El cilindro de aire comprimido es por lo general el elemento productor de trabajo en un equipo neumático. Tiene por objetivo generar un trabajo durante su movimiento rectilíneo da avance o retroceso, a diferencia del motor neumático que produce un movimiento de rotación.
Este trabajo se genera transformando la energía estática en trabajo mecánico (fuerza de movimiento) y esfuerzo de compresión.
Cilindro de Simple Efecto
En los cilindros de simple efecto, el émbolo recibe el aire a presión por una sola cámara. Estos cilindros sólo pueden ejecutar el trabajo en un sentido (carrera de trabajo).
La carrera de retorno del émbolo tiene lugar por medio de un muelle incorporado, o bien por fuerza externa (carrera en vacío).
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| Cilindro Simple Efecto (de émbolo) |
Dentro de los cilindros de simple efecto, se pueden encontrar tres tipos: Cilindros de émbolo, Cilindros de Membrana y Cilindros de Fuelle. El más utilizado habitualmente es el Cilindro de Émbolo.
Cilindro de Doble Efecto
En los cilindros de doble efecto, el émbolo recibe aire a presión alternativamente por ambos lados. El cilindro puede trabajar en ambos sentidos (carrera de avance y carrera de retroceso) En los cilindros con vástago simple, la fuerza del movimiento de avance es mayor que la fuerza del movimiento de retroceso (relación superficie del émbolo/superficie del anillo del émbolo)
Suelen emplearse con amortiguación cuando hay que mover grandes masas, para evitar que el émbolo choque duramente. Un émbolo de amortiguación interrumpe la evacuación directa del aire. Queda abierta una salida pequeña que por lo general es regulable.
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| Cilindro Doble Efecto (de émbolo) |
Dentro de los cilindros de doble efecto, se pueden encontrar cuatro tipos: Cilindros de émbolo, Cilindros de Doble Vástago, Cilindros Tándem, Cilindros de Varias Posiciones y Cilindro de Impacto. En este caso, también el más utilizado es el Cilindro de Émbolo.
Cilindros Sin Vástago
En los cilindros sin vástago se aplica aire a presión alternativamente por ambos lados. El cilindro puede trabajar en ambos sentidos produciendo una fuerza de trabajo idéntica en ambos sentidos
Son menos largos (si se comparan con los cilindros estándar de doble efecto) y funcionan totalmente guiados, por lo que no esxite peligro de que el vástago pueda torcerse. Además el movimiento se efectúa en toda la longitud de la carrera, pudiendo llegar a alcanzarse carreras de hasta 10 m de largo.
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| Cilindros Sin Vástago |
Dentro de los cilindros de simple efecto, se pueden encontrar tres tipos: Cilindros de banda hermética con camisa ranurada, Cilindros con acoplamiento magnético del carro y Cilindros de cinta o de cable.
Cilindro Rotativo y de Accionamiento Oscilante
En el Cilindro rotativo, el vástago del émbolo tiene un perfil de cremallera que a su vez activa una rueda dentada. El movimiento lineal del vástago se transforma en un movimiento circular. Se pueden obtener ángulos de giro de 0 a 360°.
En el Cilindro de accionamiento oscilante, el aire a presión acciona una aleta oscilante. El movimiento de la aleta oscilante se transmite directamente al árbol de accionamiento.
Se pueden obtener ángulos de giro de 0 a 270°.
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| Cilindro Rotativo y Cilindro Oscilante |
Para calcular la fuerza que ejerce el vástago de un cilindro en sus carreras de avance o retroceso se debe partir de la presión de trabajo del aire comprimido. La fuerza desarrollada depende de la superficie útil del actuador, que será diferente según se trate de cilindros de simple o de doble efecto.
Cilindros de simple efecto
En este tipo de cilindros la presión del aire se ejerce sobre toda la superficie del émbolo. Al determinar la fuerza que realiza el cilindro, hemos de tener en cuenta que el aire debe vencer la fuerza de empuje en sentido opuesto que realiza el muelle.
En estos cilindros solamente se ejerce fuerza en el sentido de avance, es decir la fuerza que realiza el aire comprimido, cuando el cilindro regresa a su posición estable lo hace por medio de la fuerza de empuje del resorte, que exclusivamente sirve para recuperar la posición del vástago, pero es incapaz de desarrollar ningún tipo de trabajo mecánico.
A efectos de cálculo se interpreta que la fuerza del resorte es del orden del 10% de la fuerza neumática.
Sección del émbolo:
Volumen:
Φe= Diámetro del émbolo
e= Carrera del vástago
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
Cálculo de la fuerza del émbolo.
La fuerza teórica del émbolo se calcula con la siguiente fórmula:
Donde:
S=Superficie útil.
p=Presión del aire. Medida en bar.
Para los cálculos neumáticos se admiten las siguientes equivalencias:
1bar=105Pa=1Atm=1Kp/cm2
En la práctica es necesario conocer la fuerza real que realiza el émbolo. Para calcularla hay que tener en cuenta los rozamientos que existen, lo que provoca unas pérdidas sobre la fuerza teórica. En condiciones normales de servicio (presiones de 4 a 8 bar) se puede considerar que las fuerzas de rozamiento suponen entre un 5 a un 15% de la fuerza teórica calculada.
Cilindro de simple efecto:
Cilindro de doble efecto:
Cálculo del consumo de aire
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.
Potencia
La potencia es el Trabajo desarrollado por unidad de tiempo.
Como en un cilindro, la Fuerza es p·S, podemos hacer:
Con lo que nos queda que para un cilindro, la potencia es:
Esta es la potencia real que no contabiliza las perdidas por lo que si cuantificamos las perdidas con μ (siendo μ un valor entre 0 y 1), tenemo que la potencia real es:
Longitud de carrera
La longitud de carrera en cilindros neumáticos no debe superar los 2000 mm. Para émbolos de gran tamaño y carrera larga, el sistema neumático no resulta económico por el elevado consumo de aire que requiere.
Además, cuando la carrera es muy larga, el esfuerzo mecánico del vástago y de los cojinetes de guía es demasiado grande. Para evitar el riesgo de pandeo, si las carreras son grandes deben adoptarse vástagos de diámetro superior a lo normal, desaconsejándose su uso.
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