2.3 Actuadores neumáticos e hidráulicos
Los
actuadores son dispositivos capaces de generar una fuerza a partir de líquidos,
de energía eléctrica y gaseosa. El actuador recibe la orden de un regulador o
controlador y da una salida necesaria para activar a un elemento final de
control como lo son las válvulas. Pueden ser hidráulicos, neumáticos o
eléctricos.
Los
actuadores hidráulicos se emplean cuando lo que se necesita es potencia, y los
neumáticos son simples posicionamientos. Sin embargo, los hidráulicos requieren
demasiado equipo para suministro de energía, así como de mantenimiento
periódico. Por otro lado, las aplicaciones de los modelos neumáticos también
son limitadas desde el punto de vista de precisión y mantenimiento.
El
trabajo realizado por un actuador neumático puede ser lineal o rotativo. El
movimiento lineal se obtiene por cilindros de émbolo (éstos también
proporcionan movimiento rotativo con variedad de ángulos por medio de
actuadores del tipo piñón-cremallera). También encontramos actuadores
neumáticos de rotación continua (motores neumáticos), movimientos combinados e
incluso alguna transformación mecánica de movimiento que lo hace parecer de un
tipo especial.
2.3.1 Clasificación y características de los actuadores
Los actuadores son dispositivos
capaces de generar una fuerza a partir de líquidos, de energía eléctrica y
gaseosa. El actuador recibe la orden de un regulador o controlador y da una
salida necesaria para activar a un elemento final de control como lo son las
válvulas. Pueden ser hidráulicos, neumáticos o
eléctricos.
Los actuadores se dividen en 2 grandes
grupos: cilindros y motores
Clasificación
Aunque en esencia los
actuadores neumáticos e hidráulicos son idénticos, los neumáticos tienen un
mayor rango de compresión y además existen diferencias en cuanto al uso y
estructura.
Se clasifican en
actuadores lineales y giratorios.
v ACTUADORES NEUMÁTICOS LINEALES
El cilindro neumático
consiste en un cilindro cerrado con un pistón en su interior que desliza y que
transmite su movimiento al exterior mediante un vástago. Se compone de las
tapas trasera y delantera, de la camisa donde se mueve el pistón, del propio
pistón, de las juntas estáticas y dinámicas del pistón y del anillo rascador
que limpia el vástago de la suciedad.
Los cilindros
neumáticos independientemente de su forma constructiva, representan los
actuadores más comunes que se utilizan en los circuitos neumáticos. Existen dos
tipos fundamentales de los cuales derivan construcciones especiales.
·
Cilindros de simple efecto, con una entrada
de aire para producir una carrera de trabajo en un sentido.
·
Cilindros de doble efecto, con dos entradas
de aire para producir carreras de trabajo de salida y retroceso.
Tipos
de cilindros de simple efecto:
Cilindros de émbolo,
cilindros de membrana, cilindros de membrana enrollable.
Cilindros de émbolo:
Los cilindros de
doble efecto son aquellos que realizan tanto su carrera de avance como la de
retroceso por acción del aire comprimido. Su denominación se debe a que emplean
las dos caras del émbolo (aire en ambas cámaras), por lo que estos componentes
sí pueden realizar trabajo en ambos sentidos.
Otros tipos de
cilindros:
Cilindro neumático de fuelle
Cilindro neumático de impacto
Cilindro neumático sin vástago
Cilindro neumático guiado
Cilindros de doble efecto
multiposición
Cilindros tándem
v
ACTUADORES
NEUMÁTICOS GIRATORIOS.
Los actuadores
rotativos o giratorios son los encargados de transformar la energía neumática
en energía mecánica de rotación. Dependiendo de si el móvil de giro tiene un
ángulo limitado o no, se forman los dos grandes grupos a analizar:
Actuadores de giro
limitado
Son aquellos que
proporcionan movimiento de giro pero no llegan a producir una revolución
(exceptuando alguna mecánica particular como por ejemplo piñón –cremallera).
Existen disposiciones de simple y doble efecto para ángulos de giro de 90º, 180º...,
hasta un valor máximo de unos 300º (aproximadamente).
Motores neumáticos
Proporcionan un
movimiento rotatorio constante. Se caracterizan por proporcionar un elevado número de revoluciones por minuto.
ACTUADORES
DE GIRO LIMITADO
Actuador de paleta:
El actuador de giro
de tipo paleta quizá sea el más representativo dentro del grupo que forman los
actuadores de giro limitado. Estos actuadores realizan un movimiento de giro
que rara vez supera los 270º, incorporando unos topes mecánicos que permiten la
regulación de este giro. Están compuestos por una carcasa, en cuyo interior se
encuentra una paleta que delimita las dos cámaras.
Solidario a esta paleta, se encuentra
el eje, que atraviesa la carcasa exterior.
Los cilindros que
funcionan como actuadores giratorios, de giro limitado, son el cilindro
giratorio de pistón-cremallera-piñón en el que el movimiento lineal des pistón
es transformado en un movimiento giratorio mediante un conjunto de piñón y
cremallera y el Cilindro de aletas giratorias de doble efecto para ángulos
entre 0° y 270°. En la siguiente figura el cilindro pistón-cremallera-piñón:
Motores de aire
comprimido
Su ángulo de giro no
está limitado, hoy es uno de los elementos de trabajo más empleados que
trabajan con aire comprimido.
Tipos de motores
-embolo
-aletas
-engranajes
Motores de émbolo
Su accionamiento se
realiza por medio de cilindros de movimiento alternativo, el aire comprimido
acciona a través de una biela el cigüeñal del motor.
La potencia de estos
motores depende:
a.- de la presión de
entrada
b.- del número de
émbolos
c.- de la superficie
y velocidad de los émbolos.
Existen dos tipos de
motores de émbolos
a.- Motor de émbolo
axial
b.- Motor de émbolo
radial
v ACTUADORES
HIDRÁULICOS LINEALES
Los
cilindros hidráulicos de movimiento lineal son utilizados comúnmente en
aplicaciones donde la fuerza de empuje del pistón y su desplazamiento son
elevados.
Los
cilindros hidráulicos pueden ser de simple efecto, de doble efecto y
telescópicos.
- En
el primer tipo, el fluido hidráulico empuja en un sentido el pistón del
cilindro y una fuerza externa (resorte o gravedad) lo retrae en sentido
contrario. El cuerpo del cilindro es la caja externa tubular y contiene el
pistón, el sello del pistón y el vástago. “Calibre” es el término usado para
indicar el diámetro del pistón. El extremo del pistón del cilindro (algunas
veces llamado “extremo ciego”) se conoce como el extremo de la cabeza. El
extremo desde el cual el vástago se extiende y se retrae se conoce como el
extremo del vástago.
- El
cilindro de acción doble utiliza la fuerza generada por el fluido hidráulico
para mover el pistón en los dos sentidos, mediante una válvula de solenoide. El
cilindro de acción doble es el accionador hidráulico más común utilizado
actualmente y se usa en los sistemas del implemento, la dirección y otros
sistemas donde se requiera que el cilindro funcione en ambas direcciones.
- El
cilindro telescópico contiene otros de menos diámetro en su interior y se
expanden en etapas, son muy utilizados en grúas. Está constituido por los tubos
cilíndricos y vástago de émbolo. En el avance sale primero el émbolo interior,
siguiendo desde dentro hacia fuera los siguientes vástagos o tubos. La
reposición de las barras telescópicas se realiza por fuerzas externas. La
fuerza de aplicación está determinada por la superficie del émbolo menor.
-
Otros elementos en los cilindros son:
Sellos
Los
sellos se usan en diferentes partes del cilindro, como se muestra en la figura.
El sello del pistón se usa entre el pistón y la pared del cilindro.
Su
diseño permite que la presión de aceite extienda el sello contra la pared del
cilindro, de manera que, a mayor presión, mayor fuerza sellante.El sello del
extremo de la cabeza (sello anular) evita que el aceite escape por entre el
cuello del vástago y la pared del cilindro.
El
sello de vástago es un sello en forma de “U” que limpia el aceite del vástago a
medida que el vástago se extiende por el cilindro. El sello de labio se ajusta al
cilindro e impide que la suciedad o el polvo entren al cilindro cuando se
retrae el vástago del cilindro. Los sellos se fabrican en poliuretano, nitrilo
o vitón. El material debe ser compatible con los fluidos usados y las
condiciones de operación.
v ACTUADORES
HIDRÁULICOS ROTATIVOS
Motor
hidráulico
El
motor hidráulico convierte la energía hidráulica en energía mecánica. El motor
hidráulico usa el flujo de aceite enviado por la bomba y lo convierte en un
movimiento rotatorio para impulsar otro dispositivo (por ejemplo, mandos
finales, diferencial, transmisión, rueda, ventilador, otra bomba, etc.).Varios
tipos de motores hidráulicos se usan en la industria. Proporcionan una
velocidad determinada relativamente constante a través de su variada gama de
presiones. Cuando alcanzan su máximo par, su velocidad cae rápidamente debido a
que el fluido hidráulico se escapa a través de una válvula de alivio dejando el
motor sin alimentar. Entre los tipos de motores hidráulicos se encuentran: los
motores de paletas, de pistón axial o radial, de engranajes y gerotor.
2.3.2 Selección de actuadores
Analizaremos
brevemente los principales aspectos a tener en cuenta a la hora de calcular un
cilindro. No obstante, lo más recomendable es acudir siempre a los datos
aportados por el fabricante donde se nos mostraran tablas para los esfuerzos
desarrollados, máximas longitudes de flexión y pandeo, etc.
v
FUERZA DEL ÉMBOLO.
La fuerza
ejercida por un elemento de trabajo depende principalmente de la presión del
aire, del diámetro del cilindro y del rozamiento de las juntas. La fuerza
teórica del émbolo se calcula con la siguiente fórmula:
F teórica = P · A
Donde:
F t Fuerza teórica del
vástago en Kgf.
P Presión relativa en
Kg. / cm 2
A Superficie del émbolo
en cm 2
En
la práctica, es necesario conocer la fuerza real que ejercen los actuadores.
Para determinarla, también hay que tener en cuenta los rozamientos. En
condiciones normales de servicio (presiones de 400 a 800 kPa. / 4 a 8 bar) se
puede suponer que las fuerzas de rozamiento representan de un 3 a un 20% de la
fuerza calculada.
v
LONGITUD DE CARRERA
La
longitud de carrera en cilindros neumáticos no debe exceder de 2000 mm. Con
émbolos de gran tamaño y carrera larga, el sistema neumático no resulta
económico por el elevado consumo de aire y precio de los actuadores.
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. Además, al
prolongar la carrera, la distancia entre cojinetes aumenta y, con ello, mejora
la guía del vástago. Otra solución la aportan los cilindros de vástago guiado,
mucho más resistentes a los esfuerzos mecánicos.
v
VELOCIDAD DEL ÉMBOLO.
La velocidad
del émbolo, en cilindros neumáticos depende de la fuerza antagonista, de la
presión del aire, de la longitud de la tubería, de la sección entre los
elementos de mando y trabajo y del caudal que circula por el elemento de mando.
Además, influye en la velocidad la amortiguación de final de carrera. Cuando el émbolo abandona la zona de
amortiguación, el aire entra por una válvula antirretorno y de estrangulación y
produce un aumento de la velocidad.
La velocidad
media del émbolo, en cilindros estándar, está comprendida entre 0,1 y 1,5 m/s.
Con cilindros especiales (cilindros de impacto) se alcanzan velocidades de
hasta 10 m/s.
La velocidad
del émbolo puede regularse con válvulas especiales. Las válvulas de
estrangulación, las antirretorno y de estrangulación, y las de escape rápido,
proporcionan velocidades mayores o menores, dependiendo de su regulación.
v
CONSUMO DE AIRE.
Para disponer
de aire y conocer el gasto de energía, es importante conocer el consumo de la
instalación, cálculo que comenzará por los actuadores (potencia). Para una
presión de trabajo, un diámetro y una carrera de émbolo determinado, el consumo
de aire se calcula como sigue:
La formula de
cálculo por embolada, resulta:
Q = 2 (S ⋅ n ⋅ q)
Con ayuda de
tablas, se puede establecer los datos del consumo de aire de una manera más
sencilla y rápida. Los valores están expresados por cm de carrera para los
diámetros más corrientes de cilindros y para presiones de 100 a 1500 kPa. (1-15
bar).
Donde:
Q Caudal nominal ( Nl / min)
S
Carrera en cm.
n Carreras por minuto q
Consumo por carrera.
El
tipo de fijación es importante ya que el cilindro puede ir equipado de los
accesorios de montaje necesarios. De lo contrario, como dichos accesorios se
construyen según el sistema de piezas estandarizadas, también más tarde puede
efectuarse la transformación de un tipo de fijación a otro.
Este
sistema de montaje facilita el almacenamiento en empresas que utilizan a menudo
el aire comprimido, puesto que basta combinar el cilindro básico con las
correspondientes piezas de fijación. La principal ventaja que ofrecen los
sistemas de fijación no fijos, es que un mismo cilindro puede colocarse en una
máquina de distintas formas según el tipo de fijación.
Algunos
ejemplos de fijaciones clásicas corresponden a...
Referencia:
http://www.google.com.mx/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=web&cd=21&ved=0CCsQFjAAOBQ&url=http%3A%2F%2Ffosva.seas.es%2Fdocs%2Ft3_neumatica.pdf&ei=W4AnUumEBPK34APQ74DwBw&usg=AFQjCNFnckwoyK-eRkVYzW9HgZ-X1xLomA&sig2=dr3-tOkAv33bm8G7A9XhAg
Gracias por la informacion
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