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• Cristian Morales

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ACTUADORES NEUMATICOS PARAMETROS DE CÁLCULO Diámetros: Debido a las normas y recomendaciones sobre las dimensiones de los cilindros algunos fabricantes han desarrollado su programa estándar.  

Diámetros: bastante similares para todos los fabricantes. Longitudes: también estándar. Existen longitudes especiales bajo pedido.

Tabla de parámetros normalizados

Fuerza del cilindro: En la práctica es necesario conocer la fuerza real, para determinarla hay que tener en cuenta los rozamientos y realizar ciertos cálculos. En condiciones normales de servicio (presiones de 4 a 8 bar) se puede suponer que las fuerzas de rozamiento representan de un 3 a un 10% de la fuerza calculada, luego bastará con aplicar factores de corrección en función de la precisión exigida en la aplicación de dicha fuerza o bien basándonos en datos facilitados por los fabricantes. 

Cilindro de simple efecto: La fuerza aplicada se calculará como el área del émbolo por la presión de trabajo menos las fuerzas de rozamiento y recuperación. F= A*P - (Fr + Ff)

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Cilindro de doble efecto: En este caso la superficie útil del émbolo es distinta para el avance y para el retroceso, quedando las fórmulas de la siguiente manera. Avance=> F= A*P - (Fr + Ff) Retroceso=> F= A'*P - Fr donde A'= (D^2 - d^2)*PI/4

Consumo de aire: Para disponer de aire y conocer el gasto de energía, es importante conocer el consumo

de la instalación neumática. Para una presión de trabajo, un diámetro y una carrera de émbolo determinado, el consumo de aire se calcula como sigue: 

Relación de compresión: RC= (101,3 + P)/101,3 en kPa tomado a nivel del mar, P es la presión de trabajo.

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Cilindro de simple efecto: (consumo en L/min) V= S*n*RC*A donde S es la longitud de carrera, A la superficie útil del émbolo y n el número de operaciones por minuto.

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Cilindro de doble efecto: V= S*n*RC*PI*((D^2)/2-(d^2)/4)

Velocidad del émbolo: La velocidad del émbolo en cilindros neumáticos depende: de la fuerza antagonista de la presión del aire, de la longitud de la tubería, de la sección entre los elementos de mando y trabajo y del caudal que circula por el elemento de mando. Además, influye en la velocidad la amortiguación final de carrera. Cuando el émbolo abandona la zona de amortiguación, el aire entra por una válvula anti retorno y de estrangulación y produce una reducción de la velocidad. La velocidad media del émbolo, en cilindros estándar, está comprendida entre 0,1 y 1,5 m/s. Con cilindros especiales (cilindros de impacto) se alcanzan velocidades de hasta 10 m/s. La velocidad del émbolo puede regularse con válvulas especiales. Las válvulas de estrangulación, anti retorno y de escape rápido proporcionan velocidades mayores o menores, pero esto corresponde a la parte de control realmente.

Longitud del vástago: La longitud de carrera en cilindros neumáticos no debe exceder de 2000 mm. Con émbolos de gran tamaño y carrera larga, el sistema neumático no resulta económico por el elevado consumo de aire. 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. Además, al prolongar la carrera la distancia entre cojinetes aumenta y, con ello, mejora la guía del vástago. El valor de pandeo se calcula con las siguientes fórmulas: 

Carga crítica de pandeo: Pk= (PI^2)*Lk*E*I/Lk^2 donde Lk es la longitud libre de pandeo (cm), E es el módulo de elasticidad (kP/cm2) e I es el momento de inercia.

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Máxima carga de servicio: Fm= Pk/n donde n es el coeficiente de seguridad (2,5 o 3,5)

Juntas empleadas en los cilindros: Impiden las fugas de aire comprimido, se clasifican en:  

estáticas: entre piezas que no se mueven dinámicas: entre una pieza móvil y otra fija.

Las juntas más empleadas en neumática son:

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Planas: estáticas.

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Tóricas: de sección circular, más difundidas por sus óptimas características de funcionamiento. Es preferible usarlas como juntas estáticas puesto que pueden trabajar como juntas estáticas en los cilindros o como juntas dinámicas en las válvulas.

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Labiadas: dinámicas, con una duración superior a las juntas tóricas.

FUNCIONAMIENTO La presión de aire actúa sobre el diafragma, que conduce hacia abajo y hace que el pistón se mueva hacia abajo. Pistón mueve el vástago de la válvula; está conectada a las partes internas del actuador. Cuando un cilindro se empuja hacia fuera en una dirección aire empuja hacia atrás en dirección opuesta. En ambos extremos de las líneas de aire suministra continuamente el aire comprimido. Este flujo de aire es controlado por las válvulas. Válvulas pueden operarse con una pequeña presión, normalmente dos veces o tres veces de la fuerza de entrada. Puede aumentar la presión de salida mediante el aumento de tamaño del pistón. Tamaño del pistón grande también puede compensar el bajo suministro de aire. Esta presión es muy alta y causa para aplastar a los objetos grandes. Ventajas: • Actuadores neumáticos son actuadores de bajo costo y alta velocidad. • Estos tienen tolerancia a la sobrecarga hasta la parada completa. • Estos actuadores pueden fácilmente acumulados y transportados de un lugar a otro. • Estos consisten en explosión y equipos de seguridad contra incendios. Desventajas: • Compresión de aire es difícil y requiere energía extra. • Estos no pueden trabajar fácilmente a baja velocidad. • Aire comprimido en estos actuadores requiere altas medidas cautelares. • Velocidad de uniforme y constante de actuadores tesis de órganos no se puede lograr.

ACTUADORES HIDRAULICOS PARAMETROS DE CALCULOS Conocido el valor de la fuerza de empuje (Fe) o elevación necesaria y el tiempo (t) disponible en realizar una carrera completa por parte del émbolo, se emplearían las siguientes expresiones para calcular los parámetros geométricos que definen al cilindro actuador. Así, el valor del empuje o fuerza de elevación (Fe) capaz de desarrollar un cilindro hidráulico viene dado por la siguiente expresión: 0,785 · de2 · p Fe = 104

siendo, Fe, el valor de la fuerza desarrollada por el cilindro, en kN. de, es el diámetro del émbolo que discurre por el interior del cilindro, en mm. p es la presión de servicio a la que se encuentra el aceite hidráulico en el interior del cilindro, en bar.

Esquema de un cilindro hidráulico Para cilindros de doble efecto, durante la carrera de retroceso o de recogida del émbolo, la fuerza que puede desarrollar viene calculada por esta otra expresión: 0,785 · (de2 - dv2)· p Fr = 104 siendo, Fr, el valor de la fuerza de retroceso o recogida del émbolo, en kN. de, es el diámetro del émbolo que discurre por el interior del cilindro, en mm. dv, es el diámetro exterior del vástago que discurre por el interior del cilindro, en mm. p es la presión de servicio a la que se encuentra el aceite hidráulico en el interior del cilindro, en bar. Si se denomina carrera (L) al recorrido completo del émbolo dentro del cilindro, entonces el volumen de una carrera (V), también conocido como cilindrada, viene expresada por el producto de la superficie del émbolo por su carrera, es decir, π · de2 V=

·L 4

donde, V, es la cilindrada o volumen de una carrera, en mm3. de, es el diámetro del émbolo que discurre por el interior del cilindro, en mm. L, es la longitud de la carrera del vástago, en mm.

Por otro lado, conocida la carrera (L) del vástago y medido el tiempo (t) empleado en su recorrido, se puede calcular la velocidad (v) con que se mueve el vástago, según la expresión siguiente:

L v= 103 · t siendo, v, la velocidad de salida del vástago, en m/s. L, es la longitud de la carrera del vástago, en mm. t, es el tiempo empleado en salir completamente el vástago del cilindro, en segundos (s). Conocido el volumen de la carrera (V) y el tiempo (t) empleado en la salida del vástago, se puede conocer el caudal (Q) necesario para realizar una carrera, como 60 · V Q= 106 · t donde, Q, es el caudal de fluido necesario para hacer una carrera, en litros/minuto (l/min). V, es la cilindrada o volumen de una carrera, en mm3. t, es el tiempo empleado en salir completamente el vástago del cilindro, en segundos (s). No obstante, el anterior valor se trata de un valor teórico. El caudal real (Qr) tenida en cuenta el rendimiento volumétrico del cilindro donde se reflejan aspectos como la fuga de fluido por las juntas, viene dado por la siguiente expresión: Q Qr = η siendo, Qr, el caudal real de fluido necesario para hacer una carrera, en litros/minuto (l/min). Q, es el caudal teórico calculado según la expresión anterior, en litros/minuto (l/min). η, es el rendimiento volumétrico del cilindro que tiene en cuenta las fugas, como general se toma 0,95. FUNCIONAMIENTO El fluido hidráulico actúa básicamente como una fuente de energía. Cambio de la cantidad de fluido hidráulico provoca el cambio en el movimiento del actuador hidráulico. Este hecho permite el control de movimiento del actuador al alterar la cantidad de líquido hidráulico. Contrariamente a los tiempos pasados cuando se utilizó agua como fluido hidráulico, ahora progreso en Ingeniería lleva al diseño de tal aceite hidráulico que sirven muy bien el requisito. La conversión de la energía hidráulica es un principio básico del actuador hidráulico. Proceso del mecanismo importante tiene lugar en el cilindro. Cilindro consta de pistón que se mueve hacia adelante y hacia atrás, líquido hidráulico y una abertura en el cilindro conectado a la línea de suministro. Aceite hidráulico en forma presurizada no puede sostener más presión porque no se puede comprimir más. Cuando se aplica presión a

la primera final del actuador hidráulico, líquido hidráulico aumenta la presión y los a movimientos físicos. Es imposible regular el movimiento del actuador sin línea como regula la cantidad de líquido en el cilindro. Aumento o disminución de operador controla el movimiento del pistón que está conectado a algún dispositivo externo. Ventajas: • Debido a la generación del actuador hidráulico de gran fuerza se utiliza para apretar, aplastar y stomp. • Precisión de actuador hidráulico es alta. Cambiar la cantidad de fluido hidráulico controla el pistón. • Agilidad ayuda el actuador hidráulico para trabajar como un músculo, es decir, pushpull de brazo de la máquina hace que la máquina sea más flexible. Desventajas: • Ya que consta de líquido así que puede haber fugas. • Requiere colocar comentarios de repetibilidad • Bomba hidráulica externa requerida.

Bibliografia. 

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Manuel Escalera, A. R. (2009). ACTUADORES NEUMATICOS. Delgado, A. (2009). Sistemas Hidraulicos. Mexico.

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http://www.mitecnologico.com/electrica/Main/ActuadoresNeumaticos

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http://www.mitecnologico.com/electrica/Main/ActuadoresHidraulicos