Para insinyur sering kali kesulitan dengan perhitungan silinder, yang menyebabkan sistem berukuran kecil dan kegagalan peralatan. Mengetahui formula yang tepat dapat mencegah kesalahan yang merugikan dan memastikan kinerja yang optimal.
Rumus dasar silinder adalah F = P × A, di mana Gaya sama dengan Tekanan dikalikan Luas. Persamaan dasar ini menentukan gaya keluaran silinder untuk setiap aplikasi pneumatik.
Dua minggu yang lalu, saya membantu Robert, seorang insinyur desain dari perusahaan pengemasan di Inggris, untuk memecahkan masalah kinerja silinder yang berulang. Timnya menggunakan rumus yang salah, sehingga mengakibatkan kehilangan gaya sebesar 40%. Setelah kami menerapkan perhitungan yang tepat, keandalan sistem mereka meningkat secara dramatis.
Daftar Isi
- Apa yang dimaksud dengan Rumus Gaya Silinder Dasar?
- Bagaimana Anda Menghitung Kecepatan Silinder?
- Apa yang dimaksud dengan Rumus Luas Silinder?
- Bagaimana Anda Menghitung Konsumsi Udara?
- Apa yang dimaksud dengan Formula Silinder Lanjutan?
Apa yang dimaksud dengan Rumus Gaya Silinder Dasar?
Rumus gaya silinder menjadi dasar dari semua perhitungan sistem pneumatik dan keputusan ukuran komponen.
Rumus gaya silinder adalah F = P × A, di mana F adalah gaya dalam pound, P adalah tekanan dalam PSI, dan A adalah area piston dalam inci persegi.
Memahami Persamaan Gaya
Rumus gaya dasar menerapkan prinsip-prinsip tekanan universal:
F = P × A
Dimana:
- F = Output gaya (pound atau Newton)
- P = Tekanan udara (PSI atau bar)
- A = Luas piston (inci persegi atau cm²)
Perhitungan Gaya Praktis
Contoh dunia nyata mendemonstrasikan aplikasi formula:
Contoh 1: Silinder Standar
- Diameter lubang: 2 inci
- Tekanan Operasi: 80 PSI
- Area Piston: π × (2/2)² = 3,14 inci persegi
- Kekuatan Teoritis: 80 × 3,14 = 251 pound
Contoh 2: Silinder Lubang Besar
- Diameter lubang: 4 inci
- Tekanan Operasi: 100 PSI
- Area Piston: π × (4/2)² = 12,57 inci persegi
- Kekuatan Teoritis: 100 × 12,57 = 1.257 pound
Faktor Pengurangan Gaya
Gaya aktual lebih kecil dari teoretis karena kerugian sistem:
| Faktor Kerugian | Pengurangan Khas | Karena |
|---|---|---|
| Gesekan Segel | 5-15% | Seret segel piston |
| Kebocoran Internal | 2-8% | Segel yang sudah usang |
| Penurunan Tekanan | 5-20% | Pembatasan pasokan |
| Suhu | 3-10% | Perubahan kepadatan udara |
Memanjangkan vs Memendekkan Gaya
Silinder kerja ganda memiliki gaya yang berbeda di setiap arah:
Perpanjang Kekuatan (Area Piston Penuh)
F_extend = P × A_piston
Gaya Retraksi (Area Piston Dikurangi Area Batang)
F_retraksi = P × (A_piston - A_batang)
Untuk lubang 2 inci dengan batang 1 inci:
- Perpanjang Kekuatan: 80 × 3,14 = 251 kg
- Tarik Kembali Kekuatan80 × (3,14 - 0,785) = 188 lbs
Aplikasi Faktor Keamanan
Menerapkan faktor keamanan untuk desain sistem yang andal:
Desain Konservatif
Gaya yang Dibutuhkan = Beban Aktual × Faktor Keamanan
Faktor-faktor keamanan yang umum:
- Aplikasi Standar: 1.5-2.0
- Aplikasi Kritis: 2.0-3.0
- Beban Variabel: 2.5-4.0
Bagaimana Anda Menghitung Kecepatan Silinder?
Perhitungan kecepatan silinder membantu teknisi memprediksi waktu siklus dan mengoptimalkan kinerja sistem untuk aplikasi tertentu.
Kecepatan silinder sama dengan laju aliran udara dibagi dengan luas piston: Kecepatan = Laju Aliran ÷ Luas Piston, diukur dalam inci per detik atau kaki per menit.
Rumus Kecepatan Dasar
Persamaan kecepatan dasar menghubungkan aliran dan area:
Kecepatan = Q ÷ A
Dimana:
- Kecepatan = Kecepatan silinder (in/detik atau ft/menit)
- Q = Laju aliran udara (inci kubik/detik atau CFM)
- A = Area piston (inci persegi)
Konversi Laju Aliran
Mengkonversi antara unit aliran umum:
| Unit | Faktor Konversi | Aplikasi |
|---|---|---|
| CFM ke dalam in³/detik | CFM × 28,8 | Perhitungan kecepatan |
| SCFM ke CFM | SCFM × 1.0 | Kondisi standar |
| L/menit ke CFM | L/menit ÷ 28,3 | Konversi metrik |
Contoh Perhitungan Kecepatan
Contoh 1: Aplikasi Standar
- Lubang Silinder2 inci (3,14 cm persegi)
- Laju Aliran: 5 CFM = 144 in³/detik
- Kecepatan: 144 ÷ 3,14 = 46 in/detik
Contoh 2: Aplikasi Kecepatan Tinggi
- Lubang Silinder: 1,5 inci (1,77 cm persegi)
- Laju Aliran: 8 CFM = 230 in³/detik
- Kecepatan230 ÷ 1,77 = 130 in/detik
Faktor-faktor yang Mempengaruhi Kecepatan
Beberapa variabel mempengaruhi kecepatan silinder aktual:
Faktor Pasokan
- Kapasitas Kompresor: Laju aliran yang tersedia
- Tekanan Pasokan: Kekuatan pendorong
- Ukuran Garis: Pembatasan aliran
- Kapasitas Katup: Keterbatasan aliran
Faktor Beban
- Berat Beban: Resistensi terhadap gerakan
- Gesekan: Resistensi permukaan
- Tekanan Balik: Kekuatan yang berlawanan
- Akselerasi: Kekuatan awal
Metode Kontrol Kecepatan
Para insinyur menggunakan berbagai metode untuk mengontrol kecepatan silinder:
Katup Kontrol Aliran1
- Meter-Dalam: Mengontrol aliran pasokan
- Meteran-Keluar: Mengontrol aliran gas buang
- Dua arah: Kontrol kedua arah
Pengaturan Tekanan
- Mengurangi Tekanan: Kekuatan pendorong yang lebih rendah
- Tekanan Variabel: Kompensasi beban
- Kontrol Pilot: Penyesuaian jarak jauh
Apa yang dimaksud dengan Rumus Luas Silinder?
Menghitung area piston secara akurat memastikan prediksi gaya dan kecepatan yang tepat untuk aplikasi silinder pneumatik.
Rumus luas area silinder adalah A = π × (D/2)², di mana A adalah area dalam inci persegi, π adalah 3,14159, dan D adalah diameter lubang dalam inci.
Perhitungan Area Piston
Rumus area standar untuk piston melingkar:
A = π × r² atau A = π × (D/2)²
Dimana:
- A = Area piston (inci persegi)
- π = 3,14159 (konstanta pi)
- r = Radius (inci)
- D = Diameter (inci)
Ukuran dan Area Lubang Bor yang Umum
Ukuran silinder standar dengan area yang telah dihitung:
| Diameter lubang | Radius | Area Piston | Kekuatan pada 80 PSI |
|---|---|---|---|
| 3/4 inci | 0.375 | 0,44 meter persegi | 35 lbs |
| 1 inci | 0.5 | 0,79 meter persegi | 63 lbs |
| 1,5 inci | 0.75 | 1,77 meter persegi | 142 lbs |
| 2 inci | 1.0 | 3,14 meter persegi | 251 lbs |
| 2,5 inci | 1.25 | 4,91 meter persegi | 393 lbs |
| 3 inci | 1.5 | 7,07 meter persegi | 566 lbs |
| 4 inci | 2.0 | 12,57 meter persegi | 1.006 lbs |
Perhitungan Luas Batang
Untuk silinder kerja ganda, hitung luas retraksi bersih:
Luas Bersih = Luas Piston - Luas Batang
Ukuran Batang Umum
| Lubang Piston | Diameter batang | Area Batang | Area Penarikan Bersih |
|---|---|---|---|
| 2 inci | 5/8 inci | 0,31 meter persegi | 2,83 meter persegi |
| 2 inci | 1 inci | 0,79 meter persegi | 2,35 meter persegi |
| 3 inci | 1 inci | 0,79 meter persegi | 6,28 meter persegi |
| 4 inci | 1,5 inci | 1,77 meter persegi | 10,80 meter persegi |
Konversi Metrik
Mengonversi antara pengukuran imperial dan metrik:
Konversi Area
- Inci persegi hingga cm²: Kalikan dengan 6,45
- cm² hingga inci persegi: Kalikan dengan 0,155
Konversi Diameter
- Inci ke mm: Kalikan dengan 25,4
- mm hingga inci: Kalikan dengan 0,0394
Perhitungan Area Khusus
Desain silinder yang tidak standar memerlukan perhitungan yang dimodifikasi:
Silinder Oval
A = π × a × b (di mana a dan b adalah semi-sumbu)
Silinder Persegi
A = L × W (panjang dikali lebar)
Silinder Persegi Panjang
A = L × W (panjang dikali lebar)
Bagaimana Anda Menghitung Konsumsi Udara?
Perhitungan konsumsi udara membantu ukuran kompresor dan memperkirakan biaya operasi untuk sistem silinder pneumatik.
Konsumsi udara sama dengan luas piston dikalikan panjang langkah dikalikan siklus per menit: Konsumsi = A × L × N, diukur dalam kaki kubik per menit (CFM).
Rumus Konsumsi Dasar
Persamaan konsumsi udara yang mendasar:
Q = A × L × N ÷ 1728
Dimana:
- Q = Konsumsi udara (CFM)
- A = Area piston (inci persegi)
- L = Panjang goresan (inci)
- N = Siklus per menit
- 1728 = Faktor konversi (inci kubik ke kaki kubik)
Contoh Perhitungan Konsumsi
Contoh 1: Aplikasi Perakitan
- SilinderLubang 2 inci, stroke 6 inci
- Tingkat Siklus: 30 siklus/menit
- Area Piston: 3,14 inci persegi
- Konsumsi: 3,14 × 6 × 30 ÷ 1728 = 0,33 CFM
Contoh 2: Aplikasi Kecepatan Tinggi
- Silinder: Lubang 1,5 inci, stroke 4 inci
- Tingkat Siklus: 120 siklus/menit
- Area Piston: 1,77 inci persegi
- Konsumsi: 1,77 × 4 × 120 ÷ 1728 = 0,49 CFM
Konsumsi Akting Ganda
Silinder kerja ganda mengkonsumsi udara di kedua arah:
Total Konsumsi = Perpanjangan Konsumsi + Penarikan Konsumsi
Perpanjang Konsumsi
Q_extend = A_piston × L × N ÷ 1728
Tarik Kembali Konsumsi
Q_retract = (A_piston - A_batang) × L × N ÷ 1728
Faktor Konsumsi Sistem
Banyak faktor yang memengaruhi total konsumsi udara:
| Faktor | Dampak | Pertimbangan |
|---|---|---|
| Kebocoran | +10-30% | Pemeliharaan sistem |
| Tingkat Tekanan | Variabel | Tekanan yang lebih tinggi = konsumsi yang lebih banyak |
| Suhu | ± 5-15% | Mempengaruhi kepadatan udara |
| Siklus Tugas | Variabel | Intermiten vs kontinu |
Panduan Ukuran Kompresor
Ukuran kompresor berdasarkan total permintaan sistem:
Formula Ukuran
Kapasitas yang Dibutuhkan = Total Konsumsi × Faktor Keamanan
Faktor keamanan:
- Operasi Berkelanjutan: 1.25-1.5
- Operasi Terputus-putus: 1.5-2.0
- Ekspansi di Masa Depan: 2.0-3.0
Baru-baru ini saya membantu Patricia, seorang insinyur pabrik dari fasilitas otomotif Kanada, untuk mengoptimalkan konsumsi udara mereka. Nilainya 20 silinder tanpa batang2 mengkonsumsi 45 CFM, tetapi pemeliharaan yang buruk meningkatkan konsumsi aktual menjadi 65 CFM. Setelah memperbaiki kebocoran dan mengganti seal yang aus, konsumsi turun menjadi 48 CFM, menghemat $3.000 per tahun dalam biaya energi.
Apa yang dimaksud dengan Formula Silinder Lanjutan?
Formula tingkat lanjut membantu para insinyur mengoptimalkan kinerja silinder untuk aplikasi kompleks yang membutuhkan perhitungan yang tepat.
Formula silinder tingkat lanjut mencakup gaya akselerasi, energi kinetik, kebutuhan daya, dan perhitungan beban dinamis untuk sistem pneumatik berkinerja tinggi.
Rumus Gaya Akselerasi
Hitung gaya yang dibutuhkan untuk mempercepat beban:
F_accel = (W × a) ÷ g
Dimana:
- F_access = Gaya akselerasi (pound)
- W = Berat beban (pound)
- a = Akselerasi (ft/detik²)
- g = Konstanta gravitasi (32,2 kaki/detik²)
Perhitungan Energi Kinetik
Tentukan kebutuhan energi untuk memindahkan beban:
Dimana:
- KE = Energi kinetik (ft-lbs)
- m = Massa (siput)
- v = Kecepatan (ft/detik)
Persyaratan Daya
Hitung daya yang dibutuhkan untuk pengoperasian silinder:
Daya = (F × v) ÷ 550
Dimana:
- Daya = Tenaga kuda
- F = Gaya (pound)
- v = Kecepatan (ft/detik)
- 550 = Faktor konversi
Analisis Beban Dinamis
Aplikasi yang kompleks memerlukan perhitungan beban dinamis:
Rumus Beban Total
F_total = F_statis + F_gesekan + F_akselerasi + F_tekanan
Perincian Komponen
- F_statis: Berat beban konstan
- F_gesekan: Resistensi permukaan
- F_akselerasi: Kekuatan awal
- F_pressure: Efek tekanan balik
Perhitungan Bantalan
Hitung kebutuhan bantalan untuk pemberhentian yang mulus:
Gaya Bantalan = KE ÷ Jarak Bantalan
Hal ini mencegah beban kejut dan memperpanjang umur silinder.
Kompensasi Suhu
Menyesuaikan perhitungan untuk variasi suhu:
Tekanan Terkoreksi = Tekanan Aktual × (T_standar ÷ T_aktual)
Di mana suhu berada satuan absolut (Rankine atau Kelvin)4.
Kesimpulan
Formula silinder menyediakan alat bantu penting untuk desain sistem pneumatik. Rumus dasar F = P × A, dikombinasikan dengan perhitungan kecepatan dan konsumsi, memastikan ukuran komponen yang tepat dan kinerja yang optimal.
Tanya Jawab Tentang Rumus Silinder
Apa rumus gaya silinder dasar?
Rumus gaya silinder dasar adalah F = P × A, di mana F adalah gaya dalam pound, P adalah tekanan dalam PSI, dan A adalah area piston dalam inci persegi.
Bagaimana Anda menghitung kecepatan silinder?
Hitung kecepatan silinder menggunakan Kecepatan = Laju Aliran ÷ Luas Piston, di mana laju aliran dalam inci kubik per detik dan luas dalam inci persegi.
Apa rumus luas area silinder?
Rumus luas area silinder adalah A = π × (D/2)², di mana A adalah area dalam inci persegi, π adalah 3,14159, dan D adalah diameter lubang dalam inci.
Bagaimana Anda menghitung konsumsi udara untuk silinder?
Hitung konsumsi udara dengan menggunakan Q = A × L × N ÷ 1728, di mana A adalah luas piston, L adalah panjang langkah, N adalah siklus per menit, dan Q adalah CFM.
Faktor keamanan apa yang harus digunakan dalam perhitungan silinder?
Gunakan faktor keamanan 1,5-2,0 untuk aplikasi standar, 2,0-3,0 untuk aplikasi kritis, dan 2,5-4,0 untuk kondisi beban variabel.
Bagaimana Anda memperhitungkan kehilangan gaya dalam perhitungan silinder?
Perhitungkan kehilangan gaya 5-15% akibat gesekan seal, 2-8% untuk kebocoran internal, dan 5-20% untuk penurunan tekanan suplai saat menghitung gaya silinder yang sebenarnya.
-
Jelajahi cara kerja katup kontrol aliran untuk mengatur kecepatan aktuator dan pahami perbedaan antara sirkuit meter-in dan meter-out. ↩
-
Temukan desain dan keunggulan silinder tanpa batang, yang memberikan kemampuan langkah panjang dalam ruang yang ringkas. ↩
-
Memahami konsep energi kinetik, energi yang dimiliki suatu benda karena gerakannya, dan perhitungannya. ↩
-
Pelajari tentang skala suhu absolut seperti Kelvin dan Rankine dan mengapa skala ini penting untuk perhitungan ilmiah dan teknik. ↩
