6. Cilindros y motores. Generalidades CAPÍTULO 6 ELEMENTOS DE TRABAJO Los cilindros y motores neumáticos, también llamados actuadores o consumidores, son los elementos que convierten la energía neumática en energía mecánica. Los cilindros efectúan un movimiento lineal de vaivén, y los motores un movimiento rotativo. A diferencia de los motores eléctricos, que, en caso de que aumenten las resistencias en los mecanismos que están accionando, pueden quemarse o, si el motor está bien protegido, saltar los magnetotérmicos de la instalación eléctrica; los cilindros y motores neumáticos pueden soportar sobrecargas que pueden llegar a detener su movimiento sin sufrir ningún deterioro. Los cilindros son elementos de trabajo que efectúan movimientos lineales lo cual es ventajoso, ya que transformar el movimiento de giro de los motores eléctricos en movimientos lineales requiere mecanismos que suelen ser complejos (mecanismos husillo - tuerca, rueda dentada - cremallera, cigüeñal - biela, etc.). 6.2 Clasificación de los cilindros Los cilindros neumáticos se clasifican en: Cilindros de simple efecto: - de émbolo o pistón - de membrana - de membrana arrollable - telescópico Cilindros de doble efecto: - de un vástago - de doble vástago - tandem - sin vástago, de unión mecánica - sin vástago, de unión magnética - multiposicional - de impacto - giratorios 6.2. Cilindros de simple efecto 6.2.. Cilindros de émbolo Son los que efectúan uno de los dos movimientos del ciclo, habitualmente el de salida de vástago (avance), por medio de un fluido en el caso de la neumática por aire comprimido; el movimiento de entrada del vástago (retroceso) lo realiza por otro 59
medio, que puede ser una fuerza externa, por gravedad o, como el cilindro representado en la figura 55, por medio de un muelle interno. En este caso el movimiento de trabajo tiene lugar sólo cuando el vástago avanza, ya que el movimiento de retroceso es de recuperación y se efectúa por la fuerza del muelle. 4 4 9 3 6 2 7 5 0 2 3 8 Fig. 55 Cilindro de émbolo Las principales partes que componen este determinado cilindro son: () cilindro o cuerpo, (2) émbolo, (3) vástago, (4) tapa delantera, (5) tapa trasera, (6) muelle de recuperación, () junta del émbolo, (2) casquillo guía, (4) junta rascadora, y (7) (3) amortiguación elástica final de carrera. La fijación de este cilindro es por horquilla macho posterior, aunque haciendo uso de la rosca de las tapas, también se puede fijar por escuadras y por placa delantera o trasera. Excepto el muelle, que es específico de los cilindros de simple efecto, todas las restantes piezas mencionadas, son comunes en la mayoría de formas constructivas de los diferentes cilindros. La rosca del extremo del vástago sirve para unir éste con el mecanismo al que tenga que mover. El funcionamiento de este cilindro es el siguiente: en reposo el muelle (6) mantiene el émbolo (2), desplazado a la derecha, en contacto con la junta amortiguadora (7), mientras la cámara (8) del muelle, está en comunicación con la atmósfera a través del cartucho de bronce poroso (9) que evita que se introduzca suciedad. Cuando el aire comprimido se introduce por el orificio (0), el émbolo (2) se desplaza hacia la izquierda, lo mismo que el vástago (3) ya que ambos son solidarios, realizándose el trabajo; la junta () asegura la estanqueidad entre ambos lados del émbolo (2), el casquillo guía de bronce (2), cumple la función, como su nombre indica, de guiar el vástago (3) y la junta de amortiguación (3) tiene como objeto, amortiguar el choque del émbolo (2) con la culata delantera (4). En el momento en que el aire comprimido que se ha introducido por 0 se descarga a la atmósfera, la presión disminuye, y el muelle (6) se expansiona empujando el émbolo (2) hacia la derecha produciéndose la entrada del vástago (3); durante este movimiento la junta rascadora (4) expulsa las partículas de suciedad que hubieran podido quedar adheridas al vástago (3) y que podrían dañar el casquillo guía (2). Normalmente la carrera de los cilindros de simple efecto de muelles internos, no suele sobrepasar los 00 mm, se utilizan principalmente para sujetar y expulsar. 60
En el cilindro de simple efecto, el vástago saldrá si la presión que actúa sobre la superficie del émbolo genera una fuerza mayor a la suma de las resistencias por rozamientos, y la fuerza del muelle, o sea la fuerza teórica que puede hacer el cilindro, se expresa según la siguiente fórmula: D π F teor = p R m R + donde: F teor = fuerza teórica del cilindro p = presión en bar D = diámetro del émbolo F r = fuerzas de rozamiento F m = fuerza del muelle A = superficie del émbolo ( F + F ) = A p ( F F ) Los rozamientos representan entre un 3 y un 20% de la fuerza calculada, dependiendo de la forma y material de la junta del émbolo, así como del acabado superficial del interior del cilindro, que está lapeado o bruñido Cuando un cilindro de simple efecto tiene que mover una masa en posición vertical, no es necesario que tenga muelle de recuperación ya que en el momento en que se descargue el aire comprimido a la atmósfera, la misma masa empujará el vástago hacia dentro. En este caso, la carrera puede ser más larga que la de un cilindro con muelle de recuperación. 6.2..2 Cilindro de membrana La figura 56 muestra un cilindro de simple efecto, de membrana. Cuando el aire comprimido se introduce por el conducto (), actúa sobre toda la superficie de la membrana (2) creando una fuerza que la deforma y empuja el vástago (3), recupera la posición de reposo al descargarse a la atmósfera el aire comprimido, ya que cesa la fuerza y el muelle de recuperación (4) empuja el vástago hacia dentro. A través del conducto (5) la cámara del muelle se mantiene a presión atmosférica. m 4 2 3 5 Fig. 56 Cilindro de simple efecto 6
El cilindro de la figura 56 no tiene rozamientos y puede ejercer fuerzas elevadas debido a la gran superficie de la membrana, pero la carrera del vástago es corta, por lo que se utiliza principalmente para accionar frenos de vehículos industriales. 6.2..3 Cilindro de membrana arrollable Este cilindro tiene una membrana (), que cuando se somete a la presión del aire comprimido, se desarrolla empujando el vástago hacia fuera. Cuando el aire comprimido se descarga a la atmósfera, el muelle de recuperación hace entrar el vástago y arrolla la membrana. La carrera de estos cilindros (Fig.57) es más larga que la de los cilindros de membrana plana. Fig. 57 Cilindro de membrana arrollable. Por gentileza de Festo Pneumatic S.A. 6.2..4 Cilindro telescópico El cilindro telescópico está compuesto por varios émbolos uno dentro de otro (Fig. 58). La gran ventaja de estos cilindros es que, aunque la carrera sea larga, ocupa poco espacio cuando está retraído. Tiene que instalarse en posición vertical, admitiendo por lo general una inclinación máxima de unos 5 o. Durante el recorrido de los tres émbolos es cuando está efectuando la máxima fuerza, ya que la presión actúa sobre la superficie correspondiente al máximo diámetro; cuando el émbolo () se detiene al contactar con la tapa delantera, la fuerza disminuye, ya que entonces la presión actúa sobre una superficie correspondiente al 62
diámetro del émbolo (2), finalmente cuando éste contacta con la tapa delantera, la presión sólo actúa sobre la superficie del émbolo (3), o sea que a medida que los cilindros se van deteniendo, disminuye la fuerza del vástago. 3 2 Fig. 58 Cilindro telescópico Al ponerse el aire comprimido en descarga a la atmósfera, la fuerza hacia abajo que ejerce la masa que está moviendo el cilindro, empuja los émbolos y el cilindro queda retraído. Estos cilindros son muy poco utilizados en neumática. 6.2.2 Cilindros de doble efecto 6.2.2. Cilindros de vástago A estos cilindros se les denomina de doble efecto, porque los dos movimientos de que se compone su ciclo, o sea avance (salida del vástago) y retroceso (entrada del vástago), los realiza por la acción de un fluido, en neumática por aire comprimido. 63