diapositivas neumatica
TRANSCRIPT
1
Neumática e Hidráulica
Ingeniería Eléctrica y Energética
Máquinas y Motores Térmicos
Departamento:
Area:
CARLOS J RENEDO [email protected]
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
2
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
3
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
� “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
4
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
INTRODUCCION (II)
5
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
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 delanteraPistón
Vástago
Juntas est.
E/S aire delanteraE/S aire trasera
Juntas din.
6
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
ConexióndelanteraConexión
trasera Tornillo amortig.
7
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
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
o Sin amortiguación y amortiguación fija
o Amortiguación regulable
o Imán
• Sin vástago
• Compactos
• Elásticos
CONSTRUCCION BÁSICA (III)
Par y r.p.m.Accionamiento mecanismos rotativosMotor neumático
Par y ángulo de giroTrabajo angularActuador de Giro
Fuerza y carreraTrabajo rectilíneoCilindro
Parámetro BásicoFunciónActuador
� De giro
� Motores
8
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
Consumen poco aire
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)
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
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
N. Fuera N. Dentro
11
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
CILINDROS DE SIMPLE EFECTO (S.E.) (IV)
2
13
12 10
3
12 10
1
2
� Cto de mando a distancia de un C.S.E.
12
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
13
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. delanteraAmort. trasera
14
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. delanteraAmort. Reg. trasera
15
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
CILINDROS DE DOBLE EFECTO (D.E.) (IV)
24
15 3
14 12
2
1 3
12102
13
12 10
� Cto de mando a distancia de un C.D.E.
válvula 5/2 y dos válvulas 3/2
16
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)
24
15 3
14 12
2
1 3
12102
13
12 10A+
A+
On-Off
17
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
24
15 3
14 12
2
13
12 10
A+
1.4
A-
2
1 3
1210
A+
2
1312
10
A-
On-Off
18
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
� Los hay de arrastre magnético por medio de imanes (en el vástago y exterior)
Estos cilindros tienen problemas de fugas de aire
19
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
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
20
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
CILINDROS SIN VASTAGO (III)
• Con arrastre magnético
No presentan fugas
21
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
CILINDROS CON DOBLE VASTAGO
Impide el giro del cilindro
22
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
23
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
24
CILINDROS ELÁSTICOS Y MÚSCULOS NEUMATICOS (II)
• Simple lóbulo
• Doble lóbulo
• Triple lóbulo, …
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
25
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
CILINDROS DE MEMBRANA
� Son de carreras cortas, no mantienen una alineación perfecta
• S.E. Vástago retraído • D.E.
Membrana elástica
26
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
CILINDROS DE DOBLE VÁSTAGO
27
� Proporcionan el doble de la fuerza
� Las dos entradas/salidas están internamente conexionadas
� Carrera corta para la longitud del cilindro
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
CILINDROS TANDEM
28
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
CILINDROS DE IMPACTO
� Deben 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
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
CILINDROS TELESCOPICOS
� Proporcionan grandes carreras en relación con la longitud del cilindro
No se controla la posiciónde salida intermedia
30
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
CILINDROS DE VASTAGO HUECO
� Para paso de cables, técnicas de vacío, …
31
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
CILINDROS MULTIPOSICIONALES (4 Pos.)
C1-, C2-
C1+, C2-
C1-, C2+
C1+, C2+ Sin control de posición3
12
2
A- A+
1
4
14
32
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
33
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
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
• D.E. piñón y cremallera (doble par)
35
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
PINZAS NEUMATICAS
� Agarran piezas
� Su movimiento se realiza por acción de un cilindro interior que acciona un brazo articulado
36
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
37
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
21 FF =
Equilibrio
A
Fp = 2211 ApAp =
2
112
A
App =
2
112
p
pAA =
MULTIPLICADOR DE PRESION (I)
A1
A2
p1
p2
F1 F2 A2A1
38
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
Posible problema de sobre presiones
si se obstruye la tubería delantera
(max)pA
App 1
2
112 >=
MULTIPLICADOR DE PRESION (II)
A1
A2
A1
A2
p1 p2
39
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
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)
75100060
rn2SPrwSPvF
t
eF
t
TrabajoPot 11
11
π=====
rSPrFPar 11==
)1P(ncVQ 11N +=
MOTORES NEUMATICOS (I)
40
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
� De engranajes: baratos y de reducido rendimiento, hasta 60 CV
2
zbm25,2P
2
zmSPrSPPar
21
1111 ===
)1P(nzV2Q 11N +=
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
w = velocidad angular (rad)
75100060
nzbm25,2Pn2ParwPar
t
TrabajoPot
21 π
=π===
MOTORES NEUMATICOS (II)
41
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
� De pistones: hasta 4.000 rpm y 30 CV
)rr(SPrFrFPar 212211 +=+=
)1P(nZcSQ 1N +=
S = sección del pistón (mm)
c = carrera (mm)
n = r.p.m.
Z = nº de pistones del motor
α=αα= 2sen2
rSPsencosrSPPar
� 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
barPmm
4
dDNF 2
2
vas
2
cilretorceso
−π=
[ ] [ ] [ ]10
barPmm
4
DNF 2
2
cilavance π=
226
2
2
5
2
55
mm
N1,0
mm10
m
m
N10
m
N10Pa10bar1 =
===
P manométrica
43
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
2d
d
Si se dobla el diámetro se
cuadriplicará la fuerza
=
d
d d
44
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
• 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
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
FUERZA EJERCIDA (III)
cilresorte F%15al10F ≈
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. cilindromm
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
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.
mm
Diám. Vas.
mm
A mas (N)
a 6 bar
A menos (N)
a 6 bar
8 3 30 2510 4 47 3912 6 67 50
16 6 120 103
20 8 188 15825 10 294 246
32 12 482 414
40 16 753 63350 20 1.178 989
63 20 1.870 1.68180 25 3.015 2.721100 25 4.712 4.418
125 32 7.363 6.881160 40 12.063 11.309200 40 18.849 18.095
250 50 29.452 28.274320 63 48.254 46.384
48
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 paramover 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% delesfuerzo teórico del cilindro escogido
49
La fuerza de un cilindro: depende de la presión, la sección del émbolo y del rozamiento en las juntas dinámicas
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
Fretorceso [N]Favance [N]
C. S.E.
C. D.E.
teóricareal FF <
cilresorte F%15al10F ≈ cilrozamiento F%10al5F ≈
FUERZA EJERCIDA (VII)
[ ] [ ]10
barPmm
4
dD 2
2
vas
2
cil −π[ ] [ ]
10
barPmm
4
D 2
2
cilπ
[ ]NFresorte[ ] [ ][ ]NF
10
barPmm
4
Dresorte
2
2
cil −
π
Cambian si es normalmente fuera
teóricareal F 0,75 a5,0F ≈
50
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
Potencia desarrollada: ][000.1
]/[][kW
smvNwF= ][
75
]/[][CV
smvkF f=
Movimiento circular:
][550.9
][][kW
rpmvmNwM= ][
2,716
][][CV
rpmvmkM f=
Movimientos lineales:
Potencia desarrollada:
Potencia necesitada: ][612
min]/[][kW
lQbarP
η= ][
450
min]/[][CV
lQbarP
η=
presióngruponinstalacióactuador ηηηη =
POTENCIA
51
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)
52
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)
[ ] [ ] [ ][ ]
6
atm2
2
vas
2
cilretorceso
10
barPPmmCarreramm
4
dDlitrosV
+−π=
[ ] [ ] [ ][ ]
6
atm2
2
cilavance
10
barPPmmCarreramm
4
DlitrosV
+π=
P manométrica
Volúmenes por ciclo de trabajo
53
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
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 0.27269200 40 0.21991 0.21112 0.43103250 50 0.34361 0.32987 0.67348
55
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
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
atm2
2
vas
2
cil
10
barPPmmCarreramm
4
dD2 +−π
[ ] [ ][ ]
6
atm2
2
cil
10
barPPmmCarreramm
4
D +π
56
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
2
13
12
Un posible esquema para “convertir” un C.D.E. en S.E. es el siguiente:
1bar
Acumulador
Antiretorno
Reg. presión
57
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
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
– consumo si la carrera es de 700 mm y realiza ciclos de 5 min
59
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
60
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
61
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
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 restringidaconexión no restringida
63
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
CONTROL DE VELOCIDAD (III)
� En un cilindro de S.E.
• Se regula la velocidad de retorno del cilindro s/e
12
3
12 10
1
2
Ver el efecto del regulador conexionado al revés
A menos
A más
64
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
A más
65
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
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
• La amortiguación será menos efectiva
67
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
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
68
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
00
2
4
6
8
10
Tiempo
V (m/s)bar
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
0
empieza movimiento
final movimientocambio válvula
Velocidad
P1
P2
Diferencial para mantener la velocidad contra carga y fricción
P1 P2
69
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
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
010
Carga %
3050801000
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)
Tamañoválvula
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
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
JUNTAS (I)
� Juntas que presenta un cilindro D.E. con amortiguación neumática
Junta rascadora
Junta de la camisa
Aro guíaJunta del émbolo
Junta del amortiguaciónJunta del tornillo de amortiguación
72
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
JUNTAS (II)
� Las juntas estandar son adecuadas para un funcionamiento contínuoen 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
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
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 tóricase deforma hacia un lado y hacia arriba para estanqueizar el espacio entre el diámetro exterior del pistón y la camisa
Junta del émboloTórica
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 émboloDe labios
75
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
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 émboloZ
76
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
Aro guía
77
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
Colocadas en la camisa roscada y entre camisa y culata
Junta de cierrede camisa
Junta de cierrede 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
Junta rascadora
79
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 puede desgastarse o arañarse por objetos externos
Fuelle protector
80
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
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
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
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
84
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
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
86
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
AMORTIGUACION (VI)
� Amortiguación regulable (V)
• El pistón se mueve hacia la derecha sin ningún tipo de restricción
87
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
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
88
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 tamaños0.9 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
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
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
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
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
3e
v
W2m =
92
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
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
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 barralp = Longitud de pandeo de la barra
[ ]2
p
22
pandeoL
Icm/kgEF
π=
95
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
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 = 2l
96
T 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
� 8: caso especial. lP < 1,5 l
97
PANDEO DEL VASTAGO (IV)
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
Tabla guía para la máx. Lon. de carrera en mm
8032
2 1.000 450 960 1.1006 860 390 530 610
10 650 290 390 45016 500 210 290 340
8040
2 1.200 500 1.370 1.5806 1.200 500 760 880
10 950 430 570 66016 730 320 430 500
casos 4,5,6
caso 7
Cilindro Bar casos 1,2,3
caso 8
16
2
80502 1.300 450 1.740 1.9906 1.300 450 960 1.110
10 1.100 450 720 840920 410 550 640
8063
2 1.300 500 1.360 1.5506 1.200 500 750 860
10 920 410 560 64016 700 300 420 490
8080
2 1.600 600 1.680 1.9306 1.500 600 920 1.060
10 1.100 510 690 80016 880 380 520 600
8100
1.500 600 1.320 1.5006 1.010 530 710 810
10 890 380 520 60016 670 280 390 450
casos 4,5,6
caso 7
Cilindro Bar casos 1,2,3
caso 8El 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 lasrestricciones 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)
T 12.- ACTUADORES NEUMATICOS
� 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