Informes Mk2013A Stephany S. Torres Torres 179 : julio 2014

CILINDROS NEUMÁTICOS

Este informe tiene por objetivo proporcionar al lector aprendizajes básicos sobre los cilindros neumáticos de una manera sencilla.

También conocerá el funcionamiento de los cilindros neumáticos, las partes por las cuales están constituidos e identificará los tipos de cilindros que existen.

En la industria, se utilizan para controlar, impulsar, y mecanizar elementos propios de la línea de producción.

FUNCIONAMIENTO

Los cilindros neumáticos son los encargados de transformar energía neumática en movimiento mecánico generando un trabajo útil.

Consiste en un recipiente cilíndrico provisto de un pistón, cuando nosotros introducimos aire comprimido, éste se expande dentro del cilindro generando una gran presión sobre el émbolo provocando movimiento lineal (carrera de avance), haciendo que el vástago avance. El retroceso del vástago depende del tipo de cilindro, puede que sea de simple efecto (se utiliza un muelle para regresar al vástago a su posición normal) o de doble efecto (se utiliza aire comprimido para regresar al vástago a su posición normal, aquí se genera otro movimiento lineal, llamado carrera de retroceso). La presión del fluido determina la fuerza de empuje del cilindro y el caudal de ese fluido determina la velocidad del mismo. Así la combinación de la fuerza y el recorrido produce un trabajo, éste es realizado en un determinado tiempo, produciendo potencia. Los cilindros son manipulados por válvulas neumáticas.

TIPOS DE CILINDROS NEUMÁTICOS

Los cilindros variarán de aspecto, tamaño y función
es por esto que existen diversos tipos, muchos de los cuales se diseñan para satisfacer funciones específicas.

Los actuadores más comunes que se utilizan en los circuitos neumáticos, son los siguientes:

SIMBOLOGÍA DE LOS CILINDROS NEUMÁTICOS

ACTUADORES LINEALES

Están los de simple y doble efecto

Cilindros de simple efecto

En su estructura interior está incorporado un muelle que cubre al vástago y solo tiene una entrada de aire.

A la hora de abrir la válvula se introduce aire comprimido dentro del cilindro, ocasionando que el pistón y el vástago avancen en un sentido y al mismo tiempo el muelle se comprime, cuando se cierra la válvula, se anula el paso del aire comprimido y ahora la entrada queda conectada al aire libre por lo que el aire a presión dentro del cilindro sale a la atmósfera provocando que el muelle regrese a su posición inicial junto con el pistón y vástago.

Generalmente son activados con válvulas 3/2 vías y su ventaja es que su consumo de aire es reducido.

De este tipo hay:

Cilindros de embolo o pistón: aquellos que tienen una pieza que se mueve de forma rectilínea impulsando un fluido.
Cilindros de membrana: Una membrana de goma, plástico o metal reemplaza aquí al émbolo.
Cilindros de muelle: el muelle realiza la carrera de trabajo; el aire comprimido hace retornar el vástago a su posición inicial.

Cilindros de doble efecto

cilindro de doble efecto

Solo tiene dos entradas de aire colocadas en la parte lateral a la altura de sus extremos.

Actúa tanto en avance como en retroceso por conexión al circuito de presión. Cuando la válvula conecta la entrada 1 del cilindro al circuito de presión también deja conectada la entrada 2 al escape o aire libre. El vástago avanza por la fuerza del aire comprimido y para hacer el retroceso del vástago, en la otra posición de la válvula, ocurre lo inverso, es decir, el circuito de presión queda conectado a la entrada 2 del cilindro, mientras que la entrada 1 queda conectada al escape.

Son activados con válvulas 4/2, 5/2 y 5/3. Su ventaja es que produce trabajo en ambos sentidos y no pierde fuerza en comprimir el muelle.

ACTUADORES ESPECIALES (LINEALES)

Cilindro telescópico

Se caracterizan por realizar largas carreras de trabajo

cilindro telescópico

Cilindro de doble vástago

Tiene un vástago corrido hacia ambos lados y esto le permite soportar pequeñas cargas laterales, ya que la fuerza de avance y retorno son iguales, la velocidad de avance y retorno también. Es tipo doble efecto.

Cilindros tándem y triples

Está formado por dos cilindros de doble efecto colocados uno de tras de otro y permite generar el doble de fuerza de un cilindro normal.

Cilindro multiposicional

Estos se ocupan para casos en que se requiera de 3 o 4 posiciones distintas. Está compuesto por dos unidades que están acopladas por los extremos de los vástagos.

Cilindros alternativos

Aquellos que generan un movimiento automático repetitivo hacia arriba y hacia abajo o hacia delante y hacia atrás tipo vaivén debido a los mandos que están incorporados a los cabezales del cilindro. Permiten que se puedan operar motores alternativos. Los dos movimientos opuestos que conforman un ciclo de alternancia son llamados tiempos del mecanismo

Cilindros de impacto

Consiste en un cilindro neumático de doble efecto con dos cámaras que en este caso llamaremos “A” y “B”, entre éstas existe una junta anular “C”. Cuando conectamos una válvula distribuidora, el aire interno de la cámara A sale mientras el aire la presión llega a la cámara B actuando directamente a la superficie C .En el instante en que la fuerza ejercida por la presión del aire en la superficie C supera a la de la cámara A, la presión se concentra el embolo de la cámara B, a consecuencia habrá una gran aceleración y alcanzara los 10 m/s cuando lo normal es de 1m/s

ACTUADORES DE GIRO

Existen los de giro limitado y los de giro ilimitado:

1.-Actuador de giro limitado: aquellos que proporcionan el giro pero no alcanzan a producir una revolución (360º).

Actuador de paleta

Cuando entra el aire a presión mueve una aleta realizando un movimiento de giro, el actuador tiene unos topecitos que ayudan a regular el giro de la aleta. Solo puede alcanzar los 270º de giro.

Actuador rotativo

Aquí el vástago es tipo cremallera al instante que cambia de sentido, hace girar un piñón que esta dentro del actuador, generando así giro de derecha a izquierda.

2.-Actuador de giro ilimitado: también conocido como motor neumático ya que proporciona elevadas rpm.

Motor neumático de paletas

Formado por varias aletas montadas en hendiduras distribuidas en un rotor cilíndrico colocado excéntricamente. El giro se desarrolla cuando el aire entra en la cámara de admisión y empuja la aleta correspondiente haciendo girar al rotor.

PARTES DE LOS CILINDROS NEUMÁTICOS

Todos los cilindros de aire, sin importar que sea de doble o de simple efecto, tienen un cuerpo de cilindro llamado camisa, un pistón y un vástago, guarniciones o empaque que permiten el sellado, cabezales en los extremos de la camisa, conexión de aire comprimido, cabezal para la sujeción del cilindro o también permite colocarlo en alguna estructura. En la parte exterior del vástago tiene un tipo roscado para poder acoplar otras piezas. Algunos cilindros también pueden tener resorte y amortiguador.

Las partes esenciales de trabajo son: la camisa cilíndrica encerrada entre dos cabezales, el pistón y el vástago con sus guarniciones y buje.

La diferencia entre…

Cilindro de Simpe efecto: tiene una sola conexión de aire y un muelle.

Cilindro de Doble efecto: tiene dos conexiones de aire comprimido.

CILINDRO DE SIMPLE EFECTO

CILINDRO DE DOBLE EFECTO

PASOS PARA CALCULAR EL CONSUMO DE AIRE

Debemos analizar con qué datos contamos.
Dependiendo de ellos podemos desarrollar las fórmulas que a continuación se presenta.
Realizamos los cálculos necesarios para así llegar a la respuesta.

Presión de trabajo.

Es la fuerza que se ejerce,( en este caso el aire comprimido), sobre una superficie de un cuerpo, con la finalidad de crear un trabajo.

Fuerza teórica del cilindro

Al calcular la fuerza ejercida en el elemento actuador, debemos tomar en cuenta la carrera de avance y la carrerea de retroceso que realiza, partiendo de la presión de trabajo, ya que ésta depende de la superficie útil del embolo.

Aplicando la siguiente fórmula podemos calcular la fuerza teórica.

Ft=S*p Ft=Fuerza teórica. (N)

S=Superficie útil del émbolo (cm²)

p=presión de trabajo (KPa/cm², bar)

Donde…

S=S avance + S retroceso

S av= π *R² R=radio del émbolo.

S re= π*(R²-r²) r=radio del vástago.

Fuerza real de cilindro.

En la práctica es importante calcular la fuerza real que realiza el émbolo, ya que existen los rozamientos que provocan perdidas sobre la fuerza teórica. En presiones de 4 a 8 bar, la fuerza de rozamientos (Fr) se puede considerar un 10% de la fuerza teórica calculada.

Simple efecto. En este tipo de cilindros solo se realiza la carrera de avance, y la fuerza del muelle (Fm) es solo el 6% de la fuerza teórica (Ft)

Fn= ( Ft /Sav *p)-(Fr - Fm) Otra fórmula. Fr=p*S embolo - (Fm + Fr)

Doble efecto. En este tipo de cilindros se desarrollan dos fuerzas, una de avance y otra de retroceso. Éstas dos son distintas ya que en el avance la presión actúa sobre la superficie del embolo y al retroceso solo en la parte útil del vástago

Fn avance. Fn=Sav * p - Fr

Fn retroceso.Fn=Ser * p – Fr

Longitud de carrera

No debe de pasar los 2000 mm.

Cuando la carrera es muy larga y el embolo es de un tamaño grande, el esfuerzo es mayor. Resultando muy costoso, ya que requiere de un consumo de aire elevado y para evitar el pandeo deben adoptarse vástagos de diámetro superior a lo normal.

La carrea (S) de avance y retroceso se calcula

S avance=π*Øe² /4

S retroceso=π*(Øe² - Øv²)/4

Volumen de aire comprimido por ciclo.

Es importante calcularlo, ya que es un dato que se necesita para calcular el consumo de aire.

Cilindro de doble efecto:

V avance= π*Øe² *e /4 e=carrera del vástago

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

V=V avance + V retroceso

Cilindro de simple efecto

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

Consumo de aire:

Para calcular el consumo de aire comprimido total al realizar la maniobra completa (Q man), debemos tener en cuenta el volumen de cilindro y el número de movimientos por tiempo, osea, n=número de ciclos por minuto

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

Para transformar el aire a condiciones normales aplicaremos la ley de Boyle-Mariotte.

Patm*Vatm=Pman*Vman lo que es lo mismo Patm*Qatm=Pman*Qman

Presion atmosférica=Patm=10x5 Pa

Prsion de maniobra=Patm+Ptrabajo

Desarrollando la formula Patm*Qatm=Pman*Qman:

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

PASOS PARA DETERMINAR EL DIÁMETRO DE UN

CILINDRO

Para hallar el diámetro de un cilindro debemos tener los siguientes datos:

-Volumen de aire (cm²)=V

-Presión de trabajo (Kp/cm²)

-Carrera de vástago (cm)=e

Al desarrollar la siguiente formula, podemos calcular el diámetro del émbolo o cilindro.

V=π*Øe²*e/4

Øe=√V*4/π*e

En resumen, los cilindros neumáticos son dispositivos capaces de transformar la energía neumática en un trabajo útil; en la industria se utilizan para automatizar procesos. Por lo general están conformados en su exterior por una estructura llamada camisa, conexiones y cabezales en los extremos; en el interior, por un émbolo, vástago y guarniciones que no permiten el escape de aire comprimido. Existen una gran variedad de estos ya que se ocupan para satisfacer tareas específicas. Se clasifican en actuadores lineales,(simple o doble efecto, llamados así por su movimiento lineal)actuadores especiales,(aquellos que resisten ambientes contaminados)y los actuadores de giro(limitado e ilimitado, generan movimiento es rotativo. Para poder determinar el consumo de aire y el diámetro del cilindro debemos de aplicar una serie de fórmulas (Fuerza teórica, fuerza real, volumen de aire por ciclo, longitud de carrera, consumo de aire, ley de Boyle-Mariotte y diámetro del embolo.)

EJERCICIOS RESUELTOS

1) Calcula el volumen de aire necesario para realizar la carrera del avance, retroceso y del ciclo completo. Cuyo émbolo tiene un diámetro de 30mm y el vástago de 10mm, siendo 250mm la longitud de su carrera.

V avance=π*(0.03m)² *0.25m /4=1.7671x10-4 m³

V retroceso=π*[(0.03m)²-(0.01m)²]*0.25m= 1.57x10-4 m³

V=V av + V re= 3.3379x10-4 m³/ciclo

2) Calcular el volumen de aire necesario para realizar la carrera de avance, retroceso y la de ciclo completo de un cilindro, cuyo émbolo es de 8cmØ y el vástago de 2cmØ, siendo 0.3m la longitud de su carrera

V avance=π*[(0.08m)²]*0.3m/4=1.50x10-3 m³

V retroceso=π*[(0.08m)² -(0.02m)²]*0.3m /4=1.41x10-3 m³

V=Vav+Vre=2.91x10-3 m³/ciclo

3) Calcula la fuerza de un cilindro de doble efecto con las características siguientes:

Øe=80mm

Øv=25mm

P=6 Kp/cm²

Desarrollo:

Sav=π* (4cm)²=50.26cm² Sre=π*[(4 cm)² - (1.25 cm)²]=45.36cm²

S=50.26cm²+45.36cm²=95.62cm²

Ft=(95.62cm²)(6Kp/cm²)=573.72N

Fr=573.72/100=5.73. Fr=5.73*10=57.37N

Fn avance=50.26*6-57.37=244.19N

Fn retroceso=45.36*6-57.37=214.79N

Fn=244.19N + 214.79N=458.98N

4) Tenemos el mismo cilindro del ejercicio anterior. Supongamos que ahora el cilindro tiene una carrera de 700mmy efectúa 5 ciclos por minuto¿Cuel es el consumo de aire de dicho cilindro?

Vav=π*0.0064*0.7/4=0.00351m³

Vre=π*0.005775*0.70/4=0.003174m³

V=Vav + Vre=0.006692 m³/ciclo

Qmaniobra=(5 ciclos/min)(0.006692 m³/ciclo)=0.03346 m³/ciclo

Pman=10^5 + 6 10^5 = 7x10^5

Qatmosferica=(7x10^5)(0.03346 m³/min)/ 10^5=0.234m³/min =234 dm³/min =234 L /min

5) Queremos diseñar un cilindro de simple efecto que funcione con un volumen de aire de 800cm³,su presión de trabajo sea de 12.3Kp/cm² y su longitud sea de 29cm.

Hallar el diámetro del cilindro

Øe=√800cm³*4/π * 29cm=5.9 cm aprox. 6cm

6) Ahora calcula la fuerza del cilindro del ejercicio anterior.

F=p*S émbolo –(Fmuelle+Frozamiento)

S émbolo=π * 35.0464cm² / 4=27.52cm²

Ft=(12.3 Kp/cm²)(27.52cm²)=338.496N

Fr=338.496/100=3.38 Fr=3.38*10=33.84N

Fm=338.496/100=3.38 Fm=3.38*6=20.30N

F=338.496N-(33.84N+20.30N)=284.356N

7) Un cilindro de doble efecto alimentado con aire comprimido a una presión de 6 bar, siendo su rendimiento del 80%,con diámetros de émbolo y vástago son de 40mm y 10mm , su carrera e 150mm.Se desea calcular la fuerza teórica y real que se desarrolla en el avance y en el retroceso.

S av=π*(2cm)²=12.56cm²

S re=π*[(2cm)² - (0.5cm)² ]=11.7cm²

S=Sav + Sre=24.26cm²

Ft=(24.26cm²)(6bar)=145.56N

Ft avance=(12.56cm²)(6bar)=75.36N Fn avance=75.36*0.80=60.28N

Ft retroceso=(11.7cm²)(6bar)=70.2N Fn retroceso=70.2*0.80=56.16N

8) Calcula el consumo de aire atmosférico si las maniobras se repiten con una frecuencia de 4 ciclos por minuto.

V=π*[ 2*(0.040m)² - (0.01m)²] * 0.15m /4=3.534x10-4 m³/ciclo

Qman=n*V=(4 ciclos/min)(3.534x10-4 m³/ciclo)=1.41x10-3 m³/min

Patm=10^5 Pa

Pman=Patm + Ptrabajo=10^5 + 6 10^5=7 10^5 Pa

Qatm=(7x10^5)(1.41x10^-3)/10^5 =9.87x10^-3 m³/min=9.87dm³/min =9.87L/min

9) Se requiere diseñar un cilindro de simple efecto que utilice en su funcionamiento un volumen de aire de 650cm³ con una carrera de 250mm, que trabaje a una presión de 11 Kp/cm².

¿Cuál es el Ø del cilindro?

Øe=√630cm³*4/π*25cm = 5.65cm

10) Calcula: fuerza real de avance, teniendo en cuenta que las fuerzas de rozamiento suponen el 10% de la fuerza teórica y el resorte realiza una fuerza equivalente al 15% de la fuerza teórica de avance.

S avance=π*R²=π*(2.82cm²)=25.06cm²

Ft avance=(25.06cm²)(11Kp/cm²)=275.66N

Fm=275.66/100=2.75 Fm=2.75*15=41.3N

Fr=275.66/100=2.75 Fr=2.75*10=27.56N

Fn=p*S-(Fm+ Fr)=275.66N(41.3N+27.56N)=206.8N

CUESTIONARIO

1.-los cilindros neumáticos son los encargados de transformar energía neumática en…

a) Energía hidráulica

b) Trabajo útil

2.-Los actuadores especiales son llamados así porque:

a) Son fabricados de materiales resistentes a la contaminación, ya que son utilizados para ambientes agresivos. También son de diversos diseños ya que satisfacen tareas específicas.

b) Generan movimiento.

3.-Existen los actuadores de giro…

a) Limitado e ilimitado.

b) Lineales y especiales.

4.-los cilindros de simple efecto se caracterizan por…

a) Tener una sola conexión de aire y un muelle.

b) Tener dos conexiones de aire comprimido.

5.-los motores de paleta, son actuadores de giro ilimitado, ya que generan elevadas revoluciones.

a) Falso.

b) Cierto.

6.-Tiene un vástago corrido hacia ambos lados y esto le permite soportar pequeñas cargas laterales, ya que la fuerza de avance y retorno son iguales, la velocidad de avance y retorno también. Es tipo doble efecto.¿De qué cilindro estamos hablando?

a) Cilindro con doble vástago.

b) Actuador de paletas.