Conceptos básicos para la selección de cilindros neumáticos

Los cilindros neumáticos son componentes importantes en los sistemas neumáticos que generan movimientos mecánicos utilizando aire comprimido. Se utilizan en diversas aplicaciones, como por ejemplo en la industria manufacturera, en la construcción de plantas o en la construcción de máquinas personalizadas.

¿Qué es un cilindro neumático?

Un cilindro neumático, o cilindro de aire comprimido, es un actuador que utiliza aire comprimido para convertir una fuerza en movimiento lineal. En los sistemas neumáticos, el aire comprimido se suministra a través de tuberías desde el compresor hasta los consumidores. Allí se transforma en movimientos mecánicos mediante elementos de accionamiento, como por ejemplo cilindros. Estos cilindros generalmente realizan movimientos lineales, pero también pueden realizar movimientos pivotantes utilizando componentes de transmisión. Generalmente constan de una carcasa cilíndrica, un pistón y un vástago del pistón y se utilizan en diversas aplicaciones para transferir fuerzas o levantar y mover objetos. La selección del cilindro neumático correcto depende de los requisitos de la aplicación respectiva. Los factores importantes son, por ejemplo, la longitud de carrera, la fuerza, la presión de funcionamiento y la temperatura.

Construcción de cilindros neumáticos

Los cilindros neumáticos generalmente constan de los siguientes componentes principales:

• Carcasa cilíndrica: La carcasa cilíndrica tiene una forma similar a un tubo o un "tambor" y suele estar hecha de acero. Contiene otros componentes como el pistón, el vástago del pistón y los elementos de sellado.
• Conexiones: Las conexiones están ubicadas en los extremos del cilindro neumático. Por él puede entrar o salir aire comprimido.
• Pistón: El pistón está ubicado dentro del cilindro y se mueve mediante aire comprimido.
• Vástago del pistón: El vástago del pistón se encuentra en el tubo del cilindro y está conectado al pistón de accionamiento. El movimiento lineal del pistón se transmite a otras partes de la máquina mediante el vástago del pistón.
• Elementos de sellado: Los elementos de sellado garantizan que la presión en el cilindro se mantenga o se compense.

(1) Vástago del pistón (2) Carcasa cilíndrica (3) Conexiones (4) Pistón (5) Elementos de sellado

Diferenciación de cilindros neumáticos según principio de funcionamiento

El principio de funcionamiento de los cilindros neumáticos se basa en el principio de cambio de presión y volumen. El aire comprimido dirigido al cilindro mueve el pistón. Según el principio de funcionamiento y la aplicación de fuerza, se distingue entre cilindros neumáticos de simple efecto y cilindros neumáticos de doble efecto.

Un cilindro neumático de simple efecto tiene una única conexión. Por esta conexión entra aire comprimido, extendiendo el vástago del pistón. Debido al principio de funcionamiento de los cilindros neumáticos de simple efecto, la fuerza solo se puede ejercer en una dirección. Si el aire comprimido se libera a través de la misma conexión, la varilla vuelve a su posición original. La retracción de la varilla se puede controlar mediante el uso de un resorte de retorno o una fuerza externa.

Un cilindro neumático de doble efecto funciona en ambas direcciones. Dispone de dos conexiones de aire comprimido que presurizan alternativamente el cilindro neumático por ambos lados. De esta manera, el vástago del pistón se mueve hacia adelante y hacia atrás. Dependiendo del lado al que se le suministra aire comprimido, el cilindro neumático controla la dirección del movimiento y despliega toda su fuerza en ambas direcciones.

Diferentes versiones de cilindros neumáticos

Existen diferentes versiones de cilindros neumáticos. Las explicaciones que se enumeran a continuación se encuentran entre las variantes más comunes y/o conocidas para que sirvan de ejemplo. Además de éstas, existen otras variantes para diversas aplicaciones especiales.

Cilindro neumático con amortiguación de posición final

Los cilindros de aire comprimido con amortiguación de posición final están equipados con topes elásticos o estranguladores ajustables para desacelerar ligeramente el movimiento del vástago del pistón antes de que alcance su posición final. Esta amortiguación protege contra golpes y aumenta la vida útil del sistema al evitar que el pistón impacte la parte inferior del cilindro a velocidades excesivas.

Cilindro sin vástago

Los cilindros de aire comprimido sin vástago son una forma especial de cilindros neumáticos que se diferencian de los cilindros convencionales por la ausencia de un vástago del pistón saliente. El pistón se mueve dentro del cilindro y transmite su fuerza a través de una guía externa, una correa o mediante la fijación lateral de un actuador lineal. Este tipo de construcción permite carreras más largas en una forma más compacta, lo que los hace particularmente adecuados para aplicaciones precisas y restricciones espaciales.

Cilindro neumático sincrónico

En un cilindro de aire comprimido síncrono, los cilindros están diseñados para funcionar sincrónicamente entre sí. Esto permite que todos los cilindros se muevan al mismo tiempo y a la misma velocidad. Esto permite optimizar los procesos de mecanizado porque el movimiento sincrónico permite movimientos más allá de la intensidad de un solo cilindro. Los cilindros neumáticos síncronos se utilizan a menudo en aplicaciones en las que se requieren movimientos precisos y uniformes, como por ejemplo en la tecnología de montaje o de embalaje.

Cilindros multiposición

Este tipo de cilindro también consta de varios cilindros de aire comprimido de doble acción que están conectados directamente entre sí. Dependiendo de la aplicación del aire comprimido, los distintos émbolos del cilindro se extienden en diferentes direcciones. Por ejemplo, cuando se conectan dos cilindros con diferentes longitudes de carrera, el accionamiento y la división de carrera dan como resultado cuatro posiciones que el cilindro puede adoptar. Los cilindros multiposición se utilizan generalmente cuando se requieren varias posiciones de destino, como por ejemplo en la tecnología de embalaje o de montaje.

Cilindros de membrana

Los cilindros de membrana también pertenecen a la clase de los cilindros neumáticos y, a diferencia de los cilindros de aire comprimido, en lugar de un pistón tienen una membrana flexible o un fuelle. La membrana se expande en respuesta al suministro de aire comprimido, creando movimiento y fuerza. Una ventaja de los cilindros de membrana es la capacidad de trabajar en entornos donde se deben evitar riesgos de fugas o contaminación al eliminar la necesidad de vástagos de pistón o sellos que sobresalgan del cilindro. Por lo tanto, son ideales para aplicaciones limpias o estériles.

Selección de cilindros neumáticos

A la hora de seleccionar un cilindro neumático, la fuerza necesaria para mover la carga a una determinada velocidad juega un papel clave. La fuerza del cilindro debe ser ligeramente mayor que la fuerza requerida para mover la carga. La cantidad de fuerza que se genera depende de varios factores, incluida la presión de funcionamiento y el diámetro efectivo del pistón. La fórmula básica para calcular la fuerza F del cilindro neumático es:

Donde p es la presión ejercida sobre el pistón y a es la superficie efectiva que entra en contacto con el aire. El diámetro del pistón d se utiliza para calcular la superficie efectiva a:

A partir de la presión de funcionamiento p y de la superficie determinada a se puede determinar ahora la fuerza máxima potencial y, con ello, la potencia máxima del cilindro. Sin embargo, la fuerza generada en la realidad puede ser algo menor debido a aspectos como la fricción o la caída de presión en líneas y válvulas. También cabe mencionar que las fórmulas mencionadas anteriormente y el cálculo de la fuerza se refieren a cilindros neumáticos de simple efecto. En el caso de cilindros neumáticos de doble efecto, además de la carrera de despliegue, en el cálculo también se debe tener en cuenta la carrera de retorno.

Ventajas y desventajas de los cilindros neumáticos

Los cilindros neumáticos se caracterizan por una variedad de ventajas. Un factor importante es su construcción robusta. Pueden soportar diversas influencias ambientales y tensiones mecánicas. Debido a su diseño sencillo, los cilindros de aire comprimido son, por un lado, más baratos porque no requieren sistemas electrónicos ni controles complejos y, por otro lado, su mantenimiento y reparación también son más sencillos que, por ejemplo, en comparación con los sistemas electrónicos o hidráulicos. Además, cabe mencionar que los cilindros neumáticos funcionan de forma muy limpia, ya que solo funcionan con aire comprimido. Incluso si el aire se escapa por una fuga, no hay contaminación. Además, el montaje es muy sencillo, ya que el aire de escape puede salir directamente al exterior y, por tanto, no se necesitan líneas de retorno complejas.

Uno de los desventajas es que los cilindros neumáticos requieren aire limpio y seco para funcionar de manera óptima. La contaminación o la humedad en el aire pueden causar desgaste prematuro o condensación en el sistema, lo que a su vez afectaría la eficiencia y la vida útil de los cilindros. Otro aspecto a considerar es el llamado efecto stick-slip. Este efecto se refiere al deslizamiento de cuerpos sólidos en movimiento entre sí y se produce cuando la fricción estática es significativamente mayor que la fricción por deslizamiento. Dado que las fuerzas de fricción estática en los cilindros neumáticos son aproximadamente el doble que las de fricción por deslizamiento, el efecto stick-slip a veces puede aparecer muy rápidamente.

Áreas de aplicación de cilindros neumáticos

Los cilindros neumáticos se utilizan en una variedad de industrias y aplicaciones. A menudo se utilizan en ingeniería mecánica e ingeniería de plantas para realizar movimientos repetitivos, como en líneas de producción automatizadas. Allí se utilizan cilindros de aire comprimido para realizar tareas como sujetar, girar o levantar. Sin embargo, los cilindros neumáticos también se utilizan en sistemas transportadores para abrir o cerrar correderas, por ejemplo, o para mover materiales de una cinta a otra.

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