DISEÑO DEL PISTÓN NEUMÁTICO Las partes del cilindro son:
Camisa Tapa trasera Vástago Tapa delantera Juntas de estanqueidad (estáticas y dinámicas) Entrada/salida de aire trasero Entrada/salida de aire delantera (D efecto) Resorte para el retroceso (S efecto)
Se dispone de una amplia variedad de actuadores neumáticos en cuanto a dimensiones y tipos, incluyendo:
Cilindros Simple efecto con o sin muelle Doble efecto Sin amortiguación y amortiguación fija o Amortiguación regulable o Imán o Sin vástago Compactos Elásticos
De giro Motores
Cilindros de Simple Efecto Uno de los movimientos es generado por el aire comprimido, el otro lo es por la acción de un muelle:
Vástago Extendido (normalmente dentro) Vástago Retraído (normalmente afuera)
Para que el cilindro pueda volver a su posición de reposo se requiere que el aire de la cámara pueda ir a escape
Cilindros de simple efecto sin muelle La gravedad u otra fuerza externa hacen recuperar al vástago su posición inicial
CILINDROS DE DOBLE EFECTO El aire comprimido genera dos movimientos del cilindro, el de salida y el de entrada del vástago Permiten un mayor control de la velocidad Pueden ser:
Sin amortiguación: Están diseñados para aplicaciones con cargas ligeras y baja velocidad
Amortiguación Fija: Está destinada a cilindros de pequeño diámetro y para trabajar con cargas ligeras
Amortiguación Regulable Para progresivamente el pistón en el último tramo de la carrera del cilindro
CILINDROS SIN VÁSTAGO
El movimiento del cilindro está contenido en el propio cuerpo del cilindro. Al no salir un vástago ocupa la mitad El movimiento se trasmite a través de un carro exterior que se desplaza a través de la camisa del cilindro Una ranura, a lo largo de la camisa permite la conexión del c arro con el piston En el interior y el exterior del cilindro se disponen una junta y una cubierta para la estanqueidad y la protección contra el polvo Se suele utilizar para trabajar a través de líneas transportadoras, o elevación de cargas en espacios reducidos Estos cilindros tienen problemas de fugas de aire Los hay de arrastre magnético por medio de imanes (en el vástago y exterior)
CILINDROS COMPACTOS
Para utilizar en espacios reducidos donde solo se precise una carrera corta Con respecto a su diámetro son de poca longitud Generalmente se utilizan en aplicaciones con poca carga Normalmente utilizados en la versión simple efecto, pero también está disponible en doble efecto, anti giro y doble vástago, magnético o no.
CILINDROS ELÁSTICOS Y MÚSCULOS NEUMÁTICOS
Son cilindros de simple efecto Ensanchan y se retraen cuando se introduce aire comprimido, su carrera es menos el 25% de su longitud La compresión y extensión máxima se debe limitar externamente Proporcionan carreras cortas de alta potencia Pueden moverse en cualquier dirección debido a su elasticidad No mantienen perfectamente la alineación Se pueden utilizar como muelles de aire y son ideales para aislar las vibraciones de las cargas soportadas Son de vida prolongada y no tienen fugas
Existen tres tipos de cilindros elásticos:
Simple lóbulo
Doble lóbulo
Triple lóbulo
CILINDROS DE MEMBRANA Son de carreras cortas, no mantienen una alineación perfecta
CILINDROS TANDEM
Proporcionan el doble de la fuerza Las dos entradas/salidas están internamente conexionadas Carrera corta para la longitud del cilindro
CILINDROS DE IMPACTO
Deben estar diseñados para soportar el fuerte impacto que se produce en la cámara delantera
CILINDROS TELESCÓPICOS
Proporcionan grandes carreras en relación con la longitud del cilindro
CILINDROS DE VÁSTAGO HUECO
Para paso de cables, técnicas de vacío
CILINDROS MULTIPOSICIONALES
CALCULO DE FUERZAS Fuerza Teórica: La fuerza teórica del cilindro se calcula multiplicando el área efectiva del pistón por la presión de trabajo. o
El área efectiva para el cilindro “a más” (salida) es el área completa del diámetro “D” cilindro
o
El área efectiva del cilindro “a menos” (retorno) se reduce por el área que ocupa el vástago del pistón “d”
o
Tabla de Fuerzas para un cilindro doble efecto para una presión de trabajo de 6 bares
Fuerza útil
Para seleccionar un cilindro y la presión de trabajo, se debe hacer una estimación de la fuerza real que se precisa En aplicaciones estáticas la fuerza se ejerce al final del movimiento, es decir cuando la presión alcanza su valor máximo. Las únicas pérdidas son causa del rozamiento, y como norma general, se puede tomar un 10 %. En aplicaciones dinámicas la fuerza se ejerce durante el movimiento para mover la capa (para aceleración y vencer el rozamiento); y ayudar a expulsar el aire de la cámara del pistón (permite una regulación adecuada de la velocidad). Como normal general, el esfuerzo estimado debe quedar entre el 50 y el 75% del esfuerzo teórico del cilindro escogido.
Fuerza de un cilindro
Depende de la presión, la sección del embolo y del rozamiento en las juntas dinámicas
Potencia
Consumo de aire de un cilindro Hay dos factores a considerar en el consumo de aire de un cilindro:
El volumen desplazado por pistón multiplicado por la presión absoluta El volumen de todo circuito neumático (cavidades en culatas y pistón, puertos del cilindro, tubos de alimentación y cavidades en la válvula) todos ellos multiplicados por la presión manométrica. Este volumen, que va a escape, varía según la instalación y se considera entre el 5-10% del volumen del cilindro
En los cilindros de doble efecto hay que considerar las dos cámaras en cada carrera del cilindro (con sus diferentes volúmenes) En los cilindros de simple efecto solo se llena unas de las cámaras (depende si el cilindro es normalmente dentro o fuera) En un cilindro doble efecto el volumen consumido por ciclo de trabajo (salida + retorno) es la suma de:
Para estimar la media total de consumo de aire en un sistema neumático hacer el cálculo para cada cilindro, sumarlos todos y añadir un 10% Es importante entender que las necesidades de caudal instantáneo para un circuito serán mayores que la media y el algunos casos mucho mayores
Control de la velocidad Guía de la velocidad de los cilindros
El grafico muestra la velocidad máxima que alcanzan los cilindros en combinación de los Cv típicos de las válvulas, y del tanto por ciento de la carga. Tiempo de respuesta
Tiempo aproximado de un ciclo (valores para válvulas y cilindro)
Tabla de tiempos orientativos para cilindros doble efecto
JUNTAS
Aro guía Es una tira abierta colocada alrededor del pistón, está hecha de material plástico resistente, si hay una carga elevada por un lado se convierte en un cojinete que evita una excesiva deformación de las juntas. Además protege la camisa de muescas que puede hacer el pistón.
PANDEO DEL VÁSTAGO Si hay una fuerza de apriete axial en el vástago, hay que vigilar que los parámetros del vástago: longitud, diámetro y carga, estén dentro de los límites adecuados que eviten el pandeo. La ecuación de EULER para la inestabilidad elástica es:
La longitud de pandeo de la barra comprimida depende de la instalación:
De la longitud real De la disposición de sus extremos (articulados, empotrados o libres)
Para una columna delgada, fija por un extremo y con el otro extremo libre (caso EULER 1)
Para una columna delgada articulada por ambos extremos (caso EULER 2), la longitud libre de pandeo es la misma que la longitud l entre articulaciones
Tipos de Pandeo
1,2, y 3: Un vástago gastado con cojinete permitirá un pandeo inicial si el vástago esta articulado
Asumir (caso EULER 2)
4,5 y 6: el extremo del vástago está libre lateralmente Asumir (caso EULER 2)
7: caso especial
8: caso especial
Factor de seguridad El factor de seguridad “s”=5 por la carga del cilindro, da la fuerza de pandeo admisible a una
presión determinada
Tabla para la maxima longitud de carrera en mm
DISEÑO DEL CILINDRO NEUMÁTICO Factores para la elección de un cilindro neumático 1. Tipo de cilindro 2. Diámetro interior 3. Diámetro del vástago y su carrera 4. Velocidad del émbolo 5. Fuerza del émbolo 6. Amortiguación 7. Posición 8. Forma de fijación 9. Temperatura 10. Presión de la red
11. Presión de trabajo 12. Tipo de trabajo: estático o dinámico
1. Cálculo de la fuerza del émbolo
Fuerza teórica (sin rozamientos)
Fuerza nominal (con rozamientos)
Fuerza efectiva
El rendimiento se encuentra entre el 70% y el 90%, dependiendo, entre otros, de:
Estado de la superficie interior del cilindro Rozamiento de las juntas Tipo de engrase Presión de aire
El reglaje de la fuerza se consigue mediante los reguladores de presión a la entrada del cilindro. En el cálculo es necesario sobredimensionar.
2. Cálculo del consumo de aire Para disponer de aire y conocer el gasto de energía, es importante conocer el consumo de la instalación, cálculo que comenzará por los actuadores.
3. Cálculo de la velocidad de desplazamiento La velocidad es la suma del tiempo de respuesta y el tiempo de carrera La velocidad media del émbolo, en cilindros estándar, está comprendida entre 0,1 y 1,5 m/s. Con cilindros especiales (cilindros de impacto) se alcanzan velocidades de hasta 10 m/s. La velocidad del émbolo puede regularse con válvulas especial es: válvulas de estrangulación, antirretorno, de estrangulación y de escape rápido. Función de:
Estado de las superficies del émbolo y de las camisas Composición y dureza de las juntas Tolerancias de fabricación Existencia de lubricación (velocidades medias y elevadas) Presión de la red (col ocasión de reguladores)
Tiempo de respuesta: Mientras la presión de una cámara no supere la presión de la otra cámara, el cilindro no se mueve. El cilindro tiene que vencer:
Cargas Rozamiento estático
4. Longitud de carrera La carrera es la distancia recorrida por el émbolo entre sus dos posiciones extremas. La longitud de carrera en cilindros neumáticos no debe exceder de 2000 mm. Con émbolos de gran tamaño y carrera larga, el sistema neumático no resulta económico por el elevado consumo de aire y precio de los actuadores.
Guiado de cilindros: Se fabrican en acero y se acoplan sobre la culata anterior de los cilindros normalizados. En su interior se encuentran unos cojinetes de bronce sintetizado por los cuales se deslizan las varillas de guiado.
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