Conceptos Básicos de Neumática e Hidráulica 


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Cilindros hidráulicos y neumáticos. Actuadores.  

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.

Una de las características destacables de los sistemas de potencia fluidos es que la fuerza, generada por la fuente fluida, controlada y dirigida por válvulas convenientes, y transportada por las líneas, puede ser convertida fácilmente a casi cualquier clase de movimiento mecánico deseado en el mismo lugar que sea necesario.

Sea tanto movimiento lineal (línea recta) como rotatorio, éste puede ser obtenido usando un dispositivo de impulsión conveniente. Un actuador es un dispositivo que convierte la potencia fluida en fuerza y movimiento mecánicos.

Los cilindros, los motores, y las turbinas son los tipos más comunes de dispositivos de impulsión usados en sistemas de potencia fluida.

Veremos a continuación varios tipos de cilindros actuadores y sus usos, diversos tipos de motores fluidos, y las turbinas usadas en sistemas de potencia fluida.

Un cilindro actuador es un dispositivo que convierte la potencia fluida a lineal, o en línea recta, fuerza y movimiento. Puesto que el movimiento lineal es un movimiento hacia adelante y hacia atrás a lo largo de una línea recta, este tipo de actuadores se conoce a veces como motor recíproco, o lineal. 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".

El cilindro consiste en un émbolo o pistón operando dentro de un tubo cilíndrico. Los cilindros actuadores pueden ser instalados de manera que el cilindro esté anclado a una estructura inmóvil y el émbolo o pistón se fija al mecanismo que se accionará, o el pistón o émbolo se puede anclar a la estructura inmóvil y el cilindro fijado al mecanismo que se accionará. Los cilindros actuadores para los sistemas neumáticos y hidráulicos son similares en diseño y operación. Algunas de las variaciones de los cilindros tipo émbolo y tipo pistón de impulsión se describen en los párrafos siguientes.

El cilindro es el dispositivo mas comúnmente utilizado para conversión de la energía antes mencionada en energía mecánica. Un cilindro actuador en el cual la superficie transversal del pistón es menos de una mitad de la superficie transversal del elemento móvil se conoce como cilindro tipo pistón. Este tipo de cilindro se utiliza normalmente para aplicaciones que requieran funciones tanto de empuje como de tracción.

El cilindro tipo pistón es el tipo más comúnmente usado en los sistemas de potencia fluida. Las partes esenciales de un cilindro tipo pistón son un barril cilíndrico o camisa, un pistón y un vástago, cabezales extremos, y guarniciones convenientes para mantener el sellado. Los cabezales se encuentran fijados en los extremos de la camisa. Estos cabezales extremos contienen generalmente los puertos fluidos. Un cabezal extremo del vástago contiene una perforación para que el vástago de pistón pase a través del mismo. Sellos convenientes llamados guarniciones se utilizan entre la perforación y el vástago del pistón para evitar que el líquido se escape hacia fuera y para evitar que la suciedad y otros contaminantes entren en la camisa. El cabezal del extremo contrario de la mayoría de los cilindros está provisto de un vínculo mecánico para asegurar el cilindro actuador a algún tipo de estructura. Este cabezal extremo se conoce como el cabezal de anclaje.

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.

El vástago del pistón se puede extender a través de cualquiera o de ambos extremos del cilindro. El extremo extendido del vástago es normalmente roscado para poder fijar algún tipo de vínculo mecánico, tal como un perno de argolla, una horquilla, o una tuerca de fijación. Esta conexión roscada del vástago y del vínculo mecánico proporciona un ajuste entre el vástago y la unidad sobre la que accionará. Después de que se haga el ajuste correcto, la tuerca de fijación se ajusta contra el vínculo mecánico para evitar que el mismo gire. El otro extremo del vínculo mecánico se fija, directamente o a través de un acoplamiento mecánico adicional, a la unidad que se accionará. De manera de satisfacer los variados requisitos en los sistemas de potencia fluidos, los cilindros tipo pistón están disponibles en variados diseños.

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)

Ver también :

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:

 

Fig.: Cilindro actuador tipo émbolo de simple efecto.

TIPOS DE CILINDROS

CILINDROS TIPO ÉMBOLO (RAM-TYPE CYLINDERS)

Los términos émbolo y pistón son de uso frecuente alternativamente. Sin embargo, un cilindro tipo émbolo se considera generalmente a aquel en el cual la superficie transversal del eje de pistón sea más de una mitad de la superficie transversal del elemento móvil. En la mayoría de los cilindros actuadores de este tipo, el émbolo y el elemento móvil tienen áreas iguales. Este tipo de elemento móvil se refiere con frecuencia como vástago (plunger).

El actuador émbolo se utiliza sobre todo para empujar más que traccionar. Algunos usos requieren simplemente una superficie plana en la parte externa émbolo para empujar o levantar la unidad con que se operará. Otros usos requieren algunos medios mecánicos de fijación, tales como una horquilla o un perno de argolla. El diseño de los cilindros émbolo varía en muchos aspectos para satisfacer los requisitos de diversos usos.

Émbolo de simple efecto (Single-Acting Ram)

El émbolo de efecto simple (ver figura adjunta) aplica la fuerza solamente en una dirección. El líquido que se dirige al cilindro desplaza el émbolo y lo fuerza hacia fuera, levantando el objeto puesto sobre el mismo. Puesto que no hay dispositivo para contraer el émbolo por medio de la potencia fluida, cuando se libera la presión del líquido, se retorna el émbolo nuevamente dentro del cilindro tanto por el peso del objeto o por algún medio mecánico, por ejemplo un resorte. Esto fuerza el líquido de nuevo al depósito.

El cilindro de émbolo actuador de efecto simple es de uso frecuente en el gato hidráulico. Los elevadores usados para mover los aviones hacia y desde la cubierta de vuelo y la cubierta de hangar en portaaviones también utilizan los cilindros de este tipo. En estos elevadores, los cilindros están instalados horizontalmente y accionan el elevador con una serie de cables y gavillas.

La presión del líquido fuerza el émbolo hacia fuera y levanta el gato hidráulico. Cuando la presión del líquido se libera del émbolo, el peso del elevador fuerza el émbolo nuevamente dentro del cilindro. Esto, en cambio, fuerza el líquido nuevamente dentro del depósito.

Fig. : Cilindro émbolo de doble efecto.

Émbolo de doble efecto (Double-Acting Ram)

Un cilindro de émbolo de doble efecto se ilustra en la figura adjunta. En este cilindro, ambos movimientos del émbolo son producidos por el líquido presurizado. Hay dos puertos de fluido, uno en o cerca de cada extremo del cilindro. El líquido bajo presión se dirige al extremo cerrado del cilindro para extender el émbolo y para aplicar la fuerza. Para contraer el émbolo y reducir la fuerza, el líquido se dirige al extremo opuesto del cilindro.

Una válvula de control direccional de cuatro terminales se utiliza normalmente para controlar el émbolo doble. Cuando la válvula es posicionada para extender el émbolo, el líquido a presión entra al puerto A (ver figura adjunta), actúa en la superficie de la base del émbolo, y fuerza el émbolo hacia fuera. El líquido sobre el labio del émbolo queda libre para fluir hacia fuera por el puerto B, a través de la válvula de control, y a la línea de retorno en sistemas hidráulicos o a la atmósfera en sistemas neumáticos.

Normalmente, la presión del fluido es igual para cualquier movimiento del émbolo. Recuerde que la fuerza es igual a la presión por el área (F= PA). Note la diferencia de las áreas sobre las cuales la presión actúa en el gráfico adjunto. La presión actúa contra la superficie grande en la parte inferior del émbolo durante el movimiento de extensión, mientras tanto el émbolo aplica la fuerza. Puesto que el émbolo no requiere una gran fuerza durante el movimiento de contracción, la presión que actúa en la pequeña área sobre la superficie superior del labio del émbolo proporciona la fuerza necesaria para contraer el mismo.

Cilindros de Simple Efecto o de Accionamiento Simple (Single-Acting Cylinder).

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. El cilindro tipo pistón de accionamiento simple es similar en diseño y operación al cilindro simple tipo émbolo. El cilindro tipo pistón de accionamiento simple utiliza la presión del fluido para proporcionar la fuerza en una dirección, y la tensión de un resorte, la gravedad, el aire comprimido, o el nitrógeno se utiliza para proporcionar la fuerza en la dirección opuesta. La figura adjunta muestra un cilindro actuador de accionamiento simple, cargado con resorte, tipo pistón. En este cilindro el resorte está situado en el lado del vástago del pistón. En algunos cilindros por resorte, el resorte está situado en el lado vacío, y el puerto fluido está en el lado del vástago del cilindro.

Fig.: Cilindros actuadores a pistón de accionamiento simple a resorte.

Una válvula de control direccional de tres vías se utiliza normalmente para controlar la operación del cilindro de pistón de simple efecto. Para extender el vástago del pistón, el fluido bajo presión es dirigido a través del puerto en el cilindro (ver figura adjunta). Esta presión actúa en la superficie del lado vacío del pistón y fuerza el pistón a la derecha. Esta acción mueve el vástago al lado derecho, a través del cabezal del cilindro, moviendo así la unidad accionada en una dirección. Durante esta acción, el resorte es comprimido entre el lado del vástago del pistón y el cabezal del cilindro. La longitud de la carrera depende de los límites físicos dentro del cilindro y del movimiento requerido de la unidad accionada.

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.

Para contraer el vástago del pistón, la válvula de control direccional se mueve a la posición de trabajo opuesta, que libera la presión en el cilindro. La tensión de resorte fuerza el pistón al lado izquierdo, contrayendo el vástago del pistón y moviendo la unidad accionada en la dirección opuesta. El fluido está ahora libre de desplazarse desde el cilindro, a través del puerto, retornando a través de la válvula de control a la línea de retorno en sistemas hidráulicos o a la atmósfera en sistemas neumáticos.

El extremo del cilindro opuesto a la entrada de fluido se ventea a la atmósfera. Esto evita que el aire quede atrapado en esta área. Cualquier aire atrapado se comprimiría durante el movimiento de extensión, creando una sobrepresión en el lado del vástago del pistón. Esto causaría un movimiento lento del pistón y podría producir un eventual bloqueo completo, evitando que la presión del fluido mueva el pistón.

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.

El cilindro a resorte se utiliza en las barreras de frenado de aviones en algunos modelos de portaviones. Para levantar (contraer) el gancho de frenado, la presión del fluido se dirige a través de la válvula de control de frenado hacia el lado del vástago del cilindro. Esta fuerza mueve el pistón, que, a través del vástago y del acoplamiento mecánico, contrae el gancho de frenado. El gancho de frenado se extiende cuando la presión del fluido retorna del lado del vástago del cilindro, permitiendo que el resorte se expanda.

Las fugas entre la pared del cilindro y el pistón son controladas por los sellos adecuados. El pistón en la figura adjunta contiene guarniciones en “V” (V-ring).  

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

              

Cilindro de doble actuador o doble vástago (Double-Acting Cylinder)

La mayoría de los cilindros actuadores son del tipo de pistón de doble actuador o doble efecto, lo que significa que el fluido bajo presión se puede aplicar a cualquier lado del pistón para proporcionar la fuerza y producir el movimiento. 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 

Un diseño del cilindro doble se ve en la figura adjunta. Este cilindro contiene un montaje de pistón y vástago de pistón. La carrera del pistón y vástago de pistón en cualquier dirección es producido por la presión del fluido. Los dos puertos fluidos, en cada extremo del cilindro, se alternan como puertos de entrada y salida, dependiendo de la dirección del fluido de la válvula de control direccional. Este actuador (ver figura adjunta) se conoce como cilindro actuador desequilibrado ( desbalanceado) porque hay una diferencia en las zonas de trabajo eficaces a ambos lados del pistón. Por lo tanto, este tipo de cilindro normalmente está instalado de modo que el lado vacío del pistón soporte la mayor carga; es decir, el cilindro soporte la mayor carga durante la carrera de extensión del vástago del pistón. 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.

Una válvula de control direccional de cuatro vías se utiliza normalmente para controlar la operación de este tipo de cilindro. La válvula puede ser posicionada para dirigir el fluido bajo presión a cualquier extremo del cilindro y para permitir que el líquido desplazado fluya del extremo contrario del cilindro a través de la válvula de control a la línea de retorno en sistemas hidráulicos o sea expulsado a la atmósfera en sistemas neumáticos.

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.

Fig.: Cilindro tipo pistón de doble actuador desequilibrado ( desbalanceado) o doble vástago

 

Hay aplicaciones donde es necesario mover dos mecanismos al mismo tiempo. En este caso, se requieren cilindros de doble actuador de diversos diseños. Véase las figuras adjuntas.

La figura adjunta muestra un cilindro actuador del tipo pistón doble actuador de tres puertos. Este actuador consta de dos pistones y actuadores de pistón. El fluido es dirigido a través del puerto A por una válvula de control direccional de cuatro vías y mueve los pistones hacia fuera, moviendo así los mecanismos fijados a los vástagos de pistones. El fluido sobre el lado del vástago de cada pistón es forzado hacia fuera del cilindro a través de los puertos B y C, que son conectados por una línea común a la válvula de control direccional. El líquido desplazado entonces atraviesa la válvula de control a la línea de retorno (cilindro hidráulico) o a la atmósfera (cilindro neumático).

Cuando el fluido bajo presión se dirige dentro del cilindro a través de los puertos B y C, los dos pistones se mueven hacia adentro, moviendo también los mecanismos adjuntos a los mismos. El fluido entre los dos pistones está libre para fluir desde el cilindro a través del puerto A y a través de la válvula de control a la línea de retorno o a la atmósfera.

Otro cilindro actuador es mostrado en la figura adjunta es del tipo equilibrado (balanceado) de doble accionamiento. El vástago de pistón se extiende a lo largo del pistón y hacia fuera a través de ambos extremos del cilindro. Uno o ambos extremos del vástago del pistón pueden estar vinculados al mecanismo que se accionará. En cualquier caso, el cilindro proporciona áreas iguales a cada lado del pistón. Por lo tanto, la misma cantidad de fluido y de fuerza se utilizará para mover el pistón una distancia dada en cualquier dirección.

 

Fig. Cilindro actuador de doble accionamiento de tres puertos.

Fig.: Cilindro actuador tipo pistón, de doble accionamiento y balanceado.

 

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.