Cilindros neumaticos: cálculos y consideraciones técnicas

Parámetros y normalización:

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
rozamientosy realizr 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)

• 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 determinados, 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.

• 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 numero de operaciones por minuto.

• 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 antirretorno 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, antirretorno 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.

• Máxima carga de servicio: Fm= Pk/n donde n es el coeficioente 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:

• Planas: estáticas.

• 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.

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