2.3.1 Clasificación y características de los actuadores.
ACTUADORES HIDRAULICOS
Los
actuadores son alimentados con fluido a presión y se obtiene un
movimiento con una determinada velocidad, fuerza a partir de la perdida
de de presión de u determinado caudal del fluido.
POTENCIA DE ENTRADA = PRESION X CAUDAL
POTENCIA ENTREGADA EN EL ACTUADOR = VARIACION DE PRESION X CAUDAL
Los actuadores hidráulicos se clasifican en lineales y rotativos.
Actuadores lineales
FIGURA 13: Cilindro de doble efecto
Al
alimentar con un fluido hidráulico por la boca posterior avanza. La
velocidad de avance es proporcional a caudal e inversamente proporcional
al área posterior del pistón. Para que el pistón salga el fluido
presente en la cámara anterior salga por la boca correspondiente. Si
se desea que el pistón entre por la boca anterior y sacar el fluido por
la cámara posterior.
Actuadores rotativos o motores hidráulicos
Los
actuadores rotativos también denominados motores hidráulicos generan un
movimiento rotacional, reciben caudal y su velocidad depende del caudal
que reciben. Se utilizan en la transmisión de tornos y grúas.
Clasificación de los motores hidráulicos.
- De engranaje
- De paletas
- De pistones
De engranajes
Son
de tamaño reducido y pueden girar en los dos sentidos, son ruidosos y
su desplazamiento es igual a la cantidad de aceite que cabe entre dos
diente de un engrane multiplicado por el número de dientes de los dos
engranes.
De paletas
El
desplazamiento es el volumen que hay entre dos paletas multiplicado por
el número de paletas. El movimiento radial de las paletas debe de ser
forzado.
FIGURA 15: DE PALETAS
De pistones
Son
los más empleados que los anteriores ya que se consiguen las mayores
potencias de trabajo a altas presiones. Su desplazamiento es igual al
área de cada pistón multiplicado por el número de pistones y por el
recorrido que hacen dentro de su camisa. Se clasifican en axiales y
radiales.
FIGURA 16: De pistones
Actuadores neumáticos
A
los mecanismos que convierten la energía del aire comprimido en trabajo
mecánico se les denomina actuadores neumáticos. Aunque en esencia son
idénticos a los actuadores hidráulicos, el rango de compresión es mayor
en este caso, además de que hay una pequeña diferencia en cuanto al uso y
en lo que se refiere a la estructura, debido a que estos tienen poca
viscosidad.
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.
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.
Cilindros de simple efecto
Un
cilindro de simple efecto desarrolla un trabajo sólo en un sentido. El
émbolo se hace retornar por medio de un resorte interno o por algún otro
medio externo como cargas, movimientos mecánicos, etc. Puede ser de
tipo “normalmente dentro” o “normalmente fuera”.
Los
cilindros de simple efecto se utilizan para sujetar, marcar, expulsar,
etc. Tienen un consumo de aire algo más bajo que un cilindro de doble
efecto de igual tamaño. Sin embargo, hay una reducción de impulso debida
a la fuerza contraria del resorte, así que puede ser necesario un
diámetro interno algo más grande para conseguir una misma fuerza.
También la adecuación del resorte tiene como consecuencia una longitud
global más larga y una longitud de carrera limitada, debido a un espacio
muerto.
Cilindros de doble efecto
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. Sus componentes internos son prácticamente iguales a
los de simple efecto, con pequeñas variaciones en su construcción.
Algunas de las más notables las encontramos en la culata anterior, que
ahora ha de tener un orificio roscado para poder realizar la inyección
de aire comprimido (en la disposición de simple efecto este orificio no
suele prestarse a ser conexionado, siendo su función la comunicación con
la atmósfera con el fin de que no se produzcan contrapresiones en el
interior de la cámara).
El
campo de aplicación de los cilindros de doble efecto es mucho más
extenso que el de los de simple, incluso cuando no es necesaria la
realización de esfuerzo en ambos sentidos. Esto es debido a que, por
norma general (en función del tipo de válvula empleada para el control),
los cilindros de doble efecto siempre contienen aire en una de sus dos
cámaras, por lo que se asegura el posicionamiento.
Para
poder realizar un determinado movimiento (avance o retroceso) en un
actuador de doble efecto, es preciso que entre las cámaras exista una
diferencia de presión. Por norma general, cuando una de las cámaras
recibe aire a presión, la otra está comunicada con la atmósfera, y
viceversa. Este proceso de conmutación de aire entre cámaras nos ha de
preocupar poco, puesto que es realizado automáticamente por la válvula
de control asociada.
En
definitiva, podemos afirmar que los actuadores lineales de doble efecto
son los componentes más habituales en el control neumático. Esto es
debido a que:
- Se tiene la posibilidad de realizar trabajo en ambos sentidos (carreras de avance y retroceso).
- No se pierde fuerza en el accionamiento debido a la inexistencia de muelle en oposición.
-
Para una misma longitud de cilindro, la carrera en doble efecto es
mayor que en disposición de simple, al no existir volumen de
alojamiento.
Cilindro neumático guiado
Uno
de los problemas que presentan los cilindros convencionales es el
movimiento de giro que puede sufrir el vástago, ya que el pistón, el
vástago y la camisa del cilindro son de sección circular, por lo que
ninguno de ellos evita la rotación. En algunas aplicaciones la rotación
libre no es tolerable por lo que es necesario algún sistema anti giro.
Uno
de los sistemas que aparte de la función anti giro tiene otras ventajas
es el cilindro neumático guiado que contiene dos o más pistones con sus
vástagos, lo que da lugar a una fuerza doble de la de los cilindros
convencionales.
Cilindros de doble efecto multiposición.
Consisten
en dos o más cilindros de doble efecto acoplados en serie. Dos
cilindros con carreras diferentes permiten obtener cuatro posiciones
diferentes del vástago.
Cilindros tándem
Está
constituido por dos cilindros de doble efecto que forman una unidad.
Gracias a esta disposición, al aplicar simultáneamente presión sobre los
dos émbolos se obtiene en el vástago una fuerza de casi el doble de la
de un cilindro normal para el mismo diámetro.
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. Es precisamente en
este eje donde obtenemos el trabajo, en este caso en forma de
Movimiento
angular limitado. Tal y como podemos apreciar en la figura, el
funcionamiento es similar al de los actuadores lineales de doble efecto.
Al aplicar aire comprimido a una de sus cámaras, la paleta tiende a
girar sobre el eje, siempre y cuando exista diferencia de presión con
respecto a la cámara contraria (generalmente comunicada con la
atmósfera). Si la posición es inversa, se consigue un movimiento de giro
en sentido contrario.
Estos
componentes presentan ventajas propias de los componentes de última
generación, tal y como amortiguación en final de recorrido, posibilidad
de detección magnética de la posición (mecánica o magnética), etc. La
detección mecánica se ejecuta mediante elementos móviles exteriores
ajustables en grado mediante nonio graduado.
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
El funcionamiento de ambos es idéntico.
Constan
de cinco cilindros dispuestos axialmente, la fuerza se transforma por
medio de un plato oscilante en un movimiento rotativo. El aire lo
reciben dos cilindros simultáneamente al objeto de equilibrar el par y
obtener un funcionamiento normal. Estos motores se ofrecen para giro a
derechas y a izquierdas.
Motores de aletas
Son
de construcción sencilla y por tanto de reducido peso, constan de un
rotor excéntrico dotado de ranuras, el cual gira en una cámara
cilíndrica.
En
las ranuras se deslizan unas aletas, que son empujadas contra la pared
interior del cilindro por el efecto de la fuerza centrífuga, y en otros
casos por medio de resortes o muelles, garantizándose así la
estanqueidad de las diversas cámaras.
Es
suficiente una pequeña cantidad de aire para empujar las aletas, y se
va dilatando a medida que el volumen de la cámara aumenta.
Motor de engranajes
En
estos motores, el par de rotación es generado por la presión que ejerce
el aire sobre los flancos de los dientes de los piñones engranados, uno
de los piñones es solidario con el eje del motor.
Estos motores se utilizan generalmente en máquinas propulsores de gran potencia, su sentido de rotación es reversible.
2.3.2 SELECCIÓN DE ACTUADORES
Criterios de diseño para la elección de actuadores
hidráulicos o neumáticos
Sin embargo,
en un creciente número de aplicaciones, la cuestión básica que debe ser
respondida en el diseño de un sistema de movimiento lineal es si usamos
actuadores electromecánicos o hidráulicos. En los últimos años, el desarrollo
de actuadores lineales eléctricos ha propiciado un uso creciente de sistemas de
movimiento lineal que tradicionalmente estaban relegados a los sistemas
hidráulicos.
Además de las cuestiones técnicas, es necesario contemplar también
aspectos relativos al coste del sistema de transmisión; además de los costes de
cualquier equipamiento auxiliar necesario en el proyecto, y estudiar cómo los
costes influyen en el ciclo de vida del producto, incluyendo los relativos al
mantenimiento y reparación. Asimismo, la tendencia de alargar los periodos de
garantía debe llevarnos a considerar la resistencia a la fatiga y
disponibilidad futura del producto.
En general, el coste de un cilindro
hidráulico es inferior al de un actuador eléctrico, pero un sistema hidráulico
completo puede ser más caro que su equivalente electromecánico. Esto es
particularmente así cuando solamente se necesitan un pequeño número de
actuadores para una aplicación particular, ya que en estos casos el equipo
auxiliar del sistema hidráulico hará al sistema hidráulico más caro que un
actuador eléctrico. El equipo auxiliar comprende el depósito de aceite, una
bomba, posiblemente un acumulador, un sistema de filtrado, tubos y mangueras
para distribuir el fluido hidráulico y retornarlo al depósito. El coste del
fluido hidráulico debe tomarse en consideración en algunos casos.
En efecto, en
algunos casos se incurre en costes adicionales si es necesario utilizar fluido
hidráulico biodegradable en vez de convencional, o hay requisitos adicionales
de protección contra el fuego. Debe tenerse también en cuenta que el fluido
hidráulico debe revisarse periódicamente para controlar sus condiciones. En
aplicaciones en el exterior o en áreas muy frías, puede ser necesario un
sistema de calentamiento para mejorar las propiedades de fluides
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