(a) recurso de autoaprendizaje tecnologia fluidica cilindros de simple y doble efecto 1617

7/24/2019 (a) Recurso de AutoAprendizaje Tecnologia Fluidica Cilindros de Simple y Doble Efecto 1617

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Cilindros de Simple y Doble Efecto

Richard VARELA, Sara LASSO, Manuel J BETANCUR, Marisol OSORIO,

Facultad de Ing. Elctrica y Electrnica, Escuela de Ingenieras, Universidad Pontificia Bolivariana

Medelln, Cq. 1 #70-01, Campus Laureles, B11-259

@upb.edu.co

RESUMEN

En este artculo se puede encontrar informacin bsica sobre algunos elementos importantes de la neumtica y lahidrulica como lo son los cilindros de simple y doble efecto, los cuales son fundamentales en algunos procesos decontrol de la industria.

PALABRAS CLAVEPistones, actuadores hidrulicos, sistemas neumticos

ABSTRACTIn this paper you can find basic information about some important pneumatic and hydraulic elements, for examplesingle and double effect cylinders, which are fundamental in some industry processes.

KEYWORDSPistons, Hydraulic actuators, Pneumatic systems


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Contenido

1. INTRODUCCIN .......................... .......................... .......................... ......................... .......................... ......... 3

2. NORMATIVA ........................... ......................... .......................... .......................... .......................... ............. 4

3. GENERALIDADES DE LOS CILINDROS DE SIMPLE Y DOBLE EFECTO ........................ .......................... ............. 4

3.1. Cilindro simple efecto ......................................................................................................................... 43.2. Cilindro de doble efecto ......................... ......................... .......................... ......................... .................. 53.3. Fuerza del mbolo simple efecto ........................ .......................... ......................... ........................... .... 63.4. Fuerza real cilindro simple efecto ............................................ ......................... ........................... ........ 6

3.5. Velocidad de un actuador .................................................................................................................... 63.6. Fuerza del mbolo del cilindro de doble efecto .......... ........................... .......................... ..................... 73.7. Regulacin de velocidad ........................ ......................... .......................... ......................... .................. 73.8. Consumo de aire ........................... .......................... ......................... .......................... .......................... 7

4. APLICACIONES INDUSTRIALES ........................... ......................... .......................... .......................... ............. 8

4.1. Imgenes de cilindros simple efecto ........................ .......................... ......................... .......................... 84.2. Imgenes de cilindros doble efecto ................................. ........................... ......................... ................. 9

5. EJEMPLOS ......................... ........................... ......................... .......................... ......................... ................ 10

6. TALLER .......................... .......................... ......................... ........................... ......................... .................... 137. SOLUCIONARIO .......................... .......................... .......................... ......................... .......................... ....... 14

REFERENCIAS .................................................................................................................................................... 15

AUTORES .......................................................................................................................................................... 16


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Cilindro Simple y Doble Efecto

1.

INTRODUCCIN

Este artculo brinda informacin de fcil acceso paralos estudiantes de primer ao, con el fin de que puedanconocer desde el principio de sus carreras temas tcnicos

como lo son el funcionamiento de los cilindros y otros

elementos de la fluidica. Esto permitir que, cuandolleguen a materias superiores o cuando obtengan el grado ysalgan a trabajar, tengan ms nociones sobre el

funcionamiento de equipos neumticos e hidrulicos y se

puedan desempear mejor en un medio laboral.

La historia del cilindro neumtico se remonta al ao285 a. C. cuando el griego Ctesibio realiz trabajos con

aire comprimido utilizando bombas neumticas para relojes

y cilindros con mbolos paracaones. Ctesibio invent elprimer cilindro con un mbolo. El cilindro de Ctesibiorecibi el nombre de can [1] en el cual, al efectuar un

disparo, la expansin restitua la energa almacenada,

aumentando de esta forma el alcance del mismo. Desde ese

entonces se empezaron a realizar trabajos con airecomprimido, como lo fueron en 1688 mquinas de mbolos

desarrolladas por Papn, en 1762 el cilindro soplante porJohn Smeaton, en 1776 el primer prototipo de compresor

John Wilkinson y ya a mediados del siglo XIX se empe

trabajar con el aire comprimido en cilindros en la indu

sistemticamente [2].La neumtica y la hidrulica son dos disciplinas qu

rigen por los mismos principios de funcionamientbsicamente son utilizadas para generar movimient

fuerza mediante el uso de aire o fluidos. Hay sudiferencias a la hora de la construccin de los cilind

debido a que los hidrulicos deben de tener vlvula

extraccin de aire y vlvula de extraccin de flu

restantes, mientras que en la neumtica no. A nivel muny local, las empresas que trabajan con aire comprimidencuentran en la constante bsqueda de cmo econom

costos, mantenimiento y cmo trabajar o producir un ms limpio sin utilizar aceites para lubricar. Ello debid

que stos en muchas ocasiones provocan accidentes por

derrames y requieren de ms mantenimiento. Adems,sta y muchas otras razones, entran en juego empr

locales como lo son Compair, Solucin Aire, Junair

cuales presentan gran variedad de alternativas a la horimplementar sistemas fluidicos. Otra de las preocupaciode las empresas tanto locales como internacionales e

tamao que deben de tener los cilindros, ya que no siem
http://es.wikipedia.org/wiki/Ca%C3%B1%C3%B3n_%28artiller%C3%ADa%29http://es.wikipedia.org/wiki/Ca%C3%B1%C3%B3n_%28artiller%C3%ADa%29


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se cuenta con mucho espacio en las reas de trabajo, por lo

que es necesario tener cilindros ms pequeos pero muy

fuertes para realizar las tareas operativas que requieren lasempresas hoy en da.

En la seccin 2 se encontrar la normativa que tienenlos cilindros, en la seccin 3 definiciones y conceptos de

los actuadores de simple y doble efecto, en la seccin 4 seencontrarn imgenes y algunos usos industriales, en la

seccin 5 se explicarn algunos ejercicios numricos, en la

seccin 6 se propone un taller y, por ltimo, en la seccin 7

estar el desarrollo del taller propuesto.

2. NORMATIVALa ISO 6431 y la ISO 6432 estandarizan las

dimensiones de la instalacin de un tipo de cilindros y susfijaciones.

La VDMA 24562 es una modificacin de la ISO 6431y la ISO 6432 que incluye ms dimensiones, en particular

las del vstago y las medidas para las fijaciones que seadaptan a l. La ISO 6009 estandariza la nomenclatura a

utilizar para las dimensiones en las hojas tcnicas de losfabricantes.

Existen muchos tipos de cilindros no cubiertos estas normas que incorporan las ltimas tecnologas

tcnicas constructivas, para implementar diseos simples, compactos y de menor tamao. Sin embargo

fijaciones de un fabricante pueden no coincidir con

cilindro de otro [3].

3.

GENERALIDADES DE LOS CILINDRODE SIMPLE Y DOBLE EFECTO

Los cilindros neumticos e hidrulicos son elementos que realizan el trabajo los cuales tienen cofuncin transformar energa neumtica o fluidica en trab

o movimiento rectilneo.

3.1.

Cilindro simple efecto

Los cilindros de simple efecto se utilprincipalmente como cilindros de sujecin de piezabloqueo de elementos mecnicos, ya que slo actan

una direccin, como se puede apreciar en la Figura 1esta figura se puede ver que el mbolo slo se pudesplazar a la derecha por aire o algn fluido y que reto

hacia la izquierda por un resorte.


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Figura 2. Cilindro de doble efecto

3.3.Fuerza del mbolo simple efecto

La fuerza terica del mbolo se calcula como

= (1)

donde , , y representan, respectivamente, la fuerza delmbolo, la superficie que se utiliza y la presin, cuyas

unidades se manejan, respectivamente, en newton, metr

bares.

3.4.Fuerza real cilindro simple efecto

La fuerza real del pistn de un cilindro de simefecto se debe de calcular considerando la fuerza que h

el resorte y la fuerza de rozamiento del mbolo

= ( + )

donde , , , , representan, respectivamentefuerza del mbolo, la superficie que se utiliza, la pres

fuerza del resorte y fuerza de rozamiento.

3.5.

Velocidad de un actuador

Para calcular la velocidad del cilindro primero se dsaber el caudal del lquido con que est siendo llenado, cantidad de aire que se le est inyectando.

Luego es necesario pasar las cantidades obtenidunidades del sistema mtrico internacional (SI),

ejemplo cm3/min en el caso del fluido, y en el caso del

puede ser l/min. Una vez obtenido el resultado, se pa


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dividir dicha cantidad entre el rea del mbolo obteniendo

as la velocidad de aqul [6].

3.6.Fuerza del mbolo del cilindro de doble efecto

La fuerza de un cilindro de este tipo puede serdiferentes, una de avance y otra de retroceso, siendo menor

la fuerza que se produce en el lado del vstago, debido aque la seccin de rea con que se trabaja es menor la fuerzareal se puede calcular como

= ( ) (3)

donde , , y representan, respectivamente, lafuerza de avance del mbolo, la presin, la seccin deavance y la fuerza de rozamiento, de igual forma se puede

calcular la fuerza de retroceso simplemente cambiando la

seccin de avance () por la seccin de retroceso (sr) [6],

= ( ) (4)

donde , , y representan la fuerza de retroceso, lapresin, la seccin de retroceso que generalmente est

donde est el vstago y la fuerza de rozamiento o friccin

[6].

3.7.Regulacin de velocidad

La regulacin de velocidad para que un cilindro

llene ms rpido o ms lento depende de mecanismoestrangulamiento en mangueras o de las vlvreguladoras de caudal conectadas al cilindro. La mayde las veces los mecanismos de estrangulamiento

mecnicos y de fcil manipulacin por un operario.pueden distinguir fcilmente porque tienen aparienci

tornillos y dependiendo del sentido en que se giren pue

cerrar ms o abrir ms el paso de aire hacia el cilindro.

3.8. Consumo de aire

Para cierta presin de trabajo, un dimetro y carrera de mbolo determinados, el consumo de aire

calcula de la siguiente forma:

= 2

donde , , , , representan, respectivamente, consde aire (l/min), nmero de ciclos por minuto, carrera (cm

consumo especifico de aire (l/cm), lo cual es antambin para el caso hidrulico [7].


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4.

APLICACIONES INDUSTRIALESEn la industria existen varios campos en los cuales se

pueden utilizar cilindros de simple y doble efecto ya seapara mover, atrapar, presionar, succionar, cortar, sacar, tirar

etc. Dichas acciones se pueden observar claramente en

campos laborales como lo son agricultura y explotacinforestal, produccin de energa qumica y petrolfera,

plstico, metalrgica, madera y aviacin.

Inclusive, se puede observar el uso de los cilindros desimple y doble efecto en mquinas de juegos como, por

ejemplo, la mquina que atrapa peluches en que todosalguna vez hemos perdido dinero.

En empresas locales tales como embotelladoras,ensambladoras, textiles entre otras, muchas de las

mquinas que toman las piezas para llevarlas de un lugar aotro son mquinas neumticas o hidrulicas, que funcionancon cilindros de doble efecto.

4.1.Imgenes de cilindros simple efecto

En las Figura 3 y Figura 4 se puede observar com

cilindro de simple efecto nada ms tiene una entradaaire,

Figura 3. Cilindro de simple efecto en estado inicial o reposo


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Figura 4. Cilindro de simple efecto en estado final con elpistn afuera y la cmara de aire llena

que en este caso es la manguera azul, la cual ingresa aircilindro haciendo que el pistn se desplace hacia

posicin final. Para devolverse se debe dejar de ingraire a la recmara y un resorte devuelve el pistn haci

posicin inicial.

4.2.Imgenes de cilindros doble efecto

En la Figura 6 se puede ver que tiene dos entradaaire, dos mangueras azules las cuales son las encargadallevar el aire hasta las recmaras del cilindro,

Figura 5. Cilindro de doble efecto


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para que el pistn se desplace de derecha a izquierda o deizquierda a derecha, dependiendo de cul cmara se est

llenando con el aire comprimido.

5. EJEMPLOS1) Se tiene un cilindro con una presin de 70 psi

cuya carrera del vstago es de 50 mm, cul debede ser el dimetro interno de la cabeza del pistnsi se sabe que el dimetro del vstago o tubo es de

1 cm, la fuerza de salida de 1000 N y la fuerza de

entrada es de 1500 N?

Solucin:

Partiendo de la ecuacin (2) se usan los datos delproblema,

1500 = 70( ) (6)

1500 = 70 ( (2.5 10)) (7)

1500 = 70 70 (2.5 10) (8)

se quitan los parntesis,

1500 + 70 2.5 10 = 70

y, se despeja

=

+ 2.5 10 (10

=

. /+ 2.5 10 (11

= 3.11 10 +2. 5 10, (1

finalmente se aplica raz cuadrada en ambos lados y as

obtiene el valor del radio del vstago

= 55.99 10 = 56 .

2) Se le inyecta aire comprimido a un cilindro

simple efecto con una presin de 6 bar, el resejerce una fuerza sobre el mbolo del pistn d

N, el dimetro del mbolo es de 35 mm (realiza un desplazamiento o carrera de 60 mm


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minuto y en ambos sentidos presenta un

rendimiento del 80%, calcular la fuerza terica y

real tanto de avance como de retroceso.

Solucin:

Para calcular la fuerza de avance terica

= ( ), (18)

donde , y representan, respectivamente, la fuerza deavance terica, la presin y la seccin del mbolo.

Reemplazamos la seccin del mbolo () con lafrmula de seccin transversal de un cilindro

=

(19)

se toma 6 = 6 1 0y se reemplaza en la ecuacin(19)

= 6 10 .

(20)

obteniendo finalmente la fuerza terica de avance cilindro

= 577.26 .

Para la fuerza de avance real tenemos

= ,

donde , y representan, respectivamente, la fureal, la fuerza de avance terica y el rendimiento concual bsicamente se multiplica el resultado obtenido e

ecuacin (21) por el rendimiento () obteniendo asfuerza real

= 577.26 0.80

= 461.808 .

Para la fuerza de retroceso terica se tiene que rela superficie del vstago del mbolo, entonces se utiliz

ecuacin (4) obteniendo as = ( ( 1 2))


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= ( v)

4

= 6 10 (..)

y, aplicando las operaciones requeridas encontramos el

valor de la fuerza de retroceso terica

= 471.23,

por ultimo para hallar la fuerza de retroceso real

= , (25)

donde , y representan, respectivamente, la fuerzareal, la fuerza de avance terica y el rendimiento, se

procede como en el caso anterior multiplicamos el

rendimiento () por el resultado obtenido en la ecuacin

(24) y as se obtiene la fuerza de retroceso real ()

= 471.23 0.80 (26)

= 376.984.

6.

TALLER

1)

Cmo se calcula la fuerza de un cilindro de do

vstago?

2) Cmo saber si un pistn lleg al tope?

3) Diferencia entre sensor y detector en un cilind

4) La fuerza real del pistn es la misma fuerza

terica?

5)

En la industria que cilindro es ms utilizado el

simple efecto o el de doble efecto, argumente surespuesta?

6)

Un cilindro de simple efecto se le inyecta aire c

una presin de 400.000 Pa, el dimetro del mb

es de 28mm y la fuerza que realiza el resorte de

retorno es de 15 N. Cul ser la fuerza de

avance?


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7.

SOLUCIONARIO

1) La fuerza de un cilindro de doble vstago es

fuerza de avance () y fuerza de retroceso ()

= ( ) (27)

= ( ) (28)

2)

Para saber si un cilindro llego al tope, en laindustria se utilizan detectores de final de carrera.

Ellos funcionan con campo magntico debido a

que la mayora de cilindros poseen un imn en elmbolo haciendo que el detector de fin de carrera

detecte este campo y se energice iluminando unpiloto, el cual avisa a un operario que el cilindro

lleg al tope.

3)

El sensor constantemente est midiendo una sealque le mande el cilindro, mientras que el detector

de cilindro es el que avisa nicamente cuando el

mbolo del cilindro llegue al final de carrera o

cuando est en estado de reposo sin haber inici

carrera.

4)

No, porque en la fuerza terica no se considlas prdidas es decir no se tiene en cuentafuerzas de rozamiento que se producen dentrocilindro cuando el mbolo se desplaza n

rendimiento como tal del cilindro.

5) En la industria el cilindro ms usado es el cilin

de doble efecto, debido a que ampla posibilidades de aplicaciones en que se pu

utilizar, de modo que posibilita la solucin a cantidad mayor de problemas que un cilindrosimple efecto.

6)

Primero hallamos la fuerza terica con la ecuanmero (2) y como no nos dan un valor de fu

de rozamiento entonces despreciamos ste

= ( )

se reemplaza con la ecuacin de la seccin

=

(


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