro dedoble efecto sometido a una presión de 9 bares, sabiendo que su rendimiento es del55% y que los diámetros del émbolo y del vástago son, respectivamente, 20 mm y 8mm.

Datos

D= 20mm=0,020m

d= 8mm=0,008m

P=9 bar=900KPa

AVANCE

FE=nFT=0,55*FT= 0,55*P*A = 0,55*900KPa*0,785*D²

FE= 388575Pa*(0,020m)²=155,43N

RETORNO

FE=nFT=0,55*FT = 0,55*P*A = 0,55*900KPa*0,785*(D²-d²)

FE= 388575Pa*(0,020m²- 0,008²) m²=130,56N

3. Calcule la fuerza efectiva en el avance y en el retroceso que desarrolla un cilindro dedoble efecto sometido a una presión de 9,5 bares, sabiendo que su rendimiento esdel 60% y que los diámetros del émbolo y del vástago son, respectivamente, 16 mmy 5 mm.

Datos

D= 16mm=0,016m

d= 5mm=0,005m

P=9,5 bar=950KPa

AVANCE

FE=nFT=0,60*FT= 0,60*P*A = 0,60*950KPa*0,785*D²

FE= 447450Pa*(0,016m)²=114,54N

4. Un cilindro de doble efecto se mueve con aire comprimido, el diámetro del émboloes de 63mm, el diámetro del vástago mide 20mm, la presión de trabajo es de 6bares, la carrera de 700 mm. Se quiere conocer el volumen de aire que se necesitapara mover el cilindro. Si realiza 10 ciclos/min, calcula el caudal necesario.

Datos

P=6bares=600KPa

D= 63mm=0,063m

d= 20mm=0,02m

S=700mm=0,7m

AVANCE

FE=0,9FT= 0,9*P*A = 0,9*600KPa*0,785*D²

FE= 423900Pa*(0,063m)²=1682,45N

RETORNO

FE=0,9*FT= 0,9*P*A = 0,9*600KPa*0,785*(D² - d²)

FT= 423900Pa*(0,063² - 0,02²) m²=1512,89N

5. Determina la presión del aire que hay que utilizar en un cilindro de 100mm de diámetro y del 60% de rendimiento para obtener una fuerza efectiva de 1.500N si la resistencia del muelle interno es de 350N.

Datos

D= 100mm=0,1m

FE=1500N

FT=nFT-FM=0,60*FT-FM= 0,60*P*A = 0,60*P*0,785*D²- 350N

P=(1500 + 350N)/ 0,471Pa*(0,08m)²=613,72KPa

6. Calcule la fuerza efectiva de un cilindro de simple efecto de 50mm de diámetro si lapresión ejercida es de 5 atm., la resistencia del muelle es de 100 N y el rendimientoestimado del 70%.

Datos

D= 50mm=0,05m

P=5 bar=500KPa

FM=100N

FE=nFT-FM=0,70*FT-FM= 0,70*P*A = 0,70*500KPa*0,785*D²-100N

FE= 274750Pa*(0,05m)² -100N=686,87N - 251N

FE=586,87N

7. Calcule el trabajo efectivo que desarrolla un cilindro de doble efecto sabiendo que la carrera de avance es de 120mm y el esfuerzo efectivo de empuje, de 18,8daN.

Datos

FE=18,8daN=188N

S=120mm=0,12m

WE=FE*s=188N*0,12m=22,56Joules

8. Determine el rendimiento de un cilindro de simple efecto de 16mm que genera unempuje de 55N al aplicarle una presión de 5bar si la resistencia del muelle se estimaen 8N.

Datos

D= 16mm=0,016m

P=5bar=500KPa

FE=55N

FM=8N

FE=nFT- FM= n*P*A - 8N = n*500KPa*0,785*D²-8N}

n=(55N+8N)/ (500KPa*0,785*(0,016m)²=0,6269

n=62,69%

9. Determine el rendimiento de un cilindro de doble efecto de 12mm de diámetro sabiendo que al aplicarle una presión de 10 bar se obtiene una fuerza de empuje de 66N.

Datos

D= 12mm=0,012m

P=10bar=1000KPa

FE=66N

FE=nFT= n*P*A = n*1000KPa*0,785*D²

n=(66N)/ (1000KPa*0,785*(0,012m)²=0,5838n=58,38%

10. Determine el trabajo efectivo que realizará un cilindro de simple efecto de 80mm dediámetro y 20mm de carrera sabiendo que está sometido a una presión de 6 bares,que la resistencia del muelle se estima en 251N y que el rendimiento es del 65%.

Datos

D= 80mm=0,08m

S=20mm=0,02m

P=6 bar=600KPa

FM=251N

FE=nFT- FM=0,65*FT- FM= 0,65*P*A = 0,65*600KPa*0,785*D²- 251N

FE= 306150Pa*(0,08m)² - 251N=1959,36N - 251N

FE=1708,36N

WE=FE*s=1708,36N*0,02m=34,16Joules

Bibliografía

http://sitioniche.nichese.com/sim-cilindros.html

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

http://www.itescam.edu.mx/principal/sylabus/fpdb/recursos/r69453.PDF

http://www.ferroneumatica.com.co/2008/12/01/cilindros-neumaticos/

http://www.ehowenespanol.com/partes-internas-cilindro-neumatico-lista_364446/