Cilindros Neumáticos.
2.Objetivo
El objetivo de este informe es que los lectores adquieran los conocimientos necesarios acerca del uso,funcionamiento,simbología y tipos de cilindros neumáticos utilizados en la industria,además de realizar los cálculos necesarios en la utilización de estos.
3. Introducción.
Un actuador neumático es un elemento capaz de convertir la energía de un gas a presión en movimiento.Los actuadores neumáticos se han utilizado en la industria desde tiempo atrás por sus conocidas ventajas como bajo costo,facilidad de mantenimiento y por su uso frecuente en la automatización de maquinaria para producción en diversos procesos industriales.
Existe una clasificación entre los actuadores neumáticos,dentro de la cual se encuentran los actuadores lineales(cilindros neumáticos).
4. Función de un cilindro neumático
Los cilindros neumáticos son por regla general elementos que realizan un trabajo.Su función es la de transformar la energía neumática en trabajo mecánico de movimiento rectilíneo ,que consta de carrera de avance y carrera de retroceso.
Generalmente los cilindros neumáticos están constituidos por un tubo cerrado en ambos extremos mediante dos tapas,entre las cuales se desliza un émbolo que separa las dos cámaras, el cual permite utilizar la fuerza desarrollada por el cilindro en virtud de la presión del fluido.
Los dos volúmenes de aire en que queda dividido el cilindro por el émbolo se denominan cámaras.Si se aplica la presión de aire en la cámara posterior del cilindro, el émbolo y el vástago se deslizan hacia adelante,entonces existe una carrera de avance.Si es en sentido inverso entonces se efectúa una carrera de retroceso.
- 4.1) Funcionamiento cilindro doble efecto.
- 4.2) Funcionamiento de un cilindro de simple efecto con retroceso por acción de un muelle.
5.Tipos de cilindros neumáticos y su simbologÍa.
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
por la acción de un muelle:
• Vástago extendido (normalmente dentro)
• Vástago retraído (normalmente fuera)
Para que el cilindro pueda volver a su posición de reposo se requiere que el aire de la cámara pueda ir a escape.
Sin Muelle: la gravedad o otra fuerza externa hace recuperar al vástago su posición inicial.
- Cilindros de doble efecto
El aire comprimido genera los dos movimientos del cilindro, el de salida y
el de entrada del vástago
Permiten un mayor control de la velocidad
Pueden ser:
Sin amortigüación : están diseñados para aplicaciones con cargas
ligeras y baja velocidad.
Amortigüación fija :está destinada a cilindros de pequeño diámetro
y para trabajar con cargas ligeras
Amortigüación regulable :para progresivamente el pistón en el
último tramo de la carrera del cilindro
- 5.1)Otros cilindros neumáticos
- 5.2) Simbología de cilindros neumáticos.
6.Partes de un cilindro neumático
Las partes del cilindro neumático son:
- Camisa
- Tapa trasera
- Pistón
- Vástago
- Tapa delantera
- Juntas de estanqueidad (estáticas y dinámicas)
- Entrada/salida de aire trasera
- Entrada/salida de aire delantera, (Doble Efecto)
- Resorte para el retroceso, (Simple Efecto)
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| PARTES DE UN CILINDRO NEUMÁTICO |
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| PARTES DE UN CILINDRO NEUMÁTICO |
En los sistemas neumáticos que normalmente se utilizan,se requiere conocer de una forna 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 cual fue diseñado o instalado.
Previo a lo anterior debemos conocer algunos criterios acerca de los cilindros neumáticos,para poder hacer una elección correcta y un buen uso de ellos:
- Simple efecto o doble efecto - Presión del fluido de mando
- Temperatura ambiente - Dimensión normalizada o no
- Amortiguado o no, fijación - Agresividad del medio ambiente
- Esfuerzo a desarrollar, Ø diámetro, carrera - Cadencias de funcionamiento - Previstos o no para detectores de posición.
- a)Formula básica
Una vez que tienes la fórmula, así como también la lectura de presión, el calibre del diámetro del pistón y el diámetro de la biela. La fuerza producida por un cilindro de aire neumático depende de si es un sistema de cilindro de simple o doble efecto.
- b )cilindro de simple efecto
- Determina la lectura de presión (N/m²).Necesitas conocer esto antes de calcular la fuerza.
- Determina el diámetro de la boca del pistón (m²). Necesitas conocer esto antes de calcular la fuerza.
- Sustituye la lectura de presión (p) y el calibre completo del diámetro del pistón (d) en la siguiente ecuación y soluciona.
F = (p π d²) / 4
- c)cilindro de doble efecto
- 1.Determina la lectura de presión (N/m²). Necesitas conocer esto antes de calcular la fuerza.
- 2.Determina el diámetro de la boca del pistón (m²). Necesitas conocer esto antes de calcular la fuerza.
- 3.Sustituye la lectura de presión (p), el diámetro de la boca del pistón (d) y el diámetro de la viela del pistón (g) en la siguiente ecuación y resuelve:
- F = (p π(d² -g²)) / 4
8.Pasos para determinar el consumo de aire.
El consumo de aire de los actuadores neumáticos determina las dimensiones de las válvulas de mando,tubo plástico flexible,velocidades de trabajo y las dimensiones del compresor.Para disponer de aire y conocer el gasto de energía,es importante conocer el consumo de la instalación,calculo que comenzara por los actuadores (potencia).
8.1)Liga de datos técnicos para cálculo de consumo de aire.
http://www.sapiensman.com/neumatica/neumatica9.htm
9.Resumen
Los cilindros neumáticos también conocidos como actuadores lineales,son elementos de trabajo que convierten la energía potencial en energía cinética,utilizando como fuente de energía un fluido a presión(aire comprimido).Son utilizados en procesos de automatización de maquinaria de producción y se clasifican en dos grupos principales:cilindros de simple efecto y cilindros de doble efecto.
Existe una variedad de cilindros dependiendo de su construcción(por ejemplo:cilindros de doble vástago,cilindros especiales, etc)
Es necesario saber los conceptos básicos así como también las características propias de un cilindro para poder realizar los cálculos necesarios sobre los cilindros neumáticos pero sobre todo para hacer un buen uso de ellos.
10.Problemas de cálculo de cilindros neumáticos.
1. El diámetro del
émbolo de un pistón es de 20 cm,
siendo el diámetro del
vástago de 5 cm. La presión del circuito
Es de 5 kgf/cm²
. Determina la fuerza
ejercida por el pistón en la salida y en la entrada (en N)
Se =π*d²/4 = π*20²/4 =314,16 cm²
Sv =π*dv²/4 = π*5²/4=19,635 cm²
Calculamos ahora la fuerza de avance:
FA=p*Se = 5*314,16 = 1570,80 kgf= 15409,55 N
Calculamos ahora la fuerza de retroceso:
FR = p*(Se – Sv)= 5*(314,16-19,635)= 1472,625 kgf= 14446,45 N
2. El
diámetro del émbolo del pistón de la figura es de 10 cm.
La
presión del circuito es de 5 kgf/cm²
.
Determina la fuerza ejercida por el pistón en su salida (en N).
Determinamos la superficie del émbolo:
S =π*d²/4 = π*10²/4 =78,53 cm²
Calculamos ahora la fuerza:
F=p*S= 5*78,53 = 392,70 kgf= 3852,37 N
3. Calcula las fuerzas efectivas en el avance y en
el retroceso de un cilindro de doble efecto que tiene las siguientes
características: presión de trabajo 6Kp/cm², los diámetros del émbolo y del
vástago son, respectivamente, 80mm y 25mm.Suponiendo que en el cilindro
tiene una carrera de 700mm y efectúa 5 ciclos por minuto, ¿cuál
es el consumo de aire de dicho cilindro?
Datos
C.D.E.
P=6Kp/cm2=266880KPa
D= 80mm=0,08m
d= 25mm=0,025m
S=700mm=0,7m
AVANCE
FE=0,9FT= 0, 9*P*A = 0, 9*266880KPa*0,785*D²
FE =
188550, 72KPa*(0, 08m) ²=1206, 72KN
RETORNO
FE=0, 9*FT = 0, 9*P*A = 0, 9*266880KPa*0,785*(D²-d²)
FE =
188550, 72KPa*(0, 08²- 0, 025²) m²=1088, 88KN
V= (A+A’)*s*n*Rc
Rc = (P atm +P trab)/P atm= (101,35KPa+266880KPa)/101,35KPa=2634,25
A=0,785*D²=0,785(0,08m)²=0,005024m²
A´=0,785*(D²-d²)=0,785(0,08²-0,025²) m²=0,00453m²
V= (0,00502m²+0,00453 m²)*0,7m*5*2634,25=88,04m³/min.
4. Determine el trabajo efectivo que realizará un
cilindro de simple efecto de 80mm de diámetro 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
C.S.E.
D= 80mm=0, 08m
S=20mm=0, 02m
P=6 bar=600KPa
FM=251N
FE=n FT- 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
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
FE=n FT- 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. Determine la presión del aire que hay que
utilizar en un cilindro de simple efecto de 80mm de diámetro y del 65% de
rendimiento para obtener una fuerza efectiva de1.600N si la resistencia del
muelle interno es de 250N.
Datos
D= 80mm=0,08m
FE=1600N
FE=n FT- FM=0, 65*FT- FM= 0, 65*P*A = 0, 65*P*0,785*D²- 250N
P= (1600 + 250N)/
0, 51Pa*(0, 08m) ²=566,78KPa
7. Determine el rendimiento de un cilindro de simple
efecto de 16mm que genera un empuje de 55N al aplicarle una presión de 5bar si
la resistencia del muelle se estima en 8N.
Datos
D= 16mm=0,016m
P=5bar=500KPa
FE=55N
FM=8N
FE=n FT- 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%
8. Una taladradora utiliza un cilindro de
doble efecto para desplazar el porta brocas. suponiendo que se realizan 10
agujeros por minuto, el desplazamiento del vástago es de 60mm, el diámetro
del émbolo mide 5cm y el del vástago de 1cm, presión 6bar, determina la
fuerza efectiva del vástago y el consumo de aire en litros por minuto. Se desprecian
los rozamientos.
Datos
C.D.E.
P=6bar=600KPa
D= 5cm=0,05m
d= 1cm=0,01m
S=60mm=0,06m
AVANCE
FE=0,9FT= 0, 9*P*A = 0, 9*600KPa*0,785*D²
FE=
423900Pa*(0,05m)²=1059,75N
RETORNO
FE=0, 9*FT= 0, 9*P*A = 0, 9*600KPa*0,785*(D²-d²)
FE= 423900Pa*(0,05²- 0,01²) m²=1017,36N
V= (A+A’)*s*n*Rc
Rc= (Patm+Ptrab)/P atm= (101,35KPa+600KPa)/101,35KPa=6,92
A=0,785*D²=0,785(0,05m)²=0,00196m²
A´=0,785*(D²-d²)=0,785(0,05²-0,01²) m²=0,00188m²
V= (0, 00196m²+0,
00188m²)*0, 06m*10*6, 92=0,01594m³/min
V=15,94L/min
9. Determina la presión
necesaria en el circuito (en bar), para que
el cilindro de la figura
en su salida realice una fuerza de 5000
KN en su avance,
sabiendo que el diámetro del émbolo es de
25 cm.
Determinamos la superficie del émbolo:
S =π*d²/4 =π*25²/4 =490,87 cm²
Calculamos ahora la fuerza: p=F/s= 5000/490,87 == 10,2 kPa= 1,02 bar
10. 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
C.D.E.
FE=18,8daN=188N
S=120mm=0,12m
W=FE*s=188N*0, 12m=22,56Joules
http://roble.pntic.mec.es/jpoi0000/apuntes-t5.pdf
11.Cuestionario
https://docs.google.com/forms/d/1fxMFCrs_lgse92GGeNueMTZE6Oj36qPHOi-b2gpOlCY/viewform
12.Bibliografia
