:: ACTUADOR NEUMÁTICO:

Los actuadores neumáticos son mecanismos que convierten la energía del aire comprimido en trabajo mecánico por medio de un movimiento lineal de vaivén, o de motores. Los actuadores neumáticos se clasifican en dos grande grupos:

            : Cilindros

: Motores

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                .: CILINDROS :.

 

Los cilindros neumáticos producen un trabajo: transforman la energía neumática en trabajo mecánico de movimiento rectilíneo, que consta de carrera de avance y carrera de retroceso.

 

Existen diferentes tipos de cilindros neumáticos. Según el modo en que se realiza el retroceso del  vástago, los cilindros se dividen en tres grupos:

: Cilindros de simple efecto

: Cilindros de doble efecto

: Cilindro de rotación

 

Pero antes de explicar cada tipo de cilindro hay que tener claras los elementos que componen un cilindro: 

 

Generalmente, el cilindro neumático está constituido por un tubo circular cerrado en los extremos mediante dos tapas, entre las cuales de desliza un émbolo que separa dos cámaras. Al émbolo va unido a un vástago que saliendo a través de una ambas tapas, permite utilizar la fuerza desarrollada por el cilindro (gracias a la presión del fluido al actuar sobre las superficies del émbolo).  

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         .: Cilindros de simple efecto :.

 

El cilindro de doble efecto realiza el trabajo en un solo sentido:

   - El émbolo se desplaza por la presión del aire comprimido.

   - Después retorna a su posición inicial por medio de un muelle recuperador ( o bien mediante fuerzas exteriores.)

     Como por regla general la longitud de la carrera no supera los 10 cm, que el diámetro de los cilindros es pequeño y el consumo aire es muy poco entonces se suelen aplicar: como elementos auxiliares en las automatizaciones.

 

   

Podemos encontrar hasta 3 tipos de cilindros de simple efecto:

:    Embolo

:    Membrana

:    Membrana enrollable

 

   

 

     1 - Cilindro de émbolo

 

Funcionamiento:

El perbunan (un material flexible) recubre el pistón para así conseguir que este cerrado completamente. 1-2) El aire comprimido entra empujando el vástago, y comprimiendo el muelle. Los bordes de junta se deslizan sobre la pared interna del cilindro. 2-3) Después el muelle hace volver el vástago a su estado inicial.  

1)     2)     3)

 

Aplicación:

         Este cilindro tan simple se usa para frenar objetos rotativos con mucha velocidad, se aplica sobretodo en los frenos de camiones y trenes, ya que se usa de frenado instantáneo de emergencia.

 

    2 - Cilindros de membrana

 

Funcionamiento:

      Funciona igual que el cilindro de embolo pero esta vez no es un embolo sino una membrana que lo sustituye. El vástago se fija al centro de la membrana.

1-2) El aire comprimido entra con fuerza, empujando la membrana y por consiguiente se empuja el vástago.  2-3) La flexibilidad de la membrana la hace volver a su estado inicial  

1)     2)      3)

 

Aplicación:

     Sus aplicaciones son extensas, sobretodo en la fabricas de automatización. Se podría usar para estampar, remachar o fijar por ejemplo.

 

    3 - Cilindros de membrana enrollable

      Este cilindro es muy parecido al cilindro de membrana, pero el vástago puede salir mucho más (unos 5 o 8 cm). A parte el rozamiento es mucho menor.

    1-2) El aire comprimido entra con fuerza, empujando la membrana, comprimiendo el muelle y por consiguiente empujar el vástago. 2-3) La flexibilidad de la membrana y el efecto del muelle hace volver la membrana a su estado inicial.  

1)        2)        3)

        _______________________________________________________________ 

 

 

 

         .: Cilindros de doble efecto :. 

        Los cilindros de doble efecto se emplean especialmente en los casos en que el émbolo tiene que realizar una misión también al retornar a su posición inicial, ya que hay un esfuerzo neumático en ambos sentidos. Se dispone de una fuerza útil en ambas direcciones.

1-2) El aire comprimido empuja el émbolo hacia fuera.

2-1) El aire comprimido empuja el émbolo hacia dentro.

1)        2)

 Podemos encontrar hasta 4 tipos de cilindros de doble efecto:

:    Con amortiguación interna

:    De vástago pasante

:    Posicionadores

:     De percusión

Para entender bien el cilindro de doble efecto explicaremos como funciona y como se aplica cada tipo de este actuador.

   

 

     1 - Cilindros con amortiguación interna:

 

Si el cilindro tiene que trasladar masas grandes, para evitar choques bruscos y daños: se usa un amortiguador que funciona antes de acabar “la carrera” del émbolo.

Funcionamiento:  

-1- Se introduce aire comprimido por la parte del amortiguador, el vástago se empuja hacia fuera.

-2- Introducimos aire comprimido por la parte opuesta al amortiguador, obligando al vástago volver a su posición inicial.

-3- El aire comprimido se comprime más en la última parte de la cámara del cilindro.

-4- Esta sobrepresión producida se disminuye gracias al escape de aire ( la sección de escape es muy pequeña).

-5- Entonces el émbolo se desliza poco a poco hasta su posición final.

-1- Se vuelve a introducir aire comprimido, y así sucesivamente.

 

 

   

    2 - Cilindros de doble vastago:

 

Este tipo de cilindros tiene un vástago corrido hacia ambos lados. Dando la posibilidad de dar trabajo por cada lado. Solo dispone de dos cojinetes facilitando el movimiento del vástago.

   

1-2)Entra aire comprimido por la izquierda entonces el vástago se mueve hacia la derecha.

     

2-1)Entra aire comprimido por la derecha entonces el vástago se mueve hacia la izquierda.

      

 

 

 

 

      3 - Cilindros de diferentes posiciones:

Funcionamiento:      

       Este cilindro está constituido por dos o más cilindros de doble efecto. Dependiendo en que cámara se introduce actúa un cilindro u otro. En el esquema os mostramos como están acoplados dos cilindros de carreras distintas, se obtienen cuatro posiciones:

 

1) 2)

3)

4) 5)

Aplicación:Su ampliación es muy amplia, sobretodo en los autómatas industriales:

-Colocación de piezas en estantes.

-Accionamiento de compuertas

-Cambio de palanca en parada.

-Diferenciar las piezas malas con las buenas, clasificador

   

 

 

      4 - Cilindros de percusión:

   

Funcionamiento:

En este cilindro se aprovecha la energía del aire a presión y a mas la energía de movimiento. Obteniendo así una gran fuerza ya que sale a una velocidad de 7,5 y 10 m/s (sabiendo que lo normal es entre 1 y 2 m/s). La fuerza varia en función de la velocidad y por el diámetro del cilindro (se puede obtener hasta 500Nm)

 

1) 2)

3) 4)

 

 

 

 

Aplicación:

  Como la fuerza de impacto es muy grande en relación con el tamaño del cilindro entonces se usa para:

- Prensar

- Remachar

- Estampar

- etc

        _______________________________________________________________   

 

 

         .: Cilindro de rotación :.

Estos cilindros por método de la presión introducida podemos obtener un movimiento rotativo

 

De este tipo de actuador podemos encontrar de 2 tipos:

        :    Los cilindros de giro

        :    Los cilindros de cable

   

 

 

 

      1 - L os cilindros de giro:

Funcionamiento:

      En esta ejecución de cilindro de doble efecto, el vástago es una cremallera que acciona un piñón y transforma el movimiento lineal en un movimiento giratorio, podemos regular si queremos el movimiento en sentido de las agujas del reloj o al reves.

Los ángulos típicos de giro son de 45° , 90° , 180° , 290° hasta 720° ..

El giro está en función de: la presión y la superficie del émbolo.

A continuación mostramos dos secuencias claves de este cilindro rotativo tan simple:

         

 

Aplicación:

Al dar un movimiento rotativo se puede emplear para:

-         Voltear piezas y doblar tubos metálicos.

-         Regular acondicionadores de aire.

-         Accionar válvulas.

-         etc

Otro tipo de cilindro de giro:

 

Puede realizar un movimiento angular especificado, como mucho un giro de 300º. En este siguiente se ve claramente que funciona igual que el anterior cilindro de giro:  

1)       2)     3)

   

 

 

 

 

      2 - L os cilindros de cable:

 

Funcionamiento:

Este es un cilindro de doble efecto. Por medio de poleas en los extremos de un cable (las poleas están fijadas en ambos lados del émbolo).  

  

  Cuando entra presión por un lado: el embolo se mueve hacia el otro. De esta forma el cable se mueve también, provocando un movimiento rotativo.

 

Aplicación:

Esos cilindros son muy útiles para:

-Abrir y cerrar puertas.

-Mover cargas no muy pesadas.(tanto horizontal como vertical)

-Obtener carreras largas (en el caso que las dimensiones sean pequeñas)

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 :

Cálculo de cilindros de aire comprimido. Guarniciones de Pistón

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.

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

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.

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

Fig. Cilindro actuador de doble accionamiento de tres puertos.

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

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

(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.

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.

Guarniciones de Pistón.

El teorema de Pascal, del cual la ley fundamental de la ciencia de la hidráulica evolucionó, fue propuesto en el siglo XVII. Un requerimiento para hacer la ley efectiva para usos prácticos era un pistón que debía “caber” en la abertura del recipiente “exactamente.” Sin embargo, no fue hasta finales del siglo XVIII que

Joseph Brahmah ( 1749 - 1814 ) inventó un sello eficaz para el pistón, la guarnición de copa. Esto llevó al desarrollo de de la prensa hidráulica de Brahmah.

La empaquetadura fue probablemente la invención más importante en el desarrollo de la hidráulica como método principal de transmitir potencia. El desarrollo de máquinas para cortar y dar forma a piezas de encastre preciso fue también muy importante en el desarrollo de la hidráulica. Sin embargo, sin importar cuan preciso es el proceso de la máquina, se requiere generalmente un cierto tipo de empaquetadura de sello para hacer que el pistón, y muchas otras partes de componentes hidráulicos, “quepan exactamente.” Esto también se aplica a los componentes de sistemas neumáticos.

Con varios años de investigación y de experimentos, una gran variedad de materiales y diseños han sido creados tratando de desarrollar dispositivos convenientes de guarnición o empaquetadura. Los materiales apropiados deben ser durables, deben proporcionar un sello eficaz, y deben ser compatibles con el fluido usado en el sistema.

En forma general los materiales de sello se conocen comúnmente como juntas, empaques, empaquetaduras o guarniciones según el país y algunas ligeras diferencias funcionales. Los sellos usados en los sistemas de potencia fluida y los componentes se dividen en dos grupos generales sellos estáticos y sellos dinámicos.

El sello estático se conoce generalmente como junta o guarnición. La función de una junta es proporcionar un material que pueda amoldarse a las irregularidades superficiales de las áreas de acoplamiento que requieren el sello. Para hacer esto, el material de la junta debe estar bajo presión. Esto requiere que la unión esté atornillada firmemente o de lo contrario fírmemente empalmada.

El sello dinámico, designado comúnmente como empaquetadura, se utiliza para proporcionar un sello entre dos porciones que se muevan una con respecto a la otra. Por ejemplo en el vástago de una válvula hidráulica. Estas dos clasificaciones de sellos –guarniciones y empaquetaduras- se aplican en la mayoría de los casos; sin embargo, algunas diferencias se encuentran en algunas publicaciones técnicas. Ciertos tipos de sellos (por ejemplo los aros, anillos u o-rings) se pueden utilizar como guarnición o empaquetadura. Muchos de los sellos en sistemas de potencia fluida previenen pérdidas o fugas externas. Estos sellos tienen dos propósitos - sellar el líquido en el sistema de manera que sea un sistema estanco y evitar el ingreso de materia extraña al sistema. Otros sellos (juntas, retenes, aros, etc. ) previenen simplemente fugas internas dentro de un sistema.

NOTA: Aunque las fugas de cualquier clase dan lugar a una pérdida de eficacia, una cierta cantidad de pérdidas, especialmente pérdidas internas, es deseable en sistemas hidráulicos para proporcionar la lubricación de las piezas móviles. Esto también se aplica a algunos sistemas neumáticos en los cuales gotas del aceite se introducen en el flujo de aire que alimenta al sistema.

MATERIALES UTILIZADOS EN LA FABRICACIÓN DE SELLOS.

Según lo mencionado previamente, muchos y variados materiales se han utilizado en el desarrollo de los dispositivos de sello. El material usado para una aplicación particular depende de varios factores: compatibilidad con fluidos, resistencia al calor, presión, resistencia de desgaste, dureza, y tipo de movimiento.

La selección de las empaquetaduras y juntas correctas y su instalación apropiada son factores importantes al mantener un sistema de potencia fluido en forma

eficiente. Los tipos de sellos que se utilizarán en una parte particular del equipo son especificados por el fabricante de equipamiento.

En el caso de equipamiento militar, la selección de sellos se limita a menudo a los sellos cubiertos por especificaciones militares. Sin embargo, hay ocasiones en que pueden ser aprobados sellos no estándar o con marca registrada, que reflejan el avance tecnológico. Así, es importante seguir las instrucciones del fabricante cuando usted substituye las juntas o empaquetaduras. Si el sello apropiado no está disponible, se deberá dar una importante consideración a la selección de un substituto conveniente.

Los sellos se hacen de materiales que han sido cuidadosamente elegidos o desarrollado para los usos específicos. Estos materiales incluyen el tetraflouroretileno (TFE), comúnmente llamado Teflón; caucho sintético (elastómeros); corcho; cuero; metal; y asbesto. Algunos de los materiales más comunes usados para hacer los sellos para los sistemas de potencia fluida se discuten a continuación.

CORCHO

El corcho tiene varias de las características requeridas, que lo hace adecuado idealmente como material de sellado en ciertos usos. La compresibilidad de los sellos de corcho en guarniciones, juntas, aros, empaquetaduras, etc. los hace apropiado para usos confinados en los cuales poca o ninguna dispersión del material es permitida. La compresibilidad del corcho también lo convierte en un buen sello que se puede cortar a cualquier espesor y forma deseadas, para adaptarse a cualquier superficie y proporcionar así un sello excelente.Una de las características indeseables del corcho es su tendencia a desmenuzarse. Si el corcho se utiliza como empaquetadura o en áreas donde hay una alta presión y/o una alta velocidad de fluido, pequeñas partículas se desprenderán hacia el sistema. El uso del corcho en los sistemas de potencia fluida por lo tanto es limitado. Se utiliza a veces como material de junta para las placas de inspección de depósitos hidráulicos.

El corcho se recomienda generalmente para el uso donde las temperaturas continuas no exceden 275°F.

CORCHO Y CAUCHO

Los sellos de corcho y de caucho son hechos combinando el caucho sintético y el corcho. Esta combinación tiene las propiedades de ambos materiales. Esto significa que los sellos se pueden hacer con la compresibilidad del corcho, pero con una resistencia al fluido comparable al caucho sintético en el cual se basan. La combinación de corcho y de caucho se utiliza a veces para hacer juntas para usos similares a los descritos para las juntas de corcho.

CUERO

El cuero es un material de entramado compacto generalmente resistente, flexible, y relativamente resistente a la abrasión, al desgaste, a la tensión, y a los efectos de los cambios de temperatura. Debido a que es poroso, puede absorber el lubricante de los fluidos. Esta porosidad hace necesario impregnar el cuero para la mayoría las aplicaciones. Generalmente el cuero se debe curtir y tratar para hacerlo útil como material de junta. Los procesos de curtido son los usados normalmente en la industria de cuero.

El cuero es generalmente resistente a la abrasión sin importar si el lado de grano o el lado de descarne están expuestos a la acción abrasiva. El cuero se mantiene

flexible a bajas temperaturas y puede ser presionado con comparativa facilidad para ponerse en contacto con los rebordes del metal. Cuando está impregnado correctamente, éste es impermeable a la mayoría de los líquidos y a algunos gases, y capaz de soportar los efectos de las temperaturas en un rango de - 70°F a +220°F.

El cuero tiene cuatro limitaciones básicas. Primero, el tamaño del cuero típico limita el tamaño de los sellos que se pueden hacer con el mismo. Una segunda limitación es el número de sellos que sean aceptables. Otra limitación es que bajo altas presiones mecánicas el cuero se tiende a extrudir. Finalmente, muchas de las características (tales como impermeabilidad, fuerza extensible, resistencia a alta y baja temperatura, flexibilidad, y compatibilidad con el ambiente) dependen del tipo de cuero y de la impregnación. Los cueros no curtidos e impregnados para las condiciones y características específicas llegarán a ser frágiles, secos, y totalmente desengrasado por la exposición a los productos químicos particulares. El cuero nunca se utiliza con presión del vapor de ningún tipo, ni con las soluciones alcalinas o ácidos.

El cuero se puede utilizar como empaquetadura. Cuando está moldeado en forma de “V” y “U”, forma de copa, y otras formas, puede ser utilizado como empaquetadura dinámica, mientras que en su forma plana puede ser utilizado como empaquetadura de compresión plana.

METAL

Uno de los sellos más comunes de metal usados, por ejemplo, en equipos de la marina de guerra es el cobre. Los anillos de cobre planos se utilizan a veces como juntas debajo de los tornillos de reglaje para proporcionar un sello a los fluidos. Anillos de cobre moldeados se utilizan a veces como empaquetadura con engranajes de velocidad que funcionen sujetos a altas presiones. Cualquier tipo es fácilmente doblado y requiere trato cuidadoso. Además, el cobre se vuelve tenaz cuando se es utilizado durante largos periodos de tiempo y cuando está sujetado a una compresión. Siempre que una unidad o un componente sea desmontada, los anillos de sello de cobre deben ser substituidos. Sin embargo, si los nuevos anillos no están disponibles y la pieza debe ser reparada, el viejo anillo se debe ablandar mediante recocido (annealing). (El recocido es el proceso de calentar un metal, y después enfriarlo, para hacerlo más flexible y menos frágil.)

Aros metálicos de émbolo de pistón se utilizan como empaquetadura en algunos cilindros de impulsión de potencia fluida. Estos anillos son similares en diseño a los aros del émbolo de motores de automóvil. El metal también se utiliza con el asbesto para formar las guarniciones devanadas en espiral de metal-asbesto (ver figura adjunta). Estas juntas se componen de capas intercaladas de tiras acanaladas preformadas de metal y de asbesto, llamadas relleno

Fig.: Junta devanada en espiral de metal asbesto .

El relleno puede o no estar encapsulado en un anillo externo de metal sólido. Estas juntas se utilizan en conexiones bridadas y para conectar el cuerpo con el casquillo en algunas válvulas, y se requieren generalmente en aplicaciones de alta presión, y alta temperatura específicos.

CAUCHO - GOMA

El término caucho y caucho sintético cubre variedades numerosas. Las características de estas variedades tienen una amplia gama, a excepción de algunas semejanzas básicas, que los cauchos o gomas tienen características y limitaciones diversas; por lo tanto, los usos específicos requieren un estudio cuidadoso antes de que se seleccione el material de sello.

Los cauchos naturales tienen muchas de las características requeridas en un sello eficaz. Sin embargo, su resistencia muy pobre al petróleo y su envejecimiento rápido cuando están expuestos al oxígeno u ozono limitan su uso. Su uso casi ha cesado hoy.

Hay dos clases generales de sellos de caucho sintético. Una clase se hace enteramente de cierto caucho sintético. El término homogéneo, que significa que tienen una estructura o composición uniforme, se utilizan con frecuencia para describir esta clase de sello. La otra clase de sello es hecha impregnando lona gruesa de algodón o asbesto de entramado fino con caucho sintético. Esta clase se conoce a veces como sellos fabricados.

Figura 6-16 Aros de Pistón . Los aros de pistón del tipo Automotor son utilizados únicamente en cilindros hidráulicos de alta velocidad.

Los aros usualmente de fundición de hierro, trabajan en camisas de acero, presentan un pequeño nivel de fugas a través de ellos, por eso son utilizados donde es más importante una prolongada vida útil que una absoluta estanqueidad.

Figura 6-17   MÚLTIPLE V. Las guarniciones múltiples en V son en cilindros de alta velocidad donde se requiere estanqueidad absoluta. Adaptadores de metal o plástico , actúan como respal do de cada conjunto de guarniciones. En la práctica se utiliza una V por cada 500 PSI de presión actuante.

Figura 6-18 Guarnición de doble labio.

La guarnición es una placa metálica a la que se ha vulcanizado caucho sintéticos en doble labio. Sella en ambos sentidos. Utilizada en cilindros neumáticos e hidráulicos de baja presión provee una larga vida útil, Algunos fabricantes colocan una placa de guía que previene la defor mación de la guarnición por cargas radiales.

Figura 6-19 Copa.

Realizadas en cuero o caucho sintético, son especialmente recomendadas para baja presión en aire. Los labios poseen una superficie amplia de sellado contra la camisa y la hacen en forma suave. A baja presión esta guarnición presenta una reducida fricción de arranque.

Figura 6-20 Guarnición "U"

Usualmente realizada en caucho sintético es fácil de reemplazar y muy popular para presio nes del orden de las 500 PSI en aire o hidráulica.

Figura 6-21 Bloque "V". Similar a la "U" pero con un inserto en el caucho sintético que le confiere características aptas para altas presiones. Presenta baja fricción a elevadas presiones.

Figura 6-22   O-Ring. La más sencilla guarnición de pistón. El O-Ring o guarnición "O" es la guarnición más económica, pero presenta ciertas desventajas: Su vida es más corta que la otras guarniciones, la fricción de arranque es elevada, y en cilindros de gran diámetro el orosello tiene tendencia a retorcerse y/o

aplastarse.

Fig.: Instalación O-ring típica en un pistón

Figura 6-23 O-Ring. (arosello) con respaldo.

Para presiones elevadas o huelgos considerables, se coloca al arosello entre dos respaldos generalmente de teflón que impiden la extrusión del O-Ring a través de los huelgos.

AROS DE RETENCIÓN (retainer rings, antiextrusion devices, nonextrusion rings )

Los aros de retención, también designados como aros de empaquetadura, aros de respaldo, aros de empaque, anillos de soporte, anillos de retención, dispositivos antiextrusion, etc., son dispositivos tipo arandela que van instalados en el lado de baja presión de la empaquetadura para prevenir la extrusión del material de empaquetadura. Los aros de retención en sellos dinámicos reducen al mínimo la erosión de los materiales de empaquetadura y la falla posterior del sello. A bajas presiones, los aros de retención prolongarán la vida normal de desgaste de la empaquetadura. A presiones altas, los aros de retención permiten mayores separaciones entre las piezas móviles. Normalmente, los aros de retención son requeridos para presiones de funcionamiento superiores a 1500 psi.

Los aros de retención se pueden hacer de politetrafluoetileno, de caucho duro, de cuero, y de otros materiales. El material más común usado actualmente es el tetraflouroretileno (TFE). Los aros de retención están disponibles como de vuelta única continua (sin corte o sólidos), vuelta única con corte en diagonal y tipo espiral. Véase la figura adjunta. Los aros de cuero se suministran siempre en la forma de aro sólido (sin corte). Los aros de TFE están disponibles en los tres tipos.

Fig.: En caso de que sólo un aro de retención sea usado, la forma de colocación correcta se ve en la Vista A, y no a la inversa como la vista B.

Empaquetado y almacenamiento

Los aros de retención no tienen código de color u otro tipo de marca y se deben identificar según las etiquetas de empaquetado. Los aros de retención hechos de TFE no se deterioran con el paso del tiempo y no tienen limitaciones de vida útil. Los aros de retención de TFE son provistos por el fabricante en paquetes individualmente sellados o en mandriles. Si los anillos desempaquetados son almacenados durante mucho tiempo sin el uso de mandriles, pueden llegar a superponerse. La superposición ocurre cuando la identificación del aro de retención llega a ser más pequeña y sus extremos se traslapan. Para corregir este problema, apile los anillos de TFE en un mandril del diámetro correcto, y asegure los anillos con sus espirales en forma plana y paralela. Coloque los anillos en un horno en una temperatura máxima de 177°C (350°F) por aproximadamente 10 minutos.

No los recaliente porque las emanaciones de la descomposición del TFE son tóxicas. Quite y enjuague los anillos. Almacene los anillos a temperatura ambiente antes de usarlos (preferiblemente por 48 horas).

Figura 6-24 O-Ring. (arosello) con zapata.

Un oro de plástico o zapata es colocado sobre el O-Ring Standard. Esta zapata en contacto con la camisa trabaja cómo guarnición deslizante. El O-Ring provee a la zapata la expansión necesaria para el contacto con la camisa. Esta disposición presenta, baja fricción de arranque y una vida mas larga que el O-Ring solo.

Guarniciones “T”

La guarnición “T” tiene un elemento de sello bidireccional elastomérico que se asemeja a una letra invertida T. Este elemento de sello se acopla siempre con dos anillos de soporte de resistencia a la extrusión especiales, uno en cada lado de la “T”. La configuración básica de la guarnición “T” se observa en la figura adjunta, vista A. Los anillos de soporte son una sola vuelta, corte en diagonal, y hechos generalmente de TFE, de nilón impregnado de disulfuro de molibdeno, o de una combinación de TFE y de nilón. El nilón es ampliamente utilizado para los anillos de soporte de las guarniciones “T” porque proporciona una resistencia excelente a la extrusión y tiene punto bajas características de fricción. La configuración especial de guarniciones “T” agrega estabilidad a la junta, eliminando espirales y rollos.

Los sellos “T” se utilizan en aplicaciones donde separaciones grandes podrían ocurrir como resultado de la expansión del cilindro hidráulico de paredes delgadas. Los sellos “T” son instalados bajo compresión radial y proporcionan un sello positivo a presión cero o baja. Los anillos de soporte, uno en cada lado, se encuentran libres de los rebordes de la junta “T” y del vástago o la pared del cilindro (ver figura adjunta, vista B). Estas separaciones mantienen la fricción del sello a un mínimo a presión baja. Cuando se aplica presión (ver figura adjunta, vista C), la junta “T” actúa para proporcionar acción positiva de sellado mientras que la presión del fluido aumenta .

Sellos Quad-Ring®

Los sellos Quad-Ring® son anillos de empaquetadura de configuración especial, manufacturado por Minnesota Rubber. En comparación con un anillo o-ring, un sello Quad-Ring® tiene una forma de sección transversalmente cuadrada con las esquinas redondeadas (ver figura). Los sellos Quad-Ring® ofrecen más estabilidad que el diseño del arosello tipo o-ring y elimina prácticamente las torceduras o el efecto espiral que se encuentra a veces en los o-ring.

Fig.: Junta Quad-Ring®Guarniciones de Vastago.

Estas ilustraciones vistas anteriormente representan las guarniciones mas comunes de vástago de cilindros, no pretenden demostrar los aspectos constructivos del buje de guía del vástago generalmente construida en bronce, teflón o nylon. Las empaquetaduras de vastago se construyen en una variedad de materiales compatibles con las presiones, temperaturas y fluidos a emplearse. Los materiales mas corrientes son: Neoprene , BUNA-N, BUNA-S, Siliconas, Butyl, Uretano, Viton-A, hy-cor, caucho natural, cuero, Teflón ,  Kel-F, Nylon, etc.

Figura 6-25 "N" Múltiples.

Usadas en un mínimo de 2 y un máximo de 6 con sus respaldos en cada extremo, proveen buen servicio en hidráulica de presión media y alta.

 

Figura 6-26 "U".

Utilizada como guarnición única para aire comprimido y bajas presiones hidráulicas.

Figura 6-27 Sombrero.

De cuero o caucho sintético apta para bajas presiones neumáticas o hidráulicas.

Figura 6-28 Empaquetadura Ajustable.

Donde es admitida la elevada fricción esta guarnición asegura un vástago siempre seco.

Figuras 6-29, 6-30 y 6-31

Los orosellos con respaldos o zapatas para baja fricción empleados en neumática e hidráulica.