Fabricación de cilindros de larga duración.

Los cilindros neumáticos son una opción valiosa y preferida para muchas aplicaciones de accionamiento lineal, ya que combinan una larga vida útil, bajo mantenimiento y robustez en un paquete económico. En la superficie, pueden parecer dispositivos simples. Sin embargo, en realidad, un cilindro es un sistema de precisión con muchos componentes diseñados que deben trabajar juntos para que un actuador funcione correctamente.

Diseñar estos bloques de construcción no puede ser más fácil. Las prácticas de diseño de cilindros se pueden definir bien para identificar variables tradicionales como la capacidad de carga, la longitud de carrera y la precisión de posicionamiento. Pero los ingenieros de hoy deben optimizar más factores de rendimiento en el proceso de diseño. Estos generalmente incluyen:
• Capacidades de aceleración y desaceleración.
• Vibración de la carga durante la conducción.
• Capacidad para resistir entornos hostiles, como temperaturas extremas, sin crecimiento ni deformación del hardware;o contaminación externa sin corrosión.
• Restricciones de ruido.
• Capacidad de reparación y reutilización de cilindros.
• Requisitos de eliminación al final de su vida útil.
• Costo total del ciclo de vida de propiedad. Los diseñadores deben equilibrar el impacto de estos factores en los componentes del sistema para cumplir con las expectativas del usuario. Un área que es particularmente crítica para el mejor rendimiento de su clase es un buen sistema de sellado. A continuación, se incluye una descripción detallada de los factores que afectan a un sistema de sellado al optimizar el rendimiento general del cilindro.

Conceptos básicos del sistema de sellado
Los sellos son elementos críticos en el diseño de cilindros porque deben equilibrar el rendimiento y la longevidad con el costo al:
• Evite la fuga de fluido interno inaceptable o el ingreso de fluido externo.
• Mantener la fricción estática y dinámica dentro de las especificaciones deseadas. Muy poca fricción puede significar una fuerza de sellado insuficiente;Demasiado puede causar sobrecalentamiento, pérdida de energía y desgaste.
• Tener una vida laboral aceptable.
• Cumplir con los requisitos de costo total del sistema.

Una consecuencia de desempeñar un papel tan crítico en el rendimiento de los cilindros es que las fallas en los sellos a menudo enmascaran problemas más grandes del sistema. La falla del sello es a menudo la primera señal obvia de un problema del sistema, ya que muchas veces la causa raíz de la falla es un problema de cojinete, carga lateral o desalineación.

La mecánica básica que rodea la operación de sellado incluye minimizar el espacio entre las superficies de contacto para separar los fluidos y mantener el diferencial de presión deseado. En muchos casos, los sellos se basan en la interferencia y compresión de materiales elásticos, resortes y otros elementos de carga para crear la tensión inicial. El diseño también utiliza otras fuentes de energía disponibles, como la presión del fluido, los efectos térmicos y el movimiento del hardware que ayuda a cargar el material de sellado. El resultado es un control correcto del espesor de la película de fluido para optimizar las fugas, la fricción, la vida útil y el costo del sistema.

Factor externo
Como puede imaginar, debido al espacio libre mínimo requerido para un sello efectivo, las variables ambientales y de aplicación pueden afectar significativamente la función del sello, especialmente en aplicaciones como cilindros donde hay una diferencia de presión significativa entre los fluidos internos y externos. A continuación se muestra una mirada detallada a estos factores y los problemas que causan.

flujo de fluido — La compatibilidad del material del sello con el fluido de trabajo generalmente no es un problema con el cilindro, a menos que los lubricantes internos o los corrosivos externos, los corrosivos y los contaminantes provoquen una degradación química que puede hacer que el material del sello se hinche, se endurezca o se rompa.

En algunos casos, el fluido externo también puede penetrar a través del material de sellado o filtrarse a través de la microestructura de la superficie metálica del cilindro. Otro factor es el comportamiento relacionado con el perfil de estrés, que incluye:
• Descompresión explosiva. La rápida liberación de presión puede hacer que el gas permeado escape rápidamente del sello, rasgando, rompiendo y formando ampollas en el material en el proceso.
• El material de sellado se extruye a través de los espacios entre las piezas acopladas, acelerado por la alta presión o los picos de presión.
• El chorro de fluido corroe el material del sello.

cambio térmico — El contacto dinámico entre el sello y la superficie de contacto provoca un calentamiento por fricción y un aumento natural de la temperatura. Este calentamiento, en combinación con las condiciones ambientales externas y las temperaturas del fluido y del cilindro, puede afectar la holgura requerida para un sellado efectivo. Los cambios térmicos pueden: • Reblandecer o endurecer el material de sellado y las superficies metálicas, lo que afecta la profundidad de penetración del material de sellado en las superficies de contacto y, en última instancia, el control de la fricción, el desgaste y las fugas.• Reblandezca o endurezca el material del cojinete cerca del sello que puede cambiar la posición del sello.• Causa temperatura excesiva para acelerar la degradación química.• Crear temperaturas extremas que hagan que los sellos se expandan o contraigan. Cambios de materiales: además de la degradación química de los materiales de los sellos, la incompatibilidad de fluidos puede corroer y acelerar el desgaste de las superficies metálicas de los sellos.y,Además del propio fluido, los contaminantes en el fluido interno o externo también pueden corroer física o químicamente el sello. Finalmente, la calidad lubricante de los fluidos internos y externos se degrada con el tiempo y acelera el desgaste.

movimiento de hardware — La dinámica de las piezas presurizadas en movimiento siempre afecta los espacios de sellado críticos. Algunos tipos de movimiento que pueden causar estragos en los sellos incluyen deflexión, carga lateral, desalineación angular y amartillado;expansión, el diámetro del cilindro aumenta bajo presión;Así como ciclos de carrera cortos de alta frecuencia debido a vibraciones o fluctuaciones.

proceso de ensamblaje — La forma en que se fabrican y ensamblan los componentes del cilindro es fundamental para las herramientas que ayudan en la instalación manual o el ensamblaje automatizado. Los expertos también recomiendan usar radios y chaflanes adecuados en los prensaestopas y otros componentes del cilindro para simplificar la instalación y desbarbar las piezas para minimizar la posibilidad de muescas o cortes que pueden acelerar la falla del sello.

tiempo — Los sellos cambian con el tiempo. Algunos ejemplos de comportamiento dependiente del tiempo incluyen la fluencia, la relajación de la tensión, la deformación por compresión y la degradación química de los materiales, así como la fatiga, el ablandamiento de la tensión y otros fenómenos relacionados con el ciclo de trabajo. El desgaste de los sellos aumenta la variación en el rendimiento del cilindro. Y no olvide considerar cómo el rendimiento del sellado puede verse afectado por períodos de almacenamiento a largo plazo o operaciones de posicionamiento a largo plazo.

Diseño de sellos neumáticos

Debido a que además de los requisitos básicos de rendimiento del actuador, existen muchos factores externos y ambientales que afectan la función del sello, recomendamos el siguiente proceso de diseño para los sistemas de sellado.
• Identificar a todas las partes involucradas en el diseño del conjunto del cilindro.
• Aclare los puntos de referencia para el desempeño exitoso del sellado en términos de fugas, fricción, costo y vida útil, y asegúrese de que todos los involucrados en el diseño de cilindros sepan cómo calcular estas métricas.
• Identificar las opciones de sellado y abordar cómo diseñar, probar y validar el rendimiento del sistema utilizando varios métodos para determinar las opciones de sellado óptimas. Los métodos de diseño pueden incluir: ensamblaje 3D, mapeo de procesos, análisis de elementos finitos (FEA), análisis de acabado superficial, prueba de materiales, validación de productos y análisis de efecto de modo de falla (FMEA). Este enfoque permite que todos los miembros del equipo de diseño contribuyan a un proceso de ingeniería sólido y rápido.

Los fabricantes de sellos están constantemente desarrollando nuevos sellos para cilindros. Las demandas del mercado indican la necesidad de sistemas de sellado más resistentes, duraderos y rentables. Teniendo en cuenta esta información, creemos que la mejor combinación de rendimiento y valor del cilindro es un sistema de sellado:
• Funciona bien en aire comprimido sin aceite con una lubricación mínima en el arranque.
• Maneja presiones de aire comprimido de hasta 230 psi.
• Funciona a velocidades de hasta 100 pies por minuto con una excursión máxima a corto plazo de 400 pies por minuto.
• Baja fricción y no stick-slip durante la operación.
• Ofrece 4,000 millas de viaje de por vida.

Para equilibrar estos factores, nuestro equipo de diseño aborda simultáneamente mejoras de materiales, diseño y procesos. Los resultados se centran en tres áreas:
• Desarrollar materiales de poliuretano que equilibren la alta abrasión y la resistencia a la abrasión del poliuretano con la resistencia, la compatibilidad química y las propiedades de fricción requeridas para una larga vida útil, excelente rendimiento de sellado, baja fricción y costo total moderado del sistema. Lo llamamos la familia de materiales Zurcon.
• Diseñe una geometría de sello adecuada. Esto incluye un área de contacto redondeada en el labio de sellado para mantener una película lubricante, un labio delgado que produce bajas fuerzas radiales y fricción, pasajes de aire que permiten la activación por presión y otras características que aprovechan al máximo el poliuretano de baja dureza. FEA y las pruebas de productos validan el rendimiento de las nuevas características de diseño. El proceso FEA que se muestra en el ejemplo adjunto estudia la geometría y el comportamiento del material a 29 psi y 145 psi para optimizar las propiedades de fuga, fricción y desgaste.
• Desarrollar y validar procesos económicos de moldeo por inyección que optimicen las propiedades superiores del material.

El conjunto final de pruebas de productos midió las fugas, la fricción, el costo del sistema y la longevidad. Las pruebas de durabilidad determinaron la fuga a lo largo del tiempo para sellos de vástago de pistón de 29 psi y 145 psi, y otras pruebas de validación incluyeron pruebas de fricción de ruptura, rendimiento a baja temperatura y alta presión y presión de explosión. El sistema de sellado resultante optimiza con éxito materiales, diseños y procesos y cumple o supera todos los objetivos clave de rendimiento de los cilindros.

Para obtener más información, comuníquese con Trelleborg Sealing Solutions RD, 2531 Bremer Road, Fort Wayne, IN 46803, (260) 749-9631, www.tss.trelleborg.com .

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