UNIDAD 2: ACTUADORES

UNIDAD 2: ACTUADORES 2.1 ACTUADORES NEUMÁTICOS E HIDRÁULICOS

2.2 CALCULO DE ACTUADORES HIDRÁULICOS Y NEUMÁTICOS

2.3 SELECCIÓN DE ACTUADORES

2.4 DETERMINACIÓN DE LA POTENCIA Y RENDIMIENTO EN MOTORES HIDRÁULICOS Y NEUMÁTICOS

2.1 ACTUADORES NEUMÁTICOS E HIDRÁULICOS CASTELLANOS TORRES DANIEL

ACTUADORES UN ACTUADOR ES UN DISPOSITIVO CAPAZ DE TRANSFORMAR ENERGÍA HIDRÁULICA, NEUMÁTICA EN LA ACTIVACIÓN DE UN PROCESO CON LA FINALIDAD DE GENERAR UN EFECTO SOBRE UN PROCESO AUTOMATIZADO. ESTE RECIBE LA ORDEN DE UN REGULADOR O CONTROLADOR.

EXISTEN VARIOS TIPOS DE ACTUADORES COMO SON:

 HIDRÁULICOS  NEUMÁTICOS

Y LOS ACTUADORES SE CLASIFICAN EN DOS GRANDES GRUPOS:  CILINDROS  MOTORES

ACTUADORES NEUMÁTICOS

LOS ACTUADORES NEUMÁTICOS CONVIERTEN LA ENERGÍA DEL AIRE COMPRIMIDO EN TRABAJO GENERANDO UN MOVIMIENTO LINEAL O ROTATIVO. EL MOVIMIENTO LINEAL SE OBTIENE POR CILINDROS DE ÉMBOLO. 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.

CLASIFICACIÓN DE LOS ACTUADORES NEUMÁTICOS

ACTUADORES LINEALES CILINDROS

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 SUCIEDAD.

PARTES DE UN CILINDRO

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. MÁS ADELANTE SE DESCRIBEN UNA GAMA VARIADA DE CILINDROS CON SUS CORRESPONDIENTES SÍMBOLOS.

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”.

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 QUE PUEDEN REALIZAR TRABAJO EN AMBOS SENTIDOS.

ACTUADORES DE GIRO LOS ACTUADORES ROTATIVOS SON LOS ENCARGADOS DE TRANSFORMAR LA ENERGÍA NEUMÁTICA EN ENERGÍA MECÁNICA DE ROTACIÓN. LOS ACTUADORES DE GIRO SE CLASIFICAN EN ACTUADORES DE GIRO LIMITADO Y MOTORES NEUMÁTICOS:  ACTUADORES DE GIRO LIMITADO, QUE 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 90°, 180°..., HASTA UN VALOR MÁXIMO DE UNOS 300° (APROXIMADAMENTE).  MOTORES NEUMÁTICOS, QUE SON AQUELLOS QUE PROPORCIONAN UN MOVIMIENTO ROTATORIO CONSTANTE. SE CARACTERIZAN POR PROPORCIONAR UN ELEVADO NÚMERO DE REVOLUCIONES POR MINUTO.

ACTUADOR PIÑON CREMALLERA

EN ESTA EJECUCIÓN DE CILINDRO DE DOBLE EFECTO, EL VÁSTAGO ES UNA CREMALLERA QUE ACCIONA UN PIÑÓN Y TRANSFORMA EL MOVIMIENTO LINEAL EN UN MOVIMIENTO GIRATORIO, HACIA LA IZQUIERDA O HACIA LA DERECHA, SEGÚN EL SENTIDO DEL ÉMBOLO.

EXISTEN ACTUADORES PIÑÓN – CREMALLERA DE DOBLE CREMALLERA, LOS CUALES PROPORCIONAN MAYOR PAR Y MEJOR GUIADO DE LA UNIDAD.

MOTORES DE PALETAS EL MOTOR DE PALETA NEUMÁTICO DE ALETAS CONSISTE EN UNA SERIE DE PALETAS MONTADAS EN UN EJE EXCÉNTRICO DENTRO DE UNA CÁMARA FIJA.

EL PAR DE GIRO SOBRE LA CARGA SE DESARROLLA CUANDO EL AIRE A PRESIÓN ACTÚA SOBRE LA SECCIÓN LIBRE DE LAS PALETAS Y LAS EMPUJA HACIENDO GIRAR EL ROTOR.

LOS MOTORES DE PALETAS, ADEMÁS DE SU UTILIZACIÓN COMO ELEMENTOS MOTRIZ PURO, SE EMPLEA TAMBIÉN EN HERRAMIENTAS NEUMÁTICAS TALES COMO TALADRADORAS, ATORNILLADORAS Y ESMERILADORAS.

MOTOR DE PALETAS

MOTOR DE ENGRANES

CONSISTEN EN ENGRANES RECTOS O HELICOIDALES DONDE EL AIRE EJERCE UNA PRESIÓN SOBRE LOS FLANCOS DE LOS DIENTES DE PIÑONES ENGRANADOS Y CREA PUES UN PAR DE ROTACIÓN EN UNO DE LOS PIÑONES ACOPLADO AL EJE DEL MOTOR. EL SENTIDO DE ROTACIÓN DE ESTOS MOTORES, ES REVERSIBLE.

ESTÁN DISEÑADOS PARA UN FUNCIONAMIENTO A BAJA VELOCIDAD INFERIOR A 200 RPM.

MOTOR DE ENGRANAJES

ACTUADORES HIDRÁULICOS

LOS ACTUADORES HIDRÁULICOS, QUE SON LOS MÁS USUALES Y DE MAYOR ANTIGÜEDAD EN LAS INSTALACIONES HIDRÁULICAS, PUEDEN SER CLASIFICADOS DE ACUERDO CON LA FORMA DE OPERACIÓN, Y APROVECHAN LA ENERGÍA DE UN CIRCUITO O INSTALACIÓN HIDRÁULICA DE FORMA MECÁNICA, GENERANDO MOVIMIENTOS LINEALES Y ROTATIVOS.

ACTUADORES LINEALES 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 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 TELESCÓPICO CONTIENE OTROS VÁSTAGOS DE MENOR DIÁMETRO EN SU INTERIOR Y SE EXPANDEN POR ETAPAS, MUY UTILIZADOS EN GRUAS, ETC.

CILINDRO TELESCÓPICO

ACTUADORES DE GIRO LOS CILINDROS HIDRÁULICOS DE MOVIMIENTO GIRATORIO PUEDEN SER DE PISTÓN-CREMALLERA-PIÑÓN EN LOS QUE EL MOVIMIENTO LINEAL DEL PISTÓN ES TRANSFORMADO EN UN MOVIMIENTO GIRATORIO MEDIANTE UN CONJUNTO DE PIÑÓN CREMALLERA Y EL CILINDRO DE ALETAS GIRATORIAS DE DOBLE EFECTO PARA ÁNGULOS ENTRE 0° Y 270°.

MOTOR DE PALETAS

SON LAS MÁS POPULARES SI BIEN TIENEN ALGUNAS LIMITACIONES EN EL PAR DE ARRANQUE Y A BAJAS VELOCIDADES DEBIDO AL ALTO PORCENTAJE DE DESLIZAMIENTO O LAS FUGAS INTERNAS DE FLUIDO, ASÍ MISMO, NO PUEDEN EMPLEARSE EN SISTEMAS DE MUY ALTA PRESIÓN.

MOTOR DE ENGRANAJES

SON LOS MÁS BARATOS PERO LOS MÁS RUIDOSOS. PUEDEN TRABAJAR A ALTAS VELOCIDADES PERO DE FORMA ANÁLOGA A LOS MOTORES DE PALETAS, SU RENDIMIENTO CAE A BAJA VELOCIDADES. ESTOS MOTORES ACCIONADOS VELOCIDADES DE 3 000 RPM.

POR

LIQUIDO

HIDRÁULICO

PERMITEN

2.2 CALCULO DE ACTUADORES HIDRÁULICOS Y NEUMÁTICOS ARMENTA GRANADOS ALBERTO

CALCULO DE LOS ACTUADORES NEUMÁTICOS LAS PRINCIPALES VARIABLES A CONSIDERAR EN LA SELECCIÓN DE LOS CILINDROS NEUMÁTICOS SON LA FUERZA DEL CILINDRO, LA CARGA, EL CONSUMO DE AIRE Y LA VELOCIDAD DEL PISTÓN

• La fuerza del cilindro

• La fuerza del cilindro es una función del diámetro del cilindro, de la presión del aire y del roce del embolo, que depende de la velocidad del embolo y que se toma en el momento de arranque. La fuerza que el aire ejerce sobre el pistón es:

f=Paire*Area piston

• Trabajando en unidades del sistema internacional de unidades(si), la longitud es el metro (m) la fuerza viene dada en newton (N) y la presión en pascal (Pa) que es la presión ejercida por una fuerza de 1 N (Newton) sobre una superficie de 1 m² normal a la misma, o sea N/m2. Como el pascal es unidad muy pequeña se utiliza el bar equivalente a 100.000 pascal.

• Otras equivalencias del bar con unidades de presión son • 1Bar=0,987atmosfera= 1,02kg/cm2 = 1.020cm. c.d.a = 750 mm c.d Hg • Para comodidad del cálculo se utiliza la fuerza de newton, la presión en bar, el diámetro en mm. Y la superficie en mm²

• 10NEWTON =1Kg

• Con • F=fuerza (newton) • D=diámetro cilindro (mm) • Paire=presión del aire (bar) • Fmuelle = fuerza mulle (newton) • Diámetro equivalente desde los 6 mm hasta40 mm

f=(Paire*Area piston)/10-f muelle=Paire*(π*D²)/40

• Los cilindros de doble efecto, no cuentan con un resorte para volver a su posición de equilibrio, así su fuerza no disminuye en la carrera de avance, pero si en su carrera de retroceso, debido a la disminución del área del embolo por la existencia del vástago. Las expresiones matemáticas correspondientes son:

• F muelle=Paire*(π*D²)/40 • fmuelle=Paire*((π*D² d²))/40

• El rozamiento del pistón en su movimiento equivale a un valor comprendido entre 3% y el 10% de la fuerza calculada. • Fuerza de empuje y fuerza a restar por el área del vástago del pistón en el retroceso

Fuerza de carga del cilindro • La carga depende de las formas de montaje del cilindro que son básicamente tres: • 1. Montaje fijo que absorbe las fuerzas del cilindro en la línea central. Es el mejor sistema ya que las fuerzas sobre el vástago están equilibradas y los elementos de fijación (tornillos) solo están sometidos a una simple tención o cizalladura. La fijación del cilindro puede ser del tipo de espárragos o de brida

• 2. El montaje absorbe la fuerza del cilindro en la línea central y permite el movimiento en el plano. Se emplean la maquinan donde están montados se mueve siguiendo una línea curva.

• 3.El montaje no absorbe la fuerza del cilindro en la línea central y el plano de las superficies de montaje no coincide con dicha línea por lo que al aplicar las fuerzas se produce un momento de giro que tiende a hacer girar el cilindro alrededor de los pernos de montaje

• La selección del vástago del pistón depende del tipo de montaje del cilindro y de la conexión del vástago, existe el riesgo de pandeo del vástago • La longitud del vástago se calcula mediante la expresión:

Longitud básica = carrera actual * factor de pandeo

• La carga sobre el cilindro se denomina mediante la tabla., entrando el diámetro del cilindro y leyendo el valor correspondiente a la presión de trabajo, o bien mediante la expresión

Favance=Paire* (π*D²)/40

• Calculo de los actuadores hidráulico • 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 de movimiento giratorio pueden ser de pistón, cremallera, piñón y de dos pistones con dos cremalleras en los que el movimiento lineal del pistón es trasformado en un movimiento giratorio mediante un conjunto de piñón y cremallera y el cilindro de alertas giratorias de doble efecto para ángulos entre 0° y 270°

• Los actuadores hidráulicos proporcionan pares y fuerzas elevadas y un buen control del movimiento y ésta es su principal ventaja frente a los sistemas neumáticos y eléctricos. Los fluidos hidráulicos son virtualmente incompresibles y gracias a las altas presiones con que trabajan (35 a 350bar) permiten un control del caudal lo suficientemente preciso para el actuador.

• Sus desventajas son el coste elevado y la necesidad de acondicionar, contener y filtrar el fluido hidráulico a temperaturas seguras y en centrales hidráulicas o unidades de potencia.

• Las aplicaciones típicas residen en vehículos, elevadores, grúas hidráulicas, máquinas herramientas, simuladores de vuelo, accionamiento de timones en los aviones, etc.

• Las fuerzas generadas en un cilindro en la extensión del pistón son:

Fextensión (Newton) = P (MPa) *(πD²)/4*0,9=P (bar)*(πD²)/4*0,9

Fretracción (Newton) = P (MPa)

(π*(D²-d²))/4*0,9=P(bar)*(π*(D^2-d^2))/40*0,9

• Siendo: • P = Presión de operación (MPa o bar) • D = Diámetro interior del cilindro (mm) • d = Diámetro del vástago del pistón (mm) • 0,9 = Coeficiente de rozamiento de rodamiento s, juntas y partes • Móviles del cilindro

• El factor de carga es la relación entre la carga real y la fuerza teórica de salida del cilindro. • Velocidad del pistón (mm/s) • 8 a 100

70%

• 101 a 200 30%

• 201 a 300 10%

Factor máximo de carga

2.3.-SELECCIÓN DE ACTUADORES HERNÁNDEZ ROJO SERVANDO ARMANDO

• Datos de entrada puede ser: • 1. Velocidad a que se debe desplazar el cilindro. • 2. Longitud del cilindro.

• 3. Fuerza necesaria que debe hacer el cilindro. • 4. Los coeficientes de seguridad necesarios

• Datos de salida pueden ser: • 1. Caudal necesario • 2. Diámetro del cilindro.

• 3. Presión de trabajo • 4. Diámetro del vástago

Ejemplos: • Ejemplo de un cilindro que necesita abrir de 1 m y soportará una fuerza de 5000 kg habrá que comprobar la longitud de pandeo, según su configuración.

• Sistema empotrado-libre: longitud de pandeo = 2 veces la longitud real • Sistema biarticulado: longitud de pandeo = longitud real. • Sistema empotrado-articulado: longitud de pandeo = 0.7 veces la longitud real. • Sistema biempotrado: longitud de pandeo = 0.5 veces la longitud real. • Con la longitud máxima (1m) sacamos la longitud de pandeo Lp: • Lp= 2 x 1.000(mm) = 2.000mm = 2 m.

• -Según Lp=2000mm y la fuerza en la gráfica tenemos un diámetro del vástago de 36 mm. • -Con este diámetro del vástago para evitar el pandeo, con la fuerza necesaria en el cilindro, la presión del circuito, tomaremos en la tabla un cilindro adecuado

• Diámetro del pistón: 63mm.

• Conexión: 3/4” • Según tabla inferior, para diámetro de 63 tenemos: • Diámetro interior de tubería en actuador: 15mm. • Caudal de entrada a 5m/s: 53 l/min. • Velocidad del pistón: 0,28m/s.

• Q=v*A 53.000/60 = 0,28*100*A(cm2) A = 31,4 cm2 53.000/60 = 5*100*A(cm2) => D = 15 mm Para fijar la velocidad de los cilindros a 0,05 m/s.

Qentrada= Vpiston*A = 31,2*0,05*100 = 156 cm3/s *(60)/1000 = 9,36l/mim

Otra forma sería por una regla de 3:

53 ----- 0,28 X ------ 0,05

Qentrada= 0,05x53/0,28 = 9,46 l/min.

TUBERIAS DEL CIRCUITO. • Tener en cuenta las caídas de presión: • Tener en cuenta las velocidades, presiones y caudales

2.4 DETERMINACIÓN DE LA POTENCIA Y RENDIMIENTO EN MOTORES HIDRÁULICOS Y NEUMÁTICOS JUÁREZ PÉREZ AARÓN

DETERMINACIÓN DE LA POTENCIA • La potencia de un sistema hidráulico puede obtenerse de distintas maneras ya que depende de su aplicación puede ser una aplicación para uso industrial, habitacional de riego etc.

• En nuestro caso es el uso industrial generalmente la forma mas común de obtener la potencia de una bomba es por medio de la siguiente formula

• se usa para generar movimiento en sistemas hidráulicos con actuadores.

• siendo • p= presión=fuerza/area=Nm2=pa • nota 1 Bar=105 pa

• Q=m3s • η=eficiencia de la bomba

MÁQUINA DOBLADORA DE TUBOS

• Una máquina dobladora de tubos utiliza un cilindro hidráulico para doblar tubos de acero de grosor considerable. La fuerza necesaria para doblar los tubos es de aproximadamente 40.000 N en los 500 mm en los que el cilindro desplaza la matriz curva.

Se pide seleccionar la bomba del grupo hidráulico si se requiere que el movimiento de salida se realice en 10 s.

• Los datos del cilindro están indicados en el esquema hidráulico. Las pérdidas de carga en el filtro de retorno son de 0,2 bar. Las pérdidas de carga en la válvula distribuidora son de 0,1 bar. ¿De qué potencia debe ser el motor de accionamiento de la bomba?

Circuito Hidráulico El esquema del circuito hidráulico de la máquina dobladora de tubos es el siguiente:

PASO 1

• Calcular el caudal que tiene que proporcionar la bomba para que el movimiento de salida del vástago se complete en 10 segundos. • Lo primero es calcular la velocidad media en el desplazamiento de salida del vástago que es la que consume mayor caudal porque el área es mayor. Seguidamente se calcula el caudal.

PASO 2

• Despreciando las pérdidas de carga, calcular la presión a la que trabaja la bomba durante el doblado del tubo. • Sin tener en cuenta las pérdidas de carga la presión en el lado del émbolo sería:

PASO 3

• Con los datos recién obtenidos hacer una preselección de la bomba de entre las que incluye el catálogo. • Con esos datos se puede acudir al catálogo de bombas y hacer una primera preselección de la bomba.

• La bomba de tamaño nominal 11 produce 16 l/min a 10 bar de presión. Si se consulta la curva característica.

El caudal que suministra la bomba a 80 bar es de 15,5 l/min aproximadamente.

PASO 4

• Calcular las pérdidas de carga que se producen en el circuito con la bomba elegida. Recalcular la presión con la que trabaja la bomba. Con esta presión ¿qué caudal proporcionaría la bomba?

• Se va a hacer ahora el cálculo de las pérdidas de carga en el movimiento de salida del vástago. Lo primero es calcular el caudal Q2.

• Sabiendo el caudal podemos saber la velocidad por el interior de las tuberías.

• Se puede calcular ahora el no de Reynolds y el coeficiente de frotamiento en la tubería f.

• Se dispone de todos los datos para el cálculo de la pérdida de carga en la tubería.

• Si se suman las pérdidas de carga en el filtro de retorno y en la válvula distribuidora la presión en el lado del vástago del cilindro será de 2,5 bar. • Si se hace el equilibrio de fuerzas en el cilindro.

• Se sigue el mismo procedimiento para el cálculo de las pérdidas de carga en el lado del émbolo.

• Si se le añaden las pérdidas de carga debidas a la válvula distribuidora y a la tubería la presión en la bomba será de 81,28 bar + 3,15 bar + 0,1 bar = 84,53 bar. Se observa en la curva característica de la bomba que apenas se puede apreciar cambio en el caudal.

PASO 5 • Calcular la potencia que debe tener el motor eléctrico que accione la bomba a partir de las curvas que se presentan en el catálogo. • La potencia consumida se puede obtener calculando la potencia proporcionada por la bomba y dividiéndola por el rendimiento que obtenido mediante el catálogo.

• En la curva se puede ver que la bomba TN11 tiene, a una presión de trabajo de 85 bar, un rendimiento cercano al 83%. Por tanto,

EFICIENCIA

• Rendimiento, en física y en el campo tecnológico, también expresable como La eficiencia energética de un dispositivo, máquina, ciclo termodinámico, etcétera, expresa el cociente entre: • La energía obtenida (energía útil) de su funcionamiento y la energía suministrada o consumida por la máquina o el proceso.

• Esta formula te da como resultante un valor en porcentaje de la eficiencia