PRÁCTICA 1: NEUMÁTICA CONVENCIONAL: Consulta de catálogos comerciales

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1 Sistemas neumáticos y oleohidráulicos. Consulta de catálogos. 1 PRÁCTICA 1: NEUMÁTICA CONVENCIONAL: Consulta de catálogos comerciales En primer término la práctica consiste simplemente en observar con cierto detenimiento la parte de los catálogos comerciales dedicados a actuadores neumáticos y sus accesorios. En la segunda se habrá de seleccionar en los catálogos comerciales aquellos actuadores que cumplan las siguientes solicitaciones: 1.- Cilindro que debe desplazar linealmente en el sentido del punto muerto posterior al anterior, una carga de 800 N con un coeficiente de rozamiento de 0,3 y una carrera de 160mm. Presión de trabajo 6 bar. L160 mm F800 N.- En este caso el cilindro de doble efecto ha de conducir en el aire y en ambos sentidos un peso de 150 N con una carrera de 150 mm. Elíjase un cilindro sin guías y otro con guías. Presión de trabajo 6 bar. L150 mm F150 N 3. Selecciónese el cilindro necesario en el caso en que se desee levantar y descender verticalmente un objeto frágil cuyo peso sea de 1.50 N, con una carrera de 00 mm. Presión de trabajo 5 bar.

2 Sistemas neumáticos y oleohidráulicos. Consulta de catálogos. F150 N L00 mm En cada caso se indicará: el tipo y dimensiones del cilindro la referencia del catálogo los elementos auxiliares necesarios (elementos de fijación, racores y accesorios del vástago). Asimismo se calculará el volumen de aire necesario en una hora y el caudal que debería proporcionar el compresor. La velocidad deseable en el vástago del cilindro es de 0, m/s y se realizan 15 ciclos por minuto.

3 Sistemas neumáticos y oleohidráulicos. Consulta de catálogos. 3 PRÁCTICA 1: NEUMÁTICA CONVENCIONAL: Consulta de catálogos comerciales. Ejercicios resueltos. Se debe seleccionar en los catálogos comerciales aquellos actuadores que cumplan las siguientes solicitaciones: 1.- Cilindro que debe desplazar linealmente en el sentido del punto muerto posterior al anterior, una carga de N con un coeficiente de rozamiento de 0,3 y una carrera de 00 mm. Presión de trabajo 6 bar. L00 mm F1000 N.- En este caso el cilindro de doble efecto ha de conducir en el aire y en ambos sentidos un peso de 100 N con una carrera de 00 mm. Elíjase un cilindro sin guías y otro con guías. Presión de trabajo 6 bar. L00 mm F100 N 3. Selecciónese el cilindro necesario en el caso en que se desee levantar y descender verticalmente un objeto frágil cuyo peso sea de N, con una carrera de 300 mm. Presión de trabajo 5 bar.

4 Sistemas neumáticos y oleohidráulicos. Consulta de catálogos. F1500 N L300 mm En cada caso se indicará: tipo y dimensiones del cilindro referencia del catálogo elementos auxiliares necesarios (elementos de fijación, racores y accesorios del vástago). Asimismo se calculará el volumen de aire necesario en una hora y el caudal que debería proporcionar el compresor. La velocidad deseable en el vástago del cilindro es de 0, m/s y se realizan 15 ciclos por minuto.

5 Sistemas neumáticos y oleohidráulicos. Consulta de catálogos Cilindro que debe desplazar linealmente en el sentido del punto muerto posterior al anterior, una carga de N con un coeficiente de rozamiento de 0,3 y una carrera de 00 mm. Presión de trabajo 6 bar. L00 mm F1000 N Selección del diámetro Si se utiliza el catálogo de SMC por ejemplo, se tiene los siguientes datos (pag 5-1): En este problema vale F 1 fuerza necesaria para realizar el trabajo. F ,3 300N 1 λ factor de carga 0,7 velocidades normales 0, y 0,5 velocidades grandes 0,7 F fuerza real necesaria en el cilindro F1 300 F F 9N λ 0,7 µ rendimiento interno del cilindro por rozamiento de las juntas. Según gráfico del catálogo (pag 5-1) Se suele estimar como 0,85 0,9 A Área del cilindro en la que se aplica la presión. D A1 π? ( D d ) A π p Presión manométrica en el cilindro. F T fuerza teórica en el cilindro A p F T 6 bar F 9 F T 76N µ 0,9

6 Sistemas neumáticos y oleohidráulicos. Consulta de catálogos. 6 Pag 5-1: Criterios de selección

7 Sistemas neumáticos y oleohidráulicos. Consulta de catálogos. 7 Por lo tanto se tiene que: FT 76 D D 31,8mm D 3mm 5 π p π 6 10 Vástago entrando: en el problema no tiene que hacer esfuerzos al entrar pero suponiendo que también tuviera que mover el peso al volver, se hallaría de la siguiente forma: F π p 76 π 6 10 T D d mm D3 d1 D d 880 mm D0 d16 D d 13 mm Comprobación a pandeo Según la fórmula de Euler para el pandeo: F p π E I L p donde: F p : Fuerza en N a la que se produce pandeo E: Módulo de elasticidad del material con el que está construido el vástago. En el caso del acero E, N/m, es decir, en Pa. I: Momento de inercia en m. Para secciones transversales circulares vale: I π d 6, siendo d el diámetro del vástago en m. L p : longitud libre al pandeo en m. Depende del tipo de fijación que lleve el cilindro. Su valor se indica en la tabla siguiente.

8 Sistemas neumáticos y oleohidráulicos. Consulta de catálogos. 8 Un extremo libre, un extremo empotrado Dos extremos articulados Un extremo articulado y otro empotrado Dos extremos empotrados F F F F L L L L L p L L p L L L p L L p Longitud de pandeo según el tipo de carga aplicada. Con una fuerza F F p se producirá pandeo, luego la fuerza de servicio deberá de ser menor que F p. Normalmente se toma como coeficiente de seguridad 3,5 de forma que: Nuestros datos son: Fp F 3,5 F p , N E, N/m, es decir, en Pa. L 0, m L p L I π d 6 siendo d el diámetro del vástago en m. I p Fp L π E , π, , m d 6 8,1 10 π -11 6, m 6,37 mm Como d1 mm no hay problemas de pandeo.

9 Sistemas neumáticos y oleohidráulicos. Consulta de catálogos. 9 Amortiguamiento La energía cinética que hay que amortiguar en el final de carrera es: E c ( m + M ) V V 1, V Donde: E c : energía cinética (J) M: masa del cuerpo desplazado (kg) m: masa móvil del cilindro (kg) v: velocidad máxima (m/s) _ v: velocidad media (m/s) De esta forma: v 1, 0, 0,56 m/s M 100 kg m (según tablas de catálogo, si elegimos un cilindro SMC del tipo C76 de 3 y carrera 00, la masa móvil del cilindro es despreciable (Pág. 5-55, tabla de pesos): peso base + peso adicional por 10 mm de carrera 30 (375) + 16,8 *0 676 g, despreciable frente a los 100 kg de masa E c 15,68 J

10 Sistemas neumáticos y oleohidráulicos. Consulta de catálogos. 10 Pag 5-55: Tabla de pesos

11 Sistemas neumáticos y oleohidráulicos. Consulta de catálogos. 11 Si elegimos un cilindro SMC del tipo C76 con amortiguación elástica el máximo de energía que soporta dicha amortiguación es de 0,65J y con amortiguación neumática el máximo es de 1,07J. Por lo que habrá que colocar un amortiguador hidráulico exterior o bien elegir un cilindro de un diámetro mayor. Si se opta por la segunda solución se habrá de tener en cuenta que aunque a lo mejor el coste inicial pueda ser menor, al tener un mayor consumo de aire, el costo de funcionamiento aumentará. El diámetro necesario para que aguante la amortiguación de esa energía cinemática es de 63 mm, que como se ve es bastante mayor que los 3 mm iniciales (Pág ; CP95 ) Pag 5-101: Actuadores lineales Serie CP95

12 Sistemas neumáticos y oleohidráulicos. Consulta de catálogos. 1 Si se elige el cilindro SMC del tipo C76 de 3 mm de diámetro, para elegir el amortiguador hidráulico exterior necesario tenemos que tener en cuenta que aparte de la energía cinética, dicho elemento tendrá que disipar también la energía motriz generada por la presión del aire en el cilindro durante la carrera de dicho amortiguador, que en el catálogo de SMC denomina s. En este problema dicha energía vale: E W π 0,03 p A1 s 6 s 8, s La energía total a disipar será la energía cinética más esta otra energía motriz debida a la presión del aire: E T E c + E w Otro dato necesario para la elección del amortiguador es la energía absorbible por hora que es el resultado de multiplicar la energía total a disipar por los ciclos por minuto del actuador y por 60 minutos / hora. Si cogemos los datos del catálogo (pag 5-675) escogeremos de menor a mayor el que antes satisfaga las necesidades planteadas.

13 Sistemas neumáticos y oleohidráulicos. Consulta de catálogos. 13 Pag 5-675: Amortiguadores hidráulicos

14 Sistemas neumáticos y oleohidráulicos. Consulta de catálogos. 1 Tipo amortiguador De esta forma: Carrera s (mm) Energía absorbible por golpe (J) Energía absorbible por hora (J/h) E W 8, s (J) E T (J) E T/h (J/h) RB ,89 18, RB ,38 19, RB ,79 1, RB ,, Como se comprueba debemos elegir un amortiguador hidráulico exterior del tipo RB015 (catálogo SMC). Consumo de aire comprimido Se ha elegido el cilindro C76 de 3 mm de diámetro, con amortiguador hidráulico exterior (RB015). Considerando una velocidad media de 0, m/s. Caudal a la salida del vástago Q π ( 0,03) 0, s v A1 19,3 l/min Caudal a la entrada del vástago Q π ( 0,03 0,01 ) 0, e v A 16,6 l/min Eso serían los caudales de aire a una presión relativa de 6 bar o sea una presión absoluta de 7 bar. El caudal ha de expresarse en condiciones normales (presión atmosférica y temperatura en 0º C). Se ha considerado la presión atmosférica 1 bar. Q s 19, ,1lN/min Q e 16, ,1 ln/min Como se dice que realiza 15 ciclos por minuto la frecuencia será: f 15 0,5s 60 1 Es decir trabaja el 5% del tiempo mientras que el 75% está parado.

15 Sistemas neumáticos y oleohidráulicos. Consulta de catálogos En este caso el cilindro de doble efecto ha de conducir en el aire y en ambos sentidos un peso de 100 N con una carrera de 00 mm. Elíjase un cilindro sin guías y otro con guías. Presión de trabajo 6 bar. L 1 L L00 mm 15 mm F B1 F100 N Selección del diámetro Primeramente se selecciona el cilindro sin guías. Siguiendo el catálogo de SMC en la página 5-15 se dispone de una tabla en la que se nos da la carga máxima soportable por el casquillo guía del cilindro (F B ) en función del diámetro.

16 Sistemas neumáticos y oleohidráulicos. Consulta de catálogos. 16 Pag 5-15: Criterios de selección

17 Sistemas neumáticos y oleohidráulicos. Consulta de catálogos. 17 En el caso problema, considerando los momentos: F (15+L +L 1 ) F B1 L 1 F B1 F (15 + L L 1 + L ) 1 De esta forma: cilindro L 1 L F B F B1 (mm) (mm) (mm) (N) (N) Por lo tanto el diámetro a elegir será de 15 mm. A continuación se van a analizar los cilindros con guías Si usamos un cilindro con guías del tipo MGP (catálogo de SMC página 5-519). Pag 5-519: Cilindro con guías

18 Sistemas neumáticos y oleohidráulicos. Consulta de catálogos. 18 FB FA 15 mm F 100 N Como la tabla nos da la carga máxima aplicable en la placa del final del vástago y la carga la tenemos en un punto a 15 mm de allí (dato del problema), se toman momentos respecto el casquillo guía teniendo que: 100 (FA+FB+15+00) F (FA+FB+00) Los valores de FA y FB aparecen en las tablas de dimensiones comunes de la pag. Pag 5-55: Valores de F A y F B

19 Sistemas neumáticos y oleohidráulicos. Consulta de catálogos. 19 El valor de la fuerza admisible aparece en la tabla de la pag De tal forma que: Tipo guía cilindro FA FB F admisible F aplicada (mm) (mm) (mm) (N) (N) Fricción (MGPM) A bolas , ,75 (MGPL) Como se ve el diámetro de 3 mm es el elegido. Prácticamente valdría con el casquillo de fricción pero no es suficiente por lo que elegiremos el casquillo de bolas (MGPL3). Amortiguamiento Si elegimos un cilindro SMC del tipo MGPL3 (cilindro con guías), la energía cinética a amortiguar será ( pag 5-518): E c ( m + M ) V V 1, V E c : energía cinética (J) M: masa del cuerpo desplazado (kg) m: masa móvil del cilindro (kg) v: velocidad máxima (m/s) _ v: velocidad media (m/s) De esta forma: v 1, 0, 0,56 m/s M 10 kg 518) m (según tablas de catálogo para un cilindro de 3 y carrera 00) 1,77 kg (pag 5- E c 1,85 J Este resultado no es admisible porque el máximo permitido para ese diámetro y con amortiguación elástica es de 0,9J (pag 5-518).

20 Sistemas neumáticos y oleohidráulicos. Consulta de catálogos. 0 Pag 5-518: Tabla de pesos y energía cinética admisible C85 y C95) Otra posibilidad sería colocar guías al cilindro (guías GU, válidas para cilindros C65, En el caso de elegir un cilindro CP guías GUM0-00 ( GUM: guías de casquillo de fricción), la energía cinética admisible es de 3,J (pag 5-101)por lo que no hay problemas. Falta comprobar si la guía GUM0-00 trabajará a flexión o no. Para ello nos dirigimos a la página

21 Sistemas neumáticos y oleohidráulicos. Consulta de catálogos. 1 Pag 5-597: Guías Serie GU Hay dos tipos de guías GU: GUM: guía de casquillo de fricción GUL: guía de rodamiento lineal de bolas. El diámetro de 3 mm es casi insuficiente en ambos casos, por lo que se elige el de diámetro 0 mm. La guía GUM 0-00 puede soportar una carga lateral de 35 dan, siendo la longitud de carrera de 00 mm.

22 Sistemas neumáticos y oleohidráulicos. Consulta de catálogos. La guía GUL 0-00 puede soportar una carga lateral de 15 dan, siendo la longitud de carrera de 00 mm. Por tanto el cilindro CP95 (φ0) amortigua la energía cinética y las guías GUM 0-00 o GUL 0-00 soportan la flexión. Consumo de aire comprimido Considerando una velocidad media de 0, m/s. Caudal a la salida del vástago Q Q Q π ( 0,03) 0, s v A1 π ( 0,0) 0, s v A1 π ( 0,15) 0, s v A1 19,3 30,16 9 l/min l/min l/min Caudal a la entrada del vástago Q π ( 0,03 0,01 ) 0, e v A 16,6 l/min Q Q π ( 0,0 0,016 ) 0, e v A π ( 0,15 0,03 ) 0, e v A 5,3 70 l/min l/min El caudal en condiciones normales sería el siguiente: 3 mm Q s 19, ,1 ln/min Q e 16, , ln/min 0 mm Q s 30, ,1 ln/min Q e 16, ,1 ln/min 15 mm Q s ln/min Q e ln/min Como se dice que realiza 15 ciclos por minuto la frecuencia será: f 15 0,5s 60 1 Es decir trabaja el 5% del tiempo mientras que el 75% está parado.

23 Sistemas neumáticos y oleohidráulicos. Consulta de catálogos Selecciónese el cilindro necesario en el caso en que se desee levantar y descender verticalmente un objeto frágil cuyo peso sea de N, con una carrera de 30 mm. Presión de trabajo 5 bar. F1500 N L30 mm F T F 1500 A p µ λ 0,7 0,85 51N Por lo tanto se tiene que: FT 51 D D 80,1mm D 80mm 5 π p π 5 10 Realmente según los cálculos se debería optar por un diámetro de émbolo mayor que 80 mm y el siguiente diámetro normalizado es de 100 mm pero hemos usado un coeficiente bastante pequeño como se puede ver en el gráfico del catálogo de SMC de la página 5-1 por lo que optamos por un diámetro de 80 porque el de 100 no sería muy económico. Además al trabajar con 5 bar siempre se tiene un margen para ampliar la presión, en caso de problemas. El diámetro del vástago será de 5 mm. En el retorno como la carga va en el mismo sentido que el movimiento no hay problemas en principio. Comprobación a pandeo Según la fórmula de Euler para el pandeo: F p π E I L p donde: F p : Fuerza en N a la que se produce pandeo

24 Sistemas neumáticos y oleohidráulicos. Consulta de catálogos. E: Módulo de elasticidad del material con el que esté construido el vástago, en el caso del acero E, N/m, es decir, en Pa. I: Momento de inercia en m. Para secciones transversales circulares vale: I π d 6 siendo d el diámetro del vástago en m. L p : longitud libre al pandeo en m. Depende del tipo de fijación que lleve el cilindro. Su valor se indica en la tabla siguiente. Un extremo libre, un extremo empotrado Dos extremos articulados Un extremo articulado y otro empotrado Dos extremos empotrados F F F F L L L L L p L L p L L L p L L p Con una fuerza F F p se producirá pandeo, luego la fuerza de servicio deberá de ser menor que F p. Normalmente se toma como coeficiente de seguridad 3,5 de forma que: Nuestros datos son: Fp F 3,5 F p ,5 550 N E, N/m, es decir, en Pa. L 0,3 m L p L I π d 6 siendo d el diámetro del vástago en m. I p Fp L 550 0,3 π E π, , m

25 Sistemas neumáticos y oleohidráulicos. Consulta de catálogos. 5 d 6 1, π -9 1, m 1 mm Como d5 mm no hay problemas de pandeo. Amortiguamiento La energía cinética que hay que amortiguar en el final de carrera es: E c ( m + M ) V V 1, V E c ½ 150 0,7 36,75 J En el catálogo de SMC página correspondiente a un cilindro serie CP95 da como energía cinética admisible para un cilindro de diámetro 80 con amortiguación neumática un valor de 0 J por lo que no estamos dentro del rango admisible. Se podría elegir un cilindro C9, de diámetro 100, cuya capacidad de amortiguación neumática a una velocidad de desplazamiento de 0,5 m/s, es superior a la correspondiente a una masa de 150 kg (pag 5-18).

26 Sistemas neumáticos y oleohidráulicos. Consulta de catálogos. 6 Pag 5-18: Actuadores Serie C9 Por tanto se elige C9,de φ 100 mm. Consumo de aire comprimido Considerando una velocidad media de 0,5 m/s.

27 Sistemas neumáticos y oleohidráulicos. Consulta de catálogos. 7 Caudal a la salida del vástago π ( 0,080) 3 Qs v A1 0,5 0,005 m / s 150,8 l/min Caudal a la entrada del vástago π ( 0,080 0,05 ) 3 Qe v A 0,5 0,00 m / s 136 l/min Eso serían los caudales de aire a una presión relativa de 5 bar. En condiciones normales: Q S 150,8 6 90,8 ln/min Q e ln/min