UNIDAD XI “ACTUADORES HIDRÁULICOS”
1. DEFINICIÓN Un actuador transforma la energía hidráulica en energía mecánica
2. TIPOS Los actuadores hidráulicos son de dos tipos: Pistones hidráulicos. Motores hidráulicos.
2.1.
Cilindros hidráulicos Transforman la energía hidráulica en energía mecánica en términos de fuerza F y desplazamiento d.
E HIDRAULICA
F * d
p2
E HIDRAULICA
E MECANICA F
Q2
d
E ENTREGA
p3
CILINDRO
F.d
Figura N° 1
2.2.
Motores hidráulicos Transforman la energía hidráulica en energía mecánica en términos de torque M y desplazamiento angular
E HID RAU LICA
M *
p2
E
Q2
E
HIDRAULICA
MECANICA
Torque = M Desplazamiento angular =
p3 E ENTREGA MOTOR HIDRAULICO
M
Figura N° 2
3. CILINDROS HIDRÁULICOS Los cilindros hidráulicos son motores lineales. Con ellos se producen movimientos lineales en máquinas e instalaciones donde se puede alcanzar grandes fuerzas y desplazamiento longitudinales. La velocidad del émbolo del cilindro puede ser controlada variando la cantidad de flujo de alimentación. La fuerza máxima que debe alcanzar un cilindro puede ser elegida o fijada a través de una válvula de presión. Las formas constructivas exteriores de los cilindros dependen del uso que se les quiere dar, para poder seleccionar o diseñar un cilindro los diseñadores necesitan una serie de datos. Sin embargo se debe en lo posible recurrir a medidas normalizadas tanto para poder encontrar los elementos constructivos como para asegurar su reemplazo. Los cilindros estandarizados respetan determinadas medidas constructivas y de conexión. Los diámetros de cilindros normalizados son:
25, 32, 40, 50, 63, 80, 100, 125, 160, 200 mm
Estas medidas se refieren al diámetro interior del cilindro.
En las recomendaciones también se fijan el diámetro del vástago y otras medidas importantes. Las presiones de diseño que se recomiendan son:
40, 50, 63, 125, 160, 250, 400 bar
La carrera de los cilindros es relativamente libre de elegir.
4. FUERZAS QUE ACTUAN SOBRE UN CILINDRO Las fuerzas que actúan sobre un cilindro hidráulico pueden ser positivas o negativas Fuerzas Positivas.- Aparecen cuando el actuador transfiere energía a un cuerpo. Por ello este tipo de fuerzas analizado desde el pistón, ofrece resistencia al movimiento del pistón. Fuerzas negativas.-Son aquellas que aparecen cuando externamente se transfiere energía al pistón. Por ello el pistón no puede controlar a éste tipo de fuerza.
F-
F+ p BAJO Q
p ALTO Q
Figura N° 3
5. CLASIFICACIÓN DE LOS CILINDROS Los cilindros hidráulicos se clasifican: Por su forma constructiva Por su forma de fijación.
CILINDROS HIDRAULICOS
FORMAS CONSTRUCTIVAS
FIJACION SIMPLE EFECTO
DOBLE EFECTO
CILINDROS TELESCOPICOS
RETORNO POR FUERZA EXTERNA
PATITAS CON UN SOLO VA STAGO
SIMPLE EFECTO
CON AMORTIGUA MIENTO EN RETORNO POR MUELLE
DOBLE EFECTO
AMBOS EXTREMOS
CON CINTADO MAGNETICO
CON ARTICULACION
DUPLEX
EN TANDEM
CON VASTAGOS EN AMBOS
APOYOS GIRATORIOS
EXTREMOS
CILINDRO OSCILANTE O MOTOR OSCILANTE
FORMAS CONSTRUCTIVAS
Figura N° 4
5.1.
BRIDA
Clasificación por su forma constructiva Cilindros de Simple Efecto Cilindros de Doble Efecto Cilindros telescópicos
5.2.
Clasificación por su forma de fijación Cilindros de montaje fijo con patas tangenciales. Cilindros embridados. Cilindros articulados en la base. Cilindros articulados en la cabeza.
6. CILINDROS DE SIMPLE EFECTO Los cilindros hidráulicos de simple efecto son actuadores que pueden aplicar fuerza en un solo sentido, para ello tienen una sola vía de ingreso o salida de fluido. Al accionarse el pistón en un solo sentido, la fuerza de retorno del pistón en sentido contrario se logra a través de: Una fuerza externa. El propio peso del pistón. Un muelle o resorte. La cámara que no está sometida a presión debe estar en contacto con la presión atmosférica por ejemplo a través de un pequeño orificio donde entre y salga el aire cuando el pistón entra en movimiento.
7. CILINDROS DE DOBLE EFECTO Un cilindro hidráulico de doble efecto consiste en un cuerpo cilíndrico y un émbolo móvil al cual se ha fijado un vástago. Las tapas o culatas se fijan al cilindro por medio de uniones roscadas, bridas, tirantes o uniones soldadas. El desplazamiento del émbolo hacia adentro y hacia fuera es guiado y sostenido por un casquillo removible llamado prensaestopas del vástago o cojinete del vástago. La tapa del cilindro a través de la cual sale el vástago se denomina “cabeza del vástago”. Al extremo opuesto se le denomina simplemente “tapa”. Los puertos o vías de entrada y salida se localizan en la cabeza y la tapa.
Figura N° 5
7.1.
Partes de un cilindro de doble efecto Cilindro Embolo Vástago Tapa Tapa del vástago o cabeza del vástago Sellos de labios o cejas Anillos del émbolo Sellos en el prensaestopas del vástago Via o puerto Retén respador.
8. FORMAS DE ENSAMBLAJE DE CILINDROS HIDRAULICOS Existen diferentes formas de ensamblar un cilindro hidráulico en un sistema y lograra multiplicar las fuerzas. La norma para un correcto montaje es que el
cilindro hidráulico puede aplicar grandes fuerzas axiales pero no debe aplicar ni soportar fuerzas radiales. FUERZA RADIAL
NO PELIGRO: FLEXION FUERZA AXIAL
SI p
PELIGRO: PANDEO
Figura N° 6
Figura N° 7
9. SELLOS Para un buen funcionamiento de un cilindro, debe existir un sello alrededor del émbolo y en el presaestopas del vástago. Existe gran variedad de sellos para el presaestopas del vástago. Algunos cilindros están equipados con un sello principal en forma de V o acopado, fabricado de cuero, poliuretano, nitrilo o vitón, y un sello limpiador que evita la introducción de materiales extraños en el interior del cilindro. Es de suma importancia comprobar que el material con el cual se ha fabricado el sello sea compatible con el fluido y las condiciones de funcionamiento del sistema. Ejemplo: Un tipo de sello para el prensaestopas del vástago consiste en un sello principal con bordes interiores dentados, que rozan continuamente el vástago y lo limpian removiendo el fluido.Un segundo sello frota el vástago para eliminar los restos que pudiese haber dejado el sello principal y elimina las partículas extrañas cuando retrocede el vástago al interior del cilindro.
Figura N° 8
10.
SISTEMAS DE AMORTIGUACIÓN Los sistemas de amortiguamiento se emplean para proteger el cilindro de los efectos de los golpes del embolo sobre las tapas de los cilindros en los pistones.
M
2
B
A a
P
m
M
b
o
T
1
Figura N° 9
En la figura mostrada: Al cambiar de la posición o a la posición a de la válvula distribuidora el vástago del cilindro bajará por efecto de la acción de la gravedad y no por efecto de la presión del sistema, perdiendo el control del pistón (Acción de fuerza negativa). Al chocar el pistón sobre la tapa del cilindro puede provocar daños como fisuras o deformaciones, por ello es necesario mantener controlada a esta fuerza. Las formas de controlar estos efectos son: Colocar válvulas de estrangulamiento. Colocar válvulas de contrapresión. Utilizar cilindros con sistemas de amortiguamiento. En todos los casos el objetivo es crear un colchón de presión para el amortiguamiento de la carga. Este colchón de presión puede estar presente siempre como en el caso de la ubicación de una válvula de estrangulamiento o una válvula de contrapresión o puede aparecer solo en el tramo final del recorrido del embolo en el cilindro como en el caso de un sistema de amortiguamiento ensamblado en el propio cilindro hidráulico. Los sistemas hidráulicos con válvulas de estrangulamiento o válvulas de contrapresión generan siempre una caída de presión que provoca pérdida de energía y que reducen innecesariamente la velocidad a lo largo del recorrido del pistón. En realidad en buen accionamiento tiene alta velocidad en su recorrido,
pero baja velocidad en los tramos finales antes de llegar al final de su recorrido y tocar las tapas.
VALVULA DE CONTRAPRESION 25 BAR
B
A a
m
M
b
o
P
B
A a
T
m
1
Sistema de frenado con válvula de estrangulamiento
M
b
o
P
T 100 BAR
1
Sistema de frenado con válvula de contrapresión
Figura N° 10
10.1. Sistemas de amortiguación en el propio cilindro Los sistemas de amortiguamiento en el propio cilindro utilizan estrangulamientos en la carrera de frenado. Cuando el pistón está llegando al final de la carrera el tramo comprendido en la cabeza del embolo buzo se aloja exactamente en la ranura. El aceite atrapado en la cámara comprendida entre la sección anular del embolo y la tapa es el que disminuye la velocidad del cilindro amortiguando la fuerza antes de llegar a tocar la tapa del cilindro, este aceite se evacua a través del estrangulamiento ubicado en el juego del embolo buzo con la ranura donde ingresa.
FLUIDO ESTRANGULADO
COLCHON DE ACEITE PARA EL F RENADO
Figura N° 11
En algunos casos es posible regular estos estrangulamientos. Por ejemplo en el caso que se muestra en la siguiente figura: El estrangulamiento 1, es el que define el grado de amortiguación y puede regularse. Para el movimiento en sentido contrario del pistón el aceite tendría menor área en contacto y por lo tanto sería menor la fuerza disponible, por lo tanto se hace necesario que el aceite pueda entrar en contacto desde el momento inicial con toda el área del embolo, para eso se inserta la válvula check que permite que el fluido entre en contacto también con el área anular del embolo y pueda salir libremente y disponerse de la máxima fuerza.
Figura N° 12
FLUIDO EST RANGULADO
Tramo final: Frenado VALVULA CHECK BLOQUEADA
Figura N° 13
Libre retorno
VALVULA CHECK ABIERTA
Figura N° 14
También es posible practicar una muesca en la cabeza del embolo buzo de tal manera que actúa como un estrangulamiento 2 de tal manera que el pistón vaya frenándose paulatinamente a medida que llega al final de su carrera, es un estrangulamiento variable en función de la carrera final del pistón. FLUIDO ESTRANGULADO TRAMO DE FRENADO
COLCHON DE ACEITE VALVULA CHECK BLOQUEADA
Figura N° 15
11.
MOTORES HIDRAULICOS Los motores hidráulicos transforman la energía hidráulica en energía mecánica y generan movimientos rotativos. Si el movimiento rotativo se limita a determinados ángulos, se trata de motores de desplazamiento angular.
Desde el punto de vista energético los motores actúan contrariamente a las bombas hidráulicas, pero su geometría es muy similar.
Bomba
Motor Figura N° 16
12.
REPRESENTACIÓN Los motores hidráulicos pueden ser: De giro en un solo sentido De giro en ambos sentidos
Motor hidráulico de giro en un solo sentido
Motor hidráulico de giro en ambos sentidos
Figura N° 17
13.
PARÁMETROS Los motores hidráulicos tienen los mismos parámetros característicos que las bombas, aunque en el caso de los motores hidráulicos no se aplica el término de volumen desplazado, utilizándose más bien el de VOLUMEN ABSORBIDO (V.A.) La velocidad n ( RPM ) de giro de un motor hidráulico esta dado por el caudal Q entre el volumen absorbido VA : Q n VA
El producto del volumen absorbido VA multiplicado por la diferencia de presión p en el motor hidráulico define el momento o torque M: M
VA * p 2*
La potencia mecánica P MOTOR entregada por un motor hidráulico está dada por el producto del momento o torque M por la velocidad angular . M *
P MOTOR
Donde la velocidad angular
: 2 * *n
La potencia hidráulica P HIDRAULICA recibida por el motor hidráulico está dada por: P HIDRAULICA
p * Q 600
Los motores hidráulicos tienen básicamente las mismas características constructivas que las bombas hidráulicas, de aquí que tengan una eficiencia MOTOR aproximada entre 80 a 90 %. P MOTOR MOTOR
P HIDRAULICA
Ejemplo Un motor hidráulico de 50 cm3 recibe 60 l/min de caudal y los manómetros de entrada y salida del motor indican 280 bar y 20 bar respectivamente, si la eficiencia del motor es de 85 % determinar: 1. El número de revoluciones por minuto n (RPM). 2. El Torque M (N-m). 3. La potencia (HP) del motor hidráulico. Solución:
n
n
M
Q V . A. 60 l / min 1000cm3 ( ) 50 cm3 l
V . A.* p 2* kgf ( 1 , 02 2) 20)bar cm bar
3
M
1200 RPM
50cm (280 2*
m
9,8 N
100cm
1kgf
206,8 N
m
El motor entregaría este torque, si tuviese una eficiencia del 100 %, pero como tiene una eficiencia del 85 %:
M
85% * 206,8 N P HIDRAULICA
P HIDRAULICA
1758 , N
m
m
p * Q 600
(280 20)bar * 60 l / min 600
26 kW
HP 0,746kW
34,85 HP
P MOTOR MOTOR
p MOTOR P MOTOR
P HIDRAULICA MOTOR
* P HIDRAULICA
0,85 * 34,85HP
29,62HP
14. TIPOS Constructivamente los motores no presentan mayores diferencias con las bombas, por lo tanto existen la misma diversidad y clasificación de motores hidráulicos como las mencionadas para bombas hidráulicas. Aquí se desarrollara el principio de funcionamiento de los motores hidráulicos de mayor uso como son los motores de pistones axiales.
15. MOTOR DE PISTONES AXIALES DE PLATO INCLINADO El motor de pistones axiales tiene un conjunto de pistones que se desplazan con un tambor giratorio sobre un plato inclinado.
Figura N° 18
15.1. Partes de un motor de pistones axiales
Figura N° 19
1. 2. 3. 4. 5. 6.
15.2.
CARCASA PISTON PLATO INCLINADO ROTULA PLACA CONTIENE LUMBRERAS DE ENTRADA Y SALIDA SEGURO DE ROTULAS
Funcionamiento El funcionamiento de un motor de pistones axiales se explica de la siguiente manera: En el diagrama de cuerpo libre del pistón la fuerza F se descompone en dos fuerzas: Fuerza tangencial en un plano horizontal FT Fuerza normal, perpendicular al plano inclinado FN. La fuerza FT actúa a una distancia r del eje central y provoca con ello un par motor M = FT * r Al descender el pistón, el tambor le conduce forzosamente sobre el plano inclinado en una órbita circular. Por ello, el tambor recibe un movimiento rotativo.
Figura N° 20
Puede recogerse el par motor en el árbol de salida, que esta solidario con el tambor, para obtener en el árbol de salida un par motor lo más alto posible y un movimiento rotativo permanente, se disponen varios pistones axiales en el interior del tambor. La presión es la que impulsa a los pistones a través del plano inclinado. Una vez que se encuentra en el punto inferior, la acción rotacional de los otros pistones impulsa a los pistones que se encuentran en el punto inferior a subir a través del plano inclinado, esto se realiza fácilmente debido a que esta zona se encuentra descargada o a baja presión. Por lo tanto en un motor hidráulico debemos distinguir una zona de ingreso del fluido a presión y una zona de salida de fluido a la descarga o tanque. Es fácil cambiar la dirección de un motor hidráulico al cambiar estas zonas de ingreso y salida. El número de pistones axiales en el tambor es variable. Cuanto mayor es el número de pistones axiales existentes, tanto más uniformemente queda el giro del motor hidráulico. Por pérdidas de fluido en los pistones axiales, entre el tambor y el plato inclinado, entra permanentemente líquido a presión en la cámara de la carcasa del motor. Este fluido debe evacuarse por un conducto de fuga de tal manera que no se forme colchones de presión que puedan dificultar el libre accionamiento del motor. Por ello encontraremos siempre la carcasa de las bombas de pistones llena de aceite que descarga a través de una línea de drenaje a tanque, cabe mencionar que esta descarga aún siendo mínima ( en algunas oportunidades es solo un goteo ) es muy importante. Para obtener una separación de los lados de entrada y de salida, un disco distribuidor se hace indispensable. Al lado de este disco distribuidor, de montaje fijo, se desliza el tambor en rotación con los orificios de los cilindros. Para obtener el par motor necesario, deben combinarse varios pistones axiales. Esto se logra gracias a una zona de presión uniforme en el disco del distribuidor. Por medio de los orificios uniformes del disco distribuidor se logra por ejemplo que cuatro de los nueve pistones estén con fluido a presión, los otros cuatro se comunican con tanque, mientras que un pistón axial está en el punto muerto. Por tanto, hay en cada momento un par motor suficiente para garantizar incluso bajo carga un giro permanente del árbol secundario.
