1 Ingeniería Eléctrica y Energética
Máquinas y Motores Térmicos Departamento:
Area:
CARLOS J RENEDOrenedoc@unican.es Despachos: ETSN 236 / ETSIIT S-3 28 http://personales.unican.es/renedoc/index.htm Tlfn: ETSN 942 20 13 44 / ETSIIT 942 20 13 82
N. T12.- 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
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T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
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
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“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
INTRODUCCION (I)
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
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
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
5 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)
CONSTRUCCION BÁSICA (I)
Camisa Tapa trasera Tapa delantera Pistón Vástago Juntas est. E/S aire delantera
E/S aire trasera Juntas din.
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T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
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 Junta rascadora Vástago Tapa delantera Tapa trasera Aro guía Tornillo amortig. Junta pistón Conexión delantera Conexión
7 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
oSin amortiguación y amortiguación fija
oAmortiguación regulable
oImán
• Sin vástago
• Compactos
• Elásticos
CONSTRUCCION BÁSICA (III)
Par y r.p.m. Accionamiento mecanismos rotativos
Motor neumático
Par y ángulo de giro Trabajo angular Actuador de Giro Fuerza y carrera Trabajo rectilíneo Cilindro Parámetro Básico Función Actuador De giro Motores
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)
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
CILINDROS DE SIMPLE EFECTO (S.E.) (I)Max. carreras de 100 mm N. Fuera
N. Dentro
9 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)
CILINDROS DE SIMPLE EFECTO (S.E.) (II)
Para que el cilindro pueda volver a su posición de reposo se requiere que el aire de la cámara pueda ir a escape
3
12 10
1 2 Cto de mando de un C.S.E.
10
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
CILINDROS DE SIMPLE EFECTO (S.E.) (III)
Sin Muelle: la gravedad o otra
fuerza externa hace recuperar al vástago su posición inicial
11 CILINDROS DE SIMPLE EFECTO (S.E.) (IV)
2 1 3 12 10 3 12 10 1 2 Cto de mando a distancia de un C.S.E.
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
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
13 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. delantera Amort. trasera
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T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
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. delantera Amort. Reg. trasera
15 CILINDROS DE DOBLE EFECTO (D.E.) (IV)
2 4 1 5 3 14 12 2 1 3 12 10 2 1 3 12 10
Cto de mando a distancia de un C.D.E. válvula 5/2 y dos válvulas 3/2
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
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 5/2, y 2 válvulas 3/2 (pulsador y final de carrera)
2 4 1 5 3 14 12 2 1 3 12 10 2 1 3 12 10
A+
A+
On-Off
17 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
2 4 1 5 3 14 12 2 1 3 12 10
A+
1.4
A-2 1 3 12 10A+
2 1 3 12 10A-On-Off
18T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
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
Los hay de arrastre magnético por medio de imanes (en el vástago y exterior)
19 CILINDROS SIN VASTAGO (II)
• Doble efecto • Con Guía
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
• Doble efecto amort. regulable
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
CILINDROS SIN VASTAGO (III)• Con arrastre magnético
21 CILINDROS CON DOBLE VASTAGO
Impide el giro del cilindro
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T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
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
23 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 25% 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
CILINDROS ELÁSTICOS Y MÚSCULOS NEUMATICOS (II)
• Simple lóbulo
• Doble lóbulo
• Triple lóbulo, …
25 CILINDROS DE MEMBRANA
Son de carreras cortas, no mantienen una alineación perfecta • S.E. Vástago retraído • D.E.
Membrana elástica
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T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
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Proporcionan el doble de la fuerza
Las dos entradas/salidas están internamente conexionadas
Carrera corta para la longitud del cilindro CILINDROS TANDEM
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
CILINDROS DE IMPACTODeben estar diseñados para soportar el fuerte impacto que se produce en la cámara delantera Movimiento lento Movimiento rápido Poca área Poca fuerza Mucho área Mucha fuerza
29 CILINDROS TELESCOPICOS
Proporcionan grandes carreras en relación con la longitud del cilindro
No se controla la posición de salida intermedia
30
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
CILINDROS DE VASTAGO HUECO
31 CILINDROS MULTIPOSICIONALES (4 Pos.)
C1-, C1+, C2-C1-, C2+
C1+, C2+ Sin control de posición
3 12 2 A- A+ 1 4 14
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
ACTUADORES ROTATIVOS (I)Utilizados para girar componentes, actuar válvulas de control de procesos, y giros en aplicaciones de robótica
Proporcionan un giro limitado
33 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
34
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
ACTUADORES ROTATIVOS (III)
Utilizados para girar componentes, actuar válvulas de control de procesos, y giros en aplicaciones de robótica
Proporcionan un giro limitado
35 PINZAS NEUMATICAS
Agarran piezas
Su movimiento se realiza por acción de un cilindro interior que acciona un brazo articulado
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
DETECTORES MAGNETICOSEl 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
37 2 1 F F = Equilibrio A F p = p1A1=p2 A2 2 1 1 2 A A p p = 2 1 1 2 p p A A =
MULTIPLICADOR DE PRESION (I)
A1 A2 p1 p2 F1 F2 A2 A1 38
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
Posible problema de sobre presiones si se obstruye la tubería delantera
(max) p A A p p 1 2 1 1 2 = >
MULTIPLICADOR DE PRESION (II)
A1
A2
A1 A2
p1 p
39 Transforman la energía del aire comprimido en energía mecánica de rotación
De paletas: 3.000 a 9.000 rpm, hasta 20 CV
c = nº de cámaras n = r.p.m.
P1= presión relativa actuante (kg/cm2)
Pot = Potencia (CV) QN= Caudal normal r = radio (mm)
S = Superficie máx de la paleta (cm2)
V1= volumen de la cámara máxima (cm3)
v = velocidad (m/s) 75 1000 60 r n 2 S P r w S P v F t e F t Trabajo Pot 1 1 1 1 π = = = = = r S P r F Par= = 1 1 ) 1 P ( n c V QN= 1 1+
MOTORES NEUMATICOS (I)
40
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
De engranajes: baratos y de reducido rendimiento, hasta 60 CV
2 z b m 25 , 2 P 2 z m S P r S P Par 2 1 1 1 1 1 = = = ) 1 P ( n z V 2 QN = 1 1+
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
P1= presión relativa actuante (kg/cm2)
Pot = Potencia (CV) r = radio (mm)
V1= volumen de la cámara máxima
75 1000 60 n z b m 25 , 2 P n 2 Par w Par t Trabajo Pot 2 1 π = π = = =
41 De pistones: hasta 4.000 rpm y 30 CV ) r r ( S P r F r F Par= 1 1+ 2 2 = 1+ 2 ) 1 P ( n Z c S QN= 1+
S = sección del pistón (mm) c = carrera (mm)
n = r.p.m.
Z = nº de pistones del motor
α = α α = sen2 2 r S P sen cos r S P Par
Turbinas: similar a un compresor centrífugo, de 200.000 a 500.000 rpm
Radial
Axial
MOTORES NEUMATICOS (III)
42
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
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 D
[ ]
[
]
[
]
10 bar P mm 4 d D N F 2 2 vas 2 cil retorceso − π =[ ]
[
]
[
]
10 bar P mm 4 D N F 2 2 cil avance =π 2 2 6 2 2 5 2 5 5 mm N 1 , 0 mm 10 m m N 10 m N 10 Pa 10 bar 1 = = = = P manométrica43 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
2d d Si se dobla el diámetro se cuadriplicará la fuerza = d d d
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
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 20 mm a una presión de trabajo de 8 bar
45
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
• Fmuelleresta a la teórica en la salida del cilindro
• Fmuellees la fuerza de retorno
• Si es normalmente fuera, salida por muelle
• Fmuelleresta a la teórica en el retorno del cilindro
• Fmuellees la fuerza de salida
FUERZA EJERCIDA (III)
cil resorte 10al15%F
F ≈
46
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
FUERZA EJERCIDA (IV)
• 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 10 37 3 12 59 4 16 105 7 20 165 14 25 258 23 32 438 27 40 699 39 50 1.102 48 63 1.760 67 80 2.892 86 100 4.583 99 En un cilindro de S.E.
47 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 8 3 30 25 10 4 47 39 12 6 67 50 16 6 120 103 20 8 188 158 25 10 294 246 32 12 482 414 40 16 753 633 50 20 1.178 989 63 20 1.870 1.681 80 25 3.015 2.721 100 25 4.712 4.418 125 32 7.363 6.881 160 40 12.063 11.309 200 40 18.849 18.095 250 50 29.452 28.274 320 63 48.254 46.384
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
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
49 La fuerza de un cilindro: depende de la presión, la sección del émbolo y del
rozamiento en las juntas dinámicas
Fretorceso[N] Favance[N] C. S.E. C. D.E. teórica real F F < cil resorte 10al15%F F ≈ Frozamiento ≈5al10%Fcil
FUERZA EJERCIDA (VII)
[
]
[
]
10 bar P mm 4 d D 2 2 vas 2 cil − π[
]
[
]
10 bar P mm 4 D 2 2 cil π[ ]
N Fresorte[
]
[
]
F[ ]
N 10 bar P mm 4 D resorte 2 2 cil − π Cambian si es normalmente fuera teórica real 0,5a0,75F F ≈ 50T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
Potencia desarrollada: [ ] 000 . 1 ] / [ ] [ kW s m v Nw F = [ ] 75 ] / [ ] [ CV s m v k F f = Movimiento circular: ] [ 550 . 9 ] [ ] [ kW rpm v m Nw M = [ ] 2 , 716 ] [ ] [ CV rpm v m k M f = Movimientos lineales: Potencia desarrollada: Potencia necesitada: [ ] 612 min] / [ ] [ kW l Q bar P η = [ ] 450 min] / [ ] [ CV l Q bar P η = presión grupo n instalació actuador η η η η = POTENCIA51 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)
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
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)
En la carrera a menos (retorno)
[
]
[
2]
[
]
atm6[
]
2 vas 2 cil retorceso 10 bar P P mm Carrera mm 4 d D litros V = π − +[
]
[
2]
[
]
atm6[
]
2 cil avance 10 bar P P mm Carrera mm 4 D litros V =π + P manométrica53 Calcular el consumo de aire por minuto en un cilindro de D.E. de dimensiones:
– Diámetros cilindro/vástago: 80 mm / 30 mm – Carrera 1.000 mm
– Presión 6 bar – 10 ciclos por minuto
54
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
CONSUMO DE AIRE DE UN CILINDRO (III)
En un cilindro de D.E.
• Multiplicar cada valor por la carrera en mm
• Para presiones diferentes de 6 bar multiplicar por la presión absoluta y dividir por 7
Consumo en litros a 6 bar por mm de carrera del cilindro Diám.
mm
Vás.
mm a mas a menos ciclo
10 4 0.00054 0.00046 0.00100 12 6 0.00079 0.00065 0.00144 16 6 0.00141 0.00121 0.00262 20 8 0.00220 0.00185 0.00405 25 10 0.00344 0.00289 0.00633 32 12 0.00563 0.00484 0.01047 40 16 0.00880 0.00739 0.01619 50 20 0.01374 0.01155 0.02529 63 20 0.02182 0.01962 0.04144 80 25 0.03519 0.03175 0.06694 100 25 0.05498 0.05154 0.10652 125 32 0.0859 0.08027 0.16617 160 40 0.14074 0.13195 0.27269 200 40 0.21991 0.21112 0.43103 250 50 0.34361 0.32987 0.67348
55 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
Tanto para el cálculo de la F como para el del Q hay que tener en cuenta el tipo de cilindro …
Qciclo= Qavance+ Qretroceso(litros/ciclo)
C. S.E C. D.E.
[
]
[ ] 6[ ] atm 2 2 vas 2 cil 10 bar P P mm Carrera mm 4 d D 2 − + π[
]
[ ] 6[ ] atm 2 2 cil 10 bar P P mm Carrera mm 4 D + πT 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
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
2
1 3 12
Un posible esquema para “convertir” un C.D.E. en S.E. es el siguiente:
1bar Acumulador
Antiretorno
57 Dado un cilindro de doble efecto, diámetros de pistón y vástago 125 mm y 30 mm, carrera de 200 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
58
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
Con un cilindro de doble efecto y radio de vástago de 22 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
59 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
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
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
61 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
62
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
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 restringida conexión no restringida
63 CONTROL DE VELOCIDAD (III)
En un cilindro de S.E.
• Se regula la velocidad de retorno del cilindro s/e
1 2 3 12 10 1 2
Ver el efecto del regulador conexionado al revés
A menos
A más
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
CONTROL DE VELOCIDAD (IV)En un cilindro de S.E.
• Regula la velocidad del cilindro en ambos sentidos 1 2 3 12 10 1 2 2 1
La velocidad en ambos sentidos puede ser diferente
A menos
65 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
A menos
A más • 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”
66
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
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
67 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
• 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
• El aire del cilindro escapa hacia el exterior rápidamente a través del silenciador 1 2 1 2 1 2
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
CONTROL DE VELOCIDAD (VIII)Gráfico Velocidad /Presión en un cilindro de D.E.
Carga
Curva característica de presión velocidad durante la carrera de salida de un cilindro típico con amortiguación y reguladores de caudal
0 0 2 4 6 8 10 Tiempo V (m/s) bar 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0 empieza movimiento final movimiento Velocidad P1 P2
Diferencial para mantener la velocidad contra carga y fricción
69 CONTROL DE VELOCIDAD (IX)
Guía velocidad cilindros
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
Cv 0,4 y 25 Ø Cv 1,0 y 32 Ø Cv 4,0 y 80 Ø Cilindros con vástago
Cv 0,4 y 50 Ø Cv 0,35 y 25 Ø Cv 6,0 y 250 Ø 0 10 Carga % 30 50 80 100 0 200 400 600 800 1,000 1,200 1,400 1,600 1,800 2,000 Sin vástago V (mm/s) 70
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
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 5/2 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) 20 1/8 0,3 225 50 1/8 0,4 700 63 1/4 1.0 525 100 1/4 1,0 1.100 160 1/2 3,5 950 200 1/2 3,5 1.560 200 1 7,8 650 320 1 7,8 1.280
71 JUNTAS (I)
Juntas que presenta un cilindro D.E. con amortiguación neumática
Junta rascadora
Junta de la camisa Aro guía
Junta del émbolo
Junta del amortiguación Junta del tornillo
de amortiguación
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
JUNTAS (II)Las juntas estandar son adecuadas para un funcionamiento contínuo en un rango de + 2ºC 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”
73 JUNTAS (III)
Junta del émbolo (I)
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
Junta del émbolo Tórica
74
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
JUNTAS (IV)
Junta del émbolo (II)
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
Junta del émbolo De labios
75 JUNTAS (V)
Junta del émbolo (III)
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
Junta del émbolo Z
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
JUNTAS (VI)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
77 JUNTAS (VII)
Juntas de cierre de la camisa
Son tóricas, y al ser estáticas han de ser ajustadas en el agujero que ocupan
Colocadas en la camisa roscada y entre camisa y culata
Junta de cierre de camisa Junta de cierre de camisa 78
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
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
La acción limpiadora evita que las partículas abrasivas entren dentro cuando el vástago entra
Las hay especiales para ambientes agresivos
79 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
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
JUNTAS (X)Juntas 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
Junta de amortiguación
81 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 2 cm de la carrera
82
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
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
83 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
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
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
85 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
86
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
AMORTIGUACION (VI)
Amortiguación regulable (V)
87 AMORTIGUACION (VII)
Amortiguación regulable (V)
Inicia la salida casi sin restricción ( la válvula antiretorno está abierta)
Inicia el retorno casi sin restricción (la válvula antiretorno está cerrada)
Al final del retorno aparece la restricción
Sale sin restricción ( la vál. ant. está abierta)
Vál. antiretorno
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
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
0.9 a 10 kg 2.3 a 25 kg 9 a 136 kg 105 a 1.130 kg Regulables 5 a 450 kg 10 a 810 kg Autocompensados
89 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
90
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
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
91 AMORTIGUACION (XI)
Amortiguadores regulables
La masa equivalente se calcula usando la fórmula:
Donde:
me= masa equivalente (kg) v = velocidad (m/s)
W3= energía total, W1+ W2 (Nm)
o W1= energía cinética = ½ m.v2(Nm)
o W2= energía asociada a la fuerza = F.s (Nm)
− m = masa (kg)
− F = fuerza de impulso (N)
− s = carrera del amortiguador (m)
2 3 e v W 2 m =
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
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 0,025 m nominales
93 FIJACIONES
Para no dañar el cilindro, hay que asegurar que los esfuerzos son totalmente axiales
Por pies
Por rosca
Por brida anterior
Por brida posterior
Por brida anterior oscilante
Por brida posterior oscilante
Por brida central oscilante
94
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
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:
Donde:
Fp= Fuerza de pandeo (carga límite)
E = Módulo de elasticidad del material de la barra (kg/cm2)
I = Momento de inercia de la barra lp = Longitud de pandeo de la barra
[
]
2 p 2 2 pandeo L I cm / kg E F = π95 PANDEO DEL VASTAGO (II)
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) lP= 2l
Para una columna delgada articulada por ambos extremos (caso Euler 2), la longitud libre de pandeo lP es la misma que la longitud l entre articulaciones.
1 l 1 Articulación Articulación
l
P= l
3 2 Extremo libre Empotramiento lP = 2lT 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
PANDEO DEL VASTAGO (III)1, 2 y 3: un vástago gastado con cojinete permitirá un pandeo inicial si el vástago está articulado
Asumir lP = l (caso Euler 2)
l l 5 1 3 2 4 6 7 8 l l l l l l
4, 5 y 6: el extremo del vástago está libre lateralmente
Asumir lP= 2l (caso Euler 1)
7: caso especial. lP < 2l
97 PANDEO DEL VASTAGO (IV)
Tabla guía para la máx. Lon. de carrera en mm
8032 2 1.000 450 960 1.100 6 860 390 530 610 10 650 290 390 450 16 500 210 290 340 8040 2 1.200 500 1.370 1.580 6 1.200 500 760 880 10 950 430 570 660 16 730 320 430 500 casos 4,5,6 caso 7 Cilindro Bar casos
1,2,3 caso 8 16 2 8050 26 1.300 4501.300 450 1.740 1.990960 1.110 10 1.100 450 720 840 920 410 550 640 8063 2 1.300 500 1.360 1.550 6 1.200 500 750 860 10 920 410 560 640 16 700 300 420 490 8080 2 1.600 600 1.680 1.930 6 1.500 600 920 1.060 10 1.100 510 690 800 16 880 380 520 600 8100 1.500 600 1.320 1.500 6 1.010 530 710 810 10 890 380 520 600 16 670 280 390 450 casos 4,5,6 caso 7 Cilindro Bar casos
1,2,3
caso 8
El factor de seguridad “s” = 5 por la carga del cilindro, da la fuerza de pandeo admisible a una presión determinada
98 NORMAS (I)
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
La ISO 6431 y la ISO 6432 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 24562 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
99 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
