Consideraciones de diseño de los cilindros neumáticos

Los cilindros neumáticos son una opción valorable y preferida para muchas aplicaciones de actuación lineal, combinando larga vida, bajo mantenimiento y capacidad para trabajar en ambiente agresivos, y todo ello en un paquete económico. Superficialmente pueden parecer simples mecanismos, pero en realidad los cilindros neumáticos son sistemas de precisión con numerosos componentes de ingeniería que deben trabajar juntos con el actuador para trabajar apropiadamente.

El diseño de estos bloques no es nada fácil. Las prácticas de diseño de cilindros deben estar bien definidas para identificar variables tradicionales tales como la capacidad de carga, longitud del golpe y exactitud del posicionamiento. Pero los ingenieros de hoy deben optimizar un rango expandido de factores de rendimiento durante el proceso de diseño. Estos factores incluyen:

• Capacidades de aceleración y deceleración.
• Vibración de la carga durante la actuación.
• Capacidad para resistir ambientes rigurosos, tales como temperaturas extremas sin distorsiones; o contaminación externa sin corrosión.
• Limitaciones del ruido.
• Capacidad para reparar y reutilizar el cilindro.
• Costes en toda la vida útil. Los diseñadores deben equilibrar estos factores en los componentes del sistema para satisfacer las expectativas del usuario final. Un área particularmente crítica en cuanto al rendimiento es un buen sistema de sellado.

Lo básico del sistema de sellado – El sellado es un elemento crítico en el diseño del cilindro ya que debe equilibrarse rendimiento y vida con costes para:

• Prevenir cantidades inaceptables de pérdidas o entrada de fluidos externos.
• Mantener fricción estática y dinámica dentro de las especificaciones deseadas. Demasiada poca fricción puede significar que no hay suficiente fuerza de sellado; y demasiada fricción originará calor, pérdida de energía y desgaste.
• Llevar una vida de trabajo no aceptable.
• Cumplimiento de la demanda de costes del sistema total.

Una consecuencia de jugar un papel crítico en el rendimiento del cilindro es que fallos futuros a menudo enmascaran grandes problemas. Los fallos de sellado son a menudo el primer signo obvio de problemas del sistema, aunque muchas veces la causa raíz del fallo queda en los rodamientos, cargas laterales o problemas de desalineación.

La mecánica básica que a menudo rodea la operación de sellado implica la minimización del espacio hueco entre las superficies de acoplamiento, que separan fluidos y mantienen el diferencial de presión requerido. En muchos casos el sellado depende de la interferencia y compresión de materiales elastoméricos, resortes, y otros elementos de carga para crear una tensión inicial. Los diseños también usan otras fuentes disponibles de energía, tales como presión de fluido, efectos térmicos, y movimiento del hardware que ayuda a asistir en la carga del material de sellado. El resultado es el control del espesor del film de fluido correcto para conseguir optimizar pérdidas, fricción, vida y coste del sistema.

Factores externos – Como puede imaginarse, con el mínimo espacio requerido para el sellado efectivo, las variables de aplicación y ambientales pueden afectar significativamente la forma de afectar las funciones de sellado, especialmente en aplicaciones como cilindros neumáticos donde hay una presión diferencial entre fluidos internos y externos. Veamos los principales factores y los problemas que crean.

Caudal del fluido – La compatibilidad de los materiales de sellado con el fluido de trabajo no es normalmente una preocupación en los cilindros neumáticos, a menos que los lubricantes internos, cáusticos o corrosivos externos originen una degradación química que cause que el material se hinche, endurezca o se agriete.

Los fluidos externos, pueden también se extiende a través del material de sellado o pérdidas a través de la microestructura de la superficie metálica del cilindro. Otro factor es el comportamiento relacionado con los perfiles de presión, incluyendo:

• Descompresión explosiva: La liberación rápida de la presión puede causar que el gas escape del sello y, en el proceso rompa o agriete el material.
• La extrusión del material de sellado a través del huevo entre componentes de acoplamiento, acelerado por altas presiones o golpes de presión.
• Erosión del material de sellado por chorros de fluidos.

Cambios térmicos – Contacto dinámico entre el sello y la superficie de acoplamiento causa calentamiento friccional. Este calentamiento, combinado con condiciones ambientales externas y las temperaturas del fluido y del cilindro pueden afectar al espaciamiento requerido y al sellado efectivo. Los cambios térmicos pueden ablandar o endurecer los materiales y superficies metálicos cerca del sello que pueden alterar la posición del sello. Pueden causar excesivas temperaturas que aceleren la incompatibilidad química, creen extremos de temperatura que expandan o contraigan el sello. Los cambios de materiales –además de la degradación química del material de sellado, la incompatibilidad del fluido puede corroer y acelerar el desgasta de las superficies de sellado metálicas? Y, adicionalmente al fluido en si mismo, los contaminantes dentro de los fluidos internos y externos pueden atacar físicamente el sello. Finalmente, las cualidades del lubricante de fluidos internos y externos puede degradarse en el tiempo y acelerar el desgaste.

Movimientos de hardware – La dinámicas del movimiento hace que los componentes siempre impacten los espacios del sellado de forma crítica. Algunos tipos de movimientos pueden originar problemas en los sellos incluyen acomodación, carga lateral, desalineación angular, etc.

Procesos de ensamblaje – La forma como los componentes se fabrican y ensamblan es una herramienta crítica para ayudar la instalación manual o ensamblaje automático.

Diseño del sellado – Debido a todos los factores externos y ambientales que están detrás de los requerimientos de un actuador básico, recomendamos seguir el siguiente proceso de diseño para los sistemas de sellado.

• Identificar todas las partes implicadas en los componentes de diseño para un cilindro neumático.
• Indicar claramente los hitos para un sellado correcto en términos de pérdidas, fricción, costes y vida útil, y estar seguro de todos los diseños que deben calcularse en el cilindro.
• Identificar las opciones de sellado, y determinar el método mejor para diseñar, ensayar, y validar el rendimiento del sistema. Los métodos de diseño pueden incluir ensamblaje 3d, mapeado del proceso, análisis de elementos finitos, análisis de acabado superficial, validación del producto y análisis de efectos del modo de fallo. Esta aproximación permite a todos los miembros del equipo de diseño a contribuir en un proceso de ingeniería acelerado.

Bibliografía: Castleman, L. Cylinder design practices. Hydraulicspneumatics. October 2009