Tiempo y Velocidad de Carrera Completa del Cilindro Neumático

Los cilindros neumáticos se utilizan ampliamente en aplicaciones industriales y de automatización para convertir el aire comprimido en movimiento lineal. La velocidad y el tiempo de carrera completa son factores críticos en el rendimiento de un cilindro neumático; afectan significativamente a su eficacia y productividad. Varios factores, como el tamaño y el tipo de cilindro, la presión del aire y la carga, influyen en la velocidad de un cilindro neumático. En este artículo se explica cómo seleccionar un cilindro neumático en función de su tiempo de carrera completa y de los distintos factores que influyen en su velocidad, y se ofrecen ideas para optimizar el rendimiento del cilindro. Lea nuestro artículo sobre cilindros neumáticos para obtener más información sobre su diseño y funcionamiento.

Índice de contenidos

• Tiempo de carrera completa
• Velocidad del cilindro neumático
• Velocidad en función del diámetro interior de un cilindro neumático
• Perfil de velocidad ideal
• Carrera del cilindro neumático en función del tiempo
• Cómo controlar la velocidad de los cilindros neumáticos
• Cilindros neumáticos con amortiguación
• Ejemplo
• Preguntas frecuentes

Tiempo de carrera completa

El tiempo de carrera completa de un cilindro neumático es el tiempo que tarda el cilindro en pasar de su posición totalmente extendida a su posición totalmente retraída o viceversa. La estimación del tiempo de carrera completa tiene en cuenta factores como el tamaño del orificio del cilindro, la longitud de la carrera, la presión del aire y la carga; es un parámetro muy utilizado para seleccionar un cilindro neumático.

Cálculo y ajuste de la velocidad

Un usuario puede estimar la velocidad de un cilindro neumático dividiendo la longitud de la carrera del vástago por su tiempo de ciclo. Este cálculo proporciona una idea de la velocidad a la que el vástago del cilindro actuará sobre un objeto durante cada ciclo. Por ejemplo, si se utiliza un cilindro neumático con una carrera de 100 mm para accionar una carga cada 1 segundo, el cilindro generará una velocidad de fin de carrera de 100 mm/s.

Para reducir el tiempo de carrera para mover un objeto, el usuario puede aumentar la velocidad del cilindro neumático utilizando las técnicas que se comentan más adelante en este artículo. Si la velocidad ha alcanzado su máximo y el tiempo de carrera no puede reducirse más, puede ser una señal para cambiar el cilindro.

Ejemplo

Considere la posibilidad de desplazar un objeto 300 mm en 2 segundos para las dos carreras del cilindro neumático. Calcule la velocidad necesaria requerida por el cilindro.

Velocidad = Distancia / Tiempo

Velocidad = 300 mm / 2 s = 150 mm / s

Por lo tanto, elija un cilindro neumático que funcione a una velocidad de 150 mm/s.

Velocidad del cilindro neumático

La velocidad de fin de carrera es la velocidad del pistón cuando alcanza el final de su carrera o una posición arbitraria. En esta velocidad influyen varios factores, como la carga que se desplaza, la presión de aire aplicada, la longitud y el diámetro de los tubos que conectan el cilindro y la válvula de control, y el caudal de la válvula de control. Por lo general, un cilindro estándar puede alcanzar una velocidad media de 0,1 a 1,5 metros por segundo.

El cálculo de la velocidad del cilindro neumático implica la siguiente fórmula general:

• V: Velocidad del cilindro neumático (m/s)
• Q: Caudal (^m3/s)
• A: Superficie del pistón (^m2)

Utilice la siguiente ecuación si el caudal se indica en CFM (pies cúbicos/min) y el área del pistón se indica en pulgadas cuadradas. La constante 28,8 tiene en cuenta los factores de conversión de pies a pulgadas y de minutos a segundos. La velocidad resultante se obtiene en pulgadas/segundo.

• V: Velocidad del cilindro neumático (pulg./s)
• Q: Caudal volumétrico (CFM, pies cúbicos/min)
• A: Área del pistón (pulgadas cuadradas)

El área efectiva del pistón puede calcularse mediante la fórmula:

• d: Diámetro del pistón (pulg.)

Ejemplo

Calcular la velocidad de un cilindro neumático con un área de pistón de 0,3 metros cuadrados y un caudal de 100 metros cúbicos/s.

Q = 100 metros cúbicos/s

A = 0,3 metros cuadrados

V = 100/0,3 = 333,3 m/s

Velocidad en función del diámetro interior de un cilindro neumático

Para dos cilindros neumáticos de la misma longitud, el de menor diámetro funcionará más rápido que el de mayor diámetro. Esto se debe a que los cilindros de menor diámetro requieren menos aire comprimido y pueden llenarse más rápidamente con la bomba de aire. Además, la resistencia mecánica del cilindro también afecta a su velocidad. Se recomienda elegir un cilindro que pueda soportar un 50% más de fuerza que la necesaria para alcanzar altas velocidades. La figura 2 muestra el diagrama de velocidad del cilindro neumático comparando la velocidad del cilindro con el tamaño del orificio. El gráfico estima en condiciones óptimas, suponiendo un suministro de aire constante, sin carga, sin tener en cuenta la aceleración, y la velocidad de trabajo real puede ser más lenta.

Perfil de velocidad ideal

Para maximizar el rendimiento de la máquina, es necesario que los cilindros funcionen a alta velocidad sin provocar averías. Esto implica que el cilindro funcione a su velocidad máxima durante la mayor parte posible de su carrera (Figura 3 etiquetada A), con una aceleración y deceleración constantes en cada extremo de la carrera (Figura 3 etiquetada B). La fase de desaceleración garantiza que el cilindro se detenga en la culata sin ninguna carga de impacto.

La carga de impacto en los cilindros neumáticos se produce cuando el cilindro y la carga en movimiento entran en contacto a altas velocidades, lo que provoca la aplicación de una fuerza repentina sobre el cilindro. Esto puede ocurrir cuando el cilindro llega al final de su carrera o cuando se produce una parada o inversión repentina, causando daños al cilindro y a otros componentes del sistema, como válvulas y racores. La aceleración constante debe dar lugar a fuerzas seguras para la carga de trabajo del cilindro según la ley de Newton (F = ma).

Carrera del cilindro neumático en función del tiempo

La figura 4 muestra la relación entre la longitud de la carrera del cilindro neumático y el tiempo.

• A: El tiempo que tarda el vástago del pistón en completar una carrera completa.
• B: Diagrama de velocidad del cilindro neumático
• C: Gráfico de la longitud de carrera del cilindro neumático
• D: La velocidad al final de la carrera

Cómo controlar la velocidad de los cilindros neumáticos

Controlar la velocidad de un cilindro neumático es esencial para garantizar su funcionamiento seguro y eficaz. Se pueden utilizar varios componentes para controlar el tiempo de respuesta del cilindro neumático. Estos componentes ralentizan el flujo de aire en una dirección, por lo que si sólo se utiliza uno en un cilindro neumático de doble efecto, el cilindro será rápido en una dirección pero lento en la otra. Utilizando el control de flujo en ambos puertos del cilindro se ralentizará en ambas direcciones. Es necesario experimentar con la aplicación real para determinar el tiempo necesario, ya que varía debido a la resistencia y la fricción.

• Ajuste de la presión del aire: La velocidad de un cilindro neumático es directamente proporcional a la presión de alimentación de aire. Para reducir la velocidad, disminuya la presión de suministro de aire y viceversa.
• Añadir una válvula de control de caudal: La instalación de una válvula de control de caudal en la línea de suministro de aire del cilindro neumático puede regular el caudal de aire y, por tanto, la velocidad del cilindro. La válvula puede ajustarse para permitir un mayor o menor caudal de aire.
• Implementar un limitador: Los cilindros neumáticos suelen estar equipados con una válvula de mariposa o un restrictor para controlar la velocidad de accionamiento y/o retracción del pistón. Por ejemplo, para ralentizar un cilindro neumático, el usuario puede cerrar la salida de la válvula para restringir el flujo de aire que sale del cilindro. Del mismo modo, abra la válvula para acelerar el cilindro.
• Emplear un regulador de presión: Un regulador de presión instalado en la línea de suministro de aire regula la presión del aire y, por tanto, la velocidad del cilindro. Ajuste el regulador para mantener una presión específica, que controla la velocidad del cilindro.
• Utilizar controles electrónicos: Los controles electrónicos, como un regulador electrónico de velocidad, pueden utilizarse para controlar la velocidad de un cilindro neumático. El controlador puede programarse para ajustar la presión de suministro de aire, el caudal o el ajuste del restrictor para controlar la velocidad del cilindro.

Hay algunos problemas con el uso de componentes adicionales con cilindros neumáticos para controlar su velocidad manualmente.

• Cada cilindro suele requerir unos minutos de ajuste durante su instalación y puesta en marcha. Sin embargo, si una máquina tiene muchos cilindros, el tiempo empleado en ajustar cada uno puede acumularse de forma significativa.
• Las válvulas ajustables pueden ser propensas a errores humanos, lo que puede provocar una sobrecarga de la máquina y un mantenimiento no planificado.
• El proceso de ajuste debe repetirse cada vez que cambian las condiciones de funcionamiento, lo que puede resultar laborioso y propenso a errores. Si las condiciones cambian constantemente, puede resultar imposible mantener una velocidad óptima para el cilindro.

En general, la capacidad de un cilindro neumático para mantener constantemente su posición, velocidad y fuerza puede verse afectada por diversos factores de mantenimiento, como juntas desgastadas, fugas, caídas de presión y picos en el sistema de aire comprimido. Estos factores pueden dificultar a menudo la consecución de un rendimiento fiable y constante.

Cilindros neumáticos con amortiguación

La amortiguación funciona reduciendo la velocidad del pistón cuando se acerca al final de su carrera. Los cilindros neumáticos pueden equiparse ahora con un innovador sistema de "amortiguación automática" que se ajusta automáticamente a las condiciones cambiantes, eliminando la necesidad de ajustes manuales. Lea nuestro artículo sobre amortiguación de cilindros neumáticos para obtener más información sobre el funcionamiento y los tipos de amortiguación en cilindros neumáticos.

Ejemplo

Considere la posibilidad de desplazar un objeto 500 mm mediante un cilindro neumático. El usuario desea desplazar el objeto a lo largo de la distancia en 1 segundo durante la carrera de extensión y en 5 segundos durante la carrera de retorno.

Para la carrera extendida, el objeto debe desplazarse 500 mm en 1 segundo, por lo que la velocidad media requerida es:

500 mm / 1 s = 500 mm/s

Para la carrera de retorno, el objeto debe desplazarse 500 mm en 5 segundos, por lo que la velocidad media requerida es:

500 mm / 5 s = 100 mm/s

Para adaptarse a estos diferentes requisitos de velocidad, elija un cilindro neumático que pueda funcionar dentro de una gama de velocidades de al menos 100 mm/s a 500 mm/s.

Dado que es necesario controlar tanto la extensión como la retracción, debe utilizarse un cilindro neumático de doble efecto. Este cilindro tiene dos puertos, uno para extender y otro para retraer. Al conectar ambos puertos a la misma fuente de presión, el cilindro funcionará a la misma presión en ambas direcciones.

Para controlar la velocidad del cilindro durante la carrera de retorno, utilice una válvula de control de caudal para regular el flujo de aire que entra y sale del cilindro; esto permite al usuario ajustar la velocidad del pistón. Ajustando la válvula reguladora de caudal, puede asegurarse de que el cilindro funcione dentro de la gama de velocidades requerida para cada carrera. Otra opción es estrangular la válvula a la salida del cilindro.

Lea nuestros artículos sobre las normas ISO 15552, ISO 6432 e ISO 21287 para obtener más información sobre las características de diseño de los cilindros neumáticos para las distintas normas ISO.

Preguntas frecuentes

¿Cómo calcular la velocidad de un cilindro neumático?

La velocidad del cilindro neumático viene dada por V = 28,8×Q/A, donde V es la velocidad del cilindro neumático (pulg./s), Q es el caudal volumétrico (CFM) y A es el área del pistón (pulgadas cuadradas).

¿La velocidad de un cilindro neumático de doble efecto es la misma que la de uno de simple efecto?

En comparación con los cilindros de simple efecto, los cilindros de doble efecto proporcionan una mayor velocidad y fuerza de salida en términos de potencia del fluido.