FP e Ingeniería Eléctrica: Neumática

Introducción.

En los sistemas de cilindros neumáticos que normalmente manejamos o diseñamos, se debe conocer de una forma fácil y rápida la fuerza y el aire consumido que tiene el cilindro, para obtener un mayor conocimiento del trabajo que realiza el cilindro diseñado o instalado.

En los cilindros neumáticos de simple efecto, el aire es introducido a cierta presión en una sola cámara, que en contacto con el émbolo provoca que se realice la carrera de avance del cilindro. La carrera de retroceso es provocada por la acción de un resorte o muelle, o bien por una fuerza externa.

En los cilindros neumáticos de doble efecto, el aire comprimido es introducido alternativamente por ambos lados, gracias a la válvula distribuidora del sistema. El cilindro puede trabajar en ambos sentidos (carrera de avance y de retroceso). La fuerza producida por un cilindro de doble efecto en el sentido del avance, no es igual a la fuerza que produce en el sentido de retroceso, ya que la superficie sobre la que actúa la presión del aire es diferente, debido al espacio ocupado por el vástago.

Fuerza en los cilindros neumáticos.

La fuerza de un cilindro se puede conocer, o bien es calculado teóricamente por medio de sus características físicas y de trabajo o recurriendo a los datos facilitados por el fabricante. En cualquier caso, la fuerza ejercida por el cilindro depende de la presión de trabajo del aire comprimido, el diámetro del cilindro y de la resistencia por fricción de los elementos de estanqueidad. Para determinar la fuerza teórica del cilindro se puede recurrir a la siguiente expresión.

Fórmula general Fuerza teórica.

Donde se tiene que:

F: es la fuerza del cilindro.
S: es la superficie útil del émbolo.
p : es la presión de trabajo.

Fuerza en los cilindros de simple efecto:

Los cilindros de simple efecto solamente ejercen fuerza en el sentido del avance, cuando el cilindro regresa a su posición inicial, lo hace gracias a la acción de un muelle o resorte.

A efectos de cálculo se estima que la fuerza del resorte es entorno al 10% de la fuerza teórica.

Sección o superficie del émbolo:

Fórmula Sección cilindro simple efecto.

- S: sección del émbolo

- re: radio del émbolo.

- Øe: diámetro del émbolo.

Fuerza:

Fórmula Fuerza cilindro simple efecto.

- F: fuerza del cilindro.

- S: sección del émbolo.

- p: presión de trabajo.

- Fr: fuerza de rozamiento.

- Fm: Fuerza del muelle.

- Øe: diámetro del émbolo.

Fuerza de los cilindros de doble efecto.

Los cilindros de doble efecto ejercen fuerza tanto en el sentido del avance como en el de retroceso. Resulta que la fuerza ejercida en ambos movimientos es distintas, el aire ejerce presión en toda la superficie del émbolo en el avance, mientra que en el retroceso solo se ejerce presión en la superficie útil del émbolo, es decir en la superficie del émbolo menos la superficie del vástago.

Sección del émbolo en el avance:

Fórmula Sección émbolo en el avance cilindro de doble efecto.

- S: sección del émbolo.
- re: radio del émbolo.

- Øe: diámetro del émbolo.

Sección del émbolo en el retroceso:

Fórmula Sección émbolo en el retroceso cilindro de doble efecto.

- S: sección del émbolo.
- re: radio del émbolo.
- rv: radio del vástago.

- Øe: diámetro del émbolo.
- Øv: diámetro vástago.

Fuerza en el avance:

Fórmula Fuerza en el avance cilindro de doble efecto.

- F: fuerza del cilindro.

- S: sección del émbolo.

- p: presión de trabajo.

- Fr: fuerza de rozamiento.

- Øe: diámetro del émbolo.

Fuerza en el retroceso:

Fórmula Fuerza en el retroceso cilindro de doble efecto.

- F: fuerza del cilindro.

- S: sección del émbolo.

- p: presión de trabajo.

- Fr: fuerza de rozamiento.

- Øe: diámetro del émbolo.

- Øv: diámetro vástago.

Consumo de aire.

Por consumo de aire se entiende la cantidad de aire comprimido que necesita un cilindro para funcionar correctamente. Se debe tener en cuenta el volumen del cilindro y el número de veces que se repite el movimiento en la unidad de tiempo, generalmente se mide en ciclos por minuto.

En el cálculo del consumo de aire se tiene en cuenta la presión de trabajo, por lo que se obtiene el consumo de aire comprimido, para conocer el consumo de aire atmosférico se parte del consumo de aire a la presión de trabajo y se aplica la Ley de Boyle-Mariotte.

Consumo de aire en cilindros de simple efecto.

Se calcula el consumo de aire en el avance, es decir el volumen de aire en la cámara posterior del cilindro. En los cilindros de simple efecto el volumen en la carrera de avance coincide con el volumen total del cilindro neumático.

Fórmula Volumen cilindro de simple efecto.

- V: volumen en el avance.
- S: sección del émbolo.
- L: carrera del cilindro.

Consumo de aire en cilindros de doble efecto.

Se calcula el consumo de aire tanto en el avance como en el retroceso. En los cilindros de doble efecto el volumen total del cilindro será la suma de los volúmenes de avance y de retroceso.

Volumen de aire en el avance:

Fórmula Volumen en el avance cilindro de doble efecto.

Volumen de aire en el retroceso:

Fórmula Volumen en el retroceso cilindro de doble efecto.

Volumen total del cilindro de doble efecto:

Fórmula Volumen total en el cilindro de doble efecto.

Obtención del volumen de aire en condiciones normales aplicando la Ley de Boyle-Mariotte.

Calculados los volúmenes, se conoce el consumo de aire a una determinada presión de trabajo. Para transformar este volumen a condiciones normales, se aplica la Ley de Boyle-Mariotte.

Fórmula aplicación Ley de Boyle-Mariotte.

Donde se tiene que:

La presión relativa o manométrica será igual a al presión de trabajo.

Si se supone como presión atmosférica de 1 Kp/cm2, 1 atm, 1,013 bar, etc, el volumen resultante es:

Fórmula Volumen de aire teniendo en cuenta la presión atmosférica.

Por último habrá que considerar el número de ciclos por minuto que realiza el cilindro.

Volumen total de aire en condiciones normales:

Fórmula Volumen de aire en condiciones normales de presión y temperatura.

De esta forma, se ha obtenido el volumen de aire que consume el cilindro a condiciones normales de presión y temperatura.

Introducción. Cilindros neumáticos.

El actuador neumático o cilindro de aire comprimido es, por regla general, el elemento del circuito neumático encargado de realizar el trabajo, ya sea un trabajo lineal o rotativo. Tiene como finalidad generar un movimiento rectilíneo o de giro, dependiendo del tipo de actuador, transformado de este modo la energía de presión en energía mecánica. El actuador no solo puede realizar funciones de trabajo, sino que también puede ejercer funciones de regulación y mando dentro del circuito neumático.

Clasificación de los actuadores neumáticos.

Una clasificación genérica para los actuadores neumáticos puede ser:

Clasificación genérica de los actuadores neumáticos.

Actuadores lineales.

Los actuadores lineales, independientemente de su forma constructiva, representan los actuadores más comunes que se utilizan en los circuitos neumáticos. Existen dos tipos fundamentales:

Actuadores de simple efecto.
Actuadores de doble efecto.

Actuadores de simple efecto.

Este tipo de cilindro sólo puede producir trabajo en un sentido del movimiento, ya que dispone de una sola entrada de aire y el retorno es realizado por medio de un muelle interior o bien por una fuerza externa. Cuando el cilindro va provisto de muelle, éste es dimensionado para que el regreso del émbolo a su posición inicial se haga a una velocidad adecuadamente rápida.

Los cilindros de simple efecto se utilizan para sujetar, marcar, apretar, expulsar, alimentar, levantar, etc. Tienen un consumo de aire más bajo que un cilindro de doble efecto de iguales características y dimensiones.

Este tipo de cilindro presenta una serie de problemas o desventajas, existe una reducción de impulso debido a la fuerza contraria del resorte, así que puede ser necesario un diámetro interno algo más grande para conseguir la misma fuerza. También la adecuación del resorte tiene como consecuencia una longitud total más larga y una longitud de carrera limitada, no siendo esta superior a unos 100 mm.

Dentro de los actuadores o cilindros de simple efecto, se pueden encontrar los siguientes tipos:

Cilindro de émbolo: este tipo de cilindro contiene un pistón en su interior que en un sentido es desplazado por el aire comprimido y en sentido contrario es desplazado por un resorte o una fuerza externa. La estanqueidad se consigue por medio de una juntas de material flexible de plástico que recubre el pistón metálico. Durante el movimiento la junta se desliza sobre la pared interna del cilindro (camisa), impidiendo las fugas de aire entre cámaras.

Cilindro de émbolo.

Cilindro de membrana: en este caso una membrana de goma o metal reemplaza al émbolo. El vástago del cilindro está fijado en el centro de la membrana, y el único rozamiento que se produce es por dilatación del material. Normalmente son cilindros de carreras muy cortas (longitud máxima de 50 mm). Es un cilindro empleado en dispositivos de máquinas y herramientas, estampación, remachado y fijación de prensas, etc.

Cilindro de membrana.

Cilindro de membrana arrollable: de construcción similar al anterior, también emplea una membrana que al estar sometida a la presión del aire, se arrolla a lo largo de la pared interior del cilindro provocando la salida del vástago.

Cilindro de membrana arrollable.

Actuadores de doble efecto.

Los cilindros de doble efecto son aquellos que realizan trabajo, tanto en su carrera de avance como en la de retroceso debido a la acción del aire comprimido. Son cilindros empleados especialmente en aquellos casos en que el émbolo tiene que realizar un determinado trabajo en ambos sentidos, teniendo que retomar el vástago a su posición inicial. En principio la longitud de la carrera en estos cilindros no está limitada, pero se tiene que tener en cuenta un fenómeno denominado pandeo que puede llegar a sufrir el vástago.

Sus componentes internos son prácticamente iguales a los cilindros de simple efecto, con pequeñas variaciones de constructivas. La culata delantera tiene un orificio roscado para inyectar de aire comprimido para realizar la carrera de retroceso.

Cilindro de doble efecto.

Algunos cilindros de doble efecto son:

Cilindros con amortiguación interna: en accionamientos neumáticos que son ejecutados a velocidades importantes y la masa desplazada es grande se producen impactos del émbolo contra la camisa que liberan gran cantidad de energía que tiende a dañar el cilindro. Con objeto de evitar este daño del cilindro se emplea cilindro con amortiguación interna.

Estos cilindros disponen de unos casquillos de amortiguación alojados en las culatas, al alcanzar las posiciones finales de las carreras, tanto de avance como de retroceso, el émbolo, junto con el casquillo amortiguador, disminuye la salida directa del aire hacia el exterior haciéndose la sección de escape muy pequeña, gracias a la acción del regulador de caudal y la válvula antirretorno.

El aire comprimido se comprime más en la ultima parte de la carrera del cilindro. Esta sobrepresión producida por la disminución del escape de aire debido a las válvulas antirretorno y la reguladora de caudal hacen que el émbolo se deslice más lentamente amortiguándose el impacto del émbolo con las culatas.

Cilindro con amortiguación interna.

Los cilindros con amortiguación interna se pueden encontrar:

Cilindros con amortiguación en el avance.
Cilindros con amortiguación en el retroceso.
Cilindros con amortiguación en ambos sentidos.
Cilindros con amortiguación en el lado del émbolo sin regulación.

Cilindros de doble vástago: este tipo de cilindros tiene un vástago corrido hacia ambos lados. La guía del vástago es mejor, por que dispone de dos cojinetes y la distancia entre éstos permanece constante. Por este motivo el cilindro puede absorber pequeñas cargas laterales.

La fuerza es igual en los dos sentidos, debido a que la superficie del émbolo son iguales, al igual que sucede con la velocidad de desplazamiento.

Cilindro de doble vástago.

Cilindro Tándem: se trata de un elemento con dos cilindros de doble efecto que forman una unidad. Con esta disposición, al aplicar simultáneamente presión sobre los dos émbolos se obtiene en el vástago una fuerza de valor duplicado, respecto a un cilindro normal de igual diámetro. Son usados en casos de fuerzas considerables y con espacio reducido para un cilindro de mayor diámetro.

Cilindro Tándem.

Cilindro multiposicional: este tipo de cilindro es una buena opción en aquellos casos en los que se requiere alcanzar 3 o 4 posiciones diferentes del vástago. Está constituido por dos o más cilindros de doble efecto acoplados entre si por el extremo de los vástagos o bien por las culatas mediante placas adaptadoras. Para cuatro posiciones, se requiere que la carrera de las 2 unidades sean diferentes.

Cilindro multiposicional.

Cilindro de impacto: la fuerza de presión de un cilindro está limitada, y por tanto para elevadas energías cinéticas se emplea el cilindro de impacto. Esto se alcanza aumentando la velocidad del émbolo, hasta unos valores de 7,5 a 10 m/s, aunque con el inconveniente de tener que realizar pequeños recorridos, ya que la velocidad disminuye rápidamente en caso de ser esta muy grande.

Cilindro de impacto.

La camisa A del cilindro esta sometida a presión, el cilindro esta retraído. Al accionar la válvula distribuidora del circuito neumático, en la camisa B entra aire comprimido y se somete a la presión de trabajo. Mientras, la camisa A es puesta a escape. La fuerza actúa sobre la superficie C y cuando sea mayor que la de la cámara A, el embolo se desplazará en dirección Z. Al mismo tiempo queda libre toda la superficie del émbolo y la fuerza aumenta. El aire de la camisa B puede fluir rápidamente a través de la sección, ahora más grande y el émbolo sufre una gran aceleración.

Actuadores de giro.

Actuadores de giro limitado.

Cilindros de giro: se trata de un cilindro de doble efecto, el vástago es una cremallera que acciona un piñón y transforma el movimiento lineal en un movimiento giratorio hacia la izquierda o hacia la derecha, según el émbolo. Los ángulos de giro pueden ser de 45º, 90º, 180º, 290º hastas 720º. Es posible determinar el margen de giro dentro del margen total por medio de un tornillo de ajuste.

El par de giro es función de la presión, de la superficie del émbolo y de la desmultiplicación. Los actuadores de giro se emplean para voltear piezas, doblar tubos metálicos, regular accionadores de aire, accionar válvulas de cierre, válvulas de tapa, etc.

Cilindro de giro.

Cilindro de émbolo giratorio:Al igual que los cilindros de giro, éste también puede realizar un movimiento angular limitado, que rara vez sobrepasa los 300º. La estanqueidad presenta dificultades y el diámetro o el ancho permiten a menudo obtener sólo pares de fuerza pequeños. Estos cilindros no se utilizan mucho en neumática, pero en hidráulica se utilizan con frecuencia.

Cilindro de émbolo giratorio.

Actuadores de giro ilimitado o motores neumáticos.

Los equipos que transforman la energía de presión del aire comprimido en movimientos giratorios mecánicos se denominan motores neumáticos. Se clasifican en:

Motor de émbolo o pistones: este tipo de motor puede a su vez ser un motor radial o axial. El movimiento del émbolo tiene como consecuencia que el aire a presión actúa sobre la cabeza del pistón, transmitiendo movimiento al cigüeñal a través de la biela. Para que el motor trabaje de modo homogéneo es necesario que conste de varios cilindros, dependiendo de la potencia, de la presión de entrada, cantidad de cilindros, superficie de los émbolos y velocidad de éstos.

Trabajan a revoluciones más bajas que los motores de paletas. Tienen un par de arranque elevado y buen control de su velocidad. Se emplean para trabajos de baja velocidad con grandes cargas.

Motor neumático de émbolo o pistón.

Motor de paletas: estos motores tienen un rotor montado excéntricamente en un cilindro, con paletas longitudinales alojadas en ranuras a lo largo del rotor.

El par se origina cuando el aire a presión actúa sobre la paletas. El número de paletas suele ser de 4 a 8. Normalmente cuatro o cinco paletas son suficientes para la mayoría de las aplicaciones. Se utilizan mayor número de paletas cuando se necesita mejorar la fiabilidad de la máquina y su par de arranque.

Motor neumático de paletas.

Motor de engranajes: El aire comprimido es admitido por un lado en la línea de contacto de las ruedas dentadas y escapa por el otro después de provocar su rotación. Una rueda se acopla solidaria de su eje y la otra montada sobre rodamientos gira "loca" sobre su eje. La transmisión del par se realiza por el flanco de los dientes y por tanto el desgaste, muy reducido, no tiene influencia sobre la estanqueidad.

Motor neumático de engranajes.

Actuadores especiales y combinados.

A continuación vemos algunos ejemplos de cilindros especiales y combinados:

Cilindro de vástagos paralelos: este tipo de cilindro esta compuesto de dos cilindros de doble efecto dispuestos en paralelo que forman uno solo. Son utilizados en aplicaciones donde se necesita mayor fuerza y el vástago no deba de girar durante la operación.

Cilindros de doble vástago: comentado en apartados anteriores.

Cilindro sin vástago: estos cilindro mueven una ménsula por medio de émbolos desplazados por aire comprimido a lo largo de toda la longitud de la carrera del propio cilindro. Pueden ser ajustable, de transmisión mecánica por fleje, con sujeción mecánica o magnética, etc.

Cilindro sin vástago con amortización ajustable.

Cilindro sin vástago con acoplamiento magnético: este tipo de cilindro carece de vástago. Es aire comprimido mueve una ménsula, dicha ménsula transporta los objetos a lo largo de toda la carrera del cilindro sujetando el objeto mediante imanes de arrastre.

Cilindro sin vástago de transmisión mecánica por fleje: este cilindro carece de vástago, es su lugar tiene una ménsula solidaria a un conjunto fleje de acero. Los émbolos neumáticos son los encargados de mover la ménsula a través de toda la carrera del cilindro.

Cilindro de giro: comentado anteriormente.

Cilindro de giro de doble cremallera: este tipo de cilindro de giro dispone de dos émbolos que transforman el movimiento lineal en movimiento giratorio por medio del conjunto cremallera piñón,

Cilindros con pinzas de apertura angular: este tipo de cilindros algo más complejos disponen de unas pinzas en el vástago para la sujeción y movimiento de piezas.

Cilindros con pinzas de apertura paralela.

Estructura de un cilindro neumático.

A continuación vemos las partes de un cilindro neumático de doble efecto.

1.- Camisa del cilindro: pieza única de acero estirado sin costuras de soldadura, la superficie interior de mecaniza con acabados superficiales muy finos y bruñidas para facilitar la lubricación. En determinadas aplicaciones el cilindro puede ser de aluminio, latón o acero cromado interiormente.
2.- Culata trasera o anterior: piezas trasera del cilindro que garantiza la estanqueidad por medio del apriete y las juntas.
3.- Culata delantera o posterior: pieza delantera del cilindro que garantiza la estanqueidad por medio del apriete y las juntas.
4.- Vástago del cilindro: normalmente de acero inoxidable, pieza encargada, junto con el émbolo, de transmitir el movimiento rectilíneo o giratorio dependiendo del caso.
5.- Collarín obturador: elemento que garantiza la estanqueidad del vástago.
6.- Cojinete: pieza que sirve de guía al vástago. Es la pieza sirve de apoyo al vástago en su carrera, también actúa de mártir y se desgasta debido al rozamiento.
7.- Anillo rascador: elemento situado delante del cojinete, tiene como objeto evitar que penetren partículas de polvo o suciedad en la camisa del cilindro.
8.- Junta dinámica: junta que evita el paso del aire de la cámara anterior a la posterior del cilindro y viceversa. Es solidaria con el émbolo del cilindro de forma que asegura la estanqueidad dentro de ambas cámaras.
9.- Juntas tóricas: elementos, normalmente de goma, teflón o caucho, que aseguran la estanqueidad de la camisa con las culatas.

Sujeción de los cilindros.

El tipo de sujeción depende de la forma en la que esté montado el cilindro en los equipos, se puede recurrir a una determinada variedad de elementos auxiliares que permiten la sujeción de un modo u otro.

Es importante tener en cuenta el modo de sujeción, ya que los cilindros solo han de soportar un esfuerzo axial, o sea, en el sentido del eje longitudinal, siendo las principales consecuencias de una mala sujeción: