Cilindro neumático. Diseño y fabricación.
Carlos Maldonado Jiménez, Juan Francisco Alarcón Frías, César Salado Gil, José Antonio Sánchez Muñoz.
Ingeniería Automotriz " 7º semestre " Circuitos neumáticos e hidráulicos
Universidad Autónoma de Aguascalientes – Campus Sur
Abstract- The following document describes the process of design and build of a pneumatic actuator. Starting with the proper technical background, all the steps in the making of it are included, such as material selection, production of inner components through lathe and milling machine and final assembling. For deeper information, team members must be contacted.
INTRODUCCIÓN
Cuando hablamos de un circuito neumático, pensamos en el uso de varios elementos para poder realizar una función determinada. Podemos observar dichos circuitos en la vida cotidiana, ya que los vemos en casi cualquier cosa, por ejemplo, en las puertas de los camiones urbanos, en los sistemas automatizados de la industria, etc.
El equipo de trabajo está formado por estudiantes de séptimo semestre en ingeniería automotriz y el propósito de este documento es hablar a detalle sobre los circuitos neumáticos y, en específico, sobre la fabricación de un cilindro.
Con este reporte se pretende que otros estudiantes de una carrera afín, cuenten con una guía para la fabricación de un nuevo cilindro.
MARCO TEÓRICO
La neumática es el conjunto de las aplicaciones técnicas (transmisión y transformación de fuerzas y movimiento) que utilizan la energía acumulada en el aire comprimido.
Desde hace mucho tiempo se ha utilizado consciente o inconscientemente en distintas aplicaciones.
La verdadera irrupción de la neumática en la industria se dio a partir de 1950 con la introducción de la automatización en los procesos de trabajo, aunque al comienzo fue rechazada por su desconocimiento.
Hoy en día no se concibe una explotación industrial sin aire comprimido. La automatización permite la eliminación total o parcial de la intervención humana. Asume pues algunas funciones intelectuales más o menos complejas de cálculo y de decisión.
La "neumática convencional" es la tecnología que emplea elementos neumáticos con partes mecánicas en movimiento. La energía estática contenida en un fluido bajo presión de 3 a 10 Kg/cm2 es transformada en energía mecánica mediante los actuadores (cilindros o motores).
El aire es una mezcla de gases cuya composición volumétrica es aproximadamente la siguiente:
78% Nitrógeno, 20% Oxígeno, 1% Hidrógeno, 1% Una mezcla de Dióxido de carbono (CO2), gases nobles (Helio, Neón, Argón), polvo atmosférico y vapor de agua.
Su peso específico es de 1,293 Kg/m3 a 0ºC y una atmósfera (1,013 bar) de presión.
Es muy compresible, sensible a las variaciones de temperatura y se adapta perfectamente a la forma del recipiente que lo contiene. Es incoloro en masas normales y de color azulado en grandes volúmenes.
Propiedades del aire.
Elasticidad. - La presión ejercida en un gas se transmite con igual intensidad en todas las direcciones ocupando todo el volumen que lo engloba.
Compresibilidad. - Un gas se puede comprimir en un recipiente cerrado aumentando la presión.
Incoloro. - Sin color.
Fluidez. - No ofrecen ningún tipo de resistencia al desplazamiento.
Generación del aire comprimido sin limitaciones ya que la materia prima es sin costo.
Fácil distribución, no precisa recuperación.
Fácil de acumular en tanques o depósitos.
Puede ser utilizado en ambientes explosivos o inflamables.
No interfiere con el medio ambiente.
Distribución de aire.
Para que la distribución de aire sea fiable es conveniente acatar una serie de puntos:
Dimensiones correctas del sistema de tuberías.
Elección correcta de los materiales.
Resistir el caudal del aire.
Correcta configuración del sistema de tuberías.
Un buen mantenimiento.
Tratándose de instalaciones nuevas debe tenerse en cuenta una posible ampliación posterior.
Concretamente, la tubería principal debería tener dimensiones mayores a las que se necesitan
para el sistema actual. Es recomendable instalar cierres y válvulas de bloqueo adicionales.
Ventajas en el empleo del aire comprimido:
- Circuitos sencillos y de fácil instalación.
- Elementos constituyentes baratos.
- Ausencia de peligro por inflamabilidad.
- Fácil transformación de la energía neumática a hidráulica, mecánica, etc.
- Seguridad, aunque se produzcan escapes.
- Fácilmente almacenable y transportable a largas distancias por medio de depósitos y botellas.
Desventajas en el empleo del aire comprimido:
- Elevado coste de los generadores de aire comprimido.
- Limitaciones en las velocidades y esfuerzos posibles en los accionadores.
- Elevado ruido en los escapes de aire.
- Elevado nivel de ruido y de vibraciones en los compresores.
- Necesidad de acondicionar el aire antes de emplearlo como energía.
- Falta de precisión en los actuadores.
También hay que tener en cuenta que en una instalación neumática se encuentra toda la red de distribución por tuberías.
Para garantizar la fiabilidad de un mando neumático, es necesario que el aire que alimenta el sistema tenga un nivel de calidad suficiente.
a) Presión correcta
b) Aire seco
c) Aire limpio
En la mayoría de los procesos industriales podemos encontrar sistemas neumáticos para infinidad de trabajos.
Aplicaciones:
Sujeción de piezas, desplazamiento de piezas, posicionamiento de piezas, orientación de piezas, embalar materiales, llenar recipientes, dosificar componentes, accionar ejes, abrir y cerrar puertas, transportar materiales, girar piezas, separar piezas, estampar piezas, prensar piezas, alimentar y expulsar materiales, contar piezas, comprobar medidas de piezas, mecanizados, interruptores neumáticos, etc.
Cilindros.
Los cilindros neumáticos son unidades que transforman la energía potencial del aire comprimido en energía cinética o fuerzas prensoras. Su función es la de realizar un movimiento alternativo, subdividido en carrera de avance y carrera de retroceso.
Se distinguen dos tipos de cilindros neumáticos:
a) Cilindros de simple efecto
b) Cilindros de doble efecto
En este proyecto se decidió utilizar un cilindro simple efecto, por lo que se profundizará en su concepto y características para lograr una mayor compresión de este tipo de sistema.
a) Cilindros de Simple efecto:
En este tipo de cilindros el aire comprimido actúa en una sola dirección de movimiento para realizar el trabajo, utilizando un muelle interior o una fuerza externa para completar la carrera de retroceso. Su aplicación se limita a trabajos simples como sujeción, expulsión, alimentación, etc. Consumen la mitad de aire que uno de similar tamaño, pero de doble efecto. Existen dos tipos de cilindros de simple efecto, de retroceso por muelle y de retroceso por fuerza externa.
Cilindro simple efecto de retroceso por muelle.
Los cilindros de simple efecto retorno - muelle se utilizan principalmente como cilindros de sujeción de piezas y bloqueo de elementos mecánicos. Su símbolo es el siguiente:
Cilindro simple efecto retroceso por fuerza externa.
Los cilindros de simple efecto retorno por fuerza externa solo se pueden utilizar en aquellos casos en los cuales la carga (lo que deba mover) empuje hacia atrás al cilindro. El símbolo es el siguiente:
En la siguiente imagen se muestran los principales componentes de los cilindros simple efecto:
MATERIALES UTILIZADOS.
Se construyeron 2 cilindros con las mismas características, utilizando los siguientes materiales:
40 cm de tubería de PVC con diámetro interno de 6 in.
2 tapones sellados de diámetro interno de 6 in.
2 acopladores de diámetro interno de 6 in.
1 conexión rápida de aire con diámetro de salida de .25 in.
Pegamento para PVC.
Émbolo de nylamid de 1 in de espesor y 6 in de diámetro externo.
1 o-ring de 5.875 in de diámetro interior.
30 cm de sección de acero "cold-roll" con diámetro de .625 in.
2 tapas de lámina de acero inoxidable de 19 cm x 19 cm y ceja de 5 cm.
2 secciones de tornillo de .5 in de diámetro con longitud de 35 cm.
4 tuercas y 4 arandelas de .5 in de diámetro interior.
PROCESO DE FABRICACIÓN
Se comenzó por unir las tapas con los acopladores en uno de sus extremos, dejando el otro libre para ingresar la sección de tubería. En una de las tapas, fue realizada una perforación central para que pudiera ingresarse la sección de "cold- roll" que funciona a modo de vástago.
La otra tapa unida al acoplamiento fue perforada en su sección longitudinal para poder instalar la conexión de aire que suministra fluido al actuador.
Por medio del trabajo en torno, la sección de nylamid fue trabajada para lograr el diámetro ideal para el sellado del sistema, por medio de un o-ring que está ubicado en una ranura central en el émbolo. Después de verificar que el émbolo genere suficiente restricción interior al paso del aire, se unieron todas las piezas por medio del pegamento especial para PVC.
Para ayudar al pegamento a soportar la presión, fueron instaladas dos tapas unidas por medio de secciones de tornillo de 35 cm de longitud, para soportar la presión de trabajo y evitar fallas en el cilindro.
El cilindro fue probado con aire a 20 PSI para comprobar su funcionamiento y sellado. Posteriormente será presentado ante el profesor de la materia para la correspondiente calificación.
A continuación, se presentan los cálculos que describen los aspectos más importantes de capacidad y funcionamiento del sistema:
D=6 in (25.4 mm)(1 in)=152.4 mm
F=Paire*πD240=1.378 barπ152.4 mm240=2513.67 N
F=2513.67 N 1 kgf9.8067 N=256.32 kgf
Vol=πr2h= π0.1524 m240.4 m=7.28 x 10-3 m3
CONCLUSIONES
The design and building of a pneumatic cylinder is a complex task that needs high knowledge and skills scheme.
From the material selection to the assembling of the system, all the steps require a minimum of understanding about the principals of fluids and force transmission by Pascal's law.
Material selection is fundamental, because it impacts directly on the reliability and final costs of the project. A good balance between components weight, strength and price is pursued.
Teamwork is the first requirement. Developing any project turns impossible without the full participation and commitment of all the members. This is then, the reason of success in this project.
Nylamid and PVC were chosen for the main components because of their light weight and high strength when pressure applied. Besides that, low cost and simplification of lathe-work compared to any metal components were two of the predominant factors that guided the decision-making step.
REFERENCIAS
http://cygintegral.cl/Biblioteca/Neumatica-4.pdf
