III Actuadores Neumáticos

Neumática e Hidráulica
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
Departamento:
Area:
Ingeniería Eléctrica y Energética
Máquinas y Motores Térmicos
CARLOS J RENEDO renedoc@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
1
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
2
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
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
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
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
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
CONSTRUCCION BÁSICA (I)
Las partes del cilindro son:
Juntas de estanqueidad (estáticas y dinámicas
Camisa
Tapa trasera
Pistón
Vástago
Tapa delantera
Entrada/salida de aire trasera
Entrada/salida de aire delantera, (D.Efec.)
Resorte para el retroceso, (S.Efec)
Pistón
Juntas din.
Camisa
Tapa delantera
Vástago
Juntas est.
Tapa trasera
E/S aire trasera
E/S aire delantera
5
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
CONSTRUCCION BÁSICA (II)
Las partes del cilindro son:
Juntas de estanqueidad (estáticas y dinámicas)
Camisa
Tapa trasera
Pistón
Vástago
Tapa delantera
Entrada/salida de aire trasera
Entrada/salida de aire delantera, (D.Efec.)
Resorte para el retroceso, (S.Efec)
Vástago
Camisa
Aro guía
Junta pistón
Junta rascadora
Tapa trasera
Tapa delantera
Conexión
trasera
Conexión
delantera
Tornillo amortig.
Tornillo amortig.
6
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
CONSTRUCCION BÁSICA (III)
Se dispone de una amplia variedad de actuadores neumáticos en cuanto a
dimensiones y tipos, incluyendo:
De giro
Cilindros
• Simple efecto con o sin muelle
• Doble efecto
o Sin amortiguación y amortiguación fija
o Amortiguación regulable
o Imán
• Sin vástago
• Compactos
• Elásticos
Actuador
Función
Motores
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
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
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)
Consumen poco aire
Max. carreras de 100 mm
N. Fuera
N. Dentro
8
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
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.
2
12
3
10
1
9
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
N. Fuera
N. Dentro
10
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
CILINDROS DE SIMPLE EFECTO (S.E.) (IV)
Cto de mando a distancia de un C.S.E.
2
12
2
12
3
3
10
1
10
1
11
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
Amortiguación regulable
12
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
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
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. trasera
Amort. Reg. delantera
14
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
CILINDROS DE DOBLE EFECTO (D.E.) (IV)
Cto de mando a distancia de un C.D.E.
válvula 5/2 y dos válvulas 3/2
4
2
14
2
12
3
12
1
10
5
3
10
2
12
1
1
3
15
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)
4
14
2
12
10
A+
2
12
1
5
3
10
2
12
On-Off
3
1
1
A+
3
16
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
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
4
2
On-Off
12
A-
3
12
3
1
2
10
A-
2
14
12
1.4
5
1
3
10
A+
2
1
12
A+
3
10
1
17
T 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
Estos cilindros tienen problemas de fugas de aire
Los hay de arrastre magnético por medio de imanes (en el vástago y
exterior)
18
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
CILINDROS SIN VASTAGO (II)
• Doble efecto
• Con Guía
• 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
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
CILINDROS SIN VASTAGO (III)
• Con arrastre magnético
No presentan fugas
20
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
CILINDROS CON DOBLE VASTAGO
Impide el giro del cilindro
21
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
S.E. Vástago retraído
D.E. Doble vástago
22
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
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
23
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
CILINDROS ELÁSTICOS Y MÚSCULOS NEUMATICOS (II)
• Simple lóbulo
• Doble lóbulo
• Triple lóbulo, …
24
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
CILINDROS DE MEMBRANA
Son de carreras cortas, no mantienen una alineación perfecta
• S.E. Vástago retraído
• D.E.
Membrana elástica
25
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
CILINDROS DE DOBLE VÁSTAGO
26
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
CILINDROS TANDEM
Proporcionan el doble de la fuerza
Las dos entradas/salidas están
internamente conexionadas
Carrera corta para la longitud del cilindro
27
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
CILINDROS DE IMPACTO
Deben estar diseñados para soportar el fuerte impacto que se produce
en la cámara delantera
Movimiento lento
Poca área
Poca fuerza
Movimiento rápido
Mucho área
Mucha fuerza
28
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
CILINDROS TELESCOPICOS
Proporcionan grandes carreras en relación con la longitud del cilindro
No se controla la posición
de salida intermedia
29
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
CILINDROS DE VASTAGO HUECO
Para paso de cables, técnicas de vacío, …
30
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
CILINDROS MULTIPOSICIONALES (4 Pos.)
C1-, C2C1+, C2-
2
4
12
14
C1-, C2+
A+
A3
C1+, C2+
1
Sin control de posición
31
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
• De paleta, D.E con ángulo de giro de 270º
32
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
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
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
• D.E. piñón y cremallera (doble par)
34
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
PINZAS NEUMATICAS
Agarran piezas
Su movimiento se realiza por acción de un
cilindro interior que acciona un brazo articulado
35
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
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
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
MULTIPLICADOR DE PRESION (I)
A1
A2
F2
F1
A1
p1
p=
F
A
F1 = F2
A2
p2
p 2 = p1
p1 A 1 = p 2 A 2
A1
A2
A 2 = A1
Equilibrio
p1
p2
37
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
MULTIPLICADOR DE PRESION (II)
A2
A1
A1
p1
A2
p2
Posible problema de sobre presiones
si se obstruye la tubería delantera
p 2 = p1
A1
> p1 (max)
A2
38
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
MOTORES NEUMATICOS (I)
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)
Par = F r = P1 S1 r
QN = V1 c n (P1 + 1)
Pot =
P S 2π nr
Trabajo F e
=
= F v = P1 S1 w r = 1 1
t
t
60 1000 75
39
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
MOTORES NEUMATICOS (II)
De engranajes: baratos y de reducido rendimiento, hasta 60 CV
Par = P1 S1 r = P1 S1
m z P1 2,25 m2 b z
=
2
2
QN = 2 V1 z n (P1 + 1)
Pot =
Trabajo
P 2,25 m2 b z π n
= Par w = Par 2 π n = 1
t
60 1000 75
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
40
w = velocidad angular (rad)
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
MOTORES NEUMATICOS (III)
De pistones: hasta 4.000 rpm y 30 CV
Par = F1 r1 + F2 r2 = P S (r1 + r2 )
QN = S c Z n (P1 + 1)
Radial
PS r
Par = P S r cos α senα =
sen2α
2
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 200.000 a 500.000 rpm
41
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”
2
Favance
[N] = π Dcil mm 2 P [bar ]
4
10
[
]
D
P manométrica
2
Fretorceso [N] = π
d
1 bar = 10 5 Pa = 105
2
P [bar ]
Dcil − dvas
mm 2
10
4
N
N
= 10 5 2
m
m2
[
 m2 
N
= 0,1
 6
2
2
mm
10
mm


]
42
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
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
2d
d
d
d
d
=
43
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
44
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
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
• Fmuelle resta a la teórica en la salida del cilindro
• Fmuelle es la fuerza de retorno
• Si es normalmente fuera, salida por muelle
• Fmuelle resta a la teórica en el retorno del cilindro
• Fmuelle es la fuerza de salida
Fresorte ≈ 10 al 15% Fcil
45
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
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
10
A mas (N)
a 6 bar
37
A menos (N)
muelle
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
46
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
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. Diám. Vas.
mm
mm
8
3
10
4
12
6
16
6
20
8
25
10
32
12
40
16
50
20
63
20
80
25
100
25
125
32
160
40
200
40
250
50
320
63
A mas (N)
a 6 bar
30
47
67
120
188
294
482
753
1.178
1.870
3.015
4.712
7.363
12.063
18.849
29.452
48.254
A menos (N)
a 6 bar
25
39
50
103
158
246
414
633
989
1.681
2.721
4.418
6.881
11.309
18.095
28.274
47
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
esfuerzo teórico del cilindro escogido
48
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
FUERZA EJERCIDA (VII)
La fuerza de un cilindro: depende de la presión, la sección del émbolo y del
rozamiento en las juntas dinámicas
Favance [N]
2
C. D.E.
C. S.E.
π
Fretorceso [N]
Dcil
P [bar ]
mm 2
4
10
[
2
]
π
2
Dcil − dvas
P [bar ]
mm 2
4
10
 Dcil2
P [bar ] 
π
mm 2
− Fresorte [N]

4
10 

[
]
[
]
Fresorte [N]
Cambian si es
normalmente fuera
Fresorte ≈ 10 al 15% Fcil
Freal < Fteórica
Frozamiento ≈ 5 al 10% Fcil
Freal ≈ 0,5 a 0,75 Fteórica
49
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
POTENCIA
Movimientos lineales:
Potencia desarrollada: =
F [Nw ] v [m / s ]
1.000
[kW ]
=
F [kf ] v [m / s ]
75
[CV ]
Movimiento circular:
Potencia desarrollada: =
Potencia necesitada:
=
M [Nw m] v [rpm]
9.550
P [bar ] Q [l / min]
612 η
M [k f m] v [rpm]
716,2
[CV ]
P [bar ] Q [l / min]
450 η
[CV ]
[kW ] =
[kW ]
=
η = ηactuador η instalación η grupo presión
50
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
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
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)
2
Vavance [litros ] = π
P + Patm [bar ]
Dcil
mm 2 Carrera [mm ]
10 6
4
[
]
P manométrica
En la carrera a menos (retorno)
2
Vretorceso
2
[litros] = π Dcil − dvas mm 2 Carrera [mm ] P + Patm6 [bar ]
10
4
[
]
Volúmenes por ciclo de trabajo
52
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
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
53
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. Vás.
mm
mm
10
4
12
6
16
6
20
8
25
10
32
12
40
16
50
20
63
20
80
25
100
25
125
32
160
40
200
40
250
50
a mas
a menos
ciclo
0.00054
0.00079
0.00141
0.00220
0.00344
0.00563
0.00880
0.01374
0.02182
0.03519
0.05498
0.0859
0.14074
0.21991
0.34361
0.00046
0.00065
0.00121
0.00185
0.00289
0.00484
0.00739
0.01155
0.01962
0.03175
0.05154
0.08027
0.13195
0.21112
0.32987
0.00100
0.00144
0.00262
0.00405
0.00633
0.01047
0.01619
0.02529
0.04144
0.06694
0.10652
0.16617
0.27269
0.43103
54
0.67348
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
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
Qciclo = Qavance+ Qretroceso (litros/ciclo)
C. D.E.
2
π
2
P + Patm [bar ]
2 Dcil − dvas
mm 2 Carrera [mm]
10 6
4
2
C. S.E
π
[
]
P + Patm [bar ]
Dcil
mm 2 Carrera [mm]
10 6
4
[
]
Tanto para el cálculo de la F como para el del Q
hay que tener en cuenta el tipo de cilindro …
55
T 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
Acumulador
Un posible esquema para “convertir”
un C.D.E. en S.E. es el siguiente:
2
12
3
Antiretorno
1bar
1
Reg. presión
56
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
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
57
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
– consumo si la carrera es de 700 mm y realiza ciclos de 5 min
58
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
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
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
• Versiones alimentación y descarga
60
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
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
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 no restringida
conexión restringida
62
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
CONTROL DE VELOCIDAD (III)
En un cilindro de S.E.
• Se regula la velocidad de
retorno del cilindro s/e
A menos
2
1
Ver el efecto del regulador conexionado al revés
A más
2
12
3
10
1
63
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
CONTROL DE VELOCIDAD (IV)
En un cilindro de S.E.
• Regula la velocidad del cilindro
en ambos sentidos
A menos
2
1
1
2
A más
La velocidad en ambos sentidos puede ser diferente
2
12
3
10
1
64
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
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 más
A menos
65
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
• La amortiguación será menos efectiva
66
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
CONTROL DE VELOCIDAD (VII)
2
Válvula de escape rápido
2
1
• 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
2
• El aire del cilindro escapa hacia el
exterior rápidamente a través del
silenciador
1
67
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
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
bar
V (m/s)
10
Diferencial para mantener la
velocidad contra carga y fricción
1.0
8
P1
0.8
6
P1
P2
Carga
0.6
P2
0.4
4
Velocidad
2
0
0
empieza movimiento
cambio válvula
0.2
0
Tiempo
final movimiento
68
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
CONTROL DE VELOCIDAD (IX)
Guía velocidad cilindros
V (mm/s)
Sin vástago
2,000
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
Cilindros con vástago
1,400
Cv 0,4 y 25 Ø
Cv 1,0 y 32 Ø
Cv 4,0 y 80 Ø
1,200
1,000
800
600
Cv 0,4 y 50 Ø
400
Cv 0,35 y 25 Ø
Cv 6,0 y 250 Ø
200
0
100
80
50
30
10
0
Carga %
69
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
CONTROL DE VELOCIDAD (X)
Tiempo de respuesta
• Tiempo aproximado de un ciclo
Valores para válvula y cilindro
Diámetro Tamaño
(mm)
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
− 1m de tubo entre válvula y cilindro
200
1
7,8
650
− Sin carga en el vástago
320
1
7,8
1.280
• 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
70
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
JUNTAS (I)
Juntas que presenta un cilindro D.E. con amortiguación neumática
Junta del émbolo
Junta del tornillo
de amortiguación
Aro guía
Junta del amortiguación
Junta rascadora
Junta de la camisa
71
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”
72
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
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
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
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
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
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
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
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
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
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
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
JUNTAS (VIII)
Juntas rascadoras (I)
Junta rascadora
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
agresivos
especiales
para
ambientes
78
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
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
desgastarse o arañarse por objetos externos
puede
Fuelle protector
79
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
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
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
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
81
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
82
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
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
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
84
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
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
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
AMORTIGUACION (VI)
Amortiguación regulable (V)
• El pistón se mueve hacia la derecha sin ningún tipo de restricción
86
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
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
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
Autocompensados
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
88
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
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
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
90
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
AMORTIGUACION (XI)
Amortiguadores regulables
La masa equivalente se calcula usando la fórmula:
me =
2 W3
v2
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)
91
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
92
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
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
93
Por brida central oscilante
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:
Fpandeo
[
]
π2 E kg / cm2 I
=
2
Lp
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
94
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
PANDEO DEL VASTAGO (II)
Extremo libre Articulación
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)
1
2
l
Para una columna delgada, fija por un
extremo y con el otro extremo libre
(caso Euler 1) lP = 2l
3
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 P= l
l P = 2l
Empotramiento
Articulación
95
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
PANDEO DEL VASTAGO (III)
l
1, 2 y 3: un vástago gastado con
cojinete permitirá un pandeo inicial
si el vástago está articulado
Asumir lP = l (caso Euler 2)
1
l
2
l
3
l
4
4, 5 y 6: el extremo del vástago
está libre lateralmente
Asumir lP = 2l (caso Euler 1)
l
5
l
6
l
7: caso especial. lP < 2l
7
8: caso especial. lP < 1,5 l
8
l
96
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
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 casos caso caso
1,2,3 4,5,6
8
7
Cilindro Bar
8050
8063
8032
2
6
10
16
1.000
860
650
500
450
390
290
210
960 1.100
530 610
390 450
290 340
8080
8040
2
6
10
16
1.200
1.200
950
730
500 1.370 1.580
500
760 880
430
570 660
320
430 500
8100
2
6
10
16
2
6
10
16
2
6
10
16
2
6
10
16
casos casos caso caso
1,2,3 4,5,6
8
7
1.300
1.300
1.100
920
1.300
1.200
920
700
1.600
1.500
1.100
880
1.500
1.010
890
670
450
450
450
410
500
500
410
300
600
600
510
380
600
530
380
280
1.740
960
720
550
1.360
750
560
420
1.680
920
690
520
1.320
710
520
390
1.990
1.110
840
640
1.550
860
640
490
1.930
1.060
800
600
1.500
810
600
97
450
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
NORMAS (I)
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
98
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
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