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공기압 실린더의 종류/특성/선정포인트
공기압 기기는 기업의 생인화, 무인화의 요구에 부응하여 자동기계의 주요 기기로서 지위를 높이고 있다. 그리고 현재는 없어서는 안될 기기로 거의 모든 산업 분야에 이용되고 있다. 여기에서는 이러한 공기압 기기의 특성 그리고 종류와 선정 포인트를 들어 해설한다.
공기압 실린더의 특성
공기압 실린더의 기본적인 특성은 어떤 종류의 실린더든 거의 같으므로 잘 이해해 두는 일이 선정상 중요한 포인트가 된다.
선정상 고려할 포인트를 표 1에 정리하여 제시한다. 여기에서는 실린더의 기본적인 특성 가운데서도 특히 포인트가 되는 것에 대하여 해설한다.
(주) SI 단위에 대하여
여기에서는 습득의 편의성을 위해서 종래 단위로 기술하고 있다. SI 단위로의 환산은 다음 식에 의한다.
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압력 Y(MPa)
= X(kgf/cm²) × 0.0980665
힘 Y(N) = X(kgf) × 9.80665 |
1. 출력
출력은 실린더의 기본적인 특성으로서 사용상이나 선정상 중요한 특성이다.
(1) 실린더력(이론 출력)
메이커의 카탈로그에는 실제로 실린더에 의하여 출력되는 힘이 아니고 이상 상태에서 계산상의 값으로 표시되는 것이 일반적이다. 이것을 이론 출력이라 한다.
이론 출력에 대하여 규격에서는 실린더력이라 부르고 실린더 튜브의 내경, 즉 실린더 피스톤의 면적에 사용 공기압력을 곱한 힘의 값으로 나타내고 있다.
가장 일반적으로 사용되고 있는 실린더가 나올 때는 피스톤 전면에 압력을 받는 힘이 되고 피스톤이 끌려 들어갈 때는 피스톤의 면적에서 피스톤 로드의 면적을 차감한 면적에 압력을 받는 힘이 된다.
실린더 안에 스프링을 내장한 단동 실린더의 경우 출력은 스프링력을 고려할 필요가 있다.
공기압력에 의하여 피스톤이 나올 때는 스프링이 압축되어 스프링은 최대의 힘이 되고 실린더력은 최소가 되므로 이점에 유의해야 한다.
카탈로그에는 세트시 압축시의 스프링력이 기재되어 있으므로 이것을 참조할 필요가 있다.
이론 출력(실린더력)은 다음 식에 의하여 산출한다.
① 복동 실린더(그림 1참조)
로드 전진측 : Fa = π/4×D²×P {kgf}
로드 후진측 : Fb = π/4(D²-d²)×P {kgf}
② 단동 전진형 실린더
로드 전진측 : Fa = π/4×D²×P {kgf}
로드 후진측 : f
③ 단동 후진형 실린더
로드 전진측 : f
로드 후진측 : Fb = π/4×(D²-d²)×P {kgf}
여기에서, Fa,Fb : 이론출력(실린더력){kgf}
D : 실린더 튜브의 내경 {cm}
d : 실린더 로드경 {cm}
P : 사용압력 {kgf/cm²}
f : 스프링력 {kg}
(2) 실린더 출력(실효 출력)
실린더의 실제 출력은 전술한 이론 출력이 아니고 실린더의 피스톤 패킹이나 베어링 등의 마찰저항력에 의한 손실분을 감한 힘이 된다. 이것은 실린더 출력이라고 하고 일반적으로는 실효 출력이라 부르고 있다.
이 실효 출력은 이론 출력에 계수를 곱하여 구하는데, 이 계수를 규격에서는 실린더 추력계수라 하고 일반적으로 %로 나타내고 있다.
이 효율은 실린더의 구조 등에 따라 달라지고 사용압력에 따라서도 달라진다.
그림 2에 제시하는 바와 같이 사용압력이 낮아지면 효율도 낮아지므로 저압에서 사용할 때는 주의할 필요가 있다.
로드 전진측 : F₁=μ₁× Fa {kgf}
로드 후진측 : F₂=μ₂× Fb {kgf}
여기에서, F₁, F₂: 실린더 출력 {kgf}
μ₁, μ₂: 실린더 추력 계수
Fa, Fb : 실린더력 {kgf}
(3) 부하율
실린더 튜브의 내경 선정은 전술한 실린더 출력을 바탕으로 산출하는데 이때 실린더의 사용 용도에 따라서는 부하율을 고려할 필요가 있다.
부하율은 실린더의 피스톤 로드에 걸리는 실부하되 이론 출력(실린더력)의 비율를 %로 나타내고 있다.
여기에서, F。 : 실부하 {kgf}
Fa : 이론출력(실린더력) {kgf}
이 부하율이 높을수록 실린더의 속도는 늦어지고 전술한 실린더 효율과 같게 하면 실린더가 움직이지 않게 된다. 또 낮아지면 실린더 속도가 빨라지는데 고속 작동의 경우에는 이 부하율을 작게 하는 것이 하나의 조건이 된다. 바꾸어 말하면 부하율의 역수는 실린더의 힘에 대한 여유율이라 할 수 있다.
일반적으로 다음의 수치를 기준으로 선정하고 있다.
부하율
200mm/s의 저속 50~70%
200~300mm/s의 중속 30~50%
300~500mm/s의 고속 30~10% |
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