Cómo especificar cilindros neumáticos

En el modo de retracción, la presión del aire puede actuar sólo sobre una parte del pistón, porque la varilla bloquea la parte central del pistón. Foto cortesía de Fabco-Air Inc.

Los cilindros de cable pueden tener carreras de más de 25 pies y pueden ubicarse remotamente de la carga de trabajo. Foto cortesía de Fabco-Air Inc.

Un cilindro acoplado magnéticamente o sin vástago puede tener una longitud de carrera de hasta 1,0 milímetros. Foto cortesía de Fabco-Air Inc.

El montaje rígido con orificio pasante está disponible en muchos modelos de cilindros de carrera corta. Proporciona orificios avellanados perforados a través del cuerpo del cilindro para un fácil montaje con tornillos de cabeza hueca. Foto cortesía de Fabco-Air Inc.

Un soporte de horquilla trasero unido al cilindro le permitiría girar, pero restringiría el movimiento lateral. Foto cortesía de Fabco-Air Inc.

En cilindros de carrera corta, los soportes de ojo permiten el movimiento pivotante de la unidad. Foto cortesía de Fabco-Air Inc.

Las normas NFPA proporcionan numerosas opciones de montaje para cilindros neumáticos. Foto cortesía de Fabco-Air Inc.

Este cilindro de carrera corta con barra de acoplamiento consta esencialmente de dos cuerpos de cilindro combinados en un solo paquete. Los ingenieros pueden especificar longitudes de carrera iguales o diferentes para establecer las posiciones de trabajo según sea necesario. Foto cortesía de Fabco-Air Inc.

Se pueden montar dos cilindros de un solo vástago con sus tapas traseras colocadas. Anclando un extremo de la varilla y permitiendo que el cuerpo del cilindro “flote”, se pueden obtener cuatro puntos finales distintos. Foto cortesía de Fabco-Air Inc.

Hay muchas formas de evitar que el vástago del pistón gire. Aquí, dos pasadores guía incorporados en el interior del cilindro atraviesan la cabeza del pistón. Estos pasadores evitan la rotación de la varilla con una tolerancia de ±1 grado. Foto cortesía de Fabco-Air Inc.

Los cilindros de aire se ofrecen en una variedad de estándares industriales. Dentro de estos estándares, los cilindros de aire vienen en una variedad de formas, tamaños y tipos. También están disponibles numerosas características opcionales.

A primera vista, las permutaciones pueden resultar un poco abrumadoras. La buena noticia es que cada tipo y configuración de actuador neumático tiene un lugar en la automatización industrial actual.

A pesar de la multitud de opciones estándar, los actuadores neumáticos todavía se seleccionan por su capacidad para realizar una función específica. Las aplicaciones de los cilindros de aire son infinitas. Aquí están algunos ejemplos:

A veces, la aplicación queda fuera de la oferta de productos estándar y sólo un cilindro personalizado será suficiente. Sin embargo, desarrollar cilindros de aire personalizados a menudo puede resultar costoso y llevar mucho tiempo.

Ya sea que necesite un cilindro estándar o personalizado, este proceso paso a paso garantizará que su tiempo y su inversión estén bien invertidos.

Para especificar adecuadamente un cilindro de aire para cualquier aplicación, se deben responder dos preguntas antes de pasar al corazón del diseño. ¿Qué tipo de trabajo realizará? ¿Qué tipos de cilindros hay disponibles para elegir? Generalmente hay varios cilindros estándar disponibles para adaptarse a cualquier aplicación, pero a menudo hay problemas de diseño que impiden que una unidad estándar cumpla con sus requisitos específicos. Antes de profundizar en los detalles de su aplicación, debe tener una idea de los conceptos básicos de lo que necesita.

Para dimensionar correctamente un cilindro, deberá determinar cuánta fuerza necesita producir. Cuando se conoce la fuerza, se puede determinar el tamaño del orificio o el factor de potencia (área efectiva del pistón) del cilindro con la ecuación: fuerza = presión del aire x factor de potencia. O, dicho de otra manera: factor de potencia = fuerza ÷ presión del aire.

En este cálculo, no hemos considerado ningún factor de seguridad. Entonces, como punto de partida, usemos un factor de seguridad del 50 por ciento. Por lo tanto, multiplique el factor de potencia por 1,5 y utilice el resultado para calcular el diámetro del cilindro a partir de la ecuación: Factor de potencia x 1,5 = p (diámetro)2 ÷ 4.

¿No quieres hacer matemáticas? No hay problema. Los catálogos de cilindros suelen tener tablas de factores de fuerza que enumeran la fuerza producida por diferentes tamaños de pistón a distintas presiones de aire.

La fuerza de tracción que se produce cuando el cilindro retrocede tiene en cuenta el diámetro del vástago del pistón. En el modo de retracción, la presión del aire puede actuar sólo sobre una parte del pistón, porque la varilla bloquea la parte central del pistón. Por tanto, el factor de potencia para la fuerza de retracción se calcula como el área del pistón menos el área del vástago. Nuevamente, los catálogos de cilindros generalmente enumeran las áreas de las varillas para acelerar los cálculos de los factores de potencia de tracción.

Si no tiene suficiente presión para producir la fuerza deseada usando el cilindro con el tamaño de diámetro preferido, entonces debe cambiar a una unidad más grande. Esto afectará el tamaño del paquete y puede crear algunos problemas de requisitos de espacio. Como resultado, es posible que los ingenieros deban hacer algunas concesiones.

El accidente cerebrovascular suele ser un hecho en la mayoría de las aplicaciones. Decídalo con anticipación para que pueda determinar qué tamaño de paquete tendrá cuando llegue el momento de abordar el estilo de montaje.

¿Cuánto trazo necesitas? Depende de la aplicación. Cerrar la puerta de un horno grande puede requerir una carrera de 15 pies. Levantar una puerta de parada en un transportador podría requerir solo un movimiento de 2 pulgadas, mientras que empujar una carga fuera de un transportador podría requerir 30 pulgadas o más. Colocar un remache no requeriría mucho movimiento, probablemente solo una fracción de pulgada.

Cualquiera que sea la tarea, conocer la carrera comienza a definir el tipo de cilindro que necesitará y el tamaño envolvente requerido para montarlo. A los efectos de esta discusión, los cilindros se pueden clasificar en cuatro categorías según sus carreras: carrera corta, carrera intermedia, carrera larga y carrera especial. Tenga en cuenta que algunos cilindros pueden superponerse a las cuatro categorías.

Los cilindros compactos de carrera corta vienen en una variedad de estilos de carrocería y tienen carreras tan cortas como 0,0625 pulgadas y diámetros interiores tan pequeños como 0,5 pulgadas.

Los cilindros de carrera intermedia tienen carreras de hasta 36 pulgadas. Estos cilindros de tirante son populares para aplicaciones de automatización livianas y de acción rápida. La construcción de aluminio reduce el peso y reduce los costos de fabricación.

Los cilindros de carrera larga intercambiables según NFPA pueden tener carreras de hasta 99 pulgadas, pero están bien adaptados a aplicaciones que requieren carreras tan pequeñas como 4 pulgadas. (NFPA significa Asociación Nacional de Energía Fluida. Esta organización estableció estándares para todos los fabricantes de cilindros de tirantes. Se establecieron códigos de montaje para garantizar que todos esos cilindros, independientemente de la marca, fueran dimensionalmente intercambiables).

Los cilindros de carrera especial pueden tener carreras de más de 99 pulgadas. Un ejemplo son los cilindros de cable, fabricados por varios fabricantes. Con este tipo de cilindro, se puede tirar de una abrazadera hacia la izquierda o hacia la derecha mediante un cable conectado al pistón del cilindro. Se podría usar un cilindro de cable con una carrera de 15 pies para controlar la puerta del horno de 15 pies que mencioné anteriormente. Debido a que el cable puede tener cualquier longitud, el cilindro se puede montar en cualquier lugar que sea conveniente para su diseño: directamente en el horno o al otro lado de la habitación, si es necesario.

El montaje puede ser un tema desafiante. En este punto, es momento de determinar cómo desea montar la unidad y decidir si tiene la estructura y el espacio adecuados para hacerlo. Esto parece un concepto básico, pero no planificar aquí puede demoler sus planes rápidamente. Por ejemplo, si desea montar una unidad con brida, pero hay un accesorio que interfiere con la superficie de montaje, es posible que se vea obligado a rediseñar el sistema para un montaje inferior. En ese caso, es posible que sea necesario agregar una placa adicional.

Aquí hay una pregunta que le ayudará a determinar cómo montar un cilindro: ¿empujará una carga linealmente o girará un brazo de manivela?

Para empujar, tirar o levantar en línea recta, es necesario que el cilindro esté montado rígidamente. Puede atornillar el cilindro a su equipo mediante orificios roscados en la parte inferior o colocarlo sobre un extremo y colocar los pernos en los soportes de tuercas de manguito en la tapa del extremo. O bien, puede elegir cualquiera de los 16 soportes rígidos, intercambiables y estándar establecidos por la NFPA.

El montaje rígido con orificio pasante está disponible en muchos modelos de cilindros de carrera corta. Proporciona orificios avellanados perforados a través del cuerpo del cilindro para un fácil montaje con tornillos de cabeza hueca.

Si el cilindro va a girar un brazo de manivela, deberá girar. Un soporte de horquilla trasero unido al cilindro le permitirá girar, pero restringirá el movimiento lateral. Al unir la manivela al vástago del pistón con un acoplamiento flexible, podemos asegurar el movimiento deseado.

Los cilindros de carrera corta tienen muchos de los mismos soportes que los grandes. Por ejemplo, se pueden acoplar monturas de ojo a una unidad de cuerpo redondo y carrera corta. Estos soportes también proporcionan un punto de fijación de pivote para permitir el movimiento de pivote del cilindro. Para ayudar aún más con este tipo de soportes flexibles, se encuentran ampliamente disponibles horquillas para varilla, argollas y soportes de montaje.

La mayoría de los estilos de cilindros tienen soportes similares a los soportes NFPA, incluso si no son el diseño de tirante estándar. Por ejemplo, los soportes de muñón están disponibles en cilindros con cuerpo de acero inoxidable. Las dimensiones difieren de las de los soportes NFPA, pero funcionan igual.

Cualquiera que sea el estilo de cilindro que elija, asegúrese de profundizar en los catálogos de productos para encontrar el soporte que mejor se adapte a su aplicación.

Si ha respondido estas preguntas preliminares y ha determinado que un cilindro estándar no cumplirá con sus requisitos específicos, es hora de considerar un cilindro personalizado.

Al diseñar un cilindro personalizado, es más fácil si comienza con una familia particular de cilindros (como los intercambiables, compactos o no reparables según NFPA) que serán propicios para su aplicación.

¿La aplicación es pesada? ¿Hay mucho espacio disponible? En caso afirmativo, es posible que desee comenzar con un cilindro estilo NFPA.

¿Están los bienes raíces en una prima? En caso afirmativo, es posible que se vea obligado a comenzar con un estilo compacto.

¿Es el precio la principal preocupación? Si es así, una unidad no reparable puede convertirse en su primera opción.

Recuerde que tiene varias opciones. Una vez que haya determinado el estilo del cilindro, podrá llegar a los detalles de su diseño.

Probablemente sepa cómo planea montar la unidad. Los ingenieros a menudo descubren que montar un cilindro requerirá un patrón de pernos especial o un estilo de montaje que no es estándar. En ese caso, tendrá que preguntar cómo se puede modificar el cilindro para que se ajuste al patrón por un costo mínimo. ¿Será necesario fabricar piezas especiales? ¿Necesitará hardware de montaje exclusivo, como placas, bridas o soportes?

Cuidado: en los casos en que el soporte esté integrado o unido de forma única a su cilindro, los costos aumentarán junto con los plazos de fabricación. Por ejemplo, el montaje de la punta puede requerir que se produzcan tapas de extremo únicas. Los soportes de orejetas integrales podrían requerir el empleo de extrusiones especiales, soldadura u otro concepto de fijación creativo. En lugar de orejetas, ¿hay espacio para perforar y golpear las tapas de los extremos (o el cuerpo) del cilindro con orificios de montaje laterales o inferiores especiales? ¿Tendrías suficiente profundidad de hilo?

Ahora querrás abordar los elementos de movimiento de tu cilindro. ¿Se aplican movimientos, sensores o cargas laterales especiales que requerirán modificaciones especiales en el cilindro? Si es así, deberá adaptarse a ellos.

Si la carga debe detenerse en una posición intermedia, estás de suerte. ¡Puede obtener tres o más posiciones de varilla con un solo cilindro! Muchos estilos de cilindros se ofrecen con opciones de tres posiciones. Se encuentran disponibles cilindros con barra de acoplamiento de carrera corta que son esencialmente dos cuerpos de cilindro combinados en un solo paquete. Puede especificar longitudes de carrera iguales o diferentes para establecer sus posiciones de trabajo según sea necesario.

Es más, hay numerosos estilos de cilindros disponibles en configuraciones espalda con espalda que permiten el posicionamiento en hasta cuatro puntos finales. Como su nombre lo indica, se ensamblan dos cilindros de un solo vástago con sus tapas traseras colocadas. Anclando un extremo de la varilla y permitiendo que el cuerpo del cilindro “flote”, se pueden obtener cuatro puntos finales distintos.

Para aplicaciones en las que la antirotación y el registro son fundamentales, existen soluciones. Mantener la orientación fija de la carga se puede lograr de varias maneras. En un método utilizado en cilindros con tirante, dos pasadores guía incorporados dentro del cilindro pasan a través de la cabeza del pistón. Estos pasadores guía evitan la rotación de la varilla con una tolerancia de ±1 grado. Se incluye un disco de goma al final de cada pasador guía para compensar el juego longitudinal y asentar firmemente los pasadores en los orificios de precisión del pasador guía.

Debido a que los pasadores guía están dentro del cilindro, están protegidos del medio ambiente y de daños físicos, y están lubricados por el sistema de lubricación. No requieren espacio adicional, lo que deja el área del extremo de la varilla libre para accesorios y herramientas según lo requiera su aplicación.

Los pasadores guía internos también están disponibles en varios modelos de cilindros de carrera corta.

Otra solución utiliza un bloque guía externo fijado de forma segura al vástago del pistón. Un eje guía de acero, unido al bloque guía, asegura una antirotación de menos de 0,8 grados.

También se pueden incorporar vástagos de pistón gemelos en la culata del cilindro para proporcionar protección contra la rotación. Las varillas están sujetas de forma segura al pistón y unidas entre sí externamente mediante una barra de herramientas en el extremo de la varilla. La barra de herramientas garantiza que las varillas se muevan en tándem y proporciona una superficie de montaje ideal para los accesorios requeridos por su aplicación. La barra de herramientas está equipada con orificios de montaje roscados u orificios de montaje avellanados opcionales.

Es posible que se necesiten estilos de ajuste de carrera cuando la carrera puede cambiar en la extensión o retracción de la unidad.

Un tornillo de ajuste con una contratuerca de sellado de roscas montada en la tapa del extremo trasero proporciona un ajuste simple pero resistente de la carrera del cilindro en la dirección de retracción. Una rosca fina en el tornillo de ajuste proporcionará un ajuste preciso. Las carreras de retracción ajustables se ofrecen como características opcionales para muchos estilos de cilindros.

También es posible utilizar el extremo posterior de un cilindro de doble vástago para ajustar la carrera de extensión. Un collar de tope, un parachoques y algún tipo de placa de impacto podrían ser la solución. Sin embargo, si adopta este enfoque, tenga cuidado y considere una cubierta de seguridad para evitar dejar expuesto el punto de pellizco.

La necesidad de detección a menudo puede cambiar el diseño del cilindro, dependiendo del tipo de sensor que se necesite. La conmutación electrónica estándar requerirá que se agreguen imanes al pistón. Los interruptores de proximidad pueden requerir cambios internos o externos en el cilindro, de modo que las sondas de detección tengan objetivos que puedan leer. Los transductores también pueden requerir una variedad de cambios internos o externos en una unidad.

Las cargas laterales a menudo sugieren la necesidad de elementos como tubos de tope o casquillos más pesados ​​debido al desgaste que se produce cuando el cilindro está en movimiento.

Los vástagos de los pistones de los cilindros están sostenidos por un cojinete en la culata delantera del cilindro y el propio pistón se desplaza dentro de las paredes del cilindro. A medida que la varilla se acerca a su extensión total, la distancia entre las superficies de soporte se acorta. El conjunto del vástago del pistón tiende a amartillarse provocando un desgaste desigual en las superficies de los cojinetes y acortando la vida útil del sello.

Una solución al problema es instalar un tubo de tope interno. El tubo de tope impide que el pistón llegue a la cabeza delantera, aumentando así la distancia mínima entre puntos de apoyo. Se reduce el desgaste de los componentes y se prolonga la vida útil del cilindro.

Sin embargo, para mantener la misma carrera de trabajo, la longitud del cuerpo del cilindro debe aumentarse en la longitud del tubo de tope. Lidiar con el aumento del tamaño del paquete puede presentar problemas.

Si tiene espacio disponible, un cilindro de doble vástago le brinda el mejor soporte para el conjunto del vástago del pistón. Los cojinetes de biela en ambas tapas reducen la carga sobre el pistón. Este diseño también asegura la máxima distancia entre los puntos de apoyo.

Por último, llegamos al medio ambiente. Las cuestiones externas deben abordarse primero antes de considerar las cuestiones internas.

Los problemas externos son elementos que causarán daños al exterior del cilindro. Ciertos ambientes húmedos o de “lavado” a menudo requieren que se realicen cambios de material en los componentes básicos del cilindro. Es posible que las tapas de los extremos, los tubos, los tirantes y otras piezas deban estar hechos de acero inoxidable o de un tipo único de plástico. En lugar de cambios de material, es posible que se requiera un proceso de recubrimiento químico para utilizar el cilindro en un entorno hostil.

El calor puede ser otro problema externo que exige cambios materiales.

Los problemas internos incluyen los fluidos que se utilizan para operar el cilindro y los contaminantes que podrían ingresar al cilindro.

Si se requieren otros fluidos además del aire para hacer funcionar el cilindro, es posible que sea necesario cambiar el sello.

Si pudieran entrar materiales abrasivos en la unidad, es posible que se necesiten limpiadores de varilla o raspadores. Los productos químicos externos también pueden afectar los componentes internos. Es posible que también sea necesario cambiar los materiales del sello.

Las aplicaciones de cilindros especiales pueden resultar bastante complicadas. Pero, al proporcionar a los fabricantes de cilindros respuestas a estas preguntas, les ayudará enormemente en sus esfuerzos por proporcionarle exactamente lo que necesita.

Tenga en cuenta que cada desviación del producto estándar puede provocar la fabricación, compra o diseño de piezas especiales. Cuando esté pensando en su próximo proyecto de diseño, le sugiero que, si es posible, intente adaptarlo a un producto estándar. Cuantas menos piezas tengan que cambiarse de un producto estándar, es menos probable que el costo tenga que aumentar. Sin embargo, cuando se requiere un cilindro totalmente personalizado, deberá planificar un plazo de entrega más largo porque estos artículos se diseñarán según sus necesidades específicas.

Por Jerry Walling, Gerente de Desarrollo Comercial, Fabco-Air Inc. Gainesville, FL