CILINDROS NEUMATICOS

Objetivo

El objetivo de este informe es dar a conocer la información relacionada a  los cilindros neumáticos, desdé el concepto de cilindros, su estructura física, su función, su uso en la industria, así como su mantenimiento, los tipos.

Introducción

Cilindros neumáticos también conocidos como (cilindros del aire) sea dispositivos mecánicos los cuales producen fuerza a menudo conjuntamente con movimiento. Los cilindros neumáticos se utilizan en el campo de la automatización para desplazamiento, alimentación o elevación de materiales de las mismas maquinas. Para realizar su función  los cilindros neumáticos imparten fuerza por el convertir energía potencial de gas comprimido en energía cinética.

¿Qué son los cilindros?

 Los cilindros son piezas hechas con metal fuerte porque deben de soportar a lo largo de su vida útil un trabajo a altas temperaturas, lo que somete a un trabajo excesivo bajo condiciones extremas. Consiste en un recipiente cilíndrico, que internamente contiene un embolo y va sellado herméticamente a la camisa de este recipiente. Cuándo a este cilindro le entra aire comprimido, se expande llenando los huecos de vacío haciendo que ese vástago salga a una determinada velocidad.

Esto es alcanzada por el gas comprimido que puede ampliarse, sin entrada de energía externa que así mismo ocurre debido la presión establecida por el gas comprimido que estaba en una mayor presión que la presión atmosférica. Esta extensión del aire a una fuerza para que el pistón pueda moverse en la dirección deseada. Que al introducir un determinado caudal de aire comprimido, este se expande dentro de la cámara y causa un  desplazamiento lineal, sí se ajusta al embolo un vástago rígido, este mecanismo es capaz de empujar  algún elemento, o simplemente sujetarlo. La fuerza de empuje es proporcional a la presión del aire  y a la superficie del pistón.

F=p.a.

Dónde:

F=Fuerza (N)

P=Presión Manométrica (Bar)

A=Área del embolo o pistón (mm)

¿Para qué sirven?

Los cilindros neumáticos pueden funcionar en una variedad de maneras. Los ejemplos incluyen tener la capacidad de realizar movimientos múltiples sin la necesidad de la intervención intermedia, de realizar un movimiento completo con los puntos que paran intermedios, para ser ajustados, para controlar la cantidad de extensión y/o la contracción de la barra de pistón actuada una vez.

Son dispositivos motrices en equipos neumáticos que transforman energía estática del aire a presión, haciendo avances o retrocesos en una dirección.

¿Qué tipos de cilindros existen en la neumática?

 Aunque los cilindros neumáticos variarían de aspecto, tamaño y la función, caen generalmente en una de las categorías específicas.

No obstante hay también numerosos otros tipos de cilindros neumáticos disponibles, muchos de los cuales se diseñan para satisfacer funciones específicas y especializadas.

 

Tipos de cilindros Neumáticos

·         Cilindros de acción simple(simple efecto)

Los cilindros de simple efecto utilizan la fuerza impartida por el aire para moverse en una dirección (generalmente desplazando el vástago hacia afuera de la camisa del cilindro, recordando que su estado en reposo generalmente es con el vástago dentro del cilindro.

 

Uno de sus movimientos está gobernado por el aire comprimido  mientras que el otro se da por una acción antagonista, generalmente un resorte colocado en el interior del cilindro. Esté resorte puede situarse opcionalmente entre el pistón y su tapa trasera (con resorte delantero) o entre el pistón y su tapa trasera (con resorte trasero).Realiza trabajo aprovechable solo en uno de dos sentidos, y la fuerza obtenible es algo  menor a la de la expresión F = P x A, pues hay que descontar la fuerza de oposición que ejerce el resorte.

Simbología de cilindro De simple efecto  

 

VIDEO DE CILINDRO DE EFECTO SIMPLE

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

 

·         Cilindro de doble efecto

Los cilindros de doble efecto son capaces de producir trabajo útil en dos sentidos, ya que se disponen de una fuerza activa tanto en avance como en retroceso. Los cilindros dobles utilizan del aire para moverse se extienden y contraen movimientos, el vástago va a ser accionado por ambos lados, la fuerza que tendrán será neta, ya que no hay nada que se le oponga para realizar su carrera.

 

Se construyen siempre en forma de cilindros de embolo y poseen dos tomas de aire comprimido, cada una de ellas situadas en una de las tapas del cilindro.     Se emplea  en los casos en los que el embolo tiene que realizar también una función en su retorno a la posición principal. La carrera de estos cilindros suele ser más larga (hasta 200 mm) que en los cilindros de simple efecto, hay que tener en cuenta el pandeo o curva miento que puede sufrir el vástago en su posición externa.    

 

 Cuando el aire comprimido entra por la toma situada en la parte posterior (1), desplaza el embolo y hace salir el vástago (avance).para que el embolo retorne a su posición inicial (retroceso), se introduce aire por la toma situada en la tapa delantera (2). De esta manera, la presión actúa en la cara del embolo en la está sujeta el vástago, lo que hace que la presión de trabajo sea algo menos debido a que la superficie de aplicación es más pequeña. Hay que tener en cuenta que este caso el volumen de aire es menor, puesto que el vástago también ocupa volumen.

https://www.youtube.com/watch?v=UyWN811Y1b0

 En el siguiente video podremos apreciar uno de los usos de los cilindros de doble efecto.
 

A continuación apreciaremos la imagen de un cilindro de doble efecto.

 

 

El pistón es accionado por el aire comprimido en ambas carreras.

Realiza trabajo aprovechable en los dos sentidos de marcha.

Principalmente se utilizan dos tipos de configuraciones:

a)       Cilindro Diferencial: un solo vástago y relación de superficies (embolo -Vástago) de 2:1. se utiliza cuando solo se requiere realizar trabajo  en un sentido.

 

Simbología de cilindro doble efecto

 

 

 

·         Cilindro de doble vástago

 

Tienen vástago por las dos partes del  embolo. Se utilizan cuando se requiere realizar trabajo en dos direcciones, la carga se puede colocar en uno de los vástagos o en ambos.

 

 

 

·         Cilindros de doble pistón o en tándem

 

Consisten en dos cilindros de doble efecto acoplados en serie con un vástago en común, formando una unidad compacta aplicando simultáneamente presión sobre los dos émbolos se obtiene una fuerza de casi el doble de la un cilindro convencional del mismo diámetro.

 

Simbología

 

 

·         Cilindros Acoplados de acción Independiente

 

Están constituidos por dos cilindros unidos por sus tapas traseras. Éstos pueden operarse independientemente de modo tal de obtener sobre uno de los extremos del vástago, tres o cuatro posiciones de trabajo según iguales o distintas las carreras de ambos cilindros .Es un dispositivo multipasicionador.

 

·         Doble cilindro de simple efecto con vástagos unidos por un yugo

 

Se mueven al mismo tiempo los vástagos, ya que están unidos perfectamente por un yugo. Son utilizados para trabajos pesados, por su diseño existe mínima torsión de los vástagos, obviamente generan más fuerza que los cilindros estándares.

 

 

·         Doble cilindro de Doble efecto con vástagos unidos

 

Este cilindro contiene dos émbolos, cada embolo contiene su (vástago doble) y al final unidos por un yugo en casa extremo, garantizado aún más la guía de los vástagos evitando el pandeo, grandes cargas y alineación exacta.

·         Cilindros Sin Vástago

 

El pistón transmite el movimiento a la carga a través de un carro acoplado mecánicamente al pistón mediante un exclusivo sistema patentado .un sistema de cintas garantiza un doble sellado y evita un riesgo de impureza en el interior del cilindro. Variantes constructivas de este incluyen guías externas de diversos tipos.

 

Amortiguación de fin de Carrera

Son dispositivos, fijos o regulados, colocados generalmente en las tapas de los cilindros y cuya finalidad es la de absorber la energía cinética de las masas en movimiento. Según los modelos de cilindros, se pueden tener amortiguación delantera, trasera o doble. Para una data aplicación, si se verifica insuficiente la amortiguación, utilizan amortiguadores hidráulicos de choque.

Pistón con Imán Incorporado

Ciertos cilindros incorporan un imán en el pistón a efecto de actuar un interruptor magnético montado en el exterior del cilindro durante o fin de la carrera, esta señal eléctrica es utilizada para gobernar a otros órganos componentes del sistema, actuadores, relés, PLC, o bien para controlar su propio movimiento.

Fuerza de cilindros Neumáticos

El diámetro del embolo establece la fuerza que puede realizar el actuador. Inicialmente tendremos en cuenta la fórmula:
P= F/A

Dónde:

P= Presión en (N/cm*2)

F= Fuerza (N)

A= Área (cm*2)

La fuerza disponible en un cilindro crece con mayor presión y con mayor diámetro. La determinación de la fuerza estática en los cilindros está sustentada por la siguiente formula o en el ábaco de adjunto:

 

Consumo de aire en cilindros

El cálculo de consumo de aire en cilindros neumáticos es muy importante cuando se requiere conocer la capacidad de compresor necesario para abastecer, la demanda de una instalación

Es indispensable conocer cuál va a ser nuestra demanda de aire comprimido para que vayamos a realizar. Determinar el consumo de aire que necesitamos va a darnos una amplia idea de los costos que vamos a tener cuando se requiera poner en marcha un proyecto de trabajo.

§  En primera instancia debemos calcular, si se trata de un cilindro de doble efecto, el volumen de ambas cámaras.

Carrera de avance

 Vav= π  *R2*L

Dónde: L = Carrera del pistón

Carrera de retroceso

Vre=  π * (R2 – r2) * L

§  Una vez calculada esta expresión, ya conocemos el consumo de aire a una determinada presión de trabajo .para transformar este volumen a condiciones normales habrá que aplicar la ley de Boyle- Mariotte.

P abs * Vcil = P atm * Vaire = (P abs* Vcil) / Patm

ü  Pabs = P m + P am

§  Para finalizar el consumo de aire es:

Consumo aire (cm3/min) = (n° ciclos / min) *V aire

Ejercicio 1
Un cilindro de simple efecto es alimentado por aire comprimido a una presión de 8 bar, el muelle ejerce una fuerza de 50 N, el diámetro del émbolo es de Φ_e=30 mm y realiza una carrera e=50 mm. En el desarrollo de su actividad repite 8 ciclos cada minuto, y presenta un rendimiento η=85%. Para el caso teórico y el real. Se desea calcular:
 

a) La fuerza que ejerce el cilindro.
b) El consumo de aire en condiciones normales.
c) La potencia que desarrolla el cilindro al realizar la maniobraRespuesta :
a) En el caso de un cilindro de simple efecto, solamente se realiza trabajo útil en la
carrera de avance, a esta fuerza se le debe restar la fuerza debida al empuje del
muelle

Ejercicio 2
Un cilindro de doble efecto trabaja con aire a una presión p=8 bar, su carrera es e=50mm, el diámetro del émbolo es Φ_e=30 mm, y el diámetro del vástago es Φ_v=10 mm, realiza una maniobra de 8 ciclos por minuto y en ambos movimientos presenta un rendimiento de η=85%. Se desea calcular para el caso teórico y para el caso ideal:
 

a) Fuerza ejercida en las carreras de avance y de retroceso
b) Consumo de aire en condiciones normales durante una maniobra.
c) Potencia producida por el cilindro durante una maniobra.
Respuesta:
En el caso de un cilindro de doble efecto se desarrolla fuerza en los dos movimientos
del vástago, lo que ocurre es que la superficie útil es diferente en la carrera de avance
será la que ofrece el émbolo, que es mayor que la superficie útil durante la carrera de
retroceso, puesto que a la superficie del émbolo se le tiene que restar la superficie del
vástago, por ello la fuerza será mayor en la carrera de avance que en la de retroceso:
a) Avance. La presión actúa sobre la superficie total del émbolo.  

Simbología

Código de Cilindros

 

Montajes

En cuanto a la forma de sujetar un cilindro neumático, es propio de cada aplicación que modelo de montaje se utilizara. En general está sujeto a condiciones de diseño, razones de espacio y características de los movimientos.

Las posibilidades de montaje en cilindros pueden tener las siguientes características:

1.    Montajes Rígidos: El cuerpo del cilindro permanece fijo durante el desplazamiento del pistón.

2.    Montajes Basculantes: El cuerpo del cilindro gira en torno a uno o más ejes durante el desplazamiento del pistón.

Recomendaciones para el montaje de cilindros neumáticos

 

1.    Los cilindros neumáticos están diseñados para transmitir esfuerzos axiales .La presencia de esfuerzos radiales o laterales sobre los vástagos conducirán e un desgaste prematuro de las guarniciones y de sus guías, materializando en la vocalización del buje guía del vástago y del propio tubo del cilindro. Por lo tanto, deberán analizarse detenidamente los tipos de montaje más adecuados para cada aplicación a efectos de anular dichos esfuerzos.

2.    Toda vez que se utilice un montaje basculante para el cilindro (en cualquiera de sus formas), deberá preverse un equivalente en el extremo del vástago. La combinación, de montajes rígidos con basculantes resulta un contrasentido técnico que origina esfuerzos radiales sobre el vástago.

3.    Cuando las oscilaciones puedan ser en más de un eje, son recomendables los montajes con rotula tanto para el cilindro como para su vástago. La combinación de montajes con rotula (universal) con montajes basculantes en plano es también un contrasentido técnico que origina esfuerzos radiales.

4.    Debe evitarse el montaje rígido del cilindro con el elemento a mover. En caso que sea inevitable, fijar suavemente el actuador y operarlo a baja presión de modo que entre y salga libremente y pueda auto linearse. Suplementar si fuera necesario y luego ajustar firmemente los tornillos de sujeción.

5.     Cuando el cilindro sea de gran carrera y supere los valores máximos admisibles por pandeo, es recomendable guiar el vástago y preferentemente (tirar) de la carga en lugar de empujarla. El pandeo también origina esfuerzos radiales sobre el vástago.

6.       Cuando se desplacen masas o el movimiento se realice a elevada velocidad, es recomendable el uso de cilindros con amortiguación. Si estas fueran importantes, prever además amortiguaciones hidráulicas de choque y topes positivos en la máquina.

7.    Durante la puesta en marcha, debe asegurarse que los tornillos se regulación de las  amortiguaciones no sean abiertos más de ½ vuelta, de modo de tener en exceso y no una falta de amortiguación. La calibración final se hará con la maquina en operación con la carga y velocidad definitivas.

8.    Al montar un cilindro amortiguado, tener la precaución que los tornillos de registro de amortiguación queden en posición accesible.

9.    Cuando se monten cilindros neumáticos en proximidades de grandes campos magnéticos, por ejemplo en máquinas donde se realicen tareas de soldadura, se deberá aislar al cilindro convenientemente para evitar tanto como sea posible la circulación de corrientes inducidas por el mismo.

10.  Suministrar aire con la calidad adecuada. El aire con impurezas y  la deficiente lubricación acortan la vida útil de los cilindros neumáticos.

11. Las roscas de conexionado son Gas cilíndricas. Tener especial cuidado al utilizar cañerías p accesorios con rosca cónica, pues pueden producir la rotura del elemento. Es Asiento frontal.

12. Las cañerías deberán estar limpias en si interior, evitando que restos de cinta o pasta se sellado puedan ser arrastrados al interior del cilindro. Es recomendable (soplar) las cañerías antes de conectar.

13. Al seleccionar un cilindro, considerar en cada caso las carreras definidas como standard como selección de preferencia. Este hecho influirá en el plazo de entrega y facilitara futuras reposiciones.

 

Plan de mantenimiento preventivo de cilindros

Los periodos de mantenimiento y la vida de los cilindros son afectados también por la calidad del montaje (Alineación y esfuerzos) y la calidad del aire (Humedad y lubricación).

La conversión del periodo indicado en km a horas de funcionamiento de máquinas puede establecer para cada actuador en partícula mediante la siguiente formula:

   H= 8,33. Km 7 (c.n)

Dónde:

H= Periodo de mantenimiento en horas

Km= Período de mantenimiento en kilómetros

C= Carrera del cilindro expresada en metros

n= Frecuencia de operación del actuador (ciclos / minuto)

Partes de un cilindro Neumático

Un cilindro Neumático está formado por un tubo circular cerrado en los extremos mediante dos tapas, entre las cuales desliza un émbolo que separa las dos cámaras. Al émbolo va unido un vástago  que, saliendo a través de una o ambas tapas. Permite utilizar la fuerza desarrollada por un cilindro en virtud de la presión del fluido actuado sobre las superficies del émbolo.

    

 

Cilindros neumáticos(Cuestionario)

http://www.areatecnologia.com/test%20neumatica.htm

1.    ¿Qué  es un Actuador?

Es un dispositivo capaz de generar una Fuerza a partir de líquidos, electricidad y gases, al actuador recibe órdenes de un regulador y da una salida para activar un proceso final.

 

2.    ¿Cómo se emplean los actuadores neumáticos?

Para simples posicionamientos.

 

3.    ¿Cómo se llama a los mecanismos que convierten la energía del aire comprimido en trabajo mecánico?

Actuadores mecánicos.

 

4.    ¿Cuál es la función de los cilindros?
Transforman energía estática del aire a presión, haciendo avances o retrocesos en una dirección.

 

5.    ¿Cuál es la función de los cilindros de simple efecto?

Utilizan la fuerza impartida por el aire para moverse en una dirección (generalmente desplazando el vástago hacia afuera de la camisa del cilindro, recordando que su estado en reposo generalmente es con el vástago dentro del cilindro.

 

6.    ¿Cuál es la función del cilindro de doble efecto?

El pistón es accionado por el aire comprimido en ambas carreras. Realiza un trabajo aprovechable en los dos sentidos de la marcha.

 

7.    ¿En qué circunstancias se puede utilizar el cilindro de doble vástago?

Se utilizan cuando se requiere realizar trabajo en las dos direcciones, la carga se puede colocar en uno de los vástagos o en ambos.

 

8.    ¿Cómo funcionan los cilindros acoplados de acción independiente?

Pueden operarse independientemente de modo tal de obtener sobre uno de los extremos del vástago, tres o cuatro posiciones de trabajo según iguales o distintas las carreras de ambos cilindros .Es un dispositivo multipasicionador.

 

9.    ¿Cómo funciona el doble cilindro de doble efecto con vástagos unidos?

Este cilindro contiene dos émbolos, cada embolo contiene su (vástago doble) y al final unidos por un yugo en casa extremo, garantizado aún más la guía de los vástagos evitando el pandeo, grandes cargas y alineación exacta.

 

10. ¿función del cilindro de sin vástago?

El pistón transmite el movimiento a la carga a través de un carro acoplado mecánicamente al pistón mediante un exclusivo sistema patentado .un sistema de cintas garantiza un doble sellado y evita un riesgo de impureza en el interior del cilindro. Variantes constructivas de este incluyen guías externas de diversos tipos.

 

11. ¿En qué consiste la amortiguación?
Son dispositivos, fijos o regulados, colocados generalmente en las tapas de los cilindros y cuya finalidad es la de absorber la energía cinética de las masas en movimiento. Según los modelos de cilindros, se pueden tener amortiguación delantera, trasera o doble.

 

12. ¿Por qué a los pistones se les incorpora imán?

Para efecto de actuar un interruptor magnético montado en el exterior del cilindro durante o fin de la carrera, esta señal eléctrica es utilizada para gobernar a otros órganos componentes del sistema, actuadores, relés, PLC o bien para su propio movimiento.

 

13. ¿Qué tipos de características tiene los cilindros para su montaje?

§  Montajes Rígidos: El cuerpo del cilindro permanece fijo durante el desplazamiento del pistón.

§  Montajes Basculantes: El cuerpo del cilindro gira en torno a uno o más ejes durante el desplazamiento del pistón.

 

14. Menciona dos recomendaciones para el contaje de los cilindros

§  Toda vez que se utilice un montaje basculante para el cilindro (en cualquiera de sus formas), deberá preverse un equivalente en el extremo del vástago. La combinación, de montajes rígidos con basculantes resulta un contrasentido técnico que origina esfuerzos radiales sobre el vástago.

§  Cuando las oscilaciones puedan ser en más de un eje, son recomendables los montajes con rotula tanto para el cilindro como para su vástago. La combinación de montajes con rotula (universal) con montajes basculantes en plano es también un contrasentido técnico que origina esfuerzos radiales.

 

15. ¿Cuáles son los factores que dañan a los cilindros?

Los cilindros son afectados también por la calidad del montaje (Alineación y esfuerzos) y la calidad del aire (Humedad y lubricación).

 

 

Bibliografías

http://educativa.catedu.es/44700165/aula/archivos/repositorio/1000/1144/html/3_clculo_de_cilindros_fuerza_consumo_de_aire.html

http://www.areatecnologia.com/test%20neumatica.htm
http://recursostic.educacion.es/secundaria/edad/4esotecnologia/quincena9/pdf/quincena9.pdf

http://www.microautomacion.com/catalogo/Actuadores.pdf