El cilindro neumático , también conocido como cilindro de aire , es un dispositivo mecánico que utiliza la potencia del gas comprimido para producir una fuerza en un movimiento lineal alternativo. [1] : 85
Como en un cilindro hidráulico , algo fuerza al pistón a moverse en la dirección deseada. El pistón es un disco o cilindro y el vástago del pistón transfiere la fuerza que desarrolla al objeto que se va a mover. [1] : 85 Los ingenieros a veces prefieren utilizar neumáticos porque son más silenciosos, más limpios y no requieren grandes cantidades de espacio para el almacenamiento de fluidos.
Debido a que el fluido operativo es un gas, las fugas de un cilindro neumático no gotearán ni contaminarán el entorno, lo que hace que la neumática sea más deseable cuando la limpieza es un requisito. Por ejemplo, en las marionetas mecánicas de Disney Tiki Room , se utilizan sistemas neumáticos para evitar que el líquido gotee sobre las personas que se encuentran debajo de las marionetas.
Una vez accionado, el aire comprimido ingresa al tubo en un extremo del pistón e imparte fuerza sobre el pistón. En consecuencia, el pistón se desplaza.
Uno de los principales problemas con los que se enfrentan los ingenieros al trabajar con cilindros neumáticos tiene que ver con la compresibilidad de un gas. Se han completado muchos estudios sobre cómo la precisión de un cilindro neumático puede verse afectada cuando la carga que actúa sobre el cilindro intenta comprimir aún más el gas utilizado. Bajo una carga vertical, un caso en el que el cilindro asume la carga completa, la precisión del cilindro es la que más se ve afectada. Un estudio de la Universidad Nacional Cheng Kung de Taiwán concluyó que la precisión es de aproximadamente ± 30 nm, lo que todavía está dentro de un rango satisfactorio pero muestra que la compresibilidad del aire tiene un efecto en el sistema. [2]
Los sistemas neumáticos se encuentran a menudo en entornos donde incluso un fallo breve y poco frecuente del sistema es inaceptable. En tales situaciones, las cerraduras a veces pueden servir como mecanismo de seguridad en caso de pérdida de suministro de aire (o caída de presión ) y, así, remediar o mitigar cualquier daño que surja en tal situación. La fuga de aire desde la entrada o salida reduce la presión de salida.
Aunque los cilindros neumáticos varían en apariencia, tamaño y función, generalmente se clasifican en una de las categorías específicas que se muestran a continuación. Sin embargo, también hay muchos otros tipos de cilindros neumáticos disponibles, muchos de los cuales están diseñados para cumplir funciones específicas y especializadas.
Un cilindro de simple efecto (SAC) tiene un puerto, que permite que entre aire comprimido y que la varilla se mueva en una sola dirección. La alta presión del aire comprimido hace que la varilla se extienda a medida que la cámara del cilindro continúa llenándose. Cuando el aire comprimido sale del cilindro por el mismo puerto, la varilla vuelve a su posición original.
Los cilindros de doble acción (DAC) utilizan la fuerza del aire para moverse tanto en carreras de extensión como de retracción. Tienen dos puertos para permitir la entrada de aire, uno para brazada y otro para brazada. La longitud de carrera para este diseño no está limitada; sin embargo, el vástago del pistón es más vulnerable a pandearse y doblarse. También se deben realizar cálculos adicionales. [1] : 89
Los cilindros telescópicos, también conocidos como cilindros telescópicos, pueden ser de simple o doble efecto. El cilindro telescópico incorpora un vástago de pistón encajado dentro de una serie de etapas huecas de diámetro creciente. Tras el accionamiento, el vástago del pistón y cada etapa sucesiva se "telescopion" como un pistón segmentado. El principal beneficio de este diseño es la posibilidad de una carrera notablemente más larga que la que se lograría con un cilindro de una sola etapa de la misma longitud colapsada (retraída). Un inconveniente citado de los cilindros telescópicos es el mayor potencial de flexión del pistón debido al diseño del pistón segmentado. En consecuencia, los cilindros telescópicos se utilizan principalmente en aplicaciones donde el pistón soporta una carga lateral mínima. [3]
Aunque los SAC y DAC son los tipos más comunes de cilindros neumáticos, los siguientes tipos no son particularmente raros: [1] : 89
Los cilindros sin vástago no tienen vástago, sólo un pistón relativamente largo. Los cilindros de cable retienen aberturas en uno o ambos extremos, pero pasan un cable flexible en lugar de una varilla. Este cable tiene una cubierta de plástico suave para fines de sellado. Por supuesto, hay que mantener en tensión un único cable. [4] Otros cilindros sin vástago cierran ambos extremos, acoplando el pistón magnética o mecánicamente a un actuador que corre a lo largo del exterior del cilindro. En el tipo magnético, el cilindro tiene paredes delgadas y está hecho de un material no magnético, el cilindro es un imán potente y arrastra un cursor magnético en el exterior.
En el tipo mecánico, parte del cilindro se extiende hacia el exterior a través de una ranura cortada a lo largo del cilindro. A continuación, la ranura se sella con bandas de sellado metálicas flexibles por dentro (para evitar fugas de gas) y por fuera (para evitar contaminación). El pistón en sí tiene dos sellos en los extremos y, entre ellos, superficies de leva para "despegar" los sellos delante del varillaje saliente y reemplazarlos detrás. El interior del pistón está entonces a presión atmosférica. [5]
Una aplicación bien conocida del tipo mecánico (aunque propulsada por vapor) son las catapultas utilizadas en muchos portaaviones modernos .
Dependiendo de las especificaciones del trabajo, hay múltiples formas de construcciones de carrocería disponibles: [1] : 91
Según las especificaciones del trabajo, se puede elegir el material. Los materiales varían desde latón niquelado hasta aluminio, e incluso acero y acero inoxidable. Dependiendo del nivel de cargas, humedad, temperatura y longitudes de carrera especificadas, se puede seleccionar el material apropiado. [6]
Dependiendo de la ubicación de la aplicación y maquinabilidad, existen diferentes tipos de soportes para fijar cilindros neumáticos: [1] : 95
Los cilindros de aire están disponibles en una variedad de tamaños y normalmente pueden variar desde un pequeño cilindro de aire de 2,5 mm ( 1 ⁄ 10 pulgadas), que podría usarse para captar un pequeño transistor u otro componente electrónico, hasta 400 mm (16 pulgadas) de diámetro. Cilindros de aire que impartirían fuerza suficiente para levantar un automóvil. Algunos cilindros neumáticos alcanzan los 1000 mm (39 pulgadas) de diámetro y se utilizan en lugar de cilindros hidráulicos en circunstancias especiales en las que las fugas de aceite hidráulico podrían suponer un peligro extremo.
Debido a las fuerzas que actúan sobre el cilindro, el vástago del pistón es el componente que sufre más esfuerzos y debe diseñarse para soportar grandes cantidades de fuerzas de flexión, tracción y compresión. Dependiendo de la longitud del vástago del pistón, las tensiones se pueden calcular de diferentes maneras. Si la longitud de la varilla es inferior a 10 veces el diámetro, entonces puede tratarse como un cuerpo rígido sobre el que actúan fuerzas de compresión o tracción. En cuyo caso la relación es:
Dónde:
Sin embargo, si la longitud de la varilla excede 10 veces el valor del diámetro, entonces la varilla debe tratarse como una columna y también debe calcularse el pandeo. [1] : 92
Aunque el diámetro del pistón y la fuerza ejercida por un cilindro están relacionados , no son directamente proporcionales entre sí. Además, la relación matemática típica entre ambos supone que el suministro de aire no se satura . Debido al área de la sección transversal efectiva reducida por el área del vástago del pistón, la fuerza de carrera es menor que la fuerza de carrera cuando ambos funcionan neumáticamente y con el mismo suministro de gas comprimido.
La relación entre la fuerza, el radio y la presión se puede derivar de una simple ecuación de carga distribuida: [7]
Dónde:
Usando la ecuación de carga distribuida proporcionada, se puede reemplazar con el área de la superficie del pistón donde actúa la presión.
Dónde:
En la carrera, se aplica la misma relación entre la fuerza ejercida, la presión y el área de la sección transversal efectiva como se analizó anteriormente para la carrera. Sin embargo, dado que el área de la sección transversal es menor que el área del pistón, la relación entre fuerza, presión y radio es diferente. Sin embargo, el cálculo no es más complicado, ya que el área de la sección transversal efectiva es simplemente la de la superficie del pistón menos el área de la sección transversal del vástago del pistón.
Por lo tanto, para la carrera, la relación entre la fuerza ejercida, la presión, el radio del pistón y el radio del vástago es la siguiente:
Dónde:
