Cilindros neumáticos: tipos, partes y cálculo de fuerza

¡Bienvenidos nuevamente al blog de Welectronic! El cilindro neumático es el músculo de la automatización: convierte aire comprimido en un empuje o tracción lineal. Empuja cajas, cierra compuertas, sujeta piezas, levanta tapas y expulsa productos defectuosos. Es simple por fuera, pero dimensionarlo bien (diámetro, carrera, amortiguación, guiado) y entenderlo por dentro es lo que evita golpes, vástagos rayados, cilindros lentos y facturas de aire comprimido innecesarias. Esta publicación está pensada como un mini curso: partimos de la ficha, corregimos lo que hay que corregir, ampliamos con normas y casos reales, y tienes dos simuladores: uno para ver por dentro las partes de cada tipo de cilindro y otro para ver cómo funciona (presiones, fuerzas, velocidad y consumo).

Qué vas a aprender

Distinguir los tipos de cilindro (simple efecto, doble efecto, vástago pasante, tándem, guiado y sin vástago) y elegir el adecuado con un árbol de decisión.
Nombrar cada pieza interna y saber qué falla cuando se desgasta.
Explicar qué cámara se llena y cuál escapa en el avance y en el retroceso, y por qué el retroceso es más débil.
Calcular la fuerza teórica y la fuerza útil, el factor de carga, la velocidad aproximada y el consumo de aire.
Reconocer el golpe de fin de carrera, el pandeo del vástago y la carga lateral antes de que rompan algo.
Diagnosticar las fallas comunes con una lista ordenada de causas.

Mapa conceptual de la publicación: tipos, partes, funcionamiento, fuerza, selección y fallas de los cilindros neumáticos — Mapa de la publicación: cómo se conectan los temas (diagrama original Welectronic).

1. Tipos de cilindros

Cuatro tipos de cilindro: simple efecto con resorte, doble efecto, guiado y sin vástago, con una flecha de movimiento para cada uno — Tipos de cilindros según la ficha técnica Welectronic.

Simple efecto con resorte: el aire produce el movimiento en un solo sentido (aquí, el avance) y un resorte interno lo devuelve cuando se descarga el aire. Solo tiene un puerto de trabajo y un orificio de respiración (con filtro) del lado del resorte. Consume menos aire, pero el resorte "se come" parte de la fuerza y limita la carrera (hasta unos 100 mm es lo habitual).
Doble efecto: el aire empuja al émbolo en las dos direcciones, con un puerto en cada cámara. Es el más usado porque permite carreras largas y control de fuerza y velocidad en ambos sentidos.
Guiado: es un doble efecto al que se le añaden una o dos guías paralelas (barras con casquillos o rodamientos) unidas a la placa frontal. El cilindro solo empuja; las guías soportan el momento y evitan que el vástago gire.
Sin vástago: el carro se desplaza exteriormente a lo largo del tubo. Ocupa solo la longitud de la carrera, por eso es ideal para carreras largas y espacios reducidos. Hay dos familias: magnéticos (un imán en el émbolo arrastra el carro a través de la pared; limitados por la fuerza del acople) y de cinta o ranura (un yugo une el émbolo con el carro a través de una ranura sellada con cintas; soportan más fuerza y momento).

Además de los cuatro de la ficha, en la práctica vas a ver:

Vástago pasante: el vástago sale por los dos lados. Las dos cámaras tienen la misma área anular, así que la fuerza y la velocidad son iguales en ambos sentidos.
Tándem: dos émbolos en serie en el mismo vástago: casi el doble de fuerza sin aumentar el diámetro, a costa de más longitud y más consumo.
Rotativos (piñón–cremallera o de paleta), de fuelle (airbag) y compactos: para giros, grandes fuerzas con poca carrera o poco espacio.

Árbol de decisión para elegir el cilindro: simple efecto, guiado, sin vástago, vástago pasante, tándem o doble efecto estándar — Árbol de decisión: qué cilindro necesito (diagrama original Welectronic).

Cuadro comparativo

Tipo	Cómo se mueve	Ventaja principal	Límite o cuidado
Simple efecto (resorte)	Aire en un sentido; resorte en el otro	Bajo consumo; posición segura sin aire	Carrera corta; resorte resta fuerza; solo 1 puerto
Doble efecto	Aire en ambos sentidos	Versátil, carrera larga, económico	Retroceso con menos fuerza (A − a); no admite carga lateral
Vástago pasante	Aire en ambos sentidos, dos vástagos	Misma fuerza ida y vuelta; mayor guiado	Más largo; fuerza menor que un doble efecto en avance
Tándem	Dos émbolos en serie	Casi el doble de fuerza con el mismo diámetro	Más largo; el doble de aire por carrera
Guiado	Doble efecto + guías	Soporta momentos y evita el giro	Más caro y más pesado
Sin vástago magnético	Imán arrastra un carro exterior	Carreras largas, longitud compacta	Fuerza limitada por el acople; si se supera, se desacopla
Sin vástago de cinta	Yugo y cintas sellantes	Carreras largas con más fuerza y momento	Cintas y sellos exigen mantenimiento y aire limpio

Corrección al póster (símbolos): la ficha dibuja el cilindro "guiado" con un símbolo propio. La norma de símbolos neumáticos (ISO 1219-1) define los símbolos básicos del cilindro (simple y doble efecto, con amortiguación, sin vástago, etc.), pero el cilindro guiado no tiene un símbolo único normalizado: cada fabricante dibuja el suyo como un doble efecto con una anotación de guías. En un plano se dibuja como doble efecto y se especifica "guiado" en la lista de materiales. También conviene recordar que el simple efecto de la ficha es de avance por aire; existe la variante opuesta, con retorno por aire y avance por resorte (el vástago sale solo si falta el aire).

2. Partes principales

Corte de un cilindro con camisa, émbolo, vástago, sellos y puertos de aire A y B, y la función de cada parte — Partes principales y su función. Fuente: ficha técnica Welectronic.

Camisa (tubo): contiene la presión y es la pista lisa por donde se desliza el émbolo. Su interior bruñido garantiza el sellado dinámico. Suele ser de aluminio anodizado, acero inoxidable o acero con interior cromado.
Émbolo: separa las dos cámaras y transmite la fuerza al vástago. Lleva la junta del émbolo, una banda guía y, en muchos modelos, un imán anular para los sensores de posición.
Vástago: transmite el movimiento hacia la carga. De acero cromado duro o inoxidable; su acabado superficial decide la vida del sello.
Sellos: aseguran estanqueidad y reducen fugas. Los hay estáticos (tapas), dinámicos del émbolo y del vástago, y el rascador que limpia el vástago al entrar.
Puertos de aire: entradas del aire comprimido (A y B). Las roscas típicas son G1/8, G1/4, G3/8…, según el diámetro.
Tapas y tirantes (o perfil): cierran los extremos y soportan las fijaciones. En los cilindros ISO 15552 las tapas se unen con tirantes o con un perfil que lleva ranuras para sensores.
Amortiguación: un émbolo-guía (cojín) entra en un alojamiento al final de carrera y el aire atrapado solo escapa por un tornillo regulable; así se frena el émbolo sin golpe (ver sección 5).

Simulador 1: partes internas de cada tipo de cilindro

Elige un tipo de cilindro y toca cualquier pieza (o su número, o usa las flechas del teclado y la tecla Tab) para ver su función, su material típico y la falla típica. Con Explosionar las piezas se separan con una animación para ver cómo se arma. Los filtros por categoría resaltan, por ejemplo, solo los sellos, las piezas de guiado o las de amortiguación.

Qué debes tener en cuenta: los dibujos son esquemáticos (no están a escala) y la lista de piezas y materiales es la más habitual en la industria; el catálogo y el plano del fabricante mandan en cada modelo concreto.

3. Funcionamiento y conexiones

Doble efecto: avance con A presurizado y retroceso con B presurizado; simple efecto con resorte: avance por presión y retorno por resorte — Funcionamiento y conexiones. Fuente: ficha técnica Welectronic.

Doble efecto. Para avanzar, la válvula de mando (normalmente una 5/2) envía el aire a la cámara A (lado del émbolo) y deja que la cámara B (lado del vástago) se descargue por el escape. Para retroceder se invierten las conexiones: aire a B y A al escape. Mientras una cámara empuja, la otra expulsa su aire contra el escape; esa "contrapresión" resta fuerza y es la que se regula con los reguladores de caudal (ver la publicación de control de velocidad).

Simple efecto con resorte. El aire entra por el puerto A y vence el resorte; cuando la válvula (una 3/2) descarga A al escape, el resorte devuelve el vástago. La cámara del resorte respira a la atmósfera por un orificio, por lo que ahí entra y sale aire ambiente (y también polvo, por eso lleva filtro).

Simulador 2: funcionamiento, fuerza, velocidad y consumo

Aquí ves el cilindro en corte con la válvula y las tuberías: el aire a presión se pinta de azul y el escape de naranja; los manómetros marcan la presión de cada cámara y la gráfica inferior las registra en el tiempo. Pulsa Avanzar y Retroceder, cambia el tipo (hay siete) y los controles de diámetro, vástago, carrera, presión, carga y caudal. Si la fuerza útil no vence la carga, el vástago no se mueve y el simulador te lo avisa. Los botones "Casos para probar" cargan situaciones típicas.

Doble efecto, ejemplo del póster: Ø50/20 a 6 bar. Mira que la fuerza teórica de retroceso (990 N) es el 84 % de la de avance (1178 N).
Simple efecto: sube la carrera por encima de 100 mm y observa cómo el resorte resta fuerza y aparece el aviso.
Tándem y vástago pasante: compara la fuerza de avance con la del doble efecto del mismo diámetro.
Guiado: pon una distancia de 120 mm y una fuerza lateral en "Carga lateral o excéntrica" y compara el momento con el admisible para cada tipo.
Sin vástago magnético: sube la masa en vertical hasta que el carro se desacople.

Qué hace el modelo: fuerza = presión × área − fricción (porcentaje de la fuerza teórica) − contrapresión del escape − resorte − carga; la velocidad se estima con el caudal disponible y la presión dinámica; el consumo es el volumen de las cámaras llenadas por la relación de presiones absolutas; el pandeo usa la fórmula de Euler con coeficiente de seguridad 3,5; el acople magnético y los momentos admisibles son valores didácticos proporcionales al área y a D². Sirve para entender tendencias y órdenes de magnitud, no para dimensionar sin el catálogo.

Símbolos ISO 1219 de cilindro simple efecto con resorte, doble efecto, guiado y sin vástago, y la advertencia de no aplicar cargas laterales al vástago — Símbolos ISO 1219 y advertencia de carga lateral. Fuente: ficha técnica Welectronic.

Comparación de un cilindro estándar con carga excéntrica que genera un momento sobre el casquillo frente a un cilindro guiado cuyas barras absorben el momento — Por qué conviene guiar el vástago: M = W · e (diagrama original Welectronic).

El vástago de un cilindro estándar está diseñado para trabajar en línea: empuja o tira a lo largo de su eje. Cualquier fuerza lateral genera un momento sobre el casquillo y el émbolo, los rayan y destruyen la estanqueidad. La solución es guiar la carga (cilindro guiado o guía lineal externa) y acoplar el vástago a la carga con un acople flotante que absorba la desalineación.

4. Cálculo de fuerza

Fórmulas de fuerza de avance F = p·π·D²/4 y de retroceso F = p·π·(D² − d²)/4 con ejemplo para 6 bar, D = 50 mm y d = 20 mm: 1178 N y 990 N — Fórmulas y ejemplo de la ficha (6 bar, Ø50/20). Fuente: ficha técnica Welectronic.

Avance: F = p · π · D² / 4
Retroceso: F = p · π · (D² − d²) / 4

Con p en pascales (presión manométrica), D el diámetro del émbolo y d el del vástago en metros, la fuerza sale en newtons. Un truco de campo: con 6 bar (600 000 Pa), cada cm² de área da 60 N.

Comprobación del ejemplo de la ficha: A = π · 0,05² / 4 = 19,63 cm², F = 600 000 × 0,001963 = 1178 N. En el retroceso: A − a = 19,63 − 3,14 = 16,49 cm², F = 990 N. Los dos valores de la ficha son correctos.

Esquema del área del émbolo en el avance y del área anular en el retroceso, y tabla de fuerzas teóricas a 6 bar para diámetros ISO de 32 a 125 milímetros — De la presión a la fuerza, con una tabla de referencia a 6 bar (diagrama original Welectronic).

De la fuerza teórica a la fuerza útil

La ficha termina con una frase clave: "la fuerza útil siempre será menor por fricción, fugas y contrapresión". Ponle números:

Fricción de los sellos: del orden del 3 % al 20 % de la fuerza teórica según el diámetro, el estado de los sellos y la lubricación. Para cálculos rápidos se usa 10 % (los catálogos hablan de un rendimiento de 90 % o menos).
Contrapresión: si la cámara que escapa mantiene 0,3 bar porque el escape es estrecho, esa presión actúa sobre su propia área y resta fuerza.
Resorte (simple efecto): hay que vencerlo en el avance y es lo único que devuelve el vástago.
Presión real: la presión en el cilindro es menor que la del compresor por las pérdidas en tuberías, filtros y válvulas.

F_útil = F_teórica − F_fricción − p_escape · A_escape − F_resorte

Se compara con la carga mediante el factor de carga β = F_carga / F_teórica. Para un movimiento estable y con buen control de velocidad, se recomienda β ≤ 70 % (en cilindros pequeños o con poca presión, mejor aún 50 %). Por eso no se elige el cilindro que "justo" iguala la fuerza: se elige el siguiente diámetro.

Velocidad y consumo de aire

La velocidad de un cilindro la fija el caudal de aire que llega a la cámara motriz, no la presión: v ≈ Q / A (con Q real a la presión de trabajo). Para un cilindro de Ø50 con 300 Nl/min disponibles a 6 bar, v ≈ 0,37 m/s. Si quieres más velocidad hay que aumentar el caudal (válvula y tuberías mayores) o reducir la contrapresión con escape rápido.

El consumo por ciclo es el volumen de las dos cámaras llenadas, llevado a condiciones normales:

V_ciclo = (A + (A − a)) · s · (p + 1,013) / 1,013

Un cilindro mal dimensionado (más grande de lo necesario) gasta más aire en cada carrera. Y el aire comprimido es la energía más cara de una planta: producir 1 m³ normal a 7 bar cuesta del orden de 0,1 kWh (orden de magnitud; depende del compresor).

Pandeo del vástago

Un vástago largo y delgado que empuja es una columna: puede pandearse. La carga crítica de Euler es F_cr = π² · E · I / (K · L)², con I = π·d⁴/64. Un vástago de 20 mm con 1 m de carrera libre y apoyo articulado resiste unos 16 300 N antes de pandear; con coeficiente de seguridad 3,5, solo unos 4650 N. Si tu cilindro de Ø63 empuja con 1870 N, está dentro; con carreras mayores o cargas más altas, hay que subir el diámetro del vástago o cambiar la fijación. El simulador calcula la carrera máxima para tu caso.

5. Amortiguación al final de carrera

Un émbolo con su carga lleva energía cinética (E = ½·m·v²). Si llega sin frenar a la tapa, ese golpe se transmite al cilindro, a la fijación y a la máquina. La amortiguación neumática frena el émbolo en los últimos milímetros: un cojín entra en un alojamiento de la tapa, cierra la salida principal, y el aire atrapado solo escapa por un tornillo regulable; la presión de amortiguación sube y frena el émbolo. En el retorno, un antirretorno deja entrar el aire rápido para no retrasar la salida.

Tres etapas de la amortiguación neumática: llegada con escape libre, entrada del cojín con escape por el tornillo regulable y retorno con antirretorno abierto — Cómo funciona la amortiguación regulable (diagrama original Welectronic).

La amortiguación neumática absorbe una energía limitada (la ficha del cilindro da el máximo en julios). A velocidades altas o masas grandes se necesitan amortiguadores hidráulicos externos o frenar el cilindro con reguladores en el escape (control meter-out).

6. Selección y fallas comunes

Criterios de selección del cilindro y tabla de fallas comunes con sus causas: pérdida de fuerza, movimiento lento, golpes al final de carrera, vástago atascado y fugas externas — Criterios de selección y fallas comunes. Fuente: ficha técnica Welectronic.

Criterios de selección, paso a paso

Fuerza requerida: calcula la carga (peso, fricción, proceso) y divide entre 0,7 para el factor de carga.
Diámetro: elige el menor diámetro estándar cuya fuerza teórica a la presión real supere ese valor. Las series habituales: ISO 6432 (cilindros redondos de 8 a 25 mm) e ISO 15552 (de 32 a 320 mm, presión máxima de 10 bar).
Carrera: la necesaria más un pequeño margen; revisa el pandeo en carreras largas.
Tipo: con el árbol de decisión de la sección 1.
Velocidad: verifica el caudal de la válvula y la tubería; añade reguladores de caudal.
Amortiguación: neumática ajustable en ambos extremos si v > 0,5 m/s; si la energía supera la admisible, amortiguador externo.
Montaje: pies, bridas, muñones o articulaciones, alineados con la carga.
Ambiente: temperatura, corrosión y polvo: sellos (NBR, FKM, PU), vástago inoxidable, fuelle protector.

Fallas comunes: causas y qué revisar

Falla	Causas probables	Qué verificar y cómo corregir
Pérdida de fuerza	Fugas internas (sellos del émbolo), baja presión en la cámara, fricción alta	Mide la presión en el cilindro, no en el compresor; escucha fugas por los escapes en reposo; cambia sellos y revisa la camisa
Movimiento lento	Caudal insuficiente, restricciones en válvulas o tuberías, regulador demasiado cerrado, filtro saturado	Compara la caída de presión antes y después de cada elemento; revisa el diámetro de la tubería y los racores
Golpes al final de carrera	Sin amortiguación o mal ajustada, velocidad excesiva, masa grande	Ajusta el tornillo de amortiguación, reduce la velocidad con reguladores y valora un amortiguador externo
Vástago se atasca	Desalineación, suciedad, cargas laterales, falta de lubricación inicial	Revisa la alineación y el acople flotante, la guía de la carga y la limpieza del aire
Fugas externas	Sellos dañados, tornillos o tirantes flojos, rayaduras en el vástago	Cambia el sello del vástago y el rascador; revisa la superficie del vástago; reapriete al par del fabricante

Casos reales de planta

Caso 1 · Compuerta de tolva que "ya no levanta" (planta de graneles)

Síntoma: la compuerta de una tolva de 120 kg se movía bien al instalarse; seis meses después sube lenta y a veces se queda a medio camino. Datos: cilindro vertical Ø63, 6 bar nominales. Diagnóstico: el peso es W = 120 × 9,81 = 1177 N y a 6 bar el cilindro entrega 1870 N (β = 63 %, correcto). Un manómetro en el cilindro mostró solo 4,5 bar por fugas y un filtro saturado: F = 4,5 × 10⁵ × 31,17 × 10⁻⁴ = 1403 N, β = 84 %, por encima del 70 %. Solución: reparar las fugas y cambiar el filtro (recupera presión) y, como margen, pasar a Ø80: con 4,5 bar entregaría 2262 N y β = 52 %.

Caso 2 · Empujador de cajas que golpea y rompe el soporte (línea de despacho)

Síntoma: ruido seco al final de cada carrera y fisuras en la fijación. Datos: Ø50 × 400 mm, caja de 15 kg; masa móvil estimada 16,4 kg (caja + vástago + émbolo). El regulador de caudal estaba abierto y la velocidad era de unos 1,2 m/s. Diagnóstico: la energía que llega al tope sin amortiguar es E = ½ · 16,4 · 1,2² ≈ 11,8 J; la amortiguación estaba abierta del todo. Solución: cerrar los reguladores en el escape (meter-out) hasta v ≈ 0,5 m/s y cerrar la amortiguación hasta que entre suave: si la velocidad de impacto baja a 0,3 m/s, la energía es de solo 0,74 J, es decir, 16 veces menos.

Caso 3 · Vástago rayado en un alimentador (carga excéntrica)

Síntoma: el vástago de un cilindro de Ø32 que empuja una pieza se raya y el sello de vástago pierde aire cada tres semanas. Diagnóstico: la pieza (12 kg) cuelga de un brazo a e = 60 mm del eje del vástago: M = W · e = 117,7 × 0,06 ≈ 7,1 N·m, un momento que ese casquillo no está hecho para soportar. Solución: sustituir por un cilindro guiado del mismo diámetro (o añadir una guía lineal) con un acople flotante, de manera que el cilindro solo empuje. Prueba esta situación en el simulador 2: distancia 60 mm, masa 12 kg, tipo doble efecto frente a guiado. (Los momentos admisibles reales los da el catálogo.)

Caso 4 · Transferencia de 1,5 m en poco espacio

Situación: un doble efecto con 1,5 m de carrera necesita una longitud total de más de 3 m y un vástago muy largo, con riesgo de pandeo y flecha. Alternativa: un cilindro sin vástago de cinta de 1,5 m de carrera ocupa solo algo más que su carrera, sin pandeo, y con guía integrada. Si la carga es ligera y el espacio libre, el magnético es más económico; si hay cargas más pesadas o momentos, el de cinta.

Errores comunes que conviene evitar

Dimensionar con la fuerza teórica a la presión de la red y no con la presión real en el cilindro.
Olvidar que el retroceso tiene menos fuerza (A − a) y poner la carga más pesada en ese sentido.
Cerrar el regulador en la entrada de un doble efecto: la velocidad se vuelve inestable. Para el control de velocidad se regula en el escape (meter-out).
Conectar el vástago rígidamente a una guía externa sin acople flotante.
Usar un simple efecto con resorte para carreras largas, o un sin vástago magnético para cargas que superan el acople.
Dejar aire sucio o con agua: rayan la camisa y acortan la vida de los sellos.
Intervenir sin despresurizar y bloquear antes: el vástago puede moverse al soltar una fijación o desconectar un tubo.

Resumen rápido (cheat-sheet)

Concepto	Fórmula o regla
Área del émbolo	A = π·D²/4
Fuerza de avance	F = p·A (a 6 bar: 60 N por cada cm²)
Fuerza de retroceso	F = p·(A − a)
Fuerza útil	teórica − fricción (~10 %) − contrapresión − resorte
Factor de carga	β = carga / teórica ≤ 70 %
Velocidad	v ≈ Q / A (la fija el caudal)
Consumo por ciclo	(A + (A − a))·s·(p + 1,013)/1,013
Energía de impacto	E = ½·m·v²
Momento por carga excéntrica	M = W·e

Glosario breve

Camisa: tubo del cilindro. A (2 o 4 según la válvula): puerto de la cámara del émbolo. B: puerto de la cámara del vástago.
Contrapresión: presión que queda en la cámara que escapa.
Factor de carga: relación entre la carga y la fuerza teórica.
Meter-out: regulación de velocidad estrangulando el escape.
Acople flotante: unión que absorbe desalineaciones entre el vástago y la carga.
Nl (normal litro): litro de aire medido a condiciones normales (ANR).

Normas y referencias (valídalas con tu proveedor)

ISO 1219-1: símbolos gráficos de componentes neumáticos e hidráulicos.
ISO 15552: cilindros de doble efecto con perfil o tirantes (diámetros de 32 a 320 mm, presión máxima de 10 bar).
ISO 6432: cilindros redondos de pequeño diámetro (8 a 25 mm, entre otros).
ISO 4414: requisitos de seguridad para sistemas neumáticos.

Recomendación técnica de la ficha: selecciona el cilindro adecuado, instálalo correctamente y manténlo limpio y lubricado; verifica fugas, fijaciones y estado de los sellos. Una buena selección y mantenimiento aseguran seguridad, eficiencia y larga vida útil.

✅ 5 Problemas Resueltos

Problema 1: Un cilindro Ø63/20 trabaja a 6 bar. Calcula la fuerza teórica de avance y de retroceso, y la fuerza útil si la fricción es del 15 %.

Solución:
A = π · 0,063² / 4 = 31,17 cm² y A − a = 31,17 − 3,14 = 28,03 cm²
F_avance = 600 000 × 31,17 × 10⁻⁴ = 1870 N → útil = 1870 × 0,85 = 1590 N
F_retroceso = 600 000 × 28,03 × 10⁻⁴ = 1682 N → útil = 1682 × 0,85 = 1430 N

Problema 2: Una compuerta de 120 kg se levanta verticalmente con un cilindro a 6 bar. ¿Sirve un Ø50? ¿Qué diámetro estándar eliges si quieres un factor de carga máximo de 70 %?

Solución:
W = 120 × 9,81 = 1177 N. El Ø50 da 1178 N: β = 1177/1178 = 99,9 %, no sirve (no hay margen).
Fuerza teórica necesaria = 1177 / 0,70 = 1682 N → A = 1682 / 600 000 = 28,0 cm² → D = 59,7 mm.
Diámetro estándar siguiente: Ø63 (1870 N, β = 63 %).

Problema 3: Un cilindro Ø50/20 con 300 mm de carrera trabaja a 6 bar y hace 15 ciclos por minuto. Calcula el aire consumido por ciclo y por minuto (sin volumen muerto).

Solución:
Volumen de avance = 19,63 cm² × 30 cm = 589 cm³ = 0,589 l
Volumen de retroceso = (19,63 − 3,14) × 30 = 495 cm³ = 0,495 l
Total por ciclo = 1,084 l a 6 bar manométricos. Factor de compresión = (6 + 1,013) / 1,013 = 6,92
V_ciclo = 1,084 × 6,92 = 7,50 Nl → a 15 ciclos/min = 113 Nl/min

Problema 4: Un vástago de acero de 20 mm de diámetro, con 1 m de carrera libre y apoyo articulado en ambos extremos (K = 1), empuja con un cilindro Ø63 a 6 bar. ¿Hay riesgo de pandeo (E = 210 GPa, coeficiente de seguridad 3,5)?

Solución:
I = π · d⁴ / 64 = π · (0,02)⁴ / 64 = 7,854 × 10⁻⁹ m⁴
F_cr = π² · E · I / (K·L)² = 9,87 × 210 × 10⁹ × 7,854 × 10⁻⁹ / 1² = 16 280 N
F_admisible = 16 280 / 3,5 = 4650 N > 1870 N del cilindro. No hay riesgo con esta carrera.

Problema 5: Un cilindro Ø50 recibe 300 Nl/min de aire a 6 bar. Estima la velocidad de avance y el tiempo de una carrera de 200 mm (ignora la compresibilidad y el escape).

Solución:
Caudal real a 6 bar = 300 / 6,92 = 43,3 l/min = 7,22 × 10⁻⁴ m³/s
v = Q / A = 7,22 × 10⁻⁴ / 19,63 × 10⁻⁴ = 0,37 m/s
t = 0,200 / 0,368 = 0,54 s

🏋️ 5 Ejercicios Propuestos

Ejercicio 1: Calcula las fuerzas teóricas de avance y retroceso de un cilindro Ø80/25 a 5 bar.

A = π · 0,08² / 4 = 50,27 cm²; a = 4,91 cm²; A − a = 45,36 cm²
F_avance = 500 000 × 50,27 × 10⁻⁴ = 2513 N; F_retroceso = 500 000 × 45,36 × 10⁻⁴ = 2268 N

Ejercicio 2: Un cilindro horizontal debe arrastrar una carga de 80 kg que desliza con μ = 0,2, con 6 bar y un factor de carga máximo de 70 %. ¿Qué diámetro mínimo necesitas?

F_carga = 0,2 × 80 × 9,81 = 157 N. Fuerza teórica necesaria = 157 / 0,7 = 224 N
A = 224 / 600 000 = 3,74 cm² → D = 21,8 mm → diámetro estándar: Ø25

Ejercicio 3: Un cilindro tándem de Ø50 (dos émbolos) trabaja a 6 bar. ¿Qué fuerza teórica de avance entrega frente a un doble efecto simple de Ø50?

Un émbolo: 1178 N. Tándem: 2 × 1178 = 2356 N (el doble, con la misma sección transversal exterior pero más longitud y el doble de aire por carrera).

Ejercicio 4: Un cilindro de simple efecto Ø32 con 50 mm de carrera, a 6 bar, realiza 10 ciclos por minuto. ¿Cuánto aire consume (solo se llena una cámara)?

A = 8,04 cm²; volumen = 8,04 × 5 = 40,2 cm³ = 0,0402 l
V_ciclo = 0,0402 × 6,92 = 0,278 Nl → a 10 ciclos/min: 2,78 Nl/min

Ejercicio 5: Un cilindro Ø40/16 debe tirar (retroceso) una carga de 700 N con un factor de carga de 70 %. ¿Qué presión necesita? ¿Es viable con una red de 6 bar?

A − a = π · (0,04² − 0,016²) / 4 = 10,56 cm². Fuerza teórica = 700 / 0,7 = 1000 N
p = 1000 / (10,56 × 10⁻⁴) = 947 000 Pa = 9,5 bar. No es viable con 6 bar: hay que subir el diámetro (por ejemplo, Ø50/20 da 990 N a 6 bar, justo; Ø63/20 da 1682 N).