Cilindros Neumáticos.
2. Objetivo.
Explicar de la manera mas exacta y precisa los principios neumaticos asi como su funcionamiento, de manera que sea facil de entender este tema.
3. Introducción.
Un cilindro neumatico son dispositivos mecánicos los cuáles producen fuerza, a menudo conjuntamente con movimiento y se accionan con gas comprimido (aire).
Se utilizan ampliamente en el campo de la automatización para el desplazamiento, alimentación o elevación de materiales o elementos de las mismas máquinas.
El cilindro es una pieza hecha con metal fuerte porque debe soportar a lo largo de su vida útil un trabajo a alta temperatura con explosiones constante de combustible, lo que lo somete a un trabajo excesivo bajo condiciones extremas. Una agrupación de cilindros en un motor constituye el núcleo del mismo, conocido como bloque del motor.
4. Función de un Cilindro Neumático.
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.
Para realizar su función, los cilindros neumáticos imparten a fuerza por el convertir energía potencial de gas comprimido en energía cinética.
Esto es alcanzada por el gas comprimido que puede ampliarse, sin entrada de energía externa, que sí mismo ocurre debido al gradiente de la presión estableció por el gas comprimido que estaba en un mayor presión que presión atmosférica. Esta extensión del aire fuerza a pistón para moverse en la dirección deseada.
5. Tipos de Cilindros Neumáticos y su simbología.
Existen diferentes tipos de cilindros neumáticos. Según la forma en que se realiza el retroceso del vástago, los cilindros se dividen en dos grupos:
-Cilindros de simple efecto.
-Cilindros de doble efecto.
https://www.youtube.com/watch?v=gONj7KhVQuE&list=PLED309FC162A61917&index=1
6. Partes de los Cilindros Neumáticos.
El cilindro neumático está constituido por un tu circular cerrado en los extremos mediante dos tapas, entre las cuales desliza un émbolo que separa dos cámaras. Al émbolo va unido un vástago que, saliendo a través de una o ambas tapas, permite utilizar fuerza desarrollada por el cilindro en virtud de la presión del fluido actuar sobre las superficies del émbolo.
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 las cámara anterior del cilindro, el desplazamiento se realiza en sentido inverso (carrera de retroceso).
7. Pasos para determinar el diámetro de un cilindro.
Las fases de cálculo y diseño de los actuadores neumáticos que se han de considerar son:
1) Selección del actuador (lineal o rotativo), en función de la carga problema y dimensionamiento.
2) Determinación del flujo másico (normalmente caudal) requerido. Este paso implica una descripción en cuanto a tiempos de las distintas fases.
3) Obtención de la presión de trabajo de la instalación en sus distintas partes.
4) Tipo y velocidad de giro del accionamiento del compresor (ver apartado 2.3).
5) Selección del acumulador (ver apartado 2.4).
6) Descripción detallada del resto de equipos auxiliares.
7) Consideraciones adicionales (ruido, pérdidas de caudal,…).
Cálculo de la Fuerza de los Cilindros Neumáticos
El diámetro del émbolo establece la fuerza que puede realizar el actuador. Inicialmente tendremos en cuenta la fórmula: P = F/A.
Donde:
P = es la presión en N/cm 2
F = es la fuerza en Newton
A = es la superficie del émbolo en cm 2
De la fórmula P = F/A. despejaremos fuerza; F = P * A
Como la presión que se maneja a nivel industrial normalmente esta estandarizada en 6 bar, nos damos cuenta entonces que la fuerza del cilindro está determinada por el diámetro del embolo.
Fuerza aplicada
La fuerza ejercida por un elemento de trabajo depende de la presión del aire, del diámetro del cilindro del rozamiento de las juntas. La fuerza teorica del émbolo se calcula con la fórmula:F (teorica)= A*p
A = Superficie útil del émbolo
F (teórica)= Fuerza teórica del émbolo
p = Presión de trabajo
http://www.itescam.edu.mx/principal/sylabus/fpdb/recursos/r104763.PDF
http://www.sapiensman.com/neumatica/neumatica9.htm
Ejercicio:
Un cilindro neumático debe levantar una carga de 60 kg en forma vertical ¿cuál será la fuerza necesaria para levantar la carga; a una presión de 5 bar?
¿Cuál deberá ser el diámetro del embolo del cilindro?
Si tiene una frecuencia de 10 ciclos por segundo y una carrera de 600mm
Primero hallamos la fuerza necesaria:
En este caso no tenemos en cuenta las fuerzas de rozamiento.
Fuerza necesaria = Fuerza del peso + Fuerza de aceleración
Fuerza de peso = m * g = 60kg * 9.81m*s 2 = 588.6N
Fuerza de aceleración = m * a = 60kg * 10m*s 2 = 600N
Fuerza necesaria = 588.6 N + 600 N = 1188.6 N
Hallamos el área que correspondería al cilindro:
Hallamos el diámetro teórico del cilindro
Vamos a un catálogo de cilindros y seleccionamos el que más se aproxime por exceso, en este caso Diámetro de 63 mm
8. Pasos para determinar el consumo de aire.
Consumo de aire:
Por consumo de aire se entiende la cantidad de aire comprimido que necesita un cilindro neumático para funcionar correctamente.
El consumo de aire de una instalación completa o de un elemento de la misma se calcula referido acondiciones normales que según la ISO R554 son:
Temperatura de 20 ºC, Presión de 1,013 mbar y una Humedad relativa del 65%.
Para calcular el consumo de aire seguiremos los siguientes pasos:
1. En primer lugar, calculamos, si se trata de un cilindro de doble efecto, el volumen de ambas cámaras.
En la carrera de avance el volumen será:
Vav= π * R2* L
Siendo L = la carrera del pintón
En la carrera de retroceso el volumen será:
Vre= π * (R2 – r2) * L
El volumen total del cilindro para una maniobre o Ciclo de trabajo (un avance y un retroceso) será:
Vcil = Vav + Vre= π * (2 R2- r2) * L
2. 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* V cil= P atm * V aire ; V aire= (P abs* V cil) / P atm
Recuerda que P abs= P m+ P atm
3. Por último el consumo será: CONSUMO AIRE (cm3/min) = (nºciclos/min)* V aire
Cilindros de doble efecto.
Estos cilindros desarrollan trabajo neumático tanto en la carrera de avance como en la de retroceso, lo que sucede es que la fuerza es distinta en cada uno de los movimientos, por que el aire comprimido en el movimiento de avance actúa sobre toda la superficie del émbolo, mientras que en el retroceso solamente lo hace sobre la superficie útil, que resulta de restar a la superficie del émbolo la del vástago.
Sección en el avance:
Sección retroceso:
Volumen:
Donde:
Φe= Diámetro del émbolo Φv= Diámetro del vástago
e= Carrera del vástago
9. Resumen.
por Carlos Maldonado9481
Marco Teorico
Los cilindros neumáticos son unidades que transforman la energía potencial del aire comprimido en energía cinética o en fuerzas prensoras. Básicamente consisten en un recipiente cilíndrico provisto de un émbolo o pistón.
Al introducir un determinado caudal de aire comprimido, éste se expande dentro de la cámara y provoca un desplazamiento lineal.
Existen diferentes tipos de cilindros neumáticos. Según la forma en que se realiza el retroceso del vástago, los cilindros se dividen en dos grupos:
-Cilindros de simple efecto.
-Cilindros de doble efecto.
Cilindros de simple efecto
El cilindro de simple efecto sólo puede realizar trabajo en un único sentido, es decir, el desplazamiento del émbolo por la presión del aire comprimido tiene lugar en un solo sentido, pues el retorno a su posición inicial se realiza por medio de un muelle recuperador que lleva el cilindro incorporado o bien mediante la acción de fuerzas exteriores.
En la práctica existen varios tipos. los más empleados son los cilindros de émbolo. El movimiento ,de trabajo es efectuado por el aire a presión que obliga a desplazarse al embolo comprimiendo el muelle y, al desaparecer la presión, el muelle hace que regrese a su primitiva posición de reposo.
Por eso los cilindros de simple efecto se utilizan cuando el trabajo debe realizarse en una sola dirección. Hay que tener presente que existe aire a la presión atmosférica en la cámara opuesta, pero puede escaparse a la atmósfera a través de un orificio de escape.
Según la disposición del muelle, los cilindros de simple efecto pueden aplicarse para trabajar a compresión (vástago recogido en reposo y muelle en cámara anterior), o para trabajar a tracción (vástago desplazado en reposo y muelle en cámara posterior).
Cilindros de doble efecto
Al decir doble efecto se quiere significar que tanto el movimiento de salida como el de entrada son debidos al aire comprimido, es decir, el aire comprimido ejerce su acción en las dos cámaras del cilindro, de esta forma puede realizar trabajo en los dos sentidos del movimiento.
El cilindro de doble efecto se construye siempre en forma de cilindro de émbolo y posee dos tomas para el aire comprimido situadas a ambos lados del émbolo. Al aplicar aire a presión en la cámara posterior y comunicar la cámara anterior con la atmósfera a través de una válvula, el cilindro realiza carrera de avance.
La carrera de retroceso se efectúa introduciendo aire a presión en cámara anterior y comunicando la cámara posterior con la atmósfera, igualmente a través de una válvula para la evacuación del aire contenido en esa cámara de cilindro.
Los cilindros de doble efecto pueden ser:
-Sin amortiguación.
-Con amortiguación.
Amortiguación.
Como sabemos mientras mayor sea la velocidad de un cuerpo, aumenta así la energía cinética de este. Como el vástago y el embolo al ser impulsados avanzan con velocidad a través del cilindro (Carrera), pudieran chocar con la tapa anterior o posterior al desarrollar su trabajo.
La energía liberada al impacto intentara deformar la cabeza (tapa) en cuestión e incluso romperla, a fin de evitarlo se debe disminuir la cantidad de energía que actúa contra las tapas, esto se consigue con la amortiguación al final de la carrera.
Esta amortiguación puede ser interna, o externa
Métodos para gobernar la velocidad de desplazamiento de los cilindros neumáticos
En general, para gobernar la velocidad de los cilindros sólo se actúa sobre el caudal.
Para lograr la disminución de la velocidad de desplazamiento de un cilindro, pueden emplearse básicamente tres métodos:
-Ajuste del caudal de alimentación.
-Ajuste del caudal de escape.
-Ajuste de la presión de escape.
Regulación de la presión
Los reguladores de presión tienen la misión de mantener constante la presión de trabajo con independencia de las variaciones de presión red general. la presión de entrada es siempre mayor que la presión de salida.
La válvula de presión regula la presión de salida, presión secundaria mediante una membrana que actúa sobre una válvula que comunica entrada y la salida de aire. la apertura o cierre de la válvula es debida a interacción de dos esfuerzos sobre la membrana, en una parte a la acción de un muelle regulable por un tornillo de ajuste, y en la otra a la acción la presión de salida.
Al aumentar la presión de salida, la membrana se mueve venciendo la fuerza del muelle, por lo que la sección de paso en la válvula varía de modo continuo o se cierra por completo, regulándose la presión de salida a través de! caudal que circula.
Al consumirse aire, desciende la presión y la fuerza del muelle hace que se abra la válvula. La regulación de la presión de salida implica un constante abrir y cerrar la válvula.
Se distinguen dos tipos de reguladores:
-De tres vías, con escape.
-De dos vías, sin escape.
Para una informacion mas completa visitar el siguiente link:
http://edu.jccm.es/ies/covarrubias/attachments/article/675/P%C3%A1ginas%20de%20lb%20ejercicios%20resueltos%20%20neumatica.pdf
10. Problemas de cálculo de cilindros neumáticos (10 promedio) y resueltos.
1.Se quiere diseñar un cilindro de simple efecto que utilice en su funcionamiento un volumen de aire de 650 cm3 con una carrera de 250 mm,que trabaje con una presión de 11 Kp/cm2.
Determina: a) Diámetro del émbolo del
cilindro.
b) 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.Respuesta:
2.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 φe=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
maniobra.
Respuesta:
http://e-ducativa.catedu.es/44700165/aula/archivos/repositorio/1000/1144/html/Ejercicio_1.pdf
3.Un cilindro de doble efecto trabaja con aire a una presión p=8 bar, su carrera es e=50mm, el diámetro del émbolo es Φe=30 mm, y el diámetro del vástago es Φv=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:
http://e-ducativa.catedu.es/44700165/aula/archivos/repositorio/1000/1144/html/Ejercicio_2.pdf
4.Un cilindro de doble efecto tiene un émbolo de 70 mm de diámetro y un vástago de 25
mm de diámetro, la carrera es de 400 mm y la presión de trabajo a la que está sometido es
de 6 bar.
Determinar:
- Fuerza teórica en el avance.
- Fuerza teórica en el retroceso.
- Consumo de aire en el recorrido de avance y retroceso.
Respuesta:
- La fuerza de avance y retroceso teóricas en N.
- El consumo de aire en condiciones normales. Suponer la presión atmosférica igual a 105 Pa
6.Calcule la fuerza efectiva de un cilindro de simple efecto de 50mm de diámetro si lapresión ejercida es de 5 atm., la resistencia del muelle es de 100 N y el rendimientoestimado del 70%.
Respuesta:
D= 50mm=0,05mP=5 bar=500KPaF
M =100N
F E =nF T - F M =0,70*F T - F M = 0,70*P*A = 0,70*500KPa*0,785*D^2 - 100N
F E = 274750Pa*(0,05m)^2 100N=686,87N^2 251N
F E =586,87N
7.
8.
9. Queremos fabricar una máquina neumática dedicada a la elevación de cargas. Para ello instalaremos un cilindro de simple efecto que elevará una plataforma. Si la presión de trabajo de la que dispongo es de 5 bar ¿Qué diámetro deberá tener los cilindros para poder levantar cargas de hasta 100 kg?
Datos:
Masa Plataforma 10 Kg.
F muelle = 50 N
Respuesta:
10. Se mueve un cilindro de simple efecto con aire comprimido. El diámetro del pistón es de 77 mm y el diámetro del vástago de 20 mm, a presión de trabajo de 6 . 105 Pa (recuerda que 1Pa= 1 N/m2) y la resistencia del muelle de 60 N. Su rendimiento es del 90%. Calcula:
- La fuerza teórica que el cilindro entrega en su carrera de avance.
- La fuerza real o efectiva del cilindro
Respuesta:
11. Cuestionario (opcion multiple, completar oraciones, relacionar columnas, etc.)(10 preguntas promedio.
12. Bibliografía.
http://www.itescam.edu.mx/principal/sylabus/fpdb/recursos/r104763.PDF
http://www.edu.xunta.es/centros/cpivirxeremedios/?q=system/files/PROBLEMAS_NEUMATICA4%C2%BA.pdf
http://automatica.mex.tl/imagesnew/5/0/1/4/2/GUIA%20NEUMATICA%205.pdf
http://roble.pntic.mec.es/jpoi0000/apuntes-t5.pdf
http://www.guillesime.galeon.com/index_archivos/Page780.htm
http://es.scribd.com/doc/59498093/ejercicio-de-cilindros-doble-y-simple-efecto
https://teknolanak.wikispaces.com/file/view/EJERCICIOS%20CILINDROS%20NEUM%C3%81TICOS.pdf/490007754/EJERCICIOS%20CILINDROS%20NEUM%C3%81TICOS.pdf
http://e-ducativa.catedu.es/44700165/aula/archivos/repositorio/1000/1144/html/Ejercicio_1.pdf
Diario de Informe:
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