UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS ESPE EXTENSION LATACUNGA DEPARTAMENTO DE ENERGIA Y MECANICA
HIDRAULICA Y NEUMATICA
FECHA DE ENTREGA: 2017/Noviembre/10 2017/Noviembre/10 REALIZADO POR: Wilson Muñoz NIVEL: SEPTIMO “A”
CALIFICACION
OCTUBRE 2017 – FEBRERO FEBRERO 2018
Latacunga- Ecuador
CALCULO DE ACTUADORES NEUMATICOS E HIDRAULICOS OBJETIVOS: Determinar los parámetros neumáticos e hidráulicos para la selección de actuadores.
DESARROLLO: Calculo de cilindro neumático. Las principales variables a considerar en la selección de cilindros neumáticos son: La fuerza del cilindro La carga a mover El consumo de aire La velocidad del pistón Cálculos de cilindros neumáticos La fuerza del cilindro La fuerza del cilindro es una función del diámetro, de la presión del aire y del roce del émbolo, que depende la velocidad y del momento de arranque.
Usando unidades internacionales, podemos usar:
La fuerza del cilindro Para un cilindro de simple efecto, la fuerza es la diferencia entre la fuerza del aire y la del muelle donde:
F= Fuerza [Newton] D =diámetro cilindro [mm] P. aire= Presión del aire [bar] F. muelle = fuerza muelle [newton]
Cilindros de doble efecto Los cilindros de doble efecto no cuentan con un resorte para devolver el vástago a su posición de equilibrio, su fuerza no disminuye en la carrera de avance, pero sí en su carrera de retroceso debido a la disminución del área del émbolo por la existencia del vástago.
Normalmente la fuerza de fricción del pistón debido a su movimiento equivale al 3 y 10% de la fuerza calculada. ("This For Me", 2017) Diagrama Presión-Fuerza
F igur a 1. Di agr ama presión-fuerza F uente: SMC Corporation
La fuerza de carga del cilindro La carga depende de las formas de montaje del cilindro:
Grupo 1. Montaje fijo que absorbe la fuerza del cilindro en la línea central. Es mejor sistema ya que las fuerzas sobre el vástago están equilibradas y los elementos de fijaci ón (tornillos, etc) solo están sometidos a una simple tensión o cizalladura. La fijación del cilindro puede ser del tipo de espárragos o de brida.
Grupo 2. El montaje absorbe la fuerza del cilindro en la línea central y permite el movimiento en un plano. Se emplean cuando la máquina sonde están montados se mueve siguiendo una línea curva. La fuerza de carga del cilindro.
Grupo 3. El montaje no absorbe la fuerza del cilindro en la línea central y el plano de las superficies de montaje coincide con dicha línea por lo que al aplicar la fuerza se produce un momento de giro que tiene a hacer girar el cilindro alrededor de los pernos de montaje.
La fuerza de carga del cilindro La selección del vástago del pistón depende del tipo de montaje del cilindro y de la conexión del extremo del vástago. Existe el riesgo de pandeo del vástago al forzar el movimiento del vástago y esta deformación es mayor al aumentar la longitud del vástago. La longitud básica del vástago se calcula con: Longitud básica = Carrera actual * Factor de pandeo
F igura 2. F actores de pandeo F uente: SMC Corporation
F igura 3. Grafica de selección de componentes neumáticos. F uente: SMC Corporation
Consumo de aire El consumo de aire del cilindro es una función de la relación de compresión, del área del pistón y de la carrera. (User, 2017)
Consumo de aire = Relación de compresión * área pistón * carrera * Ciclos/minuto La relación de compresión al nivel del mar está dada por:
Donde P aire está en bars.
El volumen de aire requerido para una carrera de pistón es:
Donde D es el diámetro del cilindro y está en mm; l es la longitud del cilindro en mm. Dadas las conversiones el volumen del aire comprimido está dado en (cm^3). El consumo de aire en condiciones normales de presión y temperatura en un cilindro de simple efecto es:
Donde, Q = Consumo total de aire en [dm^3/min] D = Diámetro del cilindro [mm] l = Carrera inicial [mm] n = ciclos por minuto Para el caso de cilindros de doble efecto, el volumen será el doble (no considerando el volumen del vástago)
El diagrama siguiente muestra el consumo del aire en relación con el diámetro del cilindro y la presión.
F igur a 4. D iagr ama carrera-diámetro F uente: SMC Corporation
Velocidad del pistón La velocidad del pistón se obtiene dividiendo el caudal por la sección del pistón
La velocidad en realidad es menor debido a espacios muertos en los cilindros, la fuerza del muelle en contra, pérdida de carga debida a la longitud y sección en tuberías y por las válvulas de mando y las de escape. La velocidad media del émbolo en cilindros estándar normalmente está entre 0.1 y 1.5 m/s. El amortiguamiento del cilindro es necesario para reducir la velocidad del pist ón y evitar el golpe del pistón contra el cilindro. Idealmente al final debe de tener velocidad cero. Una serie de técnicas relacionadas con el manejo del Amortiguamiento del movimiento de los cilindros se usan:
Con sobre amortiguamiento : 1. Aumentando la velocidad del pistón ajustando los Restrictores o las válvulas de control de retención 2. Reducción de la presión de operación 3. Aumentar la masa móvil (difícil alcanzar)
Con sub amortiguamiento: 1. Reducción de la velocidad del pistón 2. Aumentar la presión de operación 3. Reducción de la masa 4. Equipar el cilindro con amortiguadores hidráulicos Externos.
Calculo de cilindro hidráulico. Tamaño del cilindro Las fuerzas generadas en un cilindro en la extensión del pistón son:
Siendo P = Presión de operación (MPa o bar) D = Diámetro interior del cilindro (mm) d = Diámetro del vástago del pistón (mm) 0,9 = Coeficiente de rozamiento de rodamientos, juntas y partes móviles del cilindro
El factor de carga es la relación entre la carga real y la fuerza teórica de salida del cilindro. La tabla 3.1 indica la relación entre el factor de carga y la velocidad del pistón.
Tabla 1 Relación entre el factor de carga y la velocidad del pistón
Velocidad del pistón (mm/s)
Factor máximo de carga
8 a 100
70%
101 a 200
30%
201 a 300
10%
Los fabricantes proporcionan tablas y gráficos con las fuerzas de extensión y retracción del pistón en el cilindro de acuerdo con la presión de servicio, el diámetro interior del cilindro y el diámetro del vástago.
Carrera del pistón Existen límites en la carrera del pistón en diversos montajes para prevenir que el vástago se doble cuando ejerce una determinada fuerza contra una carga. En la figura 3.6 pueden verse tipos de montaje y las curvas de los límites en la carrera del pistón. Para prevenir daños en el cilindro y en los accesorios periféricos, es necesario instalar un amortiguador de choque que absorba la máxima energía de inercia del pistón en su movimiento al final de su carrera (figura 3.7). El amortiguamiento no es necesario a velocidades inferiores a 6 metros/minuto. Entre 6 y 20 metros/minuto el amortiguamiento se logra con restrictotes o válvulas de freno y a velocidades superiores a 20 metros/minuto se precisan amortiguamientos especiales.
F igura 5. Tipos de montaje y curvas de límites de carrera del pistón. F uente: SMC Corporation
La suma de la energía de inercia de la carga en el punto de contacto con el amortiguador (8 J) más la energía debida a la fuerza externa (5,2 J) gráfico de la figura 3.9 proporcionado por el fabricante del cilindro, no debe superar la máxima energía de absorción (21 J) dada por el gráfico de la figura 3.10 proporcionado también por el fabricante del cilindro.
F igura 6. E nergía de la fuerza externa al cilindro en el punto de contacto con el amortiguador. F uente: SMC Corporation
F igura 7. Máxima energía de absorción en el punto de contacto con el amortiguador. F uente: SMC Corporation
La velocidad del fluido hidráulico dentro de la tubería que conecta al cilindro no debe superar los 5 m/s en mangueras de goma ni los 4,5 m/s en el caso de tubos de acero. En caso de exceder estos límites, se presenta un flujo turbulento con lo que puede existir una mayor pérdida de carga y un sobrecalentamiento. Por otro lado, las velocidades sugeridas del fluido en los sistemas hidráulicos son: Aspiración de la bomba hidráulica 0,6 a 1,2 m/s Caudal de fluido en la impulsión 2,0 a 5,0 m/s Caudal de retorno 1,5 a 4,0 m/s
CONCLUSION: Los cálculos permiten hacer una selección correcta y rápida de actuadores de acuerdo con los datos del fabricante para actuadores hidráulicos y neumáticos.
RECOMENDACIÓN: Para el cálculo de componentes y selección adecuada se debe hacer uso de tablas dadas por los propios fabricantes y siempre elegir un componente de características mejores a las requeridas para asegurar el funcionamiento.
BIBLIOGRAFIA: User, S. (2017). Calculos de cilindros hidráulicos. Bastimec.com. Retrieved 10 November 2017, from http://www.bastimec.com/calculos-de-cilindros-hidraulicos
Citar un sitio web - Cite This For Me. (2017). Neumaticahidraulica.files.wordpress.com. Retrieved
10
November
2017,
https://neumaticahidraulica.files.wordpress.com/2011/04/sesion-6.pdf
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