Prensa neumática: dimensionado del cilindro, consumo y deriva
En una fábrica de calzado de Inca se instala una prensa neumática para troquelar plantillas. El cilindro de doble efecto debe ejercer 2800 N en la carrera de avance, con una presión de red de 6 bar (manométrica), un rendimiento mecánico estimado de 0,90 y una carrera de 200 mm. El ciclo previsto es de 20 ciclos por minuto. La instalación dispone de un compresor de 300 L/min de aire libre y un depósito de 100 L. El circuito actual utiliza una válvula 5/3 de centro cerrado para mantener la posición durante el cambio de útil. Se observa que, al dejar la prensa en el centro, el vástago desciende lentamente unos 10 mm en 5 min, y que al final del turno la presión del depósito cae por debajo de 5 bar.
1. Calcula el diámetro mínimo del cilindro y elige entre 80 mm y 100 mm de émbolo. Comprueba la fuerza efectiva con el diámetro elegido.
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F = p·A·η, con p = 6 bar = 600 000 Pa y η = 0,90. A = 2800/(600 000×0,90) = 5,185×10⁻³ m² = 51,85 cm². D = √(4A/π) = √(4×5,185×10⁻³/π) = 0,0812 m = 81,2 mm.
Con 80 mm: A = π×8²/4 = 50,27 cm² = 5,027×10⁻³ m²; F = 600 000×5,027×10⁻³×0,90 = 2715 N, insuficiente (faltan 85 N). Con 100 mm: A = 78,54 cm² = 7,854×10⁻³ m²; F = 600 000×7,854×10⁻³×0,90 = 4241 N. Hay un margen del 51 % sobre los 2800 N, adecuado para rozamientos, caídas de presión y variaciones de carga.
Se elige 100 mm. Si el espacio obligara a 80 mm, habría que subir la presión a unos 6,2 bar efectivos o reducir el rendimiento exigido, pero no se recomienda trabajar al límite.
2. Calcula el consumo de aire por ciclo y el caudal necesario a 20 ciclos/min. ¿Es suficiente el compresor de 300 L/min?
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Volumen de avance: V = A×carrera = 78,54 cm²×20 cm = 1570,8 cm³ = 1,571 L a 6 bar manométricos. Aire libre por avance: V_libre = 1,571×(7/1) = 11,0 L (se usa presión absoluta: 6 bar manométricos = 7 bar absolutos). Retorno: el área anular depende del vástago; si el vástago es de 25 mm, A_anular = 78,54 − 4,91 = 73,63 cm²; V = 1472,6 cm³ = 1,473 L; aire libre = 1,473×7 = 10,3 L. Total por ciclo: 11,0 + 10,3 = 21,3 L. A 20 ciclos/min: 426 L/min de aire libre.
El compresor de 300 L/min es insuficiente: falta un 42 %. Se necesita un compresor de al menos 500-550 L/min para tener margen, o reducir el ciclo, o usar un cilindro de menor diámetro con mayor presión. El depósito de 100 L solo amortigua; no genera caudal. La caída por debajo de 5 bar al final del turno confirma que el compresor trabaja por encima de su capacidad y no recupera.
3. Diagnostica la deriva del vástago con la válvula 5/3 de centro cerrado y propón una solución con símbolos descritos.
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En una 5/3 de centro cerrado, las dos cámaras quedan bloqueadas, pero no estancas: las fugas internas de la válvula y de los sellos del pistón permiten que el aire pase de la cámara del vástago a la del émbolo, o se escape al exterior. Como la carga es vertical y el área del émbolo es mayor que la del lado del vástago, la presión diferencial empuja el vástago hacia abajo. La deriva de 10 mm en 5 min es lenta, típica de fuga interna, no de una avería brusca.
Solución: sustituir la 5/3 por una 5/2 biestable con válvulas antirretorno pilotadas (o mantener la 5/3 y añadir una válvula de retención pilotada en cada línea de cilindro). En el esquema: línea de presión P, líneas A y B a las cámaras, válvula antirretorno pilotada montada en paralelo con cada línea, de modo que solo se abra cuando la válvula distribuidora mande presión a la cámara opuesta. Así se bloquea el aire en ambas cámaras y se impide la deriva.
Además, deben regularse reguladores de caudal unidireccionales en escape (meter-out) para controlar la velocidad, y comprobar los sellos del pistón. Si se necesita mantener posición con precisión, es preferible un cilindro con freno o un bloqueo mecánico, no confiar solo en la válvula.