GUIA DEFINITIVA para seleccionar un cilindro neumático

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Los sistemas de aire comprimido suministran un movimiento con el empleo de cilindros y motores neumáticos los cuales se usan en herramientas, válvulas de control y posicionadores, martillos neumáticos, etc. (Antonio Creus solé, 2011).

El cilindro neumático es un tambor cerrado con un pistón en su interior el cual se desliza y genera un desplazamiento al exterior a través de vástago, está compuesto de una tapa extrema y delantera de la camisa por donde se mueve el mismo.

Cilindro neumático
Figura 1. Cilindro Neumático 5/2

Dentro de las ventajas que se tienen al trabajar con cilindros neumáticos se destacan la fuerza, carrera, menor trabajo mecánico y los bajos riesgos explosivos; para la selección de los cilindros neumáticos, se deben considerar unas variables físicas que intervienen en el desplazamiento como son la fuerza del cilindro, la carga, el consumo de aire y la velocidad del pistón.

La fuerza del cilindro es una función del diámetro del cilindro, la presión del aire y del roce del émbolo y depende directamente de la velocidad, la cual es tomada en el momento del arranque; la fuerza que el aire ejerce sobre el pistón está determinada por:

Donde:

F: fuerza del cilindro (N).

P: presión de aire (N/m2).

A: área del pistón (m2).

Los cilindros se clasifican en dos grupos de funcionamiento que son el simple y doble efecto. 

 

Los cilindros de doble efecto no cuentan con un resorte para volver a su posición de equilibrio, por lo que su fuerza no disminuye en la carrera de avance, pero si en su carrera de retroceso, esto ocurre debido a una reducción del área del émbolo por la disposición del vástago (Antonio Creus solé, 2011).

Las expresiones matemáticas correspondientes a la fuerza de avance y retroceso están definidas como:

Donde:

Favance = fuerza de avance (N)

Paire= presión del aire (Bar)

D= diámetro del cilindro (m2)

Donde;

Paire= presión del aire (Bar)

D= diámetro del cilindro (m2

d= diámetro del vástago (mm)

En la Figura 2 se presenta como se puede obtener la fuerza que ejerce el pistón de un cilindro cualquiera o también se puede usar para seleccionar un cilindro que entregue una fuerza a cierta presión de aire.

gráfico presión vs fuerza
Figura 2. Gráfico Presión-fuerza de cilindros neumáticos. Tomada del libro: Actuadores Neumáticos.

Para el caso particular de este post y teniendo en cuenta la selección  del vástago del pistón se analizó el tipo de montaje del cilindro y la conexión del extremo del vástago.

El pandeo es una deformación de tipo elástica que se da en los cilindros neumáticos y se manifiesta por la conexión de masas y el tipo de fijación de las mismas en el vástago.  En la siguiente tabla se relacionan los tipos de montaje.

Factor de montaje
Tabla 1. Factor de montaje. Adaptada del libro Antonio Creus. Hidráulica y neumática.

La longitud del vástago se puede calcular de la siguiente forma:

La carrera actual se da en metros y el factor de pandeo es determinada por el tipo de acople de la masa al vástago del cilindro.

Para la selección de un cilindro neumático se debe tener en cuenta la carga y la longitud básica del cilindro con el fin de determinar el diámetro del vástago del pistón y la longitud del tubo del tope de detención del cilindro, el consumo de aire y las fuerzas radiales hacen parte de los criterios de selección del mismo.

Se determinó el diámetro del cilindro teniendo en cuenta una presión máxima de operación del sistema es de 120 psi, al realizar la conversión del mencionado valor a bares nos queda:

Se puede constatar de acuerdo con la Tabla 1  que el valor obtenido de la conversión no se encuentra, por lo cual es necesario seleccionar en el rango de los 10 bar para trabajar en óptimas condiciones de operación del cilindro.

El valor de la masa de las bancadas de hierro es aproximadamente de 65 kg «teniendo en cuenta la aplicación de este post» y citando la primera ley de Newton la cual dice que la fuerza neta aplicada sobre un objeto es directamente proporcional a la aceleración que adquiere dicho cuerpo, entonces:

Donde:

 F = fuerza aplicada expresada en Newtons (N).

m= masa del objeto (kg).

a= aceleración de la masa (m/s2).

El peso es una medida de fuerza gravitacional que actúa sobre un cuerpo cuya expresión está dada como:

Donde:

W: peso en Newtons (N).

m= masa del objeto (kg).

g= aceleración gravitacional (m/s2).

La fuerza ejercida por el cilindro neumático para mover una masa de 65 kg se calcula de la siguiente forma:

 procedió a seleccionar el diámetro del cilindro ubicando su respectivo punto de operación a una presión de trabajo de 10 bar, con relación al valor obtenido se puede constatar que el diámetro del cilindro a seleccionar es de 32 mm con carrera de 200mm equivalente a 20 cm.

Cilindro neumático 5/2 seleccionado
Figura 3. Cilindro neumático 5/2 seleccionado

A continuación, se presenta el dimensionamiento del cilindro de doble efecto, así como las especificaciones en cuanto a medidas de todas las partes que lo componen, entre ellas el cilindro, el pistón los orificios de las vías de alimentación de presión, la tornillería de sujeción entre sus partes.

dimensionamiento
Figura 4. Dimensionamiento de cilindro neumático 5/2 micro automación serie CN10

Las medidas de cada una de las partes identificadas del cilindro neumático de doble efecto se muestran en la Figura 5.

dimensionamiento
Figura 5. Medidas estándar del cilindro neumático seleccionado.

IMPLEMENTACIÓN DE 5 ELECTROVÁLVULAS 5/2 BIESTABLES.

Para el control de los cilindros neumáticos, se planteó usar electroválvulas 5/2 con actuadores biestables de la serie SB0 ND 1/8” el montaje de estas debe ser realizado por medio de una base manifold para evitar retrasos al momento de realizar un mantenimiento preventivo, una mejor distribución y organización del circuito neumático. Poseen una actuación de trabajo que va desde los 0.25 a 10 bar, temperatura ambiente de -5 a 50 ºC y la temperatura del fluido debe estar entre -10 a 60ºC, como se muestra en la Figura 6 ; estas están fabricadas en cuerpo de zamac, distribuidor de acero inoxidable y sellos de NBR, la tensión de trabajo de los solenoides acoplados en el conjunto, son de 24VCC.

Diagrama de una electroválvula 5/2 biestable por impulsos eléctricos
Figura 6. Diagrama de una electroválvula 5/2 biestable por impulsos eléctricos

Una vez seleccionadas las electroválvulas con el rango de presión de trabajo ideal, se procedió a extraer del catálogo de Micro automación el dimensionamiento de estas como se muestra en la Figura 7 y se identifican las características y especificaciones que posee el elemento.

Dimensionamiento para la electroválvula 5/2 biestable.
Figura 7. Dimensionamiento para la electroválvula 5/2 biestable.

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