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Diciembre 2021

Hoy en esta nueva entrega hablaremos del funcionamiento de los patines de aire. Este sistema se integra típicamente en ejes lineales accionados con motores eléctricos. Seguramente el concepto de rodamiento del aire te suena a algo como la tecnología aeroespacial, muy caro e inasequible para la mayoría de las aplicaciones industriales. Hoy vamos a romper algunos mitos y explicarte de manera sencilla como tu empresa puede aprovechar esta tecnología para mejorar las prestaciones de tu máquina.

1. ¿Qué es un patín de aire?

Todos conocemos en las salas de recreo la máquina de “Air Hockey”, es un patín de aire simplificado. El disco de plástico se desliza sobre la superficie agujereada por donde sale el aire a presión. Esta presión hace levitar el disco minimizando de esta manera su rozamiento con la superficie.

¿CÓMO ES UN PATÍN DE AIRE?

Un patín de aire, también llamado a veces rodamiento de aire o colchón de aire, es un elemento rectangular o cilíndrico con pequeños orificios en una de las caras del patín. La entrada de aire a presión de 5 a 8 bares genera un colchón de aire entre la superficie de desplazamiento y el propio patín. Este colchón de aire puede varias desde 2-3 micras hasta varios mm, dependiendo de la aplicación, la tecnología de rodamiento usada y la superficie de deslizamiento.

EJEMPLO DE UNA APLICACIÓN CON PATINES DE AIRE

Por poner un ejemplo, en un sistema industrial dónde la maquinaria debe ser precisa y que realice un movimiento lineal guiado, con motores o actuadores lineales eléctricos, dónde se requieran movimientos quirúrgicos, el margen de error debe ser mínimo.

Patín de aire

En el siguiente video puede ver de una manera visual un patín de aire en funcionamiento:

2. ¿Qué es el rozamiento?

Desde un punto de vista de eficiencia de rozamiento, el patín de aire en el día de hoy, es el ganador indiscutible. No hay otra tecnología conocida en el planeta Tierra donde el coeficiente de fricción sea tan pequeño. Al no haber ningún elemento en contacto, el rozamiento queda limitado a la propia viscosidad del aire y su rozamiento.

¿CÓMO SE CALCULA EL ROZAMIENTO?

FÓRMULA PARA ESTIMAR EL ROZAMIENTO

Si hacen un cálculo de fuerza en este tipo de aplicaciones, el coeficiente de rozamiento que utilizaremos en la fórmula es 0. Es decir que para un movimiento con velocidad constante (según F = m x g x µ) la fuerza necesaria será siempre 0. La aceleración y el frenado van a requerir una fuerza que depende de la masa y la aceleración deseada, pero la fuerza a aplicar en un movimiento a velocidad constante es nula.

 3. ¿Qué es el colchón de aire? ¿Cómo saber su altura en los patines de aire? ¿Cómo calcular el consumo de aire?

Tal y como se ha comentado previamente, dependiendo de la superficie de deslizamiento, la altura de colchón de aire puede variar. En las aplicaciones industriales donde el patín se desplaza por encima de una mesa de granito o una placa de acero rectificado, la altura del colchón suele variar entre 3 y 10 micras. De aquí algunos conceptos técnicos que hay que tener en cuenta:

3.1 Un colchón de aire pequeño exige mayor precisión absoluta de superficie de deslizamiento (como la planitud y la rectitud) y una rugosidad reducida.

3.2 Un colchón de aire grande reduce la rigidez del patín e influye negativamente en el comportamiento del sistema (ver Grafica 1 – Ejemplo de gráfico de rigidez).

3.3 Un colchón de aire grande aumenta el consumo de aire comprimido (ver Grafica 2 – Ejemplo de consumo de aire).

stat. stiffness / air gap.

4. Configuración mecánica de los patines de aire

El patín de aire restringe la libertad de movimiento solo en 1 grado de libertad. Para poder completar la aplicación hace falta como mínimo 4 patines para restringir las 2 direcciones en Y y las 2 direcciones en Z. En la imagen que podemos ver a continuación, mostramos esta configuración. El único grado de libertad que queda es el movimiento en la dirección X.

El patín de aire restringe la libertad de movimiento solo en 1 grado de libertad.

Existe una multitud de configuraciones para restringir los grados de libertad en un sistema con eje lineal. A continuación, mostramos algunos de ellos: 3+3+4, 4+4+4.

Configuración para restringir los grados de libertad.

Debido a una configuración donde los patines están enfrentados entre sí, se obtiene una precarga mecánica para poder controlar el colchón de aire y el sistema de patines. Este debe ser constante para asegurar un correcto funcionamiento del conjunto de la maquinaria.

5. ¿Cuál es la capacidad de carga de un patín de aire?

Debido a la gran superficie que tiene el patín, la capacidad de carga es muy alta. Podemos estar hablando de 150-250 N/mm² (con una presión de aire comprimido de 4 a 6 bar). Esta capacidad de carga permite realizar aplicaciones compactas incluso en cargas pesadas.

En el video pueden ver un conjunto de ejes lineales X-Z. El peso del eje X es de 150 kg. En dirección vertical tan solo hay 3 patines de dimensión 180×120 mm.

6. Precisión de los rodamientos de aire

Si la precarga de rodamiento de aire está ejecutada correctamente y la superficie de base es de una precisión alta, podemos hablar de unos valores de planitud de ± 2-3 micras.

7. Desgaste y mantenimiento del rodamiento. Principal ventaja.

La principal ventaja de un rodamiento de aire es la ausencia de fricción. No hay contacto entre la parte fija y la parte móvil y como consecuencia de ello no hay desgaste. El conjunto puede trabajar 24/7 sin paradas, sin ajustes y sin interrupciones.

8. Conclusiones referentes a los sistemas que integran patines de aire.

El conjunto de patines de aire combinado con un motor lineal ofrece un conjunto libre de mantenimiento 100%. En su esencia, al no tener desgaste, una de las ventajas es que el conjunto puede trabajar durante millones de ciclos sin ni una solo parada. Además, su alta eficiencia, ofrece un gasto energético mínimo, con pocas vibraciones y una gran fiabilidad. Mediante el uso de este tipo de patines se aumenta la disponibilidad de la máquina y la seguridad de las operaciones. Son sistemas que se pueden integrar a la perfección en sistemas de ejes y guías lineales con motores lineares eléctricos.

Si tienes una aplicación donde te interesa mejorar las prestaciones de tu máquina ya sea velocidad, dinámica, precisión o simplemente reducir su mantenimiento ponte en contacto con nosotros en info@sinadrives.com

Nuestros especialistas en tecnología Direct Drive y Módulos lineales con motor lineal te asesorarán de manera gratuita.

¡Hasta la próxima!

El equipo Sinadrives.

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