Neumática e Hidráulica
Actuadores Hidráulicos en la Ingeniería Industrial
Apuntes enviados por:
Iván Escalona Moreno
ivan_escalona@yahoo.com.mx
resnick_halliday@yahoo.com.mx
En los sistemas hidráulicos y neumáticos la energía es transmitida a través de tuberías. Esta energía es función
del caudal y presión del aire o aceite que circula en el sistema.
El cilindro es el dispositivo mas comúnmente utilizado para conversión de la energía antes mencionada en
energía mecánica.
La presión del fluido determina la fuerza de empuje de un cilindro, el caudal de ese fluido es quien establece la
velocidad de desplazamiento del mismo. La combinación de fuerza y recorrido produce trabajo, y cuando este
trabajo es realizado en un determinado tiempo produce potencia. Ocasionalmente a los cilindros se los llama
"motores lineales".
En la figura 6-1, vemos un corte esquemático de un cilindro típico. Este es denominado de doble efecto por que
realiza ambas carreras por la acción del fluido.
Las partes de trabajo esenciales son: 1) La camisa cilíndrica encerrada entre dos cabezales, 2) El pistón con
sus guarniciones, y 3) El vástago con su buje y guarnición.
Calculo de la Fuerza de Empuje.
Las figuras 6-2A y 6-2B son vistas en corte de un pistón y vástago trabajando dentro de la camisa de un
cilindro. El fluido actuando sobre la cara anterior o posterior del pistón provoca el desplazamiento de este a
largo de la camisa y transmite su movimiento hacia afuera a través del vástago.
El desplazamiento hacia adelante y atrás del cilindro se llama "carrera". La carrera de empuje se observa en la ,
Fig.6-2A y la de tracción o retracción en la Fig. 6-2B.
La presión ejercida por el aire comprimido o el fluido hidráulico sobre el pistón se manifiesta sobre cada unidad
de superficie del mismo como se ilustra en la figura 6-3.
Si nuestro manómetro indica en Kg./cm2, la regla para hallar la fuerza total de empuje de un determinado
cilindro es: "El empuje es igual a la presión manométrica multiplicada por la superficie total del pistón", o:
F (Kg.) = P (Kg./cm²) x A (cm²)
Importante: La fuerza de retracción del pistón de la figura 6-2B está dada por la presión multiplicada por el área
"neta" del pistón. El área neta es el área total del pistón menos el área del vástago.
Dimensionando un Cilindro.
Un cilindro neumático debe ser dimensionado
para tener un empuje MAYOR que el requerido
para contrarrestar la carga.
El monto de sobredimensionamiento, esta
gobernado por la velocidad deseada para ese
movimiento; cuando mayor es la
sobredimensi6n mas rápida va a realizarse la
carrera bajo carga.
En la figura 6-4 el cilindro neumático soporta
una carga con un peso de 450 Kg., su diámetro
es de 4", y la presión de línea es de 5,7
Kg./cm2. El cilindro en es tas condiciones ejerce
un empuje exactamente igual a 450 Kg., en
estas circunstancias el cilindro permanecerá
estacionario soportando la carga, pero sin
moverla.
Qué sobre dimensionamiento es necesario?
Esto depende de muchos factores, se sugiere aplicar la siguiente regla para usos generales: Cuando la
velocidad de desplazamiento no es importante, seleccione un cilindro con una fuerza de empuje en 25%
superior a lo necesario para altas velocidades sobredimensione en un 100%.
Velocidad de un Cilindro.
La velocidad de desplazamiento de un
cilindro hidráulico es fácil de calcular si se
emplea una bomba de desplazamiento
positivo.
En la figura 6-5 mostramos un ejemplo típico,
con un caudal de 40 litros por minuto
ingresando al cilindro.
El área del pistón es de 78 cm², para encon
trar la velocidad de desplazamiento primero
convertiremos los litros en cm³ por minuto es
decir: 40 x 1000 = 40.000 cm³/min.
Luego dividimos este valor por el área del
pistón obteniendo la velocidad:
Tipos de cilindros.
El cilindro de doble efecto mostrado en la figura 6-1 constituye la conformación más corriente de los cilindros
hidráulicos y neumáticos, sin embargo para aplicaciones especiales existen variaciones cuyo principio de
funcionamiento es idéntico al que hemos descrito
La figura 6-6 nos ilustra un cilindro de doble vástago. Esta configuración es deseable cuando se necesita que el
desplazamiento volumétrico o la fuerza sean iguales en ambos sentidos.
En muchos trabajos la producción puede incrementarse mediante el uso de estaciones de trabajo operadas
alternativamente por un cilindro de doble vástago Fig.6-7.
Cada estación puede realizar el mismo trabajo, o dos operaciones diferentes en una secuencia progresiva por
ejemplo, diferentes operaciones en una misma pieza.
Una de los vástagos puede ser empleado para actuar sobre microcontactos o microvalvulas para establecer
una secuencia,.en la figura 6-8.
Cilindros de Simple efecto.
Cuando es necesaria la aplicación de fuerza en un solo sentido. El fluido es aplicado en la cara delantera del
cilindro y la opuesta conectada a la atmósfera como en la figura 6-9.
Después de que la carrera de retroceso se ha completado, el pistón es retornado a su posición original por la
acción de un resorte interno, externo, o gravedad u otro medio mecánico. El fluido actúa sobre el área "neta" del
pistón por lo tanto para el cálculo de fuerza debe restarse el área representada por el vástago.
ATENCIÓN: El resorte de retorno esta calculad exclusivamente para vencer la fricción propia del cilindro y "no"
para manejar cargas externas.
Los cilindros de simple efecto con resorte interior se emplean en carreras cortas (máximas 100 mm.) ya que el
resorte necesita un espacio adicional en la construcción del cilindro, lo que hace que estos sean mas largos que
uno de doble efecto para la misma carrera.
En la figura 6-10 vemos un cilindro de simple efecto de empuje, estos cilindros se emplean en carreras cortas y
diámetros pequeños para tareas tales como sujeción de piezas.
Émbolos buzo
En estos elementos, el fluido desplaza al
vástago que esta empaquetado por la guarnición
existente en el cabezal delantero.
Para el cálculo de fuerza, el área neta a tomarse
en cuenta esta dada por el diámetro de vástago.
Figura 6-11.
Este componente que encuentra su aplicación
fundamentalmente en prensas hidráulicas,
retorna a su posición original por acción de la
gravedad, resortes internos o externos o
cilindros adicionales que vemos en la figura 6-
11A.
Cilindros Telescópicos.
Tienen dos o mas buzos telescópicos y se
construyen con un máximo de seis. Usualmente
son de simple efecto del tipo empuje como la
figura 6-12, o de doble efecto.
Los buzos se extienden en una secuen cia
establecida por el área, sale primero el mayor y
en forma subsiguiente los de menor diámetro.
Cilindros con pistón no rotativo.
Para evitar que el pistón de un cilindro gire durante su carrera pueden emplearse varios métodos a saber:
Guías externas
Vástago de sección ovalo cuadrada
Camisa ovalada o cuadrada, o una guía interna
como la mostrada en la figura 6-13 que
constituye la solución mas corriente y
económica, el perno de guía que atraviesa el
pistón está empaquetado en este para evitar
perdidas de fluido entre cámaras.
Una aplicación típica de un cilindro no rotativo la
observamos en la figura 6-14 donde se requiera
mantener una posición relativamente alineada.
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