Actuadores Neumáticos

Actuadores Neumáticos

Objetivo: Que el lector comprenda los conceptos básicos de los  cilindros neumáticos ademas de:

conocer los diferentes tipos de actuadores que hay en el mercado, el funcionamiento, las partes de un actuador y adquirir los conocimiento para  determinar el consumo necesario de aire.

Introducción: En este informe se definirá detalladamente el  uso, tipos,funcionamiento, y los conocimientos básicos para el calculo del los actuadores.
El principal tema son lo cilindros neumáticos, pero ¿Que es neumática? La neumática es la rama de la técnica que estudia la técnicas y aplicaciones del aire comprimido. El aire comprimido es tomado de la atmósfera y confinado a presión en un espacio reducido.En un sistema neumático los receptores son los llamados actuadores neumáticos o elementos de trabajo , cuya función es transformar la energía neumática en trabajo mecánico. Hoy en día utilizamos esta energía, sin saberlo en nuestra vida cotidiana como por ejemplo: la puerta de algunos autobuses, trenes, atracciones de ferias, grúas, imprentas, maquinaria pesada entre otros. 

 ACTUADORES (Cilindros neumáticos)
EL trabajo que realiza un actuador neumático puede ser de dos formal  ya sea lineal o rotativo. Cuando el movimiento es lineal el movimiento se obtiene por medio del embolo, tambien pueden proporcionar movimiento rotativo, y por actuadores de  tipo piñon-cremallera. Tambien hay actuadores neumaticos de rotacion continua  conocidos como "Motores Neumático", movimientos combinados y de transformacion mecánica, que son de tipo especial.
Actuadores Neumáticos

1. Actuadores lineales 

• "Simple Efecto"
• "Doble Efecto".

1. Actuadores de giro

• "Giro Limitado"
• "Motor" (Giro ilimitado)

1. Actuadores especiales

• "Especiales"
• "Combinado"

Actuandores Lineales
movimiento lineal se obtiene por cilindros de émbolo (éstos también
proporcionan movimiento rotativo con variedad de ángulos por medio de
actuadores del tipo piñón-cremallera). encontraremos  actuadores
neumáticos de rotación continua (motores neumáticos), movimientos
combinados e incluso alguna transformación mecánica de movimiento que lo
hace parecer de un tipo especial. 

Tipos de cilindros neumáticos y funcionamiento

1. Actuadores Lineales: Este tipo de cilindros son los mas utilizados y los mas comunes.

• Cilindros de simple efecto:

 Los cilindros de simple efecto tiene una sola entrada de aire lo que produce una carrera en un solo sentido,

regresa a su posición inicial por medio de un resorte  interno (muelle) o por algún movimiento mecánico. Pueden ser con el vástago normalmente adentro o normalmente afuera. Los podemos utilizar para sujetar, marcar y expulsar piezas, son de un menor consumo de aire  hay una reducción de impulso debida a la fuerza contraria del resorte, así que puede ser necesario un diámetro interno  más grande para conseguir una misma fuerza.

• Cilindros de doble efecto: 

Con dos entradas de aire  para producir dos carreras  de salida y retroceso. Significa que tanto el movimiento de salida que como el de entrada serán accionados por el aire comprimido que ejerce su acción en las dos cámaras del cilindro, es así como realizan su trabajo en ambos sentidos de movimiento.

este cilindro esta constituido por dos tomas de aire situadas a ambos lados del embolo.

al aplicar aire a presión en la cámara posterior y comunicar a la cámara con la atmósfera a través de una válvula lo que   realiza  la carrera de avance. Dichos cilindros tiene mayor utilidad pues:

• Realizan trabaja en ambos sentidos.
• NO pierden fuerza en el accionamiento, pues no hay un muelle que lo provoque.
•  la carrera en doble efecto es 

mayor que en disposición de simple, al no existir volumen del alojamiento, en una misma longitud de cilindro. Sin embargo consumen mas aire por la ausencia de un resorte.
                                 
https://www.youtube.com/watch?v=U4cAeWZHyNE

                                           
Actuadores de Giro
Se encargan de transformar la energia neumática en energia mecánica de rotación. Dependerá del giro y la limitación del angulo.

• Actuadores de  "Giro Limitado" 

Proporcionan un giro, No una revolución a excepción de  alguna mecánica de los de "cremallera-piñón. También existen  de simple y doble efecto para ángulos de giro entre 90º hasta 300º (Aprox.)

Hay 3 tipos que  a continuación detallaremos:

1. Actuador de paleta: Es uno de los mas representativos dentro de la clasificación de los actuadores de giro. Normalmente realizan un giro que no supera un giro mayor a los 270º, tambien se pueden incorporar algunos topes para la regulación de su giro. Internamente tienen una  paleta que delimita las dos cámaras, se encuentra en el eje que atraviesa la carcasa exterior. Cuando aplicamos el aire la paleta tiende a girar sobre el eje, siempre y cuando diferencia en la otra cámara. SI la posición de la cámara es inversa obtendremos el giro en sentido contrario.

1. Motores Neumáticos o de Paleta:También conocidos como  de "aletas" debido  a su sencilla construcción y peso reducido. Esta constituidos por un rotor ranurado, en el cual se alojan una serie de paletas que se deslizan al exterior por acción a la fuerza centrifuga  cuando se aplica una corriente de aire.

• Motores Neumáticos

Muestran un  movimiento rotatorio constante, su principal característica es que proporcionan un numero elevado de (RPM)

Simbología: "Tipos de actuadores"

Partes de los CILINDROS NEUMÁTICOS

La estructura de un cilindro  de embolo se compone de un tubo , tapa posterior y tapa anterior con cojinete   y aro roscador,  piezas de union y juntas.

•  Camisa del cilindros:  Es un tubo de acero, que sirve para prolongar la duración de las juntas, la superficie interna debe someterse a un mecanizado de precisión. La camisa es muy importante pues se encarga de marcar dos parámetros fundamentales porque el diámetro interno marca la sección que representa el cilindro, es decir  que a mayor diámetro, mayor fuerza y consumo obtendremos. El segundo parámetro es que la longitud del tubo delimita la carrera del cilindro (Longitud útil para el trabajo)
• Tapas(culatas): Empleadas con material de fundición, la fijación de las tapas es mediante tirantes roscas o bridas.
• Vástago: se fabrica  de acero bonificado, contiene un alto porcentaje de cromo ya que protege ante la corrosión. Las roscas  se laminan para evitar rupturas.

         

Pasos para determinar el diámetro de un cilindro.
Datos necesarios:

1. Presión de trabajo.
2. Tiempo en que se desea alcanzar la posición final.
3. Tipo de actuador.
4. Un vástago o dos vástagos o sin vástago.
5. Carga por fricción.
6. Longitud de la carrera.

La fuerza teórica que actúa sobre el pistón es:

F = P . S

Donde P es la presión en bar, S la superficie del pistón en metros cuadrados y F la fuerza en Newtons. También podemos usar la presión P en kg/cm2, la superficie S en cm2 y la fuerza F en Kg fuerza.

En la práctica, la fuerza real o necesaria es un poco mayor, ya que existen fuerzas de rozamiento con la estanqueidad del cilindro. Por ello se considera que la fuerza teórica del cilindro se ve reducida entre un 10-15 % para presiones normales de trabajo entre 4-8 bar.

Fuerzas:
La fuerza teórica del émbolo en un cilindro se calcula con la siguiente fórmula:

Ft = S * p 

Lógicamente, al ser el émbolo una superficie circular, la sección se calculará:
En el avance: Sav = π * R2
En le retroceso: Sre = π * (R2 - r2)

Donde R es el radio del émbolo y r el del vástago, experesados ambos en centímetros.
En la práctica, para calcular la fuerza hay que tener en cuenta los rozamientos y en el caso de
cilindros de simple efecto la fuerza del muelle. En condiciones normales de servicio (presiones de 4
a 8 bar) se admite que las fuerzas de rozamientos supenen el 10% de la fuerza teórica y para la
fuerza del resorte el 6 %.
Cilindro de simple efecto: Fn = Sav * p – (Fr + Fm)
Cilindro de doble efecto: en el avance Fn = Sav * p - Fr
 en el retroceso Fn = Sre * p - Fr

http://www.uhu.es/rafael.sanchez/ingenieriamaquinas/carpetaapuntes.htm/Trabajos%20IM%202009-10/Manuel%20Jesus%20Esacalera-Antonio%20Rodriguez-Actuadores%20Neumaticos.pdf




Pasos para calcular el consumo de aire.   

Otra característica importante es la cantidad de aire a presión necesario para el funcionamiento de un cilindro. la energía que consumen los cilindros es transformada en trabajo.

FLUJO TEÓRICO- Es el volumen del aire consumido en cada ciclo de trabajo.
CICLO DE TRABAJO- Se refiere al desplazamiento del embolo  desde su posición inicial  hasta el final de su carrera de trabajo, mas el retorno de su posición inicial.

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.

Longitud de carrera

La longitud de carrera en cilindros neumáticos no debe superar los 2000 mm.

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.

Resumen.

 El trabajo realizado por todos los actuadores ya mencionados es por medio de la energia neumática, esta energia es innovadora a venido a revolucionar a la industria por ser amigable con el medio ambiente y su limpieza con la que trabaja. Los actuadores pueden realizar trabajos lineales o rotativos sin embargo nos encontramos con los combinados o especiales.
Los actuadores lineales pueden ser de simple o doble efecto. Los símbolos son independientes  de sus dimensiones mecánicas. Recordemos que los cilindro  de simple efecto realizan su moviemiento en un solo sentido y los de doble efecto en dos por las cámaras que lo constituyen, aunque presentan desfases que pueden ser corregidos.
Los actuadores de giro se clasifican en giro limitado y motores neumáticos sus uso es menor a diferencia de los lineales.







Problemas de calculo de cilindro.

• Calcule la fuerza efectiva en el avance y en el retroceso que desarrolla un cilindro de doble efecto sometido a una presión de 9 bares, sabiendo que su rendimiento es del55% y que los diámetros del émbolo y del vástago son, respectivamente, 20 mm y 8mm.

Datos

D= 20mm=0,020m

d= 8mm=0,008m

P=9 bar=900KPa

AVANCE

FE=nFT=0,55*FT= 0,55*P*A = 0,55*900KPa*0,785*D2

FE= 388575Pa*(0,020m)2=155,43N

RETORNO                     

FE=nFT=0,55*FT= 0,55*P*A = 0,55*900KPa*0,785*(D2 d2)

FE= 388575Pa*(0,0202 0,0082)m2=130,56N

• Determine el rendimiento de un cilindro de doble efecto de 12mm de diámetro sabiendo que al aplicarle una presión de 10 bar se obtiene una fuerza de empuje de 66N.

Datos

D= 12mm=0,012m

P=10bar=1000KPa

FE=66N

FE=nFT= n*P*A = n*1000KPa*0,785*D2

n=(66N)/ (1000KPa*0,785*(0,012m)2)=0,5838

• Determina la presión del aire que hay que utilizar en un cilindro de 100mm dediámetro 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=0,1mF

E=1500N

FE=nFT- 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

• Calcule la fuerza efectiva de un cilindro de simple efecto de 50mm de diámetro si la presión ejercida es de 5 atm., la resistencia del muelle es de 100 N y el rendimiento estimado del 70%.

Datos:

D= 50mm=0,05m

P=5 bar=500KPa

FM=100N

FE=nFT- FM=0,70*FT- FM= 0,70*P*A = 0,70*500KPa*0,785*D2- 100N

FE= 274750Pa*(0,05m)2 100N=686,87N  251N

FE=586,87N

• En la fabricación de ladrillos refractarios, se emplea un cilindro neumático de simple efecto de diámetro 15cm, para comprimirlos. Determina la presión del aire comprimido utilizado si se necesita una fuerza de 13.000N. Calcula también, qué caudal mínimo debe proporcionar el compresor si la longitud de salida del vástago es de 50cm y realiza 35 ciclos por minuto. Considerar la fuerza del muelle como el 3% de la teórica.
  Datos:
  FE=13000N
  D= 15cm=0,15m
  S=50cm=0,5m
  FE=0,9FT- FM= 0,9FT0,03FM=0,87*P*A = 0,87*P*0,785*D2
   P= 13000N/0,6829*(0,15m)2=846KPa
  CAUDAL
  V=0,785*D2*s*n*Rc
  Rc=(Patm+Ptrab)/Patm=(101,35KPa+846KPa)/101,35KPa=9,34
  V=0,785*(0,15m)2*0,5m*35*9,34=2,886m3/min
• Un cilindro de doble efecto trabaja a una presión de 30 bar y tiene un vástago de20mm de diámetro.
  Calcular:
  a.El diámetro del cilindro para obtener una fuerza de 8.000N en el avance.
  b.La fuerza necesaria para el retroceso.
  c.El volumen de aire consumido en 50 procesos de avance y retroceso, si el vástago hace un recorrido de 150mm en cada uno.
  Datos
  D= ?
  S=20mm=0,02m
  FE=8000NP= 30bar=3000KPa
  FE=0,9*FT= 0,9*P*A = 0,9*P*0,785*D2
  D2=(8000N)/ 0,706*(3000KPa) =0,0037771m2
  D=0,0614m
  RETORNO
  FE=0,9*FT= 0,9*P*A = 0,9*3000KPa*0,785*(D2 d2)
  d2=D2 0,0037744
  d=0,0179m
  CAUDAL
  V=(A+A)*s*n*Rc
  Rc=(Patm+Ptrab)/Patm=(101,35KPa+3000KPa)/101,35KPa=30,6
  A=0,785*D2=0,785(0,0614m)2=0,002959m2
   A´=0,785*(D2-d2)=0,785(0,06142-0,01792)m2=0,002707m2
   V=(0,002959m2+0,002707m2)*0,15m*50*30,6=1,3m3/min

• 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:
  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=(Patm+Ptrab)/Patm=(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

• Un cilindro de doble efecto se mueve con aire comprimido, el diámetro del émbolo es de 63mm, el diámetro del vástago mide 20mm, la presión de trabajo es de 6bares, la carrera de 700 mm. Se quiere conocer el volumen de aire que se necesita para mover el cilindro. Si realiza 10 ciclos/min, calcula el caudal necesario.
  Datos
  P=6bares=600KPa
  D= 63mm=0,063m
  d= 20mm=0,02m
  S=700mm=0,7m
  AVANCE
  FE=0,9FT= 0,9*P*A = 0,9*600KPa*0,785*D2
   FE= 423900Pa*(0,063m)2=1682,45N
  RETORNO
  FE=0,9*FT= 0,9*P*A = 0,9*600KPa*0,785*(D2 d2)
  FE= 423900Pa*(0,0632 0,022)m2=1512,89N 
  V=(A+A)*s*n*Rc
  Rc=(Patm+Ptrab)/Patm=(101,35KPa+600KPa)/101,35KPa=6,92A=0,785*D2=0,785(0,063m)2=0,003115m2
   A´=0,785*(D2-d2)=0,785(0,0632-0,022)m2=0,002801m2
   V=(0,003115m2+0,002801m2)*0,7m*10*6,92=0,286m3/min

• 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 bar, que la resistencia del muelle se estima en 251N y que el rendimiento es del 65%.
  Datos
  D= 80mm=0,08m
  S=20mm=0,02m
  P=6 bar=600KPa
  FM=251N
  FE=nFT- 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

• Calcule la fuerza efectiva de un cilindro de simple efecto de 50mm de diámetro si la presión ejercida es de 5 atm., la resistencia del muelle es de 100 N y el rendimiento estimado del 70%.
  Datos
  D= 50mm=0,05m
  P=5 bar=500KPa
  FM=100N
  FE=nFT- FM=0,70*FT- FM= 0,70*P*A = 0,70*500KPa*0,785*D2- 100N
  FE= 274750Pa*(0,05m)2 100N=686,87N  251N
  FE=586,87N

Actividad. 

Actuadores Neumáticos

1. Selecciona y escribe  con color rojo la respuesta correcta

• Que es neumática?

• Son los elementos que realizan el trabajo. su función es la de transformar la energía neumática en trabajo mecánico.

         a)Cilindros Neumáticos                    b)Válvulas                             c)Cilindro de simple efecto

• Estudia las técnicas y aplicaciones del aire comprimido.

         a)Neumática                                     b)Hidráulica                          c)Física

• Puede realizar trabajo en un solo sentido,  el desplazamiento del embolo por la presión del aire comprimido tiene lugar en un  solo sentido.  

         a)Cilindro de Doble efecto                b)Cilindro de simple efecto    c)Cilindros especiales

• Este cilindro esta constituido por dos tomas de aire situadas a ambos lados del embolo.

        a)Cilindros Giratorios                        b)Cilindros de doble efecto    c)Motores de paleta

• Se caracteriza por su sencilla construcción y peso ligero tambien una sus partes se le llaman aletas " que se deslizan al exterior por fuerza centrifuga.

          a)Actuadores de paleta                     b)Motores neumaticos           c)Actuadores  especiales

• Movimiento rotatorio y proporcionan un numero elevado de revoluciones por minuto.

           a)Motores neumáticos                      b)Vástagos                             c)Culatas

• Escribe las partes de un actuador neumático.

• Se refiere al desplazamiento del embolo  desde su posición inicial  hasta el final de su carrera de trabajo, mas el retorno de su posición inicial.

            a)Ciclo de trabajo                            b)Flujo teórico                         c)Presión

• Escribe al menos 3 de los datos necesarios para calcular el volumen de un actuador neumático.

Bibliografía.

•  Guillén, Salvador, Antonio.(2002). Introducción a la neumática.México; ALFAOMEGA.
• http://www.sapiensman.com/neumatica/neumatica9.htm
• http://educativa.catedu.es/44700165/aula/archivos/repositorio/1000/1144/html/3_clculo_de_cilindros_fuerza_consumo_de_aire.html