¡Qué Cilindro de aire Realmente lo hace en una línea de producción
Un cilindro de aire convierte la presión del aire comprimido en fuerza mecánica lineal, y la respuesta corta para cualquiera que seleccione uno es esta: El tamaño del orificio determina la fuerza de salida, la longitud de la carrera determina la distancia de recorrido y el diseño de la varilla determina la capacidad de carga bajo cargas laterales. . Un cilindro actuador neumático estándar que funciona con aire comprimido de 6 bar (87 psi) y un diámetro interior de 32mm produce aproximadamente 482 newtons de fuerza en la carrera de empuje, lo que es suficiente para realizar la mayoría de las tareas de sujeción, elevación y prensado que se realizan en equipos de embalaje y montaje. Si un proceso necesita más fuerza sin aumentar el tamaño del orificio, las únicas opciones prácticas son aumentar la presión de la línea (dentro del límite nominal del cilindro, normalmente 10 bar para unidades estándar) o cambiar a un diseño de cilindro en tándem que apila dos pistones en un vástago.
Los cilindros actuadores se dividen en dos grandes familias mecánicas: cilindros de simple efecto, que utilizan presión de aire para moverse en una dirección y un resorte para regresar, y cilindros de doble efecto, que utilizan presión de aire tanto para la extensión como para la retracción. Los diseños de doble efecto representan aproximadamente el 75% de las instalaciones de cilindros neumáticos industriales según los datos de los distribuidores de componentes de los catálogos de Festo y SMC, en gran parte porque ofrecen fuerza y velocidad controladas en ambas direcciones y no desperdician energía comprimiendo un resorte de retorno en cada ciclo.
Cálculo de la fuerza del cilindro: los números que importan
La fórmula de fuerza para un cilindro neumático es sencilla: Fuerza (N) = Presión (bar) x Área (cm²) x 10 . El área del pistón se calcula a partir del diámetro del orificio utilizando la fórmula estándar del área del círculo, π multiplicado por el radio al cuadrado. Para la carrera del lado del vástago (retracción), el área de la sección transversal del vástago se debe restar del área total del pistón, razón por la cual la fuerza de retracción siempre es menor que la fuerza de extensión en un cilindro de doble acción, a menudo entre un 10 % y un 15 % dependiendo del diámetro del vástago.
| Diámetro interior | Área del pistón | Fuerza a 6 Bar | Aplicación típica |
|---|---|---|---|
| 16mm | 2,01 cm² | 120 norte | Expulsión de piezas pequeñas, compuerta |
| 25mm | 4,91 cm² | 295 norte | Dispositivos de sujeción ligeros |
| 32mm | 8,04 cm² | 482 norte | Topes del transportador, placas de empuje |
| 50mm | 19,63 cm² | 1178 norte | Ajuste a presión, conformado de chapa |
| 80 milímetros | 50,27 cm² | 3016 norte | Herramientas de fundición a presión y sujeción pesada |
Vale la pena señalar que la fuerza teórica de esta fórmula representa la producción máxima disponible antes de las pérdidas por fricción. La fuerza entregada en el mundo real es entre un 5% y un 10% menor debido a la fricción del sello, particularmente en cilindros que han estado funcionando durante períodos prolongados sin mantenimiento de lubricación.
Estilos de carrocería de cilindros y cuándo encaja cada uno
Los cilindros de aire se fabrican en varias configuraciones de carrocería y elegir el estilo incorrecto es una de las fuentes más comunes de desgaste prematuro de los equipos automatizados.
Cilindros de cuerpo redondo (ISO 6432)
Son la opción más compacta para un tamaño de orificio determinado y se montan fácilmente en bastidores de máquinas estrechos mediante soportes de horquilla o brida. Se encuentran comúnmente en tamaños de orificio de 8 mm a 25mm y se prefieren para brazos de recogida y colocación, pequeños mecanismos eyectores y aplicaciones de compuertas donde el espacio a lo largo del eje de actuación es limitado.
Cilindros con cuerpo perfilado (ISO 15552)
Cuerpos de sección cuadrada o rectangular con ranuras de montaje integradas en los cuatro lados. Las superficies planas y las ranuras en T permiten a los diseñadores atornillar sensores, soportes y rieles guía directamente al cuerpo del cilindro sin accesorios adicionales. Este estilo domina en el rango de diámetro de 32 mm a 125 mm y es la opción predeterminada para la automatización industrial general.
Cilindros guiados (deslizantes)
Estos combinan un cilindro estándar con varillas guía lineales incorporadas, generalmente dos ejes de acero endurecido que corren paralelos a la varilla principal. Las varillas guía absorben cargas laterales y torsión que, de otro modo, doblarían o desgastarían la varilla y el sello de un cilindro estándar. Cualquier aplicación en la que la carga se aplique fuera del centro de la línea central de la varilla, como un brazo empujador o una pinza giratoria, debe utilizar un cilindro guiado en lugar de un cilindro de varilla estándar. , porque la carga lateral es la principal causa de falla prematura del sello del vástago.
Cilindros compactos
Unidades de carrera corta y perfil plano diseñadas para operaciones de sujeción donde el espacio axial es escaso, como en mesas giratorias de estaciones múltiples. Las longitudes de carrera rara vez superan los 50mm, pero la cara de montaje plana y la longitud total reducida los hacen ideales para instalaciones donde un cilindro estándar simplemente no cabe.
Estilos de montaje y sus compensaciones mecánicas
El estilo de montaje elegido afecta no sólo la instalación sino también la tensión de flexión que experimentan el cuerpo del cilindro y la varilla durante la operación.
- Montaje de pies : Atornillado a lo largo de la parte inferior del cuerpo del cilindro, simple y rígido, pero requiere que la trayectoria de carga esté perfectamente alineada para evitar momentos de flexión en el tubo del cuerpo.
- Montaje con brida : Atornillado en la tapa o en el extremo de la cabeza, muy rígido para aplicaciones de empuje/tracción axial, común en equipos de prensa y estampado.
- Montaje de muñón : Un punto de pivote permite que el cilindro oscile a medida que se extiende, algo esencial para los brazos de sujeción y los mecanismos de elevación que giran en un arco en lugar de moverse en línea recta.
- Montaje en horquilla : Una conexión de pasador y horquilla en la parte trasera del cilindro, frecuentemente combinada también con una horquilla en el extremo del vástago, lo que permite que todo el cilindro gire durante la carrera.
Los soportes de muñón y de horquilla son las únicas opciones que se deben utilizar cuando la trayectoria de actuación no es una línea recta, ya que los soportes rígidos sobre una carga pivotante doblarán rápidamente el vástago del pistón.
Consumo de aire: dimensionar correctamente el compresor
Un factor que se pasa por alto al agregar cilindros a un sistema neumático existente es la demanda total de aire. Cada ciclo de un cilindro consume un volumen de aire comprimido igual al área del pistón multiplicada por la longitud de la carrera, duplicada para los cilindros de doble acción ya que ambas cámaras se llenan y agotan en cada ciclo.
Por ejemplo, un cilindro de 50 mm de diámetro y 200 mm de carrera tiene un volumen de pistón de aproximadamente 393 cm³ en el lado de extensión. Agregue el volumen del lado de la varilla (un poco menos debido al desplazamiento de la varilla, llámelo 370 cm³), y un ciclo completo consume alrededor de 763 cm³ de aire libre a presión atmosférica, multiplicado por la relación de compresión. A 6 bar (7 bar absoluto), eso equivale aproximadamente a 5,3 litros de aire libre por ciclo. Una máquina que haga funcionar este cilindro a 20 ciclos por minuto consumirá aproximadamente 106 litros por minuto de aire libre solo para ese actuador. , que es una carga significativa cuando se multiplica por una máquina con una docena o más de cilindros.
| Tamaño del orificio | Carrera 100 mm | Carrera 200 mm | Carrera 300 mm |
|---|---|---|---|
| 25mm | 26 L/min | 52 l/min | 78 l/min |
| 32mm | 42 l/min | 84 l/min | 127 l/min |
| 50mm | 53 l/min | 106 l/min | 159 l/min |
| 80 milímetros | 135 l/min | 271 l/min | 406 l/min |
Las plantas comúnmente subestiman el tamaño del compresor cuando agregan nuevas celdas de automatización porque calculan basándose únicamente en el diámetro del cilindro sin tener en cuenta la velocidad del ciclo. Un compresor cuyo tamaño es insuficiente para la demanda total hace que la presión de la línea disminuya durante el ciclo máximo, lo que reduce directamente la salida de fuerza de cada cilindro en el sistema simultáneamente, lo que a veces lleva a los técnicos a diagnosticar erróneamente el síntoma como un actuador defectuoso cuando la causa real está aguas arriba.
Amortiguación de final de carrera y por qué prolonga la vida útil
Al final de cada carrera, el pistón desacelera golpeando la tapa del extremo a menos que haya algún tipo de amortiguación. Los cilindros estándar sin amortiguadores están limitados a velocidades de pistón relativamente bajas, generalmente inferiores a 0,3 metros por segundo, antes de que las fuerzas de impacto comiencen a dañar el pistón, las tapas de los extremos y los accesorios de montaje.
La amortiguación ajustable utiliza una válvula de aguja para estrangular el aire de escape en los últimos 10 a 15 mm de recorrido, lo que desacelera el pistón antes de que entre en contacto con la tapa del extremo. Esta única característica puede extender significativamente la vida útil del cilindro, porque el impacto mecánico repetido de un tope no acolchado es un importante contribuyente al desgaste del sello, al aflojamiento de los sujetadores y al eventual agrietamiento de la tapa del extremo en los cilindros con cuerpo de aluminio.
Para aplicaciones que funcionan por encima de 0,5 m/s, o para cualquier cilindro que soporte una masa de carga superior a unos pocos kilogramos, La amortiguación de aire ajustable debe considerarse un requisito estándar en lugar de una mejora opcional. . Los parachoques de caucho ofrecen una alternativa de menor costo para cargas más livianas y velocidades más bajas, ya que absorben el impacto mediante deformación elástica en lugar de estrangulación por aire, pero se desgastan y requieren reemplazo periódico.
Selección de materiales para diferentes entornos operativos
Los materiales del cuerpo, la varilla y el sello de un cilindro actuador determinan qué tan bien sobrevive fuera de una fábrica limpia, seca y con clima controlado.
Cilindros con cuerpo de aluminio estándar
El aluminio anodizado es el predeterminado para uso general en interiores. Es liviano, resiste la corrosión superficial causada por la humedad normal y se mecaniza fácilmente para realizar los orificios de precisión necesarios para mantener un buen sello. No es adecuado para entornos con productos químicos cáusticos de lavado o exposición constante al agua salada sin recubrimientos adicionales.
Cilindros de acero inoxidable
Se utiliza en aplicaciones de procesamiento de alimentos, farmacéuticas y marinas donde el lavado con limpiadores clorados o la exposición al aire salado es una rutina. Los cilindros de acero inoxidable cuestan más, normalmente entre 1,5 y 2,5 veces el precio de una unidad de aluminio equivalente, pero evitan la corrosión por picaduras que, de otro modo, requeriría un reemplazo frecuente en estos entornos.
Compuestos de sellado
Los sellos de nitrilo (NBR) son estándar para servicio de aire general a temperaturas de -20 °C a 80 °C. Para aplicaciones de alta temperatura cerca de hornos o estaciones de soldadura, los sellos de fluorocarbono (FKM/Viton) amplían el rango utilizable hasta alrededor de 150 °C, pero cuestan considerablemente más. Para maquinaria farmacéutica y de calidad alimentaria, se requieren compuestos de sellado que cumplan con la FDA y se deben especificar explícitamente al realizar el pedido, ya que es posible que los sellos estándar no cumplan con los requisitos de procesamiento sanitario.
Síntomas de falla comunes y sus causas fundamentales
Los técnicos de campo se encuentran repetidamente con los mismos patrones de falla en los cilindros del actuador, y reconocerlos rápidamente ahorra un tiempo de inactividad significativo.
| Síntoma | Causa probable | Acción correctiva |
|---|---|---|
| Golpe lento o lento | Tubería de tamaño insuficiente, accesorios restrictivos o presión de línea baja | Verifique la presión de suministro en el puerto del cilindro, aumente el diámetro de la tubería |
| Fuga de aire por el extremo del vástago | Sello de varilla desgastado, a menudo por carga lateral o contaminación. | Reemplace el kit de sellos, inspeccione si hay rayaduras en la varilla y fuente de carga lateral |
| El cilindro se desplaza cuando no hay aire | Bypass interno del sello del pistón que permite la transferencia de aire entre cámaras | Reemplace el sello del pistón, inspeccione el orificio para ver si hay rayaduras. |
| Fuerte golpe al final del trazo | Amortiguación faltante o desgastada, velocidad excesiva | Ajuste la válvula de aguja del amortiguador o agregue control de flujo en el escape |
| Vástago de pistón doblado | Carga lateral más allá de los límites nominales, desalineación | Reemplazar con cilindro guiado o alineación mecánica correcta. |
La mayoría de las fallas prematuras de los cilindros se remontan a dos causas fundamentales: carga lateral en la varilla debido a un montaje desalineado y suministro de aire contaminado que transporta humedad o partículas hacia los sellos. Una unidad de filtro-regulador-lubricador (FRL) con mantenimiento adecuado aguas arriba de cada actuador aborda la segunda causa directamente, y las verificaciones de alineación de rutina durante el mantenimiento preventivo abordan la primera.
Una lista de verificación práctica para especificar un nuevo cilindro actuador
Al especificar un nuevo cilindro actuador neumático para el diseño o modernización de una máquina, trabajar en los siguientes puntos en orden evita los errores de especificación más comunes.
- Calcule la fuerza requerida a la presión de línea más baja esperada, no la presión nominal, ya que la presión puede disminuir durante la demanda máxima.
- Seleccione un tamaño de orificio con un margen de seguridad de al menos un 25 % por encima del requisito de fuerza mínimo calculado.
- Confirme que la longitud de la carrera tiene en cuenta el recorrido mecánico completo más cualquier distancia de amortiguación en cada extremo.
- Elija un cilindro guiado si se aplicará alguna carga lateral o torsión a la varilla durante la carrera.
- Haga coincidir el material del sello y el material del cuerpo con el entorno ambiental, incluida la temperatura, la humedad y la exposición a productos químicos.
- Especifique el tipo de amortiguación según la velocidad esperada del pistón y la masa de carga.
- Confirme que el estilo de montaje coincida con la trayectoria de carga, movimiento en línea recta versus movimiento giratorio.
- Agregue el consumo de aire del nuevo cilindro a la demanda total del sistema y verifique la capacidad del compresor.
Seguir esta secuencia en orden, en lugar de comenzar desde un número de pieza del catálogo y avanzar hacia atrás, es la diferencia entre un actuador que funciona de manera confiable durante años y uno que se convierte en un elemento de mantenimiento recurrente a los pocos meses de su instalación.
