Lista de verificación para hacer coincidir los cilindros con los requisitos de carga

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Cuando la aplicación implica movimiento lineal, altas velocidades y cargas moderadas, los cilindros de aire suelen ser la primera opción para proporcionar impulso. El aire comprimido está disponible como una utilidad en casi todas las instalaciones industriales y los cilindros económicos están disponibles de muchos fabricantes.como lo mas basico
El cilindro, uno de los componentes de potencia hidráulica, ha evolucionado hasta convertirse en una variedad casi infinita de configuraciones, tamaños y diseños especiales. Su versatilidad no solo permite diseños más innovadores, sino que también permite muchas aplicaciones lineales que no serían factibles o posibles sin cilindros.

Los cilindros son dispositivos simples, y calcular su producción de fuerza teórica es bastante sencillo. Sin embargo, dimensionar el cilindro correctamente para aplicaciones prácticas es más complicado. Por ejemplo, el subdimensionamiento es un error común que puede provocar un rendimiento deficiente del equipo de automatización y problemas de ciclo. Los cilindros de gran tamaño desperdician energía al usar demasiado aire. Sin embargo, siguiendo algunas pautas simples, puede aprender rápidamente cómo determinar el cilindro correcto para sus necesidades específicas.

poder computacional- La salida de fuerza teórica de un cilindro es el producto de la presión de aire aplicada y el área disponible del pistón expuesta a ella,

F = PAG × A,

donde F = fuerza en libras, P = presión de suministro en psi, A = área del pistón en pulgadas.2

Por ejemplo, un cilindro de 1½ pulgadas. Un agujero que suministra 80 psi de aire produce:

F = 80 × π(0,75)2

F = 141 libras.

Tenga en cuenta que una vez que se selecciona e instala un cilindro, el área es fija. La presión puede variar, pero solo dentro de un rango limitado. Por lo tanto, los diseñadores deben calcular la fuerza y, por lo tanto, el área con mucho cuidado al principio del proyecto. También tenga en cuenta que esta fórmula calcula la salida de fuerza teórica. En aplicaciones prácticas, varios factores pueden y lo reducirán. Siempre que cambie el tamaño de un cilindro, tenga en cuenta las siguientes preguntas.

Considere la fricción interna – La fricción interna impide que el cilindro alcance su fuerza de salida teórica. Esta fricción es creada por sellos de vástago y pistón, bujes, bandas de desgaste y otros componentes de sellado y soporte de carga. Una regla general común es permitir de 5 a 10 psi de presión de entrada adicional para superar la fricción interna, según el diseño y el diámetro interior del cilindro. Cilindros con cargas laterales, desalineación o características especiales pueden tener mayor fricción interna. Los cilindros convierten la presión en fuerza lineal, por lo que deben evitarse o ajustarse por separado las cargas laterales y los momentos de flexión considerables.

El área de superficie del pistón bajo presión es un factor clave en la ecuación de fuerza.

Para el cálculo de la carga que se moverá durante la carrera de retorno del cilindro, se debe restar el área de la sección transversal del vástago del pistón del área de la superficie del pistón. Esto se llama el área anular. El ejemplo anterior usa el área de paso total, pero si mueve la carga en la carrera de retorno o usa un cilindro con varillas en ambos extremos, debe usar el área anular para calcular el área disponible del pistón.(Sin embargo, los cilindros sin vástago tienen un área de paso total disponible en ambos lados del pistón, lo que elimina el área anular).

Comprender la presión de trabajo real – Aunque un compresor puede producir una presión específica, la presión en el cilindro puede ser mucho menor debido a las restricciones de flujo en la línea de aire comprimido y al consumo de aire por parte de otros equipos en la red de suministro de aire. Un sistema de aire que funciona a 100 psi puede bajar a 80 psi o menos durante el uso máximo de aire en un día laborable.

Conozca la carga real — A menos que levante la carga verticalmente, puede ser un poco difícil determinar la carga real debido a la fricción externa. Incluso levantar una carga verticalmente creará fricción adicional si se guía de alguna manera. El cálculo de la pérdida de fuerza debido a la fricción por deslizamiento debe incluir el coeficiente de fricción:

F = Fpags× fC,

donde FF= fuerza de fricción, libras;Fpags= fuerza perpendicular a la superficie de deslizamiento, lb;y fC= coeficiente de fricción.

Si la superficie deslizante es horizontal, la fuerza vertical es el peso del objeto. Si la superficie deslizante está inclinada, la fuerza vertical es el producto del coseno del ángulo de inclinación y el peso del objeto.

Existe una gran cantidad de información para documentar el coeficiente de fricción de varios materiales, pero pequeñas diferencias en este número pueden generar grandes diferencias en la fuerza requerida. Si está dimensionando el cilindro para una aplicación existente, intente medir físicamente la fuerza requerida. Si la aplicación es nueva, haga tantos experimentos físicos como sea posible para verificar cualquier número calculado que use.

El ángulo de transferencia θ en la trayectoria de la biela reduce la fuerza del cilindro disponible en la carga.

Después de sumar todas las fuerzas, la fuerza restante (neta) es la que causa el movimiento. La aceleración de la carga será igual a la fuerza neta dividida por la masa total movida,

Fnorte= metro × un

Desafortunadamente, esto no suele ser tan simple. El coeficiente de fricción generalmente varía con la velocidad. Además, si la fuerza neta es baja, el cilindro puede experimentar una operación de adherencia y deslizamiento, a veces denominada adherencia. La fricción estática ocurre cuando la fuerza de la presión es lo suficientemente grande como para superar la fricción estática y comenzar a mover el pistón del cilindro. Una vez que el pistón comienza a moverse, entra en juego la fricción cinética. Si la fricción estática excede la fricción cinética, el pistón puede detenerse repentinamente cuando se mueve a velocidades muy bajas porque la fricción estática se ha hecho cargo. A medida que aumenta la presión, el pistón vuelve a vencer la fuerza de fricción estática y el pistón se inclina hacia adelante. Esta acción de inicio y parada puede ocurrir repetida y rápidamente, dando como resultado una condición a la que a veces se hace referencia como «parloteo». Corregir esta situación requiere rediseñar algunos aspectos del componente,Por ejemplo, una presión más alta o un tamaño de poro más grande. Si estas soluciones no son factibles, es posible que se requieran materiales para sellos y cojinetes con coeficientes de fricción más bajos o lubricación adicional.

Asegúrese de tener suficientes tuberías: el aire comprimido debe llegar al pistón del cilindro rápidamente para acumular la presión que crea la fuerza que mueve la carga. Un tamaño de conducto demasiado pequeño, demasiadas curvas, vueltas y restricciones pueden restringir el flujo de aire, lo que resulta en una operación lenta y una fuerza o torsión bajas en el actuador. Las líneas y los componentes sobredimensionados aumentan la cantidad de aire que se debe presurizar, lo que aumenta el tiempo de respuesta del sistema.

Una analogía útil es que una persona podría empujar un automóvil a 1 mph, mientras que dos personas podrían empujarlo a 2 mph. Pero 100 personas no pueden empujar un auto a 100 mph. La razón por la que no pueden es porque alcanzan su velocidad límite. Aunque 100 personas tienen fuerza más que suficiente para empujar el carrito, no pueden superar su velocidad máxima (terminal). El aire comprimido está sujeto a las mismas restricciones. Si el aire no puede pasar a través del sistema lo suficientemente rápido, la presión (fuerza) en el cilindro no podrá alcanzar la presión necesaria para mover la carga. Este problema potencial se debe a componentes de tamaño insuficiente o a un sistema desequilibrado, no solo a un cilindro demasiado pequeño.

Considere el ángulo- Si el cilindro en la aplicación involucra bielas o tiene ángulos de transmisión de fuerza u otros miembros pivotantes, se deben considerar las pérdidas de fuerza en estos ángulos. La fuerza real entregada al sistema es igual a la fuerza neta multiplicada por el seno del ángulo de transferencia:

FTonelada= Fnorte× senθ

donde FTonelada= fuerza aplicada a la carga, Fnorte= fuerza neta, θ = ángulo de transferencia.

La fuerza absorbida por el pivote es igual a la fuerza neta por el coseno del ángulo transmitido:

FTonelada= Fnorte× cosθ

Cuando el ángulo de transferencia es superior a 135° o inferior a 45°, la fuerza del cilindro que actúa sobre el pivote es mayor que la fuerza transferida a la aplicación. Los ángulos de transmisión superiores a 150° e inferiores a 30° transmiten menos de la mitad de la fuerza del cilindro a la aplicación, por lo que deben evitarse. En estos casos se pueden utilizar diferentes dispositivos mecánicos o actuadores rotativos.

Planeando para el futuro – Designar un cilindro sin reservas no permite futuras modificaciones a la aplicación. Las aplicaciones diseñadas con cierta capacidad reservada pueden permitir un funcionamiento continuo cuando la máquina se ha utilizado durante mucho tiempo (lo que puede aumentar la fricción) o cuando los requisitos del producto han aumentado ligeramente o se ha producido una pérdida de fuerza imprevista. Por ejemplo, los nuevos equipos neumáticos instalados en una instalación pueden afectar la presión de aire disponible en su aplicación. Siempre puede agregar reguladores para reducir la presión y la fuerza de salida, pero aumentar la fuerza es mucho más difícil.

Considere la energía cinética – La carga se mueve, pero ¿qué la detiene?Los cilindros tienen cierta capacidad para absorber energía cinética, pero su objetivo principal es convertir la presión en fuerza lineal. La instalación de amortiguadores puede convertir una masa en movimiento potencialmente dañina en una buena aplicación.

Asegúrate de probar- Intentar determinar matemáticamente el tamaño de un cilindro en función de la aplicación sin ninguna prueba puede ser un error costoso. Una vez que se construye la aplicación, hacer cambios para acomodar cilindros de mayor diámetro puede ser muy costoso y puede requerir el rediseño de toda la máquina para acomodar el espacio adicional que puede ser necesario. Si se requieren fuerzas más altas o cilindros de formas diferentes, los cilindros en tándem pueden proporcionar una solución. Un cilindro en tándem tiene dos pistones montados en una varilla común, por lo que proporciona más fuerza a través de un pequeño orificio, pero a expensas de una mayor longitud.

La información de este artículo se extrajo de materiales de Numatics Inc., Mt. Pleasant, Tennessee;Laboratorios Industriales Clippard, Cincinnati;Corporación de la península de Roseville, Michigan;y Bimba Mfg en College Park, Illinois.

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