Dimensionamento / scelta del cilindro e della valvola

09 - Dimensionamento / scelta
del cilindro e
della valvola
09
- Perdite di carico nei tubi
- Dimensionamento di una valvola
- Dimensionamento di un cilindro
Dimensioni di ingombro e informazioni tecniche sono fornite a puro titolo informativo e possono essere modificate senza preavviso.
LII
Dimensionamento scelta del cilindro e della valvola
PERDITE DI CARICO NEI TUBI
Portata Qn
In questo fascicolo, la portata è espressa come volume in condizioni normali (pressione atmosferica, temperatura 20
°C) rapportato all'unità di tempo.
L'unità di misura è il normal litro al minuto (Nl/min)
Si ricorda che il Nl è la quantità di aria compressa contenuta in un certo ambiente ed indica il volume che essa
occuperebbe se riportata a pressione atmosferica.
La portata viene determinata con dispositivi di misura standardizzati come già illustrato e definisce parametri quali:
kv ( l/min ) si misura con acqua per DP = 1 bar
Kv( m3/ora ) si misura con acqua per DP = 1bar
Cv( galloni USA/min ) si misura con acqua per DP = 1 psi (0,07 bar)
Di seguito riportiamo una tavola di conversione delle protate (vedi anche pag. IX)
Qn Portata nominale
Nl/min
kv
Kv Coefficiente idraulico
l/min
Cv
Sp Sezione nominale di passaggio
galloni USA/min
dp2 Diametro2 nominale di passaggio *
mm2
m3/ora
mm2
* per ricavare il diametro dp (mm) eseguire la radice quadra di dp2
Caduta di pressione nei tubi
LIII
perdite di carico in Pa per 1 m di tubatura
Ø tubazioni in pollici
09
portata in metri cubi / min.
La capacità di condurre di un tubo è determinata dal parametro C (l/sec) ed è il rapporto tra la portata massima e la
pressione assoluta (ISO 6358) .
La capacità di condurre diminuisce progressivamente con l'aumentare della lunghezza del tubo a causa delle cadute
di pressione che si verificano per attrito dell'aria contro le pareti del tubo stesso. Quindi più è lungo il tubo , minore
sarà la portata. Nel diagramma che segue viene indicata la portata nei tubi di diverso diametro esterno/interno in
funzione della loro lunghezza .
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Dimensionamento scelta del cilindro e della valvola
DIMENSIONAMENTO DI UNA VALVOLA
Per garantire la prestazione desiderata ad un cilindro o più cilindri in precedenza correttamente dimensionati,
dobbiamo scegliere una o più valvole di controllo direzionale di taglia adeguata.
E' indispensabile conoscere il tempo in cui il cilindro deve compiere la propria corsa di andata e ritorno e, in base al
consumo precedentemente calcolato, procedere al calcolo del coefficiente T che dovrà essere il moltiplicatore del
valore attribuito al consumo.
60
tempo ciclo
T=
Qn= T x Consumo
Il valore ricavato espresso in Nl/min è la minima portata necessaria in condizioni standard ( 6 bar in alimentazione e 5
bar in mandata) atta a garantire la prestazione desiderata. Moltiplicare il valore ottenuto per un coefficiente di
sicurezza di 1,2.
I tubi di collegamento tra valvola / cilindro ed il tubo di alimentazione non devono influenzare la prestazione in
portata della valvola quindi, il loro diametro interno dovrà essere di almeno 1,5 volte superiore al diametro nominale
della valvola per evitare cadute di pressione indesiderate. Dal diagramma delle portate nei tubi si può apprezzare
quale sia la differenza di capacità di flusso con un coefficiente di sicurezza 1,5. Anche i raccordi utilizzati dovranno
seguire questo criterio perché non devono essere punti di strozzatura che vanifichino il calcolo eseguito.
Verificare sempre che il foro di passaggio aria realizzato sul raccordo sia superiore o almeno uguale al diametro del
tubo collegato.
Il diagramma che segue mostra indicativamente la portata necessaria per cilindri di differente diametro per
raggiungere le velocità desiderate ed indica inoltre la taglia della valvola idonea ad erogare nelle condizioni descritte
la portata sufficiente.
M5
G1/8
Connessioni di lavoro valvole
G1/4
G3/8
G1/2
3
G3/4
2
1.5
10
Ø
Ø
12
Ø
16
Ø
20
Ø
25
32
40
Ø
Ø
Ø
50
63
0
10
Ø
80
Ø
Ø
5
12
Ø
0
16
Ø
Ø
G1
8
Ø
0.7
0
20
0.5
0
25
Ø
0.4
0.3
09
0.2
10000
7000
5000
4000
3000
2000
1500
1000
700
500
400
300
200
150
100
70
50
40
30
20
0.1
10
Velocità del cilindro (m/sec)
1
Portata in ingresso (Nl/min)
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LIV
Dimensionamento scelta del cilindro e della valvola
DIMENSIONAMENTO DEL CILINDRO
Il dimensionamento di un cilindro pneumatico richiede una certa attenzione e deve considerare i seguenti parametri.
Forza sviluppata : è calcolata considerando l'area del pistone e il valore della pressione che insiste su di essa.
F= area x pressione
(daN) = (cm2) x (bar)
Alla forza teorica così calcolata bisogna detrarre il 10/15% per le perdite di carico dovute agli attriti. Ricordiamo che in un
cilindro a stelo semplice la forza sviluppata in trazione è inferiore a quella di spinta a causa dello stelo.
Peso del carico : il cilindro deve sviluppare una forza sufficiente, nella direzione desiderata, per muovere il carico
rispettando il tempo a ciclo. Allo scopo rispettare il rapporto di carico (RdC) che non deve superare il 70%.
Forza richiesta (peso del carico)
x 100 = RdC
Forza disponibile (sviluppata)
POSIZIONE DEL CILINDRO
Sollevamento verticale (spinta verso l'alto): la forza reale espressa dal cilindro dovrà essere in grado di controbilanciare
il peso del carico e possedere la forza necessaria per accelerarlo.
Esempio:
Carico da sollevare 120Kg
Pressione di esercizio 6 bar
Rapporto di carico 70%
Partendo dalla formula relativa al rapporto di carico, si ottiene la forza disponibile (necessaria) per sollevare il carico
Carico
x 100
nel nostro caso il risultato è 171,4 daN
Rdc
Un cilindro Ø63 che sviluppa una forza teorica di 187 daN risulta idoneo allo scopo.
Un rapporto di carico simile permette un buon controllo della velocità attraverso valvole regolatrici di flusso
unidirezionali.
Forza disponibile =
Ricordiamo che non si ottengono buoni controlli al di sotto dei 20 mm/sec.
Per il controllo di basse velocità è bene diminuire il rapporto di carico fino al 50%.
Per velocità inferiori e/o costanti utilizzare dispositivi di controllo oleoidraulici.
Per il controllo di un carico discendente tenere presente che la forza peso anziché opporsi al movimento, lo favorisce ed
incrementa la forza che produce accelerazione.
E' quasi sempre indispensabile l'utilizzo di regolatori di flusso.
09
Spinta orizzontale o su piano inclinato: se il carico è sostenuto e la posizione di lavoro è orizzontale la forza resistente
che insiste sul piano deve essere moltiplicata per il coefficiente di attrito.
Il coefficiente di attrito m varia a seconda dei materiali che entrano in contatto.
Se abbiamo ad esempio m= 0.4
Carico da spostare 120Kg
Pressione di esercizio 6 bar
Rapporto di carico 70%
Sempre partendo dalla formula del rapporto di carico, si ottiene la forza disponibile:
Carico
x 100 x m
nel nostro caso il risultato è 68,57 daN
RdC
Un cilindro Ø40 che sviluppa in spinta una forza teorica di 75,4 daN è idoneo allo scopo.
In tutte le altre situazioni intermedie e cioè assimilabili allo spostamento su piano inclinato, la forza necessaria aumenta
all'aumentare dell'angolo di applicazione.
Anche in questi casi la forza resistente deve essere moltiplicata per il coefficiente di attrito.
Forza disponibile =
LV
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Dimensionamento scelta del cilindro e della valvola
Capacità di assorbimento agli urti
L'ammortizzo a cuscino d'aria ha i compito di assorbire l'energia cinetica finale per evitare urti dannosi a fine corsa.
Una volta scelto il cilindro in funzione di quanto detto in precedenza, verificare che tale cilindro sia in grado di assorbire l'energia,
altrimenti scegliere un altro cilindro di taglia superiore e di pari corsa in grado di sopportarla. Tutti i valori incrociati di velocità di
impatto e di carico applicato che cadono all'interno dell'area delimitata da ogni singolo cilindro sono corretti . La pressione di
alimentazione è di 6 bar.
Alesaggio cilindro (mm)
3
2
1
0.8
0.6
0.5
Ø3
0.4
2
Ø4
0
Ø8
Ø6
Ø5
0
3
0
Ø1
Ø1
00
25
Ø1
60
Ø2
00
Ø2
50
0.3
Ø2
5
0.2
5000
4000
3000
2000
1500
800
1000
600
500
400
300
200
100
80
50
60
40
30
20
15
8
10
5
6
4
3
2
1.5
0.1
1
Carico in movimento (Kg)
Carichi di punta
Il carico di punta è la sollecitazione composta di presso-flessione che si manifesta su di un'asta, nel nostro caso di un cilindro, di una
certa snellezza quando sia caricato con una forza di compressione coincidente con il proprio asse. L'effetto che si manifesta è una
flessione laterale. L'entità di tale flessione dipende:
- dal carico applicato
- dalla lunghezza dell'asta e dal diametro
- dal tipo di vincolo applicato.
Il vincolo più critico è quello di un cilindro vincolato con cerniere alle due estremità.
Con tutti gli altri tipi di fissaggio i carichi consentiti sono superiori sino al 50%.
La lunghezza da considerare è:
Ltot = Lo + corsa
09
Velocità del pistone (m/sec)
1.5
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LVI
Dimensionamento scelta del cilindro e della valvola
Nel diagramma, i punti di incrocio tra forza e lunghezza che cadono all'interno dell'area delimitata dal diametro dello
stelo relativo sono da considerarsi corretti.
diametro stelo (mm)
Lunghezza ammissibile di pressoflessione (mm)
4000
3000
Ø1
8
Ø1
6
2000
Ø1
4
1500
Ø1
2
1000
Ø1
0
Ø2
Ø2
0
Ø3
0
5
Ø3
2
Ø4
Ø5
0
0
800
Ø8
600
500
Ø6
400
300
200
Ø4
150
LVII
Dimensioni di ingombro e informazioni tecniche sono fornite a puro titolo informativo e possono essere modificate senza preavviso.
50.000
40.000
30.000
20.000
15.000
10.000
8.000
5.000
6.000
4.000
3.000
09
Forza (N)
2.000
1.500
800
1.000
600
400
500
300
200
100
80
60
50
100