Hidraulica Oleo Actuadores

OLEOHIDRÁULICA: ACTUADORES

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Área de Mecánica de Fluidos

Escuela Politécnica Superior de Ingeniería de Gijón 5º Curso de Ingeniería In dustrial

OLEOHIDR OLEOHIDR ÁULICA ÁULI CA Y NEUMÁTICA OLEOHIDRÁULICA: ACTUADORES 1. DEFINICIÓN Y TIPOS DE ACTUADORES. 2. CILINDROS. 3. LIMITACIONES EN EL FUNCIONAMIENTO DE LOS CILINDROS. 4. MOTORES HIDRÁULICOS.

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1. DEFINICIÓN Y TIPOS DE ACTUADORES.

Un actuador es un elemento que permite convertir la energía hidráulica del fluido en energía mecánica. La cantidad de energía depende del caudal, de la presión de trabajo y del rendimiento del actuador. Hay tres tipos básicos de actuadores: - Lineal: cilindros. - Rotativo (limitado): cilindro rotativo, motor oscilante. - Rotativo (continuo): motor. 2. CILINDROS.

2.1. Clasificación. Simple efecto

a

b

c

d

Doble efecto

e

a) Cilindro buzo sin retorno por muelle b) Cilindro buzo con retorno por muelle c) Cilindro para compresión con/sin retorno por muelle d) Cilindro para tracción con/sin retorno por muelle e) Cilindro telescópico

f

g

h

i

j

f) Cilindro de doble efecto con vástago simple g) Cilindro de doble efecto con vástago pasante h) Cilindro de doble efecto con vástago doble i) Cilindro rotativo oscilante de tipo pistón j) Cilindro rotativo oscilante de tipo paleta

2.2. Cilindros de simple efecto. En este tipo de cilindros, el aceite entra por un lado del émbolo, por lo que solo puede transmitir esfuerzo en una dirección. El retroceso puede conseguirse por el peso propio del cilindro, por la acción de un muelle o por una fuerza exterior.


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Cilindro buzo En este tipo de cilindros, el volumen de aceite que entra en el cilindro coincide con el volumen del vástago. Necesitan guiado en la zona de salida del vástago del cilindro. El esfuerzo que transmiten es igual a: π

siendo d el diámetro del vástago.

F = p d2 4

Vásta o Cilindro de simple efecto para compresión (o para tracción) Necesitan un buen mecanizado de la superficie interior del cilindro y un buen sellado de la zona de contacto entre el vástago y el cilindro. Las fugas de aceite deben ser recogidas con una línea de drenaje. Vásta o

SC: Superficie de la cara circular del émbolo Cilindro telescópico Se utilizan cuando se necesita conseguir una gran carrera y se dispone de poco espacio (volquetes de camiones, ascensores). Cuando el cilindro avanza, se mueven todas las secciones hasta que la exterior se extiende completamente; a continuación avanzan el resto de secciones hasta la última que es la interior. Si el caudal es constante, la velocidad de avance aumenta cada vez que se bloquea una sección. Si la presión de suministro es constante, la fuerza que puede ejercer el cilindro disminuye cada vez que se bloquea una sección. También existen cilindros telescópicos de doble efecto.


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2.3. Cilindros de doble efecto. En este tipo de cilindros, el aceite puede entrar por los dos lados del émbolo, pero debido a la presencia del vástago, las superficies de contacto entre embolo y fluido pueden ser distintas. Si las superficies son distintas, pueden transmitir esfuerzo en las dos direcciones.

SA: Superficie de la cara anular del émbolo

SC: Superficie de la cara circular del émbolo

Velocidades y esfuerzos:

AVANCE:

vA =

Q B QS S = ; QS = Q B A < Q B SC SA SC

FA = p1 SC − p 2 SA RETROCESO:

vR =

Q B QS S = ; v R > v A ; QS = Q B C > Q B SA SC SA

FR = p 2 SA − p1 SC


Conexión diferencial: el caudal de la cámara anular se suma al de la bomba, aumentando la velocidad de la fase de avance respecto al caso anterior. AVANCE: vA =

QB + q q ; Q S + q S A = q SC = SC SA B A

QB =

q SC − q SA q = ( S − S ) = v A ( SC − S A ) SA SA C A

vA =

QB Q = B SC − SA SV

FA = p SC − p SA = p (SC − SA ) = p SV RETROCESO: no influye la conexión diferencial.

Cilindro de doble efecto con vástago pasante: Se utiliza cuando: - Se quiere tener la misma velocidad en el avance y en el retroceso. - Se precisa trabajar en los dos sentidos. - El extremo que no trabaja se usa para indicar la posición de la carga.

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2.4. Cilindro rotativo oscilante de tipo pistón. El movimiento lineal de un cilindro se convierte en movimiento circular a través de un piñón. Se pueden utilizar dos cilindros, uno para el avance y otro para el retroceso. Aunque son posibles varias revoluciones completas, el rango habitual es del orden de una vuelta. Se suelen utilizar amortiguadores ("cushion") y topes ("stroke adjuster") para limitar el movimiento. Hay que drenar el aceite que se fuga entre el émbolo y el cilindro.

2.5. Cilindro rotativo oscilante de tipo paleta. Consiste en una o dos paletas conectadas a un eje de salida que gira cuando se aplica aceite a presión sobre una de las caras de las paletas. Un cilindro de una paleta está limitado a un ángulo de rotación de 320º y un cilindro de dos paletas está limitado a 150º. Siempre existirá una fuga de aceite a través de las paletas y esta fuga aumentará con la presión. Esta fuga interna puede causar problemas cuando se requiere un control preciso de la velocidad de rotación.


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3. LIMITACIONES EN EL FUNCIONAMIENTO DE LOS CILINDROS.

3.1. Amortiguación. Si la velocidad del cilindro es muy grande, al llegar a los extremos de la carrera se producen impactos entre el émbolo y las tapas del cilindro que pueden dañar ambos elementos. Para evitar los efectos perjudiciales de estos impactos, se instalan elementos amortiguadores, que reducen la velocidad del cilindro en los finales de la carrera: Los cilindros provistos de amortiguación de posiciones finales son utilizados para frenar suavemente la velocidad del desplazamiento del cilindro y para evitar un impacto en el final de carrera. El pivote amortiguador reduce y, finalmente cierra totalmente el paso del caudal de salida poco antes de llegar al final de carrera. En consecuencia, el aceite tiene que evacuar a través de una válvula de estrangulamiento. De este modo disminuye la velocidad del cilindro y el émbolo frena suavemente. Este tipo de amortiguación en las posiciones finales se utiliza si las velocidades del cilindro oscilan entre 6 m/min y 20 m/min. Si las velocidades son superiores, deberá recurrirse a otros sistemas de amortiguación y frenado. Además, en estos casos, hay que aumentar la sección de las tuberías de entrada y salida.


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3.2. Pérdidas volumétricas, hidráulicas y mecánicas. - Rendimiento volumétrico: es la relación entre el caudal efectivo y el caudal teórico, que requeriría el actuador. La diferencia entre ambos caudales se debe a las fugas internas de caudal debidas a la diferencia de presión entre las caras del émbolo. Como se puede ver en la figura siguiente, las fugas van desde el lado de alta presión al de baja presión a través del huelgo circunferencial entre el émbolo y el cilindro. También existen fugas hacia el exterior por el huelgo entre el vástago y la carcasa.

Qf

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Pérdidas volumétricas en un actuador lineal de doble efecto.

- Rendimiento hidráulico: es la relación entre la diferencia de presión efectiva existente entre la salida y la entrada del actuador y la diferencia de presión que habría si el fluido no sufriese ninguna pérdida de carga a su través. Estas pérdidas de carga tienen lugar básicamente en las tomas de entrada y de salida del actuador, debido a la mayor velocidad del aceite en esas zonas.

Ph

Ph

Pérdidas hidráulicas en un actuador lineal de doble efecto.

- Rendimiento mecánico: es la relación entre la potencia suministrada por el actuador hacia el exterior y la potencia efectiva que le llega. La diferencia entre ambas magnitudes está causada por la pérdida de potencia debida al rozamiento entre el pistón y el interior del émbolo, y entre el vástago y la carcasa exterior: Fr Fr Fr Pérdidas mecánicas en un actuador lineal de doble efecto.

El rendimiento total del actuador se calcula como el producto de los tres rendimientos anteriormente mencionados.


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3.3. Pandeo. El vástago de un cilindro puede sufrir pandeo cuando está sometido a compresión, por lo que debe tener el diámetro adecuado para evitarlo. El cálculo de dicho diámetro se realiza mediante la teoría de Euler. Según esta teoría, la máxima fuerza que el vástago puede soportar sin pandeo es: K F= S siendo: K: carga de pandeo (kg) K =

π2

EJ L2

S: factor de seguridad (3.5) E: módulo de elasticidad (kg/cm 2) (2.1 106 kg/cm2 para el acero) J: momento de inercia de la sección transversal del vástago (cm 4) J = π d 2 /64 para un vástago de sección circular de diámetro d L: longitud de pandeo (cm), que depende del método de sujeción:

L=2

L=

L =  / √2

L=/2


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4. MOTORES HIDRÁULICOS.

Un motor es un elemento que convierte la energía hidráulica del fluido en energía mecánica en rotación.

Bomba Motor térmico

Válvula de seguridad

Potencia cedida por el fluido:

ΔP Q

Potencia real:

ΔPth

Par suministrado:

M ω = ΔPth Qth = ΔP ηH

Motor hidráulico

Q th = ΔP ηH Q ηV = M ω ωϑ

2π

⇒

M=

ΔP ηH ϑ

2π

Motores de engranajes: El par se obtiene al actuar el aceite a presión sobre los dientes. A mayor número de dientes, el par obtenido será más estable, aunque la cilindrada será menor y por tanto se obtendrá menor potencia. La velocidad mínima para obtener un giro estable varía entre 400 y 1000 rpm. Apropiados para velocidades relativamente altas (hasta 4000 rpm) y bajos pares de arranque. Su rendimiento no es muy alto. Pueden ser reversibles o unidireccionales. Los motores de engranajes internos presentan una mayor estabilidad en el par y son más adecuados para velocidades bajas. Motores de paletas: El contacto entre las paletas y el anillo exterior se mantiene mediante un resorte. Dan mayores pares que los motores de engranajes. Suministran un gran par para el pequeño tamaño que ocupan. Si son motores de rotor equilibrado, dan mayor par y el par de arranque es mayor. Motores de pistones: Debido a la alta estanqueidad entre el pistón y el cilindro, pueden trabajar con presiones más altas que las geometrías anteriores. En los de pistones axiales, al aumentar el ángulo se aumenta la cilindrada, el par y se reduce el número de vueltas Los motores de pistones radiales pueden suministrar un alto par y proporcionan una operación estable a bajas velocidades.


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