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
Al igual que en un cilindro hidráulico , algo fuerza a un 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 sistemas 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 goteará ni contaminará el entorno, lo que hace que la neumática sea más conveniente donde la limpieza es un requisito. Por ejemplo, en las marionetas mecánicas de la sala Tiki de Disney , se utilizan neumáticos para evitar que el fluido gotee sobre las personas que se encuentran debajo de las marionetas.
Una vez activado, el aire comprimido entra en el tubo por un extremo del pistón y ejerce fuerza sobre el pistón, lo que provoca su desplazamiento.
Un problema importante con el que se encuentran los ingenieros al trabajar con cilindros neumáticos tiene que ver con la compresibilidad de un gas. Se han realizado muchos estudios sobre cómo la precisión de un cilindro neumático puede verse afectada a medida que 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 en Taiwán concluyó que la precisión es de aproximadamente ± 30 nm, 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 en los que incluso una falla del sistema, rara y breve, es inaceptable. En tales situaciones, las esclusas pueden servir a veces como mecanismo de seguridad en caso de pérdida de suministro de aire (o caída de su presión ) y, de esta manera, remediar o mitigar cualquier daño que surja en tal situación. La fuga de aire de la entrada o la salida reduce la presión de salida.
Aunque los cilindros neumáticos varían en apariencia, tamaño y función, generalmente pertenecen a 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 la entrada de aire comprimido y el movimiento del vástago en una sola dirección. La alta presión del aire comprimido hace que el vástago se extienda a medida que la cámara del cilindro continúa llenándose. Cuando el aire comprimido sale del cilindro a través del mismo puerto, el vástago vuelve a su posición original.
Los cilindros de doble efecto (DAC) utilizan la fuerza del aire para moverse tanto en la carrera de extensión como en la de retracción. Tienen dos puertos para permitir la entrada de aire, uno para la carrera de salida y otro para la de entrada. La longitud de carrera para este diseño no está limitada, sin embargo, el vástago del pistón es más vulnerable a la deformación y la flexión. 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 anidado dentro de una serie de etapas huecas de diámetro creciente. Al activarse, el vástago del pistón y cada etapa sucesiva se "extienden" formando 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). Una desventaja citada de los cilindros telescópicos es el mayor potencial de flexión del pistón debido al diseño de 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, solo un pistón relativamente largo. Los cilindros con cable mantienen aberturas en uno o ambos extremos, pero pasan un cable flexible en lugar de un vástago. Este cable tiene una cubierta de plástico suave para fines de sellado. Por supuesto, un solo cable debe mantenerse en tensión. [4] Otros cilindros sin vástago cierran ambos extremos, acoplando el pistón magnéticamente o mecánicamente a un actuador que corre a lo largo del exterior del cilindro. En el tipo magnético, el cilindro tiene paredes delgadas y un material no magnético, el cilindro es un imán poderoso y tira de un carro 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. Luego, la ranura se sella con bandas de sellado de metal flexibles en el interior (para evitar el escape de gas) y en el exterior (para evitar la contaminación). El pistón en sí tiene dos sellos en los extremos y, entre ellos, superficies de leva para "pelar" los sellos que se encuentran delante del varillaje saliente y reemplazarlos detrás. El interior del pistón, entonces, está a presión atmosférica. [5]
Una aplicación bien conocida del tipo mecánico (aunque impulsado por vapor) son las catapultas utilizadas en muchos portaaviones modernos .
Dependiendo de la especificación del trabajo, hay múltiples formas de construcción de carrocería disponibles: [1] : 91
Según las especificaciones del trabajo, se puede elegir el material. La gama de materiales va 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 adecuado. [6]
Dependiendo de la ubicación de la aplicación y maquinabilidad, existen diferentes tipos de soportes para la fijación de cilindros neumáticos: [1] : 95
Los cilindros neumáticos están disponibles en una variedad de tamaños y, por lo general, pueden variar desde un cilindro neumático pequeño de 2,5 mm ( 1 ⁄ 10 in), que podría usarse para levantar un transistor pequeño u otro componente electrónico, hasta cilindros neumáticos de 400 mm (16 in) de diámetro que impartirían suficiente fuerza para levantar un automóvil. Algunos cilindros neumáticos alcanzan los 1000 mm (39 in) de diámetro y se utilizan en lugar de cilindros hidráulicos para circunstancias especiales en las que una fuga de aceite hidráulico podría suponer un peligro extremo.
Debido a las fuerzas que actúan sobre el cilindro, el vástago del pistón es el componente más estresado 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 manera diferente. Si la longitud del vástago es menor 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 a que el área de la sección transversal efectiva se reduce por el área del vástago del pistón, la fuerza de entrada es menor que la fuerza de salida 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 ecuación de carga distribuida simple: [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 de entrada, se aplica la misma relación entre la fuerza ejercida, la presión y el área de la sección transversal efectiva que se explicó anteriormente para la carrera de salida. Sin embargo, dado que el área de la sección transversal es menor que el área del pistón, la relación entre la fuerza, la presión y el 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 interna, la relación entre la fuerza ejercida, la presión, el radio del pistón y el radio del vástago del pistón es la siguiente:
Dónde:
