Calcula la fuerza que obtendremos con un cilindro de diámetro interior Ø16 mm si la alimentamos con aire o aceite a 4 bar de presión.
Respuestas a la pregunta
Respuesta3. Cálculo de cilindros. Fuerza. Consumo de aire.
Para calcular la fuerza que ejerce el vástago de un cilindro en sus carreras de avance o retroceso se debe partir de la presión de trabajo del aire comprimido. La fuerza desarrollada depende de la superficie útil del actuador, que será diferente según se trate de cilindros de simple o de doble efecto.
Cilindros de simple efecto
Cilindro de Simple Efecto
Imagen de elaboración propia
En este tipo de cilindros la presión del aire se ejerce sobre toda la superficie del émbolo. Al determinar la fuerza que realiza el cilindro, hemos de tener en cuenta que el aire debe vencer la fuerza de empuje en sentido opuesto que realiza el muelle.
En estos cilindros solamente se ejerce fuerza en el sentido de avance, es decir la fuerza que realiza el aire comprimido, cuando el cilindro regresa a su posición estable lo hace por medio de la fuerza de empuje del resorte, que exclusivamente sirve para recuperar la posición del vástago, pero es incapaz de desarrollar ningún tipo de trabajo mecánico.
A efectos de cálculo se interpreta que la fuerza del resorte es del orden del 10% de la fuerza neumática.
Sección del émbolo:
Volumen:
Cilindros de doble efecto.
Cilindro Doble Efecto
Imagen de elaboración propia
Estos cilindros desarrollan trabajo neumático tanto en la carrera de avance como en la de retroceso.
Lo que sucede es que la fuerza es distinta en cada uno de los movimientos, porque el aire comprimido en el movimiento de avance actúa sobre toda la superficie del émbolo, mientras que en el retroceso solamente lo hace sobre la superficie útil, que resulta de restar a la superficie del émbolo la del vástago.
Sección en el avance:
Sección retroceso:
Volumen:
Donde:
Φe= Diámetro del émbolo (m)
Φv= Diámetro del vástago (m)
e = Carrera del vástago(m)
Actividad
Cálculo de la fuerza del émbolo.
La fuerza teórica del émbolo se calcula con la siguiente fórmula:
Donde:
S = Superficie útil.
P = Presión del aire, medida en bar.
Para los cálculos neumáticos se admiten las siguientes equivalencias:
1 bar =105 Pa = 1 Atm = 1 Kp/cm2
En la práctica es necesario conocer la fuerza real que realiza el émbolo. Para calcularla hay que tener en cuenta los rozamientos que existen, lo que provoca unas pérdidas sobre la fuerza teórica. En condiciones normales de servicio (presiones de 4 a 8 bar) se puede considerar que las fuerzas de rozamiento suponen entre un 5 a un 15% de la fuerza teórica calculada.
Cilindro de simple efecto:
Cilindro de doble efecto:
Actividad
Cálculo del consumo de aire (Q)
Se debe tener en cuenta el volumen del cilindro (V) y el número de veces que se repite el movimiento y en la unidad de tiempo, generalmente se mide en ciclos por minuto (n)
Q = n · V
En el cálculo del consumo de aire se tiene en cuenta la presión de trabajo, por lo que se obtiene el consumo de aire comprimido, para conocer el consumo de aire atmosférico se parte del consumo de aire a la presión de trabajo y se aplica la ley de Boyle-Mariotte.
Actividad
Longitud de carrera
La longitud de carrera en cilindros neumáticos no debe superar los 2000 mm. Para émbolos de gran tamaño y carrera larga, el sistema neumático no resulta económico por el elevado consumo de aire que requiere.
Cuando la carrera es muy larga, el esfuerzo mecánico del vástago y de los cojinetes de guía es demasiado grande. Para evitar el riesgo de pandeo, si las carreras son grandes deben adoptarse vástagos de diámetro superior a lo normal, desaconsejándose su uso.
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Explicación: