Empujar, tirar, levantar o girar: hay un cilindro de aire para hacerlo

Los cilindros se utilizan para generar fuerza y ​​movimiento lineal de potencia en todo tipo de equipos OEM. Pueden mover el producto directamente o mover componentes dentro de la máquina que actúan sobre el producto. Lo hacen empujando o tirando, subiendo o bajando, girando o sujetando. Pueden generar grandes fuerzas y una amplia gama de velocidades, e incluso detenerse cuando sea necesario sin causar daños internos. Están fabricados para soportar condiciones adversas y lavados repetidos. Están disponibles en una variedad de diseños para cumplir con los requisitos de diferentes aplicaciones. La siguiente es una descripción de los tipos básicos y características de los cilindros.

tipo de cilindro

El cilindro industrial original, que sigue siendo el más utilizado en la actualidad, consistía en un tubo o barril (cilindro) cerrado por piezas terminales selladas para formar un recinto. En el interior hay un pistón sellado. Una varilla conectada al pistón se extiende a través de una abertura sellada en uno de los extremos. El cilindro está montado de modo que no se mueva y la carga está conectada o en contacto con el vástago del pistón. Un puerto en un extremo del tubo permite que el aire comprimido actúe en un lado del pistón, moviéndolo junto con el vástago del pistón. Un puerto en el otro extremo del tubo permite que escape el aire del otro lado del pistón, generalmente a la atmósfera. Cuando los dos puertos actúan en direcciones opuestas, el pistón y el vástago del pistón se desplazan en direcciones opuestas.

Este es un cilindro de varilla básico. Como sugiere su nombre, generalmente tiene una varilla que sobresale de uno o ambos extremos. Otros modelos tienen múltiples varillas que pasan por el mismo extremo para evitar que el pistón gire. Los cilindros de vástago tienen dos funciones: de doble efecto y de simple efecto. Ambos tipos están disponibles en una variedad de estilos que incluyen cilindros reparables, desechables, compactos, guiados o de fuelle. También hay cilindros sin vástago.

Los cilindros de vástago básicos siguen siendo los cilindros industriales más utilizados en la actualidad.(Foto © 2018 Bimba)

Los cilindros de doble acción utilizan aire comprimido para impulsar las carreras de extensión y retracción, moviendo el cilindro hacia adelante y hacia atrás. Esta disposición los hace ideales para empujar y jalar cargas en la misma aplicación. Al controlar la velocidad de escape, el cilindro de doble efecto puede lograr un control de velocidad excelente.

Los cilindros de simple efecto reciben aire comprimido en un solo lado del pistón. El volumen del otro lado del pistón está abierto a la atmósfera. Dependiendo de si se dirige al extremo de la tapa o al extremo del vástago, el aire comprimido puede extender o retraer el vástago del pistón. El tipo más común de cilindro de simple efecto es el tipo de extensión de presión. Una vez que se agota la presión, un resorte interno impulsa la carrera de retorno. En otros diseños, la gravedad o resortes externos devuelven el pistón a su posición original.

Los cilindros reparables se pueden quitar para reemplazar los sellos y otros componentes internos. Este proceso prolonga el ciclo de vida del cilindro. Estos cilindros suelen tener un diseño robusto y se utilizarán en aplicaciones que requieran componentes pesados.

Los cilindros no reparables o sellados de por vida tienen tapas en los extremos que se engarzan mecánicamente en el tubo. Los pistones se prelubrican antes de montar el cilindro. Si bien son menos costosos de fabricar, no se pueden desarmar para repararlos sin destruir la carcasa. Estos cilindros se utilizan a menudo en aplicaciones de trabajo liviano y deben reemplazarse cuando llegan al final de su ciclo de vida.

Los cilindros sellados de por vida generalmente se usan en aplicaciones de trabajo ligero y solo necesitan ser reemplazados cuando llegan al final de su ciclo de vida.(Foto © 2018 Bimba)

Los cilindros compactos están diseñados para espacios más pequeños donde solo se requieren carreras cortas. Se utilizan en aplicaciones de trabajo ligero porque tienen una superficie de apoyo más pequeña contra la que se desplaza la varilla. En su mayoría vienen en formas de acción simple, pero también hay formas de acción doble.

Los cilindros guía son adecuados para aplicaciones con cargas laterales significativas o donde es necesario guiar una carga (por ejemplo, hacia abajo de una cinta transportadora). Un cilindro de doble vástago o un cilindro montado sobre un bloque guía puede ser la solución.

Al agregar componentes mecánicos, el movimiento lineal del cilindro se puede convertir en movimiento angular de hasta 360 grados. Los actuadores rotativos de piñón y cremallera con un piñón giratorio y un eje externo se usan comúnmente en la industria de procesos para operar válvulas de un cuarto de vuelta.(Los motores neumáticos de paletas accionan otros actuadores rotativos.) El dimensionamiento de un actuador rotativo requiere información de par sobre la carga que se va a girar.

Los fuelles son actuadores plegables duraderos de acción simple con paredes elastoméricas reforzadas flexibles y placas de metal en los extremos. Debido a su gran diámetro, se estiran y crean un golpe potente cuando se inflan. Su configuración cilíndrica les permite doblarse en cualquier dirección, lo que los hace útiles en situaciones donde la carga puede cambiar el ángulo. Algunas notas de aplicación: La extensión y compresión máximas del fuelle deben estar limitadas por restricciones externas. La extensión incontrolada puede volar la placa final;La ventilación no controlada puede hacer que la carga aplaste la pared lateral.

Los cilindros sin vástago no tienen vástagos que pasen a través de las tapas de los extremos. En cambio, el soporte exterior se desliza hacia adelante y hacia atrás sobre la superficie del tubo. La carga o herramienta se monta en este soporte. El pistón interior está conectado mecánicamente al carro a través de ranuras longitudinales selladas en la pared del cilindro. Largas tiras de sellado dentro y fuera del cuerpo del cilindro evitan la pérdida de aire y la entrada de polvo. Esta ranura solo se abre entre los sellos de labios del pistón a medida que el pistón se mueve hacia adelante y hacia atrás.

Los cilindros sin vástago mueven cargas montadas en soportes externos. En esta foto, el carro está «guiado externamente», parcialmente envuelto alrededor del tubo del cilindro para una mayor capacidad de carga de momento.(Foto © 2018 Norgren, Inc.)

Los cilindros sin vástago se utilizan para requisitos de carrera larga y brindan una gran capacidad de carga de momento para una variedad de aplicaciones. Este diseño ahorra espacio porque la carrera está contenida dentro de toda la carcasa del cilindro. Están disponibles en una variedad de diseños de carro. Las tres opciones de soporte más comunes son las guías internas, las guías externas y las guías de rodillos.

Características – Vocabulario básico

El tipo de cilindro descrito anteriormente es un criterio de selección. A continuación se encuentran descripciones de otras características a considerar al decidir qué cilindro usar. Al final, tanto el cilindro como la selección de funciones dependen de la aplicación precisa del cilindro.

El diámetro interior es el diámetro interior del cilindro o el diámetro interior del cilindro en pulgadas o milímetros. Esta dimensión crítica está directamente relacionada con la capacidad de salida de fuerza del cilindro.

La longitud de la carrera es la distancia entre el vástago del pistón completamente extendido y completamente retraído, la distancia desde el inicio hasta el final de la carrera. Esto también se suele medir en pulgadas o milímetros.

Las clasificaciones de presión están en libras por pulgada cuadrada (psi). La mayoría de los cilindros están diseñados para funcionar a presiones más bajas que las que normalmente producen los sistemas de aire de fábrica, pero algunas aplicaciones pueden requerir presiones más altas. La presión real suministrada al cilindro generalmente se reduce mediante un regulador de presión a un nivel que produce el empuje requerido.

El diámetro del vástago del pistón está determinado por el diámetro interior.

El tamaño y la ubicación del puerto también están determinados por la apertura, pero se pueden ajustar para diseños personalizados.

Tamaño del sobre. La National Fluid Power Association (NFPA) establece estándares para muchos tamaños de cilindros y, si es necesario reemplazarlos, se pueden reemplazar los cilindros de diferentes fabricantes. Por supuesto, también hay muchos modelos con tamaños únicos, especialmente si se requiere personalización.

La configuración de montaje se refiere a cómo se conecta el cilindro al equipo adyacente. Una gran cantidad de soportes estándar (rígidos y articulados) a menudo permiten adaptar el cilindro a los estándares de movimiento de una aplicación específica. También está disponible una variedad de hardware de montaje.

Material del cilindro. El entorno operativo es un factor importante que influye en la selección del material. Las opciones típicas de materiales para cilindros incluyen acero, aluminio, acero inoxidable y compuestos. Algunos modelos se construyen a partir de combinaciones de estos materiales.

Opciones adicionales

Además de las características estándar mencionadas anteriormente, el fabricante también ofrece varias características opcionales. Por ejemplo, los fabricantes de cilindros usan una variedad de métodos para sellar las aberturas en los orificios de los cilindros y las tapas de los extremos de los cilindros. Los diseñadores pueden optar por especificar materiales de sellado alternativos para aplicaciones que funcionan a temperaturas ambiente muy altas o muy bajas.

Si el pistón hace contacto de metal con metal con la tapa del extremo al final de la carrera, el resultado será un ruido excesivo y posibles daños mecánicos. La amortiguación evita este contacto. Algunos cilindros tienen un parachoques estacionario integral, un orificio de parachoques estacionario prediseñado que restringe el flujo de gas de escape para reducir la velocidad del pistón al final de la carrera. Esto es beneficioso porque evita que la amortiguación se altere en condiciones de campo: el efecto de amortiguación no cambia y es repetible.

Algunos diseños de cojines incluyen ajustes que pueden cambiar la velocidad a la que se escapa el aire atrapado. Esto permite que el operador de la máquina ajuste la velocidad a la que el cilindro se amortigua al final de la carrera. La última es la Amortiguación Adaptativa, que se adapta automáticamente a cambios de carga o cambios en la aplicación sin necesidad de ajustar manualmente los tornillos de amortiguación.

La amortiguación al final de la carrera evita el ruido y el desgaste por contacto de metal con metal. Este cilindro IMI Norgren ISOLine cuenta con amortiguación adaptativa para adaptarse a cargas cambiantes sin ajuste manual.(Foto © 2018 Norgren, Inc.)

Los cilindros sin amortiguación solo son adecuados para trabajos de carrera completa a baja velocidad, lo que permite un contacto suave al final de la carrera. Para operar el cilindro sin amortiguación a una velocidad más rápida, se puede instalar un tope externo con amortiguador. Estos deben colocarse para evitar el contacto interno entre el pistón y la tapa del extremo.

Los cilindros magnéticos tienen una banda de material magnético alrededor de la circunferencia del pistón dentro del cuerpo del cilindro no magnético. El campo magnético se puede imaginar en forma de dona alrededor del barril. La forma se mueve con el pistón a medida que el vástago del pistón se mueve hacia adentro y hacia afuera. Al colocar interruptores de láminas en el exterior del cilindro (por ejemplo, uno en cada extremo), el vástago del pistón genera una señal cada vez que completa su recorrido.

Configurar varios cilindros

Se pueden combinar múltiples cilindros para producir resultados específicos de fuerza y/o carrera. Al montar dos o más cilindros de extremo a extremo, se pueden extender y/o retraer selectivamente para mover de manera confiable la carga conectada a varias posiciones diferentes. Esto se llama un arreglo de múltiples posiciones.

Una disposición en tándem (o multipotencia) también une los dos cilindros de extremo a extremo, pero en este caso hay una tapa de extremo central compartida y un vástago de pistón compartido. La combinación puede entonces duplicar la tracción y el empuje de un solo cilindro del mismo diámetro. Los arreglos en tándem son adecuados como alternativa a los cilindros de mayor diámetro cuando hay suficiente espacio disponible para la longitud pero el ancho y la altura son limitados.

Cosas a tener en cuenta

Una consideración de diseño general muy importante es mantener el empuje del cilindro lo más cerca posible de la línea central del vástago del pistón sin desalineación ni empuje lateral. Los cilindros se utilizan a menudo para empujar y tirar sin cargas laterales excesivas. El empuje excéntrico o las cargas laterales pueden reducir en gran medida la vida útil esperada de los cojinetes de biela y los sellos. El empuje excéntrico y las cargas laterales pueden ser causados ​​por una instalación incorrecta, la deflexión del cilindro bajo carga, la deflexión del marco, la flexión o pandeo de la varilla y el diseño inadecuado de la máquina.

A veces, esto se puede resolver agregando un tubo de tope interno opcional para aumentar la superficie de apoyo del cilindro. El tubo de tope es un espaciador colocado entre el pistón y el extremo del vástago. Cuando el vástago del pistón está completamente extendido, aumenta la distancia entre el cojinete del pistón y el cojinete del vástago del pistón. Esta configuración también es útil en aplicaciones que requieren cilindros de carrera muy larga.

Los cilindros sin vástago son una buena opción para aplicaciones de manejo que requieren carga lateral. Pueden llevar cargas arriba, abajo o al costado;Debido a que no hay barra, no hay pandeo ni deformación. Los cilindros sin vástago también ahorran espacio porque la carrera está contenida dentro del bloque de cilindros. Con un diseño de vástago, la carrera solo comienza en el punto donde la varilla sale del cilindro, por lo que el espacio requerido debe incluir la longitud del bloque de cilindros y la longitud de la carrera. Los cilindros sin vástago también están disponibles con carreras más largas: hasta 27 pies, en comparación con los 12 pies de los cilindros con vástago.

La mayoría de los cilindros están engrasados ​​en los orificios y sellos del cilindro para usar con aire no lubricado. Si el suministro de aire comprimido está limpio y seco, la grasa dará a los sellos una larga vida útil sin necesidad de agregar aceite a través del lubricador de aire. Sin embargo, el aire contaminado puede dañar gradualmente la grasa lubricante original y acortar la vida útil de los sellos. Un suministro de aire lubricado prolongará la vida útil del cilindro, pero también eliminará la lubricación original. Por lo tanto, una vez que se introduce aire lubricante, debe usarse con frecuencia y el lubricador debe inspeccionarse y mantenerse regularmente.

máquina limpia

Una de las cosas que tienen en común los cilindros es la tubería. Después de todo, el aire comprimido tiene que llegar de alguna manera. La integración de la válvula que controla el aire y el cilindro mismo en un solo paquete reduce significativamente la cantidad de tubería requerida. También permite a los diseñadores de máquinas reducir la huella de la neumática, reducir la energía necesaria para comprimir aire y crear máquinas más limpias y de mejor apariencia. Aquí hay tres ejemplos.

El uso de cilindros con válvulas y tuberías integradas, como IMI Norgren IVAC, puede ayudar a los diseñadores a lograr máquinas con una apariencia limpia y aerodinámica mientras ahorran energía y tiempo de instalación.(Foto © Corporación Norgren)

Corrotec, Inc. de Springfield, Ohio, un fabricante de sistemas de procesamiento personalizados para tratamientos de superficies, deseaba modularizar la construcción e instalación de sus máquinas en las instalaciones de los clientes. El distribuidor de Ohio, Mosier Fluid Power, recomienda el control integrado de actuadores y válvulas (IVAC) de IMI Norgren. En comparación con la instalación de un terminal de válvulas tradicional y todas las tuberías en el campo, IVAC le ahorra a Corrotec una cantidad significativa de tiempo de instalación al requerir solo una tubería para el conector de distribución y un cable para el bloque de E/S.

De hecho, la empresa descubrió que podía ahorrar hasta dos días con una instalación típica. También le encanta el aspecto elegante del IVAC de línea limpia.“Preferimos su estética, pero es más importante para nosotros que transmita la calidad del sistema en general”, dijo el gerente de proyecto de Corrotec, Dan Edgington.»Es un factor de comodidad para nuestros clientes, saber que todas las piezas están selladas de forma segura dentro del paquete, especialmente en entornos con mucho polvo y neblina de aceite en el aire».

Con sede cerca de Milán, Italia, Presezzi Extrusion SpA ha prosperado mediante la fabricación de máquinas de extrusión de metal de última generación, incluido el uso de los componentes neumáticos más rentables y eficientes. Fue uno de los primeros en adoptar IMI Norgren IVAC porque la unidad de control de movimiento modular combina cilindros, válvulas piloto y de control, sensores de posición y reguladores de velocidad en una unidad integrada que cabe en el mismo espacio que los actuadores estándar. La eliminación de tuberías entre la válvula y el cilindro minimiza el volumen muerto, lo que reduce los costos de energía del aire comprimido hasta en un 50 %. También reduce el costo por golpe y mejora el tiempo de respuesta.

El montaje de un cilindro de línea limpia con válvulas y controles integrados en la parte superior de este estante para cubetas y lavadora ahorra espacio y facilita el lavado.(Foto © Corporación Norgren)

Left Hand Brewing Company en Longmont, Colorado, necesitaba nuevos equipos de barriles para satisfacer la creciente demanda de sus populares cervezas stout y ales. Pero el espacio en la cervecería era tan limitado que la nueva línea de barriles tuvo que compartir espacio con el muelle de carga. Los sistemas lineales existentes consumen más espacio del que puede manejar la mano izquierda. Requería un sistema de limpieza y llenado de barriles que fuera compacto y rápido, y también quería ahorrar en costos de energía. Por supuesto, la línea de barriles debe cumplir con los requisitos de lavado del procesamiento de bebidas.

La solución es el Innoeg Till CombiKeg fabricado por KHS Dortmund, Alemania. Esta inusual lavadora y llenadora de barriles utiliza un diseño rotatorio en lugar de un diseño lineal, moviendo los barriles durante las etapas requeridas de limpieza y llenado. El montaje de varios IVAC de IMI Norgren en la parte superior de la máquina hace posible este diseño compacto y, con una clasificación IP67, el IVAC de línea limpia puede soportar el lavado frecuente que se requiere en esta atareada instalación.

Póngalos juntos

Los cilindros son los caballos de batalla de la industria, ya que mueven y posicionan productos o piezas de máquinas que actúan sobre ellos. Los cilindros son componentes simples y versátiles que han evolucionado con el tiempo, lo que permite diseños de máquinas más innovadores. También forman parte de una cartera de productos cada vez más compleja en el mundo industrial actual. El desarrollo de cilindros con retroalimentación y el uso de controles lógicos programables son solo dos ejemplos. Si bien se puede calcular el rendimiento básico de un cilindro, muchos factores externos afectan su rendimiento real.

Ensamblar un kit de actuador que cumpla con los requisitos de una aplicación OEM puede ser una tarea desalentadora y que requiere mucho tiempo. Asociarse con una empresa con experiencia en control neumático y una línea completa de productos puede reducir el tiempo de resolución de problemas.

Sheila Campbell es directora de marketing de productos de actuadores de Norgren, Inc., una marca de IMI Precision Engineering. Para mayor información por favor visite Página Web de la compañía .

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