Informes mes de Agosto 2014

1. Titulo.

Cilindros Neumáticos.

2. Objetivo:

Hacer referencia a los principales tipos de cilindros neumáticos, lo mismo que a sus partes simbología y funcionamientos, a fin de determinar las características de dichos mecanismos en la neumática.

3. Introducción.

Los cilindros son dispositivos motrices en los equipos neumáticos ya que trasforman la energía estática del aire a presión, en movimiento rectilíneo de avance y retroceso. Este tipo de actuadores neumáticos tienen utilidades considerables en el campo de la técnica de automatización. El posicionamiento montaje y manipulación, ya sea para elevar, alimentar, desplazar, posicionar o cambiar de dirección, son ejemplo de su uso.

Las acciones que realizan los cilindros son las de empujar y tirar / o halar. Estos realizan su mayor esfuerzo cuando empujan, ya que la presión actúa sobre la cara del embolo que no lleva vástago y así se aprovecha la mayor superficie, cumpliendo con el principio de que a mayor área mayor fuerza.

4. Función de un Cilindro Neumático.

La función de un cilindro neumático es la de transformar la energía neumática en trabajo mecánico de movimiento rectilíneo, que consta de carrera de avance y carrera de retroceso.

Primero se consigue el desplazamiento de un embolo encerrado en un cilindro, como consecuencia de la diferencia de presión a ambos lados de aquel. Los cilindros neumáticos pueden ser de simple o doble efecto. En los de simple efecto, el embolo se desplaza en un sentido como resultado del empuje ejercido por el aire a presión, mientras que en el otro sentido se desplaza como consecuencia del efecto de un muelle (que recupera al embolo a su posición en reposo).

En los cilindros de doble efecto el aire a presión es el encargado de empujar al embolo en las dos direcciones, al poder ser introducido de forma arbitraria en cualquiera de las dos cámaras.

Los dos volúmenes de aire en que queda dividido el cilindro por émbolo reciben el hombre de cámaras. Si la presión de aire se aplica en la cámara posterior de un cilindro, el émbolo y el vástago se desplazan hacia adelante (carrera de avance). Si la presión de aire se aplica en la cámara anterior del cilindro, el desplazamiento se realiza en sentido inverso (carrera de retroceso).

5. Tipos de Cilindros Neumáticos y su simbología.

Los cilindros neumáticos independientemente de su forma constructiva, representan los actuadores más comunes que se utilizan en los circuitos neumáticos. Existen dos tipos fundamentales de los cuales derivan construcciones especiales.

Cilindros de simple efecto, con una entrada de aire para producir una carrera de trabajo en un sentido.

 Cilindros de doble efecto, con dos entradas de aire para producir carreras de trabajo de salida y retroceso. Más adelante se describen una gama variada de cilindros con sus correspondientes símbolos.

5.1 Simbologia.

5.2 Cilindros de simple efecto.

Un cilindro de simple efecto desarrolla un trabajo sólo en un sentido. El émbolo se hace retornar por medio de un resorte interno o por algún otro medio externo como cargas, movimientos mecánicos, etc. Puede ser de tipo “normalmente dentro” o “normalmente fuera”. 

Los cilindros de simple efecto se utilizan para sujetar, marcar, expulsar, etc. Tienen un consumo de aire algo más bajo que un cilindro de doble efecto de igual tamaño. Sin embargo, hay una reducción de impulso debida a la fuerza contraria del resorte, así que puede ser necesario un diámetro interno algo más grande para conseguir una misma fuerza. También la adecuación del resorte tiene como consecuencia una longitud global más larga y una longitud de carrera limitada, debido a un espacio muerto.

La variedad constructiva de los cilindros de simple efecto es muy importante, pero todos ellos presentan la misma mecánica de trabajo. Se muestran a continuación algunos ejemplos de los mismos:

5.3 cilindros de doble efecto.

Los cilindros de doble efecto son aquellos que realizan tanto su carrera de avance como la de retroceso por acción del aire comprimido. Su denominación se debe a que emplean las dos caras del émbolo (aire en ambas cámaras), por lo que estos componentes sí que pueden realizar trabajo en ambos sentidos.

Sus componentes internos son prácticamente iguales a los de simple efecto, con pequeñas variaciones en su construcción. Algunas de las más notables las encontramos en la culata anterior, que ahora ha de tener un orificio roscado para poder realizar la inyección de aire comprimido (en la disposición de simple efecto este orificio no suele prestarse a ser conexionado, siendo su función la comunicación con la atmósfera con el fin de que no se produzcan contrapresiones en el interior de la cámara). 

El perfil de las juntas dinámicas también variará debido a que se requiere la estanqueidad entre ambas cámaras, algo innecesario en la disposición de simple efecto.

El campo de aplicación de los cilindros de doble efecto es mucho más extenso que el de los de simple, incluso cuando no es necesaria la realización de esfuerzo en ambos sentidos. Esto es debido a que, por norma general (en función del tipo de válvula empleada para el control), los cilindros de doble efecto siempre contienen aire en una de sus dos cámaras, por lo que se asegura el posicionamiento.

5.4 Cilindro de doble vástago.

Este tipo de cilindros tiene un vástago corrido hacia ambos lados. La guía 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. Los emisores de señales, pueden disponerse en el lado libre del vástago.

La fuerza es igual en los dos sentidos (las superficies del émbolo son iguales), al igual que sucede con la velocidad de desplazamiento. Este tipo de cilindros recibe también la denominación de cilindro compensado y es importante recordar el equilibrio entre fuerzas y velocidad de lo que puede considerarse como “teóricos” avances y retornos de vástago.

Evidentemente, para cumplirse esta corrección de desfases los diámetros de los vástagos han de ser iguales.

5.5 Amortiguación. 

En los accionamientos neumáticos que son ejecutados a velocidades importantes y la masa trasladada es representativa, se producen impactos del émbolo contra la camisa que liberan gran cantidad de energía que tiende a dañar el cilindro. En estos casos, es evidente que la regulación de velocidad alargaría la vida del componente pero al mismo tiempo restaría eficacia al sistema.

Como solución, se presentan los actuadores con amortiguación interna. Estos disponen e unos casquillos de amortiguación concebidos para ser alojados en las propias culatas del cilindro. Como particularidad, se observa que se dispone de forma integrada de unos pequeños reguladores de caudal de carácter unidireccional.

Cuando el cilindro comienza a mover, el aire puede fluir por el interior del alojamiento de la culata y por el regulador. En estos momentos, la velocidad desarrollada es la nominal.

Aire desalojado libremente

Cuando el casquillo de recrecimiento entra en contacto con el alojamiento, se obtura el punto de fuga más importante y el poco aire que todavía queda en el interior del cilindro, se ve obligado a escapar a través del regulador de caudal. En consecuencia, se obtiene una regulación de velocidad en los últimos milímetros de carrera del cilindro.

Aire desalojado con restricción

La obturación, genera una contrapresión en la cámara opuesta, originándose de este modo la regulación de velocidad.

Cuando se invierte el movimiento, el aire puede circular a través del interior del alojamiento del casquillo y también por el anti retorno, lo cual hace que el sistema tenga función unidireccional.

Aire con circulación libre

Los amortiguadores neumáticos no son propios de los cilindros clásicos sino de prácticamente la totalidad de actuadores. De este modo encontramos unidades convencionales, unidades de doble vástago, unidades sin vástago e incluso actuadores de giro limitado que incorporan el recurso en sus mecánicas. Como ejemplo para la representación simbólica, tenemos...

6. Partes de los cilindros neumáticos.

7. Pasos para determinar el diámetro de un cilindro.

El principio básico es el siguiente:

1. El conducto primario hasta la válvula de trabajo puede estar sobre dimensionado. Esto no significa un consumo mayor lo que no implica un gasto extra.

2. Los tubos entre la válvula y el cilindro se optimizan según el principio de que un diámetro pequeño estrangula y limita en consecuencia la velocidad del cilindro, mientras un diámetro demasiado grande forma un volumen muerto que cuesta en consumo de aire y tiempo de llenado.

El diagrama que sigue es una ayuda para el caso 2, es decir que muestra valores generales al elegir los tubos entre la válvula y el cilindro.

Condiciones:

Carga del cilindro, aprox. 50% de la fuerza teórica (= carga “normal”)  Con una carga menor aumenta la velocidad del cilindro y viceversa. El diámetro del tubo se elige como función del diámetro del cilindro, la velocidad deseada y la longitud del tubo entre la válvula y el cilindro.

En los casos en que se quiera utilizar al máximo la capacidad de la válvula y llegar a la máxima velocidad, los tubos deben corresponder como mínimo al diámetro de estrangulación equivalente (ver la descripción más abajo) para que el tubo no reduzca el caudal total. Ello significa que un tubo corto debe tener como mínimo el diámetro de estrangulación equivalente. Los tubos más largos deben elegirse como sigue. Para caudales grandes se usan racores rectos instantáneos (los angulados y los conectores banjo estrangulan).

8. Pasos para determinar el consumo de aire.

Para disponer de aire y conocer el gasto de energía, es importante conocer el consumo de la instalación, cálculo que comenzará por los actuadores (potencia). Para una presión de trabajo, un diámetro y una carrera de émbolo determinado, el consumo de aire se calcula como sigue:

La fórmula de cálculo por embolada, resulta:

Q = 2 (S ⋅ n ⋅ q)

Calidad de aire recomendada para cilindros:

Para conseguir la durabilidad óptima y el mínimo posible de perturbaciones del funcionamiento, debe utilizarse ISO 8573-1 clase de calidad 3.4.3. Ello implica filtro de 5 µm (estándar), punto de rocío +3 ºC en funcionamiento en recinto cerrado (para funcionamiento a la intemperie debe elegirse un punto de rocío más bajo) y concentración de aceite 1,0 mg aceite/m³, características que se consiguen con un compresor estándar provisto de filtro estándar.

9. Resumen.

• Los actuadores neumáticos utilizan el aire comprimido como fuente de energía y son muy indicados en el control de movimientos rápidos, pero de precisión limitada. 

• Cada uno de estos cilindros presenta características diferentes, siendo preciso evaluarlas a la hora de seleccionar el tipo de cilindro más conveniente. Las características a considerar son, entre otras:

·         Potencia

·         Controlabilidad

·         Peso y volumen

·         Precisión

·         Velocidad

·         Mantenimiento

·         Coste

• Los cilindros lineales, independientemente de su forma constructiva, pueden ser de simple o de doble efecto. Presentan símbolos normalizados con independencia de sus dimensiones y mecánica (tan sólo en algunas ocasiones se representan simbólicamente las mismas).

• Los cilindros de simple efecto pueden realizar trabajo solamente en una de sus carreras. La recuperación será ejecutada por resorte (el cual es diseñado tan solo para la recuperación) o bien por carga externa (habitualmente la propia gravedad en casos de elevación) o bien otros órganos móviles de máquina.

• Los cilindros de doble efecto pueden realizar trabajo en cualquiera de sus carreras. Se debe tener en cuenta que las unidades clásicas presentan desfases de fuerza y velocidad debido a sus diferentes secciones.

• Existen cilindros para el cumplimiento de funciones especiales, como son los cilindros con amortiguación en finales de carrera, de doble vástago, de doble efecto, etc. La gama es extremadamente amplia y por tanto aquí tan solo se ha tratado una mínima parte de los mismos.

10. Problemas de cálculo de cilindros neumáticos.

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11. Cuestionario.

1.  ¿Por qué se dice que los cilindros son dispositivos motrices en los equipos neumáticos?

2.    ¿ Nombra  ejemplos del  uso de un cilindro neumático?

3.   ¿Nombra las 3  acciones que realizan los cilindros Neumáticos?

4.     ¿En qué acción realiza el mayor esfuerzo y por qué?

5.      ¿Cual es  la función de un cilindro neumático?

6.   ¿Cuales sin los actuadores más comunes que se utilizan en los circuitos neumáticos.

7.    ¿Cuáles son los 2 tipos de cilindros neumáticos que existen?

8.      Completa los espacios vacíos con las  siguientes opciones.

Simple efecto,  doble efecto, cámaras, empuje ejercido,  simple o doble efecto,  aire, muelle.

Los cilindros neumáticos pueden ser de _____________. En los de __________, el embolo se desplaza en un sentido como resultado del __________ por el aire a presión, mientras que en el otro sentido se desplaza como consecuencia del efecto de un _________ (que recupera al embolo a su posición en reposo).

En los cilindros de __________ el ______ a presión es el encargado de empujar al embolo en las dos direcciones, al poder ser introducido de forma arbitraria en cualquiera de las dos _________.

9.      ¿Como se llama el cilindros que tiene un vástago corrido hacia ambos lados y puede absorber también cargas laterales pequeñas?

A)     Cilindro de                        B) Cilindro de                   C) Cilindro de

doble vástago                     simple efecto                      doble efecto

10.  ¿Como también es conocido el cilindro de doble vástago?

                     A)     Cilindro                              B)  cilindros                      C)  cilindros

             compensado                                dobles                            automatizados

11.  ¿A causa de que surgieron los actuadores con amortiguación interna?

12.   Relaciona las opciones siguientes con la imagen de la derecha.

PISTÓN

TAPA DELANTERA

JUNTAS EST.

E/S AIRE TRASERA

JUNTAS DIN.

CAMISA

VÁSTAGO

E/S AIRE DELANTERO

TAPA TRASERA

11.1 Resultados de cuestionarios.

1. Por qué Trasforman la energía estática del aire a presión, en movimiento rectilíneo de avance y retroceso.

2. El posicionamiento montaje y manipulación, ya sea para elevar, alimentar, desplazar, posicionar o cambiar de dirección.

3. Empujar y tirar / o halar.

4. Cuando empujan, ya que la presión actúa sobre la cara del embolo que no lleva vástago y así se aprovecha la mayor superficie, cumpliendo con el principio de que a mayor área mayor fuerza.

5. Es la de transformar la energía neumática en trabajo mecánico de movimiento rectilíneo, que consta de carrera de avance y carrera de retroceso.

6. Los cilindros neumáticos independientemente de su forma constructiva.

7. Cilindros de simple efecto y Cilindros de doble efecto.

8.  Simple o doble efecto, simple efecto, empuje ejercido, muelle, doble efecto, aire, cámaras.

9. A)     Cilindro de doble vástago.

10.  A)     Cilindro compensado.

11. A los accionamientos neumáticos que son ejecutados a velocidades importantes y la masa trasladada es representativa, se producen impactos del émbolo contra la camisa que liberan gran cantidad de energía que tiende a dañar el cilindro.

12. 

(2) PISTÓN    

(4) TAPA DELANTERA        

(6)  JUNTAS EST.

(8) E/S AIRE TRASERA

(1) JUNTAS DIN.

(3) CAMISA

(5) VÁSTAGO

(7) E/S AIRE DELANTERO

(9) TAPA TRASERA

11. Bibliografía.

https://www.youtube.com/watch?v=-Ua_wWJ6Aec

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

https://www.youtube.com/watch?v=QfH0YNsw1OI

http://www.guillesime.galeon.com/index_archivos/Page780.htm

http://www.parkerid.com/literature/Pneumatics%20Division%20Europe/PDE-Documents/P1D_Technical%20Catalogue-ES.pdf      

http://www.ehu.es/manufacturing/docencia/361_ca.pdf

http://e-ducativa.catedu.es/44700165/aula/archivos/repositorio/1000/1144/html/3_clculo_de_cilindros_fuerza_consumo_de_aire.html