CAPÍTULO 6 ELEMENTOS DE TRABAJO

Automatismos Neumáticos Industriales
CAPÍTULO 6
ELEMENTOS DE TRABAJO
6.1 Cilindros y motores. Generalidades
Los cilindros y motores neumáticos, también llamados actuadores o consumidores,
son los elementos que convierten la energía neumática en energía mecánica. Los
cilindros efectúan un movimiento lineal de vaivén, y los motores un movimiento
rotativo. A diferencia de los motores eléctricos, que, en caso de que aumenten las
resistencias en los mecanismos que están accionando, pueden quemarse o, si el
motor está bien protegido, saltar los magnetotérmicos de la instalación eléctrica; los
cilindros y motores neumáticos pueden soportar sobrecargas que pueden llegar a
detener su movimiento sin sufrir ningún deterioro.
Los cilindros son elementos de trabajo que efectúan movimientos lineales lo cual es
ventajoso, ya que transformar el movimiento de giro de los motores eléctricos en
movimientos lineales requiere mecanismos que suelen ser complejos (mecanismos
husillo - tuerca, rueda dentada - cremallera, cigüeñal - biela, etc.).
6.2 Clasificación de los cilindros
Los cilindros neumáticos se clasifican en:
Cilindros de simple efecto:
-
de émbolo o pistón
-
de membrana
-
de membrana arrollable
-
telescópico
Cilindros de doble efecto:
-
de un vástago
-
de doble vástago
-
tandem
-
sin vástago, de unión mecánica
-
sin vástago, de unión magnética
-
multiposicional
-
de impacto
-
giratorios
6.2.1 Cilindros de simple efecto
6.2.1.1 Cilindros de émbolo
Son los que efectúan uno de los dos movimientos del ciclo, habitualmente el de salida
de vástago (avance), por medio de un fluido en el caso de la neumática por aire
comprimido; el movimiento de entrada del vástago (retroceso) lo realiza por otro
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medio, que puede ser una fuerza externa, por gravedad o, como el cilindro
representado en la figura 55, por medio de un muelle interno. En este caso el
movimiento de trabajo tiene lugar sólo cuando el vástago avanza, ya que el
movimiento de retroceso es de recuperación y se efectúa por la fuerza del muelle.
Símbolo
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2
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3
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Fig. 55 Cilindro de émbolo
Las principales partes que componen este determinado cilindro son: (1) cilindro o
cuerpo, (2) émbolo, (3) vástago, (4) tapa delantera, (5) tapa trasera, (6) muelle de
recuperación, (11) junta del émbolo, (12) casquillo guía, (14) junta rascadora, y (7)
(13) amortiguación elástica final de carrera.
La fijación de este cilindro es por horquilla macho posterior, aunque haciendo uso de la
rosca de las tapas, también se puede fijar por escuadras y por placa delantera o
trasera.
Excepto el muelle, que es específico de los cilindros de simple efecto, todas las
restantes piezas mencionadas, son comunes en la mayoría de formas constructivas de
los diferentes cilindros. La rosca del extremo del vástago sirve para unir éste con el
mecanismo al que tenga que mover.
El funcionamiento de este cilindro es el siguiente: en reposo el muelle (6) mantiene el
émbolo (2), desplazado a la derecha, en contacto con la junta amortiguadora (7),
mientras la cámara (8) del muelle, está en comunicación con la atmósfera a través del
cartucho de bronce poroso (9) que evita que se introduzca suciedad. Cuando el aire
comprimido se introduce por el orificio (10), el émbolo (2) se desplaza hacia la
izquierda, lo mismo que el vástago (3) ya que ambos son solidarios, realizándose el
trabajo; la junta (11) asegura la estanqueidad entre ambos lados del émbolo (2), el
casquillo guía de bronce (12), cumple la función, como su nombre indica, de guiar el
vástago (3) y la junta de amortiguación (13) tiene como objeto, amortiguar el choque
del émbolo (2) con la culata delantera (4). En el momento en que el aire comprimido
que se ha introducido por 10 se descarga a la atmósfera, la presión disminuye, y el
muelle (6) se expansiona empujando el émbolo (2) hacia la derecha produciéndose la
entrada del vástago (3); durante este movimiento la junta rascadora (14) expulsa las
partículas de suciedad que hubieran podido quedar adheridas al vástago (3) y que
podrían dañar el casquillo guía (12).
Normalmente la carrera de los cilindros de simple efecto de muelles internos, no suele
sobrepasar los 100 mm, se utilizan principalmente para sujetar y expulsar.
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En el cilindro de simple efecto, el vástago saldrá si la presión que actúa sobre la
superficie del émbolo genera una fuerza mayor a la suma de las resistencias por
rozamientos, y la fuerza del muelle, o sea la fuerza teórica que puede hacer el cilindro,
se expresa según la siguiente fórmula:
Fteor =
donde:
D ⋅π
⋅ p − (FR + Fm ) = A ⋅ p − (FR + Fm )
Fteor = fuerza teórica del cilindro
p
= presión en bar
D = diámetro del émbolo
Fr = fuerzas de rozamiento
Fm = fuerza del muelle
A = superficie del émbolo
Los rozamientos representan entre un 3 y un 20% de la fuerza calculada, dependiendo
de la forma y material de la junta del émbolo, así como del acabado superficial del
interior del cilindro, que está lapeado o bruñido
Cuando un cilindro de simple efecto tiene que mover una masa en posición vertical, no
es necesario que tenga muelle de recuperación ya que en el momento en que se
descargue el aire comprimido a la atmósfera, la misma masa empujará el vástago
hacia dentro. En este caso, la carrera puede ser más larga que la de un cilindro con
muelle de recuperación.
6.2.1.2 Cilindro de membrana
La figura 56 muestra un cilindro de simple efecto, de membrana. Cuando el aire
comprimido se introduce por el conducto (1), actúa sobre toda la superficie de la
membrana (2) creando una fuerza que la deforma y empuja el vástago (3), recupera la
posición de reposo al descargarse a la atmósfera el aire comprimido, ya que cesa la
fuerza y el muelle de recuperación (4) empuja el vástago hacia dentro. A través del
conducto (5) la cámara del muelle se mantiene a presión atmosférica.
1
Símbolo
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2
5
3
Fig. 56 Cilindro de simple efecto
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El cilindro de la figura 56 no tiene rozamientos y puede ejercer fuerzas elevadas
debido a la gran superficie de la membrana, pero la carrera del vástago es corta, por lo
que se utiliza principalmente para accionar frenos de vehículos industriales.
6.2.1.3 Cilindro de membrana arrollable
Este cilindro tiene una membrana (1), que cuando se somete a la presión del aire
comprimido, se desarrolla empujando el vástago hacia fuera. Cuando el aire
comprimido se descarga a la atmósfera, el muelle de recuperación hace entrar el
vástago y arrolla la membrana. La carrera de estos cilindros (Fig.57) es más larga que
la de los cilindros de membrana plana.
1
Símbolo
Fig. 57 Cilindro de membrana arrollable. Por gentileza de Festo Pneumatic S.A.
6.2.1.4 Cilindro telescópico
El cilindro telescópico está compuesto por varios émbolos uno dentro de otro (Fig. 58).
La gran ventaja de estos cilindros es que, aunque la carrera sea larga, ocupa poco
espacio cuando está retraído. Tiene que instalarse en posición vertical, admitiendo por
lo general una inclinación máxima de unos 15o.
Durante el recorrido de los tres émbolos es cuando está efectuando la máxima fuerza,
ya que la presión actúa sobre la superficie correspondiente al máximo diámetro;
cuando el émbolo (1) se detiene al contactar con la tapa delantera, la fuerza
disminuye, ya que entonces la presión actúa sobre una superficie correspondiente al
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diámetro del émbolo (2), finalmente cuando éste contacta con la tapa delantera, la
presión sólo actúa sobre la superficie del émbolo (3), o sea que a medida que los
cilindros se van deteniendo, disminuye la fuerza del vástago.
Símbolo
Símbolo
3
2
1
Fig. 58 Cilindro telescópico
Al ponerse el aire comprimido en descarga a la atmósfera, la fuerza hacia abajo que
ejerce la masa que está moviendo el cilindro, empuja los émbolos y el cilindro queda
retraído. Estos cilindros son muy poco utilizados en neumática.
6.2.2 Cilindros de doble efecto
6.2.2.1 Cilindros de vástago
A estos cilindros se les denomina de doble efecto, porque los dos movimientos de que
se compone su ciclo, o sea avance (salida del vástago) y retroceso (entrada del
vástago), los realiza por la acción de un fluido, en neumática por aire comprimido.
Símbolo
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