Neumática e Hidráulica

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1 Neumática e Hidráulica N. T1.- Actuadores Neumáticos Las trasparencias son el material de apoyo del profesor para impartir la clase. No son apuntes de la asignatura. Al alumno le pueden servir como guía para recopilar información (libros, ) y elaborar sus propios apuntes Departamento: Area: Ingeniería Eléctrica y Energética Máquinas y Motores Térmicos CARLOS J RENEDO Despachos: ETSN 36 / ETSIIT S Tlfn: ETSN / ETSIIT Introducción Construcción básica Cilindros de simple efecto Cilindros de doble efecto Cilindros sin vástago Cilindros compactos Cilindros elásticos y músculos neumáticos Cilindros de membrana Cilindros de dobles vástago Cilindros tándem Cilindros de Impacto Cilindros telescópicos Cilindros de vástago hueco Cilindros multiposicionales Actuadores rotativos Pinzas neumáticas Detectores magnéticos Multiplicador de presión Motores neumáticos Fuerza ejercida Potencia Consumo de aire Reguladores de caudal Control de la velocidad Juntas Amortiguación Fijación Pandeo del vástago Normas

2 INTRODUCCION (I) Actuadores neumáticos incluye cilindros y actuadores rotativos Proporcionan potencia y movimiento a sistemas automatizados, máquinas y procesos mediante el consumo de aire comprimido La presión máxima de trabajo depende del diseño del cilindro. La Norma VDMA permite trabajar hasta 16 bar Un cilindro neumático es un componente sencillo, de bajo coste y fácil de instalar; es ideal para producir movimientos lineales La carrera del cilindro determina el movimiento máximo que este puede producir 3 INTRODUCCION (II) El diámetro del cilindro y su presión de trabajo determinan la fuerza máxima que este puede hacer La fuerza es controlable a través de un regulador de presión La velocidad tiene un amplio margen de ajuste Toleran condiciones adversas como alta humedad y ambientes polvorientos, y son de fácil limpieza 4

3 CONSTRUCCION BÁSICA (I) Las partes del cilindro son: Camisa Tapa trasera Pistón Vástago Tapa delantera Juntas de estanqueidad (estáticas y dinámicas Entrada/salida de aire trasera Entrada/salida de aire delantera, (D.Efec.) Resorte para el retroceso, (S.Efec) Juntas din. Pistón Camisa Tapa delantera Vástago Juntas est. Tapa trasera E/S aire trasera E/S aire delantera 5 CONSTRUCCION BÁSICA (II) Las partes del cilindro son: Camisa Tapa trasera Pistón Vástago Tapa delantera Juntas de estanqueidad (estáticas y dinámicas) Entrada/salida de aire trasera Entrada/salida de aire delantera, (D.Efec.) Resorte para el retroceso, (S.Efec) Camisa Vástago Tapa trasera Junta pistón Aro guía Junta rascadora Tapa delantera Conexión trasera Tornillo amortig. Conexión delantera Tornillo amortig. 6

4 CONSTRUCCION BÁSICA (III) Se dispone de una amplia variedad de actuadores neumáticos en cuanto a dimensiones y tipos, incluyendo: Cilindros De giro Simple efecto con o sin muelle Doble efecto Motores o Sin amortiguación y amortiguación fija o Amortiguación regulable o Imán Sin vástago Compactos Elásticos Actuador Función Parámetro Básico Cilindro Trabajo rectilíneo Fuerza y carrera Actuador de Giro Trabajo angular Par y ángulo de giro Motor neumático Accionamiento mecanismos rotativos Par y r.p.m. 7 CILINDROS DE SIMPLE EFECTO (S.E.) (I) 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 fuera) N. Fuera Consumen poco aire Max. carreras de 100 mm N. Dentro 8

5 CILINDROS DE SIMPLE EFECTO (S.E.) (II) 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 fuera) Para que el cilindro pueda volver a su posición de reposo se requiere que el aire de la cámara pueda ir a escape Cto de mando de un C.S.E CILINDROS DE SIMPLE EFECTO (S.E.) (III) Sin Muelle: la gravedad o otra fuerza externa hace recuperar al vástago su posición inicial N. Fuera N. Dentro 10

6 CILINDROS DE SIMPLE EFECTO (S.E.) (IV) Cto de mando a distancia de un C.S.E CILINDROS DE DOBLE EFECTO (D.E.) (I) El aire comprimido genera los 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 Amortiguación regulable 1

7 CILINDROS DE DOBLE EFECTO (D.E.) (II) El aire comprimido genera los dos movimientos del cilindro, el de salida y el de entrada del vástago Permiten un mayor control de la velocidad Pueden ser: Sin amortiguación Amortiguación fija está destinada a cilindros de pequeño diámetro y para trabajar con cargas ligeras Amortiguación regulable Amort. trasera Amort. delantera 13 CILINDROS DE DOBLE EFECTO (D.E.) (III) El aire comprimido genera los dos movimientos del cilindro, el de salida y el de entrada del vástago Permiten un mayor control de la velocidad Pueden ser: Sin amortiguación Amortiguación fija Amortiguación regulable: para progresivamente el pistón en el último tramo de la carrera del cilindro Amort. Reg. trasera Amort. Reg. delantera 14

8 CILINDROS DE DOBLE EFECTO (D.E.) (IV) Cto de mando a distancia de un C.D.E. válvula 5/ y dos válvulas 3/ CILINDROS DE DOBLE EFECTO (D.E.) (V) Cto de mando semi-automático de un C.D.E. El cilindro va a más (sale) por efecto del pulsador manual, vuelve a menos (retorna) por el final de carrera Requiere 1 válvula 5/, y válvulas 3/ (pulsador y final de carrera) A+ On-Off A+ 16

9 CILINDROS DE DOBLE EFECTO (D.E.) (VI) Mando automático de un C.D.E. El cilindro no sale a mas hasta que no se actúa la palanca El ciclo finaliza cuando se vuelve a actuar sobre la palanca, y lo hace con el cilindro a menos On-Off A A A+ 1 A+ 17 CILINDROS SIN VASTAGO (I) El movimiento del cilindro está contenido en el propio cuerpo del cilindro. Al no salir un vástago ocupa la mitad El movimiento se transmite 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 carro con el pistón 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) 18

10 CILINDROS SIN VASTAGO (II) Con Guía Doble efecto Doble efecto amort. regulable Preferible instalarlo con el carro hacia abajo: Evita la suciedad en la junta y su deterioro El peso cierra la junta y limita las fugas 19 CILINDROS SIN VASTAGO (III) Con arrastre magnético No presentan fugas 0

11 CILINDROS CON DOBLE VASTAGO Impide el giro del cilindro 1 CILINDROS COMPACTOS Para utilizar en espacios reducidos donde sólo 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, antigiro y doble vástago, magnético o no S.E. Vástago retraído D.E. Doble vástago

12 CILINDROS ELÁSTICOS Y MÚSCULOS NEUMATICOS (I) Son cilindros de simple efecto Ensanchan y se retraen cuando se introduce aire comprimido, su carrera es menos del 5% de su longitud La comprensión y extensión máxima se debe limitar externamente Proporcionan carreras cortas de alta potencia Pueden moverse en cualquier dirección debido 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 3 CILINDROS ELÁSTICOS Y MÚSCULOS NEUMATICOS (II) Simple lóbulo Doble lóbulo Triple lóbulo, 4

13 CILINDROS DE MEMBRANA Son de carreras cortas, no mantienen una alineación perfecta S.E. Vástago retraído D.E. Membrana elástica 5 CILINDROS DE DOBLE VÁSTAGO 6

14 CILINDROS TANDEM Proporcionan el doble de la fuerza Las dos entradas/salidas están internamente conexionadas Carrera corta para la longitud del cilindro 7 CILINDROS DE IMPACTO Deben estar diseñados para soportar el fuerte impacto que se produce en la cámara delantera Poca área Movimiento lento Poca fuerza Movimiento rápido Mucho área Mucha fuerza 8

15 CILINDROS TELESCOPICOS Proporcionan grandes carreras en relación con la longitud del cilindro No se controla la posición de salida intermedia 9 CILINDROS DE VASTAGO HUECO Para paso de cables, técnicas de vacío, 30

16 CILINDROS MULTIPOSICIONALES (4 Pos.) C1-, C- C1+, C- C1-, C A- A+ C1+, C+ 3 Sin control de posición 1 31 ACTUADORES ROTATIVOS (I) Utilizados para girar componentes, actuar válvulas de control de procesos, y giros en aplicaciones de robótica Proporcionan un giro limitado De paleta, D.E con ángulo de giro de 70º 3

17 ACTUADORES ROTATIVOS (II) Utilizados para girar componentes, actuar válvulas de control de procesos, y giros en aplicaciones de robótica Proporcionan un giro limitado D.E. piñón y cremallera 33 ACTUADORES ROTATIVOS (III) Utilizados para girar componentes, actuar válvulas de control de procesos, y giros en aplicaciones de robótica Proporcionan un giro limitado D.E. piñón y cremallera (doble par) 34

18 PINZAS NEUMATICAS Agarran piezas Su movimiento se realiza por acción de un cilindro interior que acciona un brazo articulado 35 DETECTORES MAGNETICOS El pistón puede llevar un imán incorporado Se puede utilizar únicamente para detectar principio y final de carrera; o si se dispone de un aro magnético alrededor del cilindro para detectar cualquier posición intermedia N S 36

19 MULTIPLICADOR DE PRESION (I) A 1 A A 1 F 1 F A p 1 p F A F = p = 1 F p 1 A1 = p A p = p 1 A A 1 Equilibrio A = A 1 p p 1 37 MULTIPLICADOR DE PRESION (II) A 1 A A 1 A p 1 p Posible problema de sobre presiones si se obstruye la tubería delantera A1 p = p1 > p1 (max) A 38

20 MOTORES NEUMATICOS (I) Transforman la energía del aire comprimido en energía mecánica de rotación De paletas: a rpm, hasta 0 CV c = nº de cámaras n = r.p.m. P 1 = presión relativa actuante (kg/cm ) Pot = Potencia (CV) Q N = Caudal normal r = radio (mm) S = Superficie máx de la paleta (cm ) V 1 = volumen de la cámara máxima (cm 3 ) v = velocidad (m/s) Par = F r = P1 S1 r Q = V1 c n (P1 N + 1) Pot = Trabajo t = F e = F v = P1 t S 1 P1 S1 π n r w r = MOTORES NEUMATICOS (II) De engranajes: baratos y de reducido rendimiento, hasta 60 CV Par = P S r = P S m z = Q = V1 z n (P1 N + P1,5 m 1) b z 1 π Trabajo P,5 m b z n Pot = = Par w = Par π n = t b = ancho del diente (mm) m = módulo de la rueda dentada (altura del diente, mm) n = r.p.m. z = nº de dientes de la rueda P 1 = presión relativa actuante (kg/cm ) Pot = Potencia (CV) r = radio (mm) V 1 = volumen de la cámara máxima w = velocidad angular (rad) 40

21 MOTORES NEUMATICOS (III) De pistones: hasta rpm y 30 CV Par = F1 r1 + F r = P S (r1 + r) Q = S c Z n (P1 N + P S r Par = P S r cosα senα = senα 1) Radial S = sección del pistón (mm) c = carrera (mm) n = r.p.m. Z = nº de pistones del motor Axial Turbinas: similar a un compresor centrífugo, de a rpm 41 FUERZA EJERCIDA (I) La fuerza teórica del cilindro se calcula multiplicando el área efectiva del pistón por la presión de trabajo El área efectiva para el cilindro a más (salida) es el área completa del diámetro D cilindro El área efectiva del cilindro a menos (retorno) se reduce por el área que ocupa el vástago del pistón d D F avance Dcil P [ ] [ ] [ bar] N = π mm 4 10 P manométrica d F retorceso Dcil dvas P [ ] [ ] [ bar] N = π mm 4 10 N m N m m 10 mm bar = 10 Pa = 10 = 10 = 6 N 0,1 mm 4

22 FUERZA EJERCIDA (II) Cuando se estima la fuerza relativa de un cilindro con diferentes diámetros, es útil recordar que la fuerza se incrementa con el cuadrado del diámetro Si se dobla el diámetro se cuadriplicará la fuerza d d d = d d 43 Calcular la fuerza teórica que puede ejercer un cilindro a mas, de diámetro 50 mm a una presión de trabajo de 8 bar Calcular la fuerza teórica que puede ejercer un cilindro a menos, de diámetro 50 mm y vástago diámetro 0 mm a una presión de trabajo de 8 bar 44

23 FUERZA EJERCIDA (III) En un cilindro de S.E. hay que tener en cuenta la fuerza ejercida por el muelle (la fuerza opositora del muelle se incrementa a medida que el muelle se comprime) Si es normalmente dentro con retorno a por muelle F muelle resta a la teórica en la salida del cilindro F muelle es la fuerza de retorno Si es normalmente fuera, salida por muelle F muelle resta a la teórica en el retorno del cilindro F muelle es la fuerza de salida Fresorte 10 al 15% F cil 45 FUERZA EJERCIDA (IV) En un cilindro de S.E. Las tablas de las fuerzas se pueden encontrar en los catálogos Los valores mostrados a son para presión de trabajo de 6 bar Para otras presiones multiplicar por la presión y dividir por 6 Diám. cilindro mm A mas (N) a 6 bar A menos (N) muelle

24 FUERZA EJERCIDA (V) En un cilindro de D.E. Los valores a menos son menores por el área que ocupa el vástago Los valores mostrados en la tabla son para presión de trabajo de 6 bar Para otras presiones multiplicar por la presión y dividir por 6 Diám. Cil. mm Diám. Vas. mm A mas (N) a 6 bar A menos (N) a 6 bar FUERZA EJERCIDA (VI) Fuerza útil Para seleccionar un cilindro y la presión de trabajo, se debe hacer una estimación de la fuerza real que se precisa Se toma como % de la teórica que debe realizar el cilindro seleccionado En aplicaciones estáticas la fuerza se ejerce al final del movimiento (p.ej. para fijar), 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% (algo mayor en cilindros de diámetro pequeño y menor en los de mayor diámetro) En las aplicaciones dinámicas la fuerza se ejerce durante el movimiento para mover la carga (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 norma general, el esfuerzo estimado debe quedar entre el 50 y el 75% del esfuerzo teórico del cilindro escogido 48

25 FUERZA EJERCIDA (VII) La fuerza de un cilindro: depende de la presión, la sección del émbolo y del rozamiento en las juntas dinámicas C. D.E. C. S.E. Dcil π 4 π F avance [N] 4 P [ ] [ bar] mm D cil P [ ] [ bar] mm F resorte [ N] π F retorceso [N] Dcil vas d 4 P [ ] [ bar] mm F resorte [ N] 10 Cambian si es normalmente fuera Fresorte 10 al 15% F cil Frozamiento 5 al 10% Fcil F real < F teórica Freal 0,5 a 0,75 F teórica 49 POTENCIA Movimientos lineales: Potencia desarrollada: F [ Nw] v [ m / s] F [ k ] v [ m / s] = [ kw ] = f [ CV] Movimiento circular: Potencia desarrollada: M [ Nw m] v [ rpm] M [ k m] v [ rpm] = [ kw ] = f [ CV] , P [ bar ] Q [ l /min] P [ bar ] Q [ l /min] Potencia necesitada: = [ kw ] = [ CV] 61 η 450 η η = η actuador η instalación η grupo presión 50

26 CONSUMO DE AIRE DE UN CILINDRO (I) 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, etc), 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 D.E. hay que considerar las dos cámaras en cada carrera del cilindro (con sus diferentes volúmenes) En los cilindros de S.E. sólo de llena una de las cámaras (depende si el cilindros es normalmente dentro o fuera) 51 CONSUMO DE AIRE DE UN CILINDRO (II) En un cilindro de D.E. el volumen consumido por ciclo de trabajo (salida + retorno) es la suma de: En la carrera a más (salida) P manométrica En la carrera a menos (retorno) V V avance retorceso cil [ litros] = π [ mm ] Carrera [ mm] D D 4 d 4 P + P 10 cil vas [ litros] = π [ mm ] Carrera [ mm] atm 6 [ bar] P + P 10 atm 6 [ bar] Volúmenes por ciclo de trabajo 5

27 Calcular el consumo de aire por minuto en un cilindro de D.E. de dimensiones: Diámetros cilindro/vástago: 80 mm / 30 mm Carrera mm Presión 6 bar 10 ciclos por minuto 53 CONSUMO DE AIRE DE UN CILINDRO (III) En un cilindro de D.E. Consumo en litros a 6 bar por mm de carrera del cilindro Multiplicar cada valor por la carrera en mm Para presiones diferentes de 6 bar multiplicar por la presión absoluta y dividir por 7 Diám. Vás. mm mm a mas a menos ciclo

28 CONSUMO DE AIRE DE UN CILINDRO (IV) 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 en algunos casos mucho mayores C. S.E Q ciclo = Q avance + Q retroceso (litros/ciclo) D d C. D.E. π [ ] cil vas mm Carrera [ mm] P + P 4 10 cil [ mm ] Carrera [ mm] P P π D atm 6 atm 6 [ bar] [ bar] Tanto para el cálculo de la F como para el del Q hay que tener en cuenta el tipo de cilindro 55 CONSUMO DE AIRE DE UN CILINDRO (V) Siempre que el cilindro tenga que realizar el esfuerzo en un solo movimiento (avance o retroceso), interesa colocar C.S.E. ya que tiene menor consumo de aire; pero los C.S.E. son de carreras cortas Un posible esquema para convertir un C.D.E. en S.E. es el siguiente: Acumulador 1 Antiretorno 3 1 1bar Reg. presión 56

29 Dado un cilindro de doble efecto, diámetros de pistón y vástago 15 mm y 30 mm, carrera de 00 mm, presión de trabajo de 6 bar y el rendimiento del cilindro del 90%, calcular: las fuerzas de avance y retroceso consumo de aire para 150 ciclos/hora 57 Con un cilindro de doble efecto y radio de vástago de mm trabajando a 6 bar se tiene que realizar una fuerza al avance de 40 kg, y 140 kg al retroceso, suponiendo un rendimiento del 90%, calcular: el diámetro del cilindro las fuerzas máximas que puede ejercer consumo si la carrera es de 700 mm y realiza ciclos de 5 min 58

30 REGULADOR DE CAUDAL (I) Regulador de caudal regulable, uni-direccional, montado en línea Caudal libre en una dirección En la dirección opuesta caudal restringido y regulable 59 REGULADOR DE CAUDAL (II) Regulador de caudal regulable, uni-direccional, montado en línea Caudal libre en una dirección En la dirección opuesta caudal restringido y regulable Diseño para ir montado directamente sobre la cabeza del cilindro Versiones alimentación y descarga 60

31 CONTROL DE VELOCIDAD (I) La velocidad natural máxima de un cilindro viene determinada por: la dimensión del cilindro la dimensión de las conexiones la entrada y escape de la válvula la presión de aire el diámetro y la longitud de las tuberías la carga que está actuando el cilindro 61 CONTROL DE VELOCIDAD (II) La velocidad natural del cilindro se puede incrementar o reducir Normalmente una válvula menor reduce la velocidad Una válvula mayor suele incrementar la velocidad La dimensión de las conexiones limita la velocidad conexión no restringida conexión restringida 6

32 CONTROL DE VELOCIDAD (III) En un cilindro de S.E. Se regula la velocidad de retorno del cilindro s/e A menos 1 Ver el efecto del regulador conexionado al revés A más CONTROL DE VELOCIDAD (IV) En un cilindro de S.E. Regula la velocidad del cilindro en ambos sentidos A menos 1 1 La velocidad en ambos sentidos puede ser diferente A más

33 CONTROL DE VELOCIDAD (V) En un cilindro de D.E. Seleccionados el cilindro, la presión, la carga y la válvula, el control de la velocidad se ajusta con reguladores de caudal La velocidad se regula controlando el caudal de aire hacia los escapes El regulador de la cabeza anterior controla la velocidad del cilindro a mas y el de la cabeza posterior la velocidad del cilindro a menos A menos A más 65 CONTROL DE VELOCIDAD (VI) Aumento de la velocidad en un cilindro de D.E. En algunas aplicaciones la velocidad se puede incrementar en un 50% utilizando válvulas de escape rápido Cuando actúa, el aire de escape del cilindro pasa directamente al escape a través del la válvula de escape rápido La amortiguación será menos efectiva 66

34 CONTROL DE VELOCIDAD (VII) Válvula de escape rápido El aire fluye desde la válvula de control hacia el cilindro a través de una junta de labios 1 Cuando se actúa sobre la válvula de control la caída de la presión en la válvula permite a la junta de labios cambiar su posición y conectar directamente con el exterior 1 El aire del cilindro escapa hacia el exterior rápidamente a través del silenciador 1 67 CONTROL DE VELOCIDAD (VIII) Gráfico Velocidad /Presión en un cilindro de D.E. Curva característica de presión velocidad durante la carrera de salida de un cilindro típico con amortiguación y reguladores de caudal 10 bar Diferencial para mantener la velocidad contra carga y fricción V (m/s) 1.0 P1 P Carga 8 P P Velocidad empieza movimiento Tiempo 0 cambio válvula final movimiento 68

35 CONTROL DE VELOCIDAD (IX) Guía velocidad cilindros V (mm/s),000 Sin vástago 1,800 1,600 A modo de guía, el gráfico muestra la velocidad máxima que alcanzan los cilindros en combinación de los Cv típicos de las válvulas, y del tanto por ciento de carga 1,400 1,00 1, Cilindros con vástago Cv 0,4 y 5 Ø Cv 1,0 y 3 Ø Cv 4,0 y 80 Ø Cv 0,4 y 50 Ø Cv 0,35 y 5 Ø Cv 6,0 y 50 Ø Carga % 69 CONTROL DE VELOCIDAD (X) Tiempo de respuesta Tiempo aproximado de un ciclo Valores para válvula y cilindro Tabla de tiempos orientativos para cilindros D.E. 150 mm de carrera Un ciclo de ida y vuelta Válvula 5/ bobina - muelle 6 bar de presión de suministro 1m de tubo entre válvula y cilindro Sin carga en el vástago Diámetro (mm) Tamaño válvula Cv Tiempo (ms) 0 1/8 0, /8 0, / /4 1, / 3, / 3, , ,

36 JUNTAS (I) Juntas que presenta un cilindro D.E. con amortiguación neumática Junta del émbolo Aro guía Junta rascadora Junta del tornillo de amortiguación Junta del amortiguación Junta de la camisa 71 JUNTAS (II) Las juntas estandar son adecuadas para un funcionamiento contínuo en un rango de + ºC hasta + 80ºC Temperaturas más altas hacen las juntas más blandas, por lo que se gastan antes y producen mayor fricción Temperaturas más bajas endurezen las juntas, lo que las hace más quebradizas y tienden a resquebrajarse y romperse por lo que aparecen fugas Para aplicaciones con alta temperatura con un funcionamiento continuo en ambientes de hasta 150ºC, los cilindros han de solicitarse con juntas de Viton 7

37 JUNTAS (III) Junta del émbolo (I) Junta del émbolo Tórica Si es tórica, va suelta en una ranura del émbolo, con el diámetro exterior en contacto con el agujero Cuando se aplica presión la junta tórica se deforma hacia un lado y hacia arriba para estanqueizar el espacio entre el diámetro exterior del pistón y la camisa 73 JUNTAS (IV) Junta del émbolo (II) Junta del émbolo De labios Las de labios se utilizan en cilindros de tamaño medio y grande Cierra solo en una dirección Una para cilindro simple efecto Dos para cilindro doble efecto Esfuerzo radial bajo para reducir el efecto de la fricción estática (favorecer el arranque) Alta adaptación 74

38 JUNTAS (V) Junta del émbolo (III) Junta del émbolo Z Las de Z se emplean para sellar pistones de cilindros de diámetro pequeño La forma en Z actúa como si fuera un ligero resorte radial proporcionando esfuerzo radial bajo y alta adaptación Cierra en ambas direcciones Ocupan menos espacio 75 JUNTAS (VI) Aro guía Aro guía Es una tira abierta colocada alrededor del pistón Está hecho 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 Protege la camisa de muescas que puede hacer el pistón 76

39 JUNTAS (VII) Juntas de cierre de la camisa Son tóricas, y al ser estáticas han de ser ajustadas en el agujero que ocupan Junta de cierre de camisa Colocadas en la camisa roscada y entre camisa y culata Junta de cierre de camisa 77 JUNTAS (VIII) Juntas rascadoras (I) Una parte de la junta tiene dos funciones: estanqueizar limpiar El otro lado de la junta hace un ajuste a presión adecuado para el alojamiento del cojinete Junta rascadora La acción limpiadora evita que las partículas abrasivas entren dentro cuando el vástago entra Las hay especiales para ambientes agresivos 78

40 JUNTAS (IX) Juntas rascadoras (II) El Fuelle Protector es una alternativa a juntas limpiadoras especiales Hay que especificarlo al demandar el cilindro, ya que requiere alargar el vástago Es una solución ideal cuando el vástago puede desgastarse o arañarse por objetos externos Fuelle protector 79 JUNTAS (X) Juntas de amortiguación Junta de amortiguación Estas juntas tienen dos funciones: junta válvula antiretorno Cierran por la parte interior del diámetro cuando ha de haber amortiguación El aire circula libre por el lado externo y penetra al otro lado cuando el pistón hace la carrera de avance 80

41 AMORTIGUACION (I) La amortiguación protege el cilindro y la carga absorbiendo la energía cinética al final de la carrera. Esto se traduce en una progresiva deceleración y un contacto leve entre el pistón y la cabeza del cilindro Hay dos variantes: Amortiguación fija, para cilindros pequeños y de baja carga, consiste en un muelle interior al final de la carrera del cilindro Amortiguación neumática, para cilindros mas grandes; se disponen en aproximadamente los últimos cm de la carrera 81 AMORTIGUACION (II) Amortiguación regulable (I) El pistón se mueve con velocidad hacia la izquierda El aire se escapa a través del interior de la junta de amortiguación Junta de amortiguación 8

42 AMORTIGUACION (III) Amortiguación regulable (II) La junta de amortiguación se desplaza hacia la izda empujada por el casquillo de amortiguación cerrando el paso del aire a través de ellaón El aire solo puede salir a través del tornillo de amortiguación. La presión crece y amortigua al pistón. El ajuste del tornillo regula la amortiguación Tornillo de ajuste 83 AMORTIGUACION (IV) Amortiguación regulable (III) El sistema está diseñado para que el golpe del pistón, vástago y carga con la cabeza del cilindro sea suave 84

43 AMORTIGUACION (V) Amortiguación regulable (IV) La válvula se ha actuado para hacer ir el cilindro a mas La junta de amortiguación se desplaza hacia la derecha. El aire puede atacar a todo el diámetro del pistón 85 AMORTIGUACION (VI) Amortiguación regulable (V) El pistón se mueve hacia la derecha sin ningún tipo de restricción 86

44 AMORTIGUACION (VII) Amortiguación regulable (V) Inicia la salida casi sin restricción ( la válvula antiretorno está abierta) Sale sin restricción ( la vál. ant. está abierta) Inicia el retorno casi sin restricción (la válvula antiretorno está cerrada) Al final del retorno aparece la restricción Vál. antiretorno 87 AMORTIGUACION (VIII) Amortiguadores Para desacelerar suavemente cargas muy pesadas y velocidades altas Complementa o reemplaza el interior del cilindro al amortiguar Modelos autocompensados no regulables Modelos regulables, en dos tamaños Autocompensados 0.9 a 10 kg.3 a 5 kg 9 a 136 kg 105 a kg Regulables 5 a 450 kg 10 a 810 kg 88

45 AMORTIGUACION (IX) Amortiguadores autocompensados El principio de operación se basa en una restricción progresiva del caudal Inicialmente el pistón se empuja fácilmente. El aceite se desplaza a través de varios orificios métricos A medida que la carrera avanza se dispone cada vez de menos de orificios métricos 89 AMORTIGUACION (X) Amortiguadores regulables Acumulador interno que contiene una celda cerrada de espuma de elastómero para reserva de desplazamiento de fluido El tamaño de los orificios se puede regular actuando sobre una tuerca; esto permite una deceleración precisa para alcanzar un amplio rango de masas y velocidades características 90

46 AMORTIGUACION (XI) Amortiguadores regulables La masa equivalente se calcula usando la fórmula: m = e W v 3 Donde: m e = masa equivalente (kg) v = velocidad (m/s) W 3 = energía total, W 1 + W (Nm) o W 1 = energía cinética = ½ m.v (Nm) o W = energía asociada a la fuerza = F.s (Nm) m = masa (kg) F = fuerza de impulso (N) s = carrera del amortiguador (m) 91 Masa de 10 kg fuerza de 100 N, contactará con el amortiguador a una velocidad de 1 m/s. La carrera del amortiguador autocompensado es de 0,05 m nominales 9

47 FIJACIONES Para no dañar el cilindro, hay que asegurar que los esfuerzos son totalmente axiales Por pies Por brida anterior Por brida anterior oscilante Por rosca Por brida posterior Por brida posterior oscilante Por brida central oscilante 93 PANDEO DEL VASTAGO (I) Algunas aplicaciones requieren carreras de cilindros muy largas 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: F pandeo π = E [ kg/ cm ] L p I Donde: F p = Fuerza de pandeo (carga límite) E = Módulo de elasticidad del material de la barra (kg/cm ) I = Momento de inercia de la barra l p = Longitud de pandeo de la barra 94

48 PANDEO DEL VASTAGO (II) La longitud de pandeo de la barra comprimida depende de la instalación Extremo libre Articulación de la longitud real de la disposición de sus extremos (articulados, empotrados o libres) 1 Para una columna delgada, fija por un extremo y con el otro extremo libre (caso Euler 1) l P = l 3 l 1 Para una columna delgada articulada por ambos extremos (caso Euler ), la longitud libre de pandeo l P es la misma que la longitud l entre articulaciones. l P = l Empotramiento l P = l Articulación 95 PANDEO DEL VASTAGO (III) l 1, y 3: un vástago gastado con cojinete permitirá un pandeo inicial si el vástago está articulado Asumir l P = l (caso Euler ) 1 3 l l 4 l 4, 5 y 6: el extremo del vástago está libre lateralmente 5 l Asumir l P = l (caso Euler 1) 6 l l 7: caso especial. l P < l 8: caso especial. l P < 1,5 l 7 8 l 96

49 PANDEO DEL VASTAGO (IV) Tabla guía para la máx. Lon. de carrera en mm El factor de seguridad s = 5 por la carga del cilindro, da la fuerza de pandeo admisible a una presión determinada Cilindro Bar casos 1,,3 casos 4,5,6 caso 7 caso Cilindro Bar casos 1,,3 casos 4,5,6 caso 7 caso NORMAS (I) La ISO 6431 y la ISO 643 estandarizan las dimensiones de la instalación de un tipo de cilindros y sus fijaciones. Sin embargo las fijaciones de un fabricante pueden no coincidir con el cilindro de otro La VDMA 456 es una modificación de las arriba indicadas que incluye más dimensiones, en particular las del vástago y las medidas para las fijaciones que se adaptan a él La ISO 6009 estandariza la nomenclatura a utilizar para las dimensiones en las hojas técnicas de los fabricantes Existen fijaciones adicionales fuera del ámbito de esta norma Existen muchos tipos de diseño de cilindros no cubiertos por las restricciones en medidas de las normas Estos cilindros incorporan las últimas innovaciones en técnicas constructivas para proporcionar diseños limpios y compactos y medidas más pequeñas 98

50 NORMAS (II) Las ventajas de la estandarización son: Fácil sustitución de componentes Menores precios de los componentes La principal ventaja de los elementos no normalizados es el ajuste de consumo, presión, dimensiones, etc, a las necesidades de la máquina, esto produce: Menores costes de funcionamiento (menos gasto de aire) Menores dimensiones de las máquinas 99

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