Prensa neumática de etiquetado: diámetro, consumo y regulación de velocidad
Una etiquetadora automática necesita una prensa neumática de doble efecto que aplique 800 N durante el pegado. La red de aire trabaja a 6 bar y el rendimiento mecánico estimado del cilindro es 0,85. La carrera es de 150 mm y el vástago tiene 16 mm de diámetro. El ciclo completo debe repetirse 12 veces por minuto. La velocidad de avance debe ser regulada y constante, y la prensa no debe dar golpes al contacto con la etiqueta. Se dispone de cilindros normalizados de 40, 50, 63 y 80 mm de émbolo, y de válvulas distribuidoras 5/2 con caudal nominal de 50, 70 y 100 L/min. El compresor actual entrega 60 L/min de aire libre y el taller quiere saber si será suficiente.
1. Calcula el diámetro de émbolo necesario y elige el cilindro normalizado. Comprueba la fuerza efectiva.
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La presión de trabajo es 6 bar = 6×10⁵ Pa. La fuerza teórica necesaria, contando el rendimiento, es F_t = 800/0,85 = 941 N. El área necesaria es A = F_t/p = 941/6×10⁵ = 1,569×10⁻³ m² = 15,69 cm². El diámetro sería D = √(4A/π) = √(4 × 15,69/π) = 4,47 cm = 44,7 mm. El cilindro normalizado inmediatamente superior es de 50 mm, con A = π × 5²/4 = 19,63 cm². Su fuerza teórica a 6 bar es F = 19,63×10⁻⁴ × 6×10⁵ = 1 178 N, y la efectiva 1 178 × 0,85 = 1 001 N, superior a los 800 N exigidos. No se elige el de 40 mm porque su área es 12,57 cm² y su fuerza efectiva sería 641 N, insuficiente. El de 50 mm deja un margen del 25 %, razonable para pérdidas y fluctuaciones de presión.
2. Estima el consumo de aire libre por ciclo y por minuto, y decide si el compresor de 60 L/min es suficiente.
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Volumen de avance: V_av = A × carrera = 19,63 cm² × 15 cm = 294,5 cm³. Volumen de retroceso: el área anular es A − A_vástago = 19,63 − π×1,6²/4 = 19,63 − 2,01 = 17,62 cm²; V_ret = 17,62 × 15 = 264,3 cm³. Volumen total por ciclo a presión de trabajo: 294,5 + 264,3 = 558,8 cm³. El aire libre se obtiene multiplicando por la presión absoluta en bar: 558,8 × 7 = 3 912 cm³ ≈ 3,91 L por ciclo. A 12 ciclos/min: 3,91 × 12 = 46,9 L/min de aire libre. El compresor de 60 L/min cubre el consumo medio, pero es ajustado: hay que añadir fugas, purgas y el margen de llenado del receptor. Con un 20 % de margen se necesitan unos 56 L/min, todavía dentro del compresor, pero sin reserva para otra máquina. La válvula de 50 L/min nominal puede quedarse corta; conviene elegir la de 70 L/min.
3. Explica cómo regular la velocidad para que el avance sea constante y sin golpe. ¿Qué ocurre si la carga se duplica?
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En un cilindro neumático conviene regular la velocidad en escape, no en admisión. Con regulación de escape (meter-out), el aire de la cámara que se vacía se frena con una válvula unidireccional regulable; la contrapresión hace que el pistón avance de forma más estable. Si se regula en admisión (meter-in), el aire es compresible y el pistón puede avanzar a saltos o dar un golpe al final. Para el etiquetado se instala una reguladora unidireccional en el escape de la cámara trasera y un amortiguador de final de carrera. Así se evita el impacto contra la etiqueta. Si la carga se duplica a 1 600 N, la fuerza efectiva de 1 001 N no basta. Subir a 8 bar daría 1 570 × 0,85 = 1 334 N, todavía insuficiente. Habría que pasar a un émbolo de 63 mm (fuerza efectiva 1 590 N a 6 bar, justa) o de 80 mm (2 564 N), y revisar el consumo de aire y el compresor.