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UNIVERSIDAD DE QUINTANA ROO DIVISIN DE CIENCIAS E INGENIERA
PROGRAMA EDUCATIVO MAESTRA EN MECATRNICA
EXPERIENCIA EDUCATIVA DISEO MECATRNICO
DOCENTE DR. JAVIER VZQUEZ CASTILLO
REPORTE 3.3.2 ACTUADORES NEUMTICOS 3.3.3 ACTUADORES
HIDRULICOS
ESTUDIANTE ING. JOS E. CANUL HOIL
CHETUMAL, QUINTANA ROO A 14 ABRIL 2014.
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INDICE
1 INTRODUCCIN. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. (4)
2 EL PRINCIPIO DE BERNOULLI. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . (4)
3 LEY DE LOS GASES. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . (5)
4 ACTUADORES NEUMTICOS E HIDRULICOS. . . . . . . . . . . . . . .
. (6)
4.1 ACTUADORES LINEALES. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(7)
4.1.1 CILINDROS DE SIMPLE EFECTO. . . . . . . . . . . . . .
(7)
4.1.2 CILINDROS DE DOBLE EFECTO. . . . . . . . . . . . . .
(8)
4.2 DESFASE FUERZA / VELOCIDAD. . . . . . . . . . . . . . . . .
(10)
4.3 CILINDROS DE DOBLE VSTAGO. . . . . . . . . . . . . . . . .
(11)
4.4 AMORTIGUAMIENTO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(12)
4.5 SISTEMA ANTIGIRO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(13)
4.5.1 SECCIONES NO CIRCULARES. . . . . . . . . . . . . .
(14)
4.5.2 SISTEMA DE GUA. . . . . . . . . . . . . . . . . . (14)
4.5.3 SISTEMA DE DOBLE VSTAGO. . . . . . . . . . . . . .
(15)
4.6 CILINDROS MULTIPOSICIONES. . . . . . . . . . . . . . . . .
(15)
4.7 CILINDROS DE VSTAGO HUECO. . . . . . . . . . . . . . . . .
(15)
4.8 UNIDADES DE BLOQUEO. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(16)
4.8.1 ESTRUCTURA INTERNA UNIDADES DE BLOQUEO. . . . . . .
(16)
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5 ACTUADORES DE GIRO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . (17)
5.1 ACTUADORES DE PALETA. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(17)
5.2 ACTUADOR PIN CREMALLERA. . . . . . . . . . . . . . . .
(18)
5.3 MOTORES DE PALETA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(19)
6 MECNICA DE UN CILINDRO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . (19)
7 CALCULO DE CILINDROS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . (21)
7.1 FUERZA DEL EMBOLO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(21)
7.2 LONGITUD DE CARRERA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(22)
7.3 VELOCIDAD DEL EMBOLO. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(22)
7.4 CONSUMO DE AIRE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(22)
7.5 FIJACIONES. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(23)
8 CONCLUSIONES. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. (23)
9 BIBLIOGRAFA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. (24)
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1. Introduccin
Los actuadores hidrulicos y neumticos forman parte del grupo de
componentes
ms utilizados en la industria de potencia, y su uso abarca
diversas aplicaciones,
como levantamiento, empuje, traccin, etc., haciendo que la carga
a compresin
aplicada sea uno de los factores ms importantes sobre el cual se
basa su diseo.
Esta carga sobre el actuador provoca efectos combinados de
compresin y flexin,
debido a su interaccin con la mquina o mecanismo a la cual
queremos transmitir
energa.
Los fabricantes de cilindros ofrecen a los usuarios mtodos
grficos, tablas o
frmulas con el fin de seleccionar la longitud del vstago
necesaria para soportar el
fenmeno de pandeo (en general, la carga crtica segn Euler).
2. El principio de Bernoulli
Tambin denominado ecuacin de Bernoulli o Trinomio de Bernoulli,
describe el
comportamiento de un fluido movindose a lo largo de una lnea de
corriente. Fue
expuesto por Daniel Bernoulli en su obra Hidrodinmica (1738) y
expresa que en un
fluido ideal (sin viscosidad ni rozamiento) en rgimen de
circulacin por un conducto
cerrado, la energa que posee el fluido permanece constante a lo
largo de su
recorrido.La energa de un fluido en cualquier momento consta de
tres
componentes:
1.- Cintico: es la energa debida a la velocidad que posea el
fluido.2.- Potencial
gravitacional: es la energa debido a la altitud que un fluido
posea.3.- Energa de
flujo: es la energa que un fluido contiene debido a la presin
que posee.
La siguiente ecuacin conocida como "Ecuacin de Bernoulli"
(Trinomio de
Bernoulli) consta de estos mismos trminos.
2
2+ + =
Dnde: V = velocidad del fluido en la seccin considerada. g =
aceleracin gravitatoria.
z = altura en la direccin de la gravedad desde una cota de
referencia. P = presin a lo largo de la lnea de corriente. =
densidad del fluido.
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Aplicaciones principio de bernoulli
Para aplicar la ecuacin se deben realizar los siguientes
supuestos:
Viscosidad (friccin interna) = 0 Es decir, se considera que la
lnea de
corriente sobre la cual se aplica se encuentra en una zona 'no
viscosa' del
fluido.
Caudal constante
Fluido incompresible - es constante.
La ecuacin se aplica a lo largo de una lnea de corriente.
Un ejemplo de aplicacin del principio lo encontramos en el Flujo
de agua en
tubera. La ecuacin de Bernoulli y la ecuacin de continuidad
tambin nos dicen
que si reducimos el rea transversal de una tubera para que
aumente la velocidad
del fluido que pasa por ella, se reducir la presin.
La ecuacin de Bernoulli es uno de los pilares fundamentales de
la hidrodinmica;
son innumerables los problemas prcticos que se resuelven con
ella:
Se determina la altura a que debe instalarse una bomba
Es necesaria para el clculo de la altura til o efectiva en una
bomba
Se estudia el problema de la cavitacin con ella
Se estudia el tubo de aspiracin de una turbina
Interviene en el clculo de tuberas de casi cualquier tipo.
3. Las leyes de los gases.
Las leyes de Boyle y Mariotte y de Charles y Gay-Lussac
relacionan la presin, el
volumen y la temperatura de un gas de dos en dos, por parejas.
Sin embargo, es
posible deducir una ley que las incluya a las tres: la ley de
los gases perfectos.
00 = 11 0
0=
1
1
0
0=
1
1
000
=10
1
Segn esta ley, es el producto de la presin, volumen e inverso de
la temperatura
lo que permanece constante en los gases y a partir de ella
podemos deducir las
leyes anteriores.
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Evidentemente la cantidad de gas influir en sus propiedades. Si
ponemos el doble
de gas, y no cambiamos su volumen, la presin se duplicar. Y si
mantenemos la
presin pero disminuimos la cantidad de gas a la mitad, el
volumen tambin tendr
que reducirse a la mitad. Relacionar todas las propiedades de
los gases con la
cantidad de gas lo hace la ecuacin de los gases ideales:
=
En la que n es la cantidad de gas en moles, R es un nmero que
vale 0.082 y P, V
y T son la presin, volumen y temperatura del gas medidas en
atmsferas, litros y
Kelvin, respectivamente.
En la ecuacin de los gases ideales, conocidas tres de las
propiedades del gas
podemos calcular la cuarta. As, si sabemos que un globo de feria
se ha inflado
hasta alcanzar 3 litros, a la presin de 1 atmsfera y a la
temperatura de 27 C
podemos determinar que contiene 0.12 moles de gas.
4. Actuadores Neumticos e Hidrulicos.
El trabajo realizado por un actuador puede ser lineal o
rotativo. El movimiento lineal se obtiene por cilindros de mbolo
(stos tambin proporcionan movimiento rotativo con variedad de
ngulos por medio de actuadores del tipo pin cremallera). Tambin
encontramos actuadores neumticos de rotacin continua (motores
neumticos), movimientos combinados e incluso alguna transformacin
mecnica de movimiento que lo hace parecer de un tipo especial.
Figura 4.1 clasificacin general de los actuadores.
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4.1 Actuadores lineales Los cilindros neumticos
independientemente de su forma constructiva, representan los
actuadores ms comunes que se utilizan en los circuitos neumticos.
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. Ms adelante se describen una gama
variada de cilindros con sus correspondientes smbolos.
4.1.1 CILINDROS DE SIMPLE EFECTO
Un cilindro de simple efecto desarrolla un trabajo slo en un
sentido. El mbolo se hace retornar por medio de un resorte interno
o por algn otro medio externo como cargas, movimientos mecnicos,
etc. Puede ser de tipo normalmente dentro o normalmente fuera.
Figura 4.2 Cilindro de efecto simple del tipo dentro
Los cilindros de simple efecto se utilizan para sujetar, marcar,
expulsar, etc. Tienen un consumo de aire algo ms bajo que un
cilindro de doble efecto de igual tamao. Sin embargo, hay una
reduccin de impulso debida a la fuerza contraria del resorte, as
que puede ser necesario un dimetro interno algo ms grande para
conseguir una misma fuerza. Tambin la adecuacin del resorte tiene
como consecuencia una longitud global ms larga y una longitud de
carrera limitada, debido a un espacio muerto.
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La variedad constructiva de los cilindros de simple efecto es
muy importante, pero todos ellos presentan la misma mecnica de
trabajo. Se muestran a continuacin algunos ejemplos de los
mismos:
4.1.2 Cilindros de doble efecto
Los cilindros de doble efecto son aquellos que realizan tanto su
carrera de avance como la de retroceso por accin del aire
comprimido. Su denominacin se debe a que emplean las dos caras del
mbolo (aire en ambas cmaras), por lo que estos componentes s que
pueden realizar trabajo en ambos sentidos. Sus componentes internos
son prcticamente iguales a los de simple efecto, con pequeas
variaciones en su construccin. Algunas de las ms notables las
encontramos en la culata anterior, que ahora ha de tener un
orificio roscado para poder realizar la inyeccin de aire comprimido
(en la disposicin de simple efecto este orificio no suele prestarse
a ser conexionado, siendo su funcin la comunicacin con la atmsfera
con el fin de que no se produzcan contrapresiones en el interior de
la cmara).
Figura 4.3 Actuador de simple efecto tradicional normalmente
adentro
Figura 4.4 Actuador de simple efecto con gua y camisa plana
normalmente afuera.
Figura 4.5 Actuador compacto de efecto simple
Figura 4.6 Micro cilindro de simple efecto.
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El perfil de las juntas dinmicas tambin variar debido a que se
requiere la estanqueidad entre ambas cmaras, algo innecesario en la
disposicin de simple efecto.
Figura 4.7 Cilindros de efecto doble.
El campo de aplicacin de los cilindros de doble efecto es mucho
ms extenso que el de los de simple, incluso cuando no es necesaria
la realizacin de esfuerzo en ambos sentidos. Esto es debido a que,
por norma general (en funcin del tipo de vlvula empleada para el
control), los cilindros de doble efecto siempre contienen aire en
una de sus dos cmaras, 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 cmaras
exista una diferencia de presin. Por norma general, cuando una de
las cmaras recibe aire a presin, la otra est comunicada con la
atmsfera, y viceversa. Este proceso de conmutacin de aire entre
cmaras nos ha de preocupar poco, puesto que es realizado
automticamente por la vlvula de control asociada (disposiciones de
4 o 5 vas con 2 o 3 posiciones). En definitiva, podemos afirmar que
los actuadores lineales de doble efecto son los componentes ms
habituales en el control neumtico. Esto es debido a:
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 oposicin.
Para una misma longitud de cilindro, la carrera en doble efecto
es mayor que en disposicin de simple, al no existir volumen de
alojamiento.
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No debemos olvidar que estos actuadores consumen prcticamente el
doble que los de simple efecto, al necesitar inyeccin de aire
comprimido para producir tanto la carrera de avance como la de
retroceso. Tambin presentan un pequeo desfase entre fuerzas y
velocidades en las carreras, aspecto que se detalla a
continuacin.
4.2 Desfase fuerza/velocidad
En los actuadores lineales de doble efecto, se produce un
desfase entre la fuerza provocada a la salida y a la entrada del
vstago, y lo mismo ocurre con la velocidad. Este efecto se debe a
la diferencia que hay entre los volmenes de las cmaras formadas (en
consecuencia, del volumen ocupado por el vstago del cilindro).
Cuando aplicamos aire en la cmara que fuerza la salida del vstago,
ste acta sobre una superficie conocida, que denominamos A1. Es
conocido que el valor de la fuerza provocada responde a la
frmula:
= As pues, para calcular el valor de la fuerza de salida,
realizaramos la siguiente operacin:
= 1 Dando por resultado el valor de la fuerza F1. Para el clculo
de la fuerza provocada en el retroceso, aplicaremos la misma frmula
y valor de presin, pero deberemos tener en cuenta que el rea sobre
la cual se aplica ya no es A1, sino A1 menos el rea del vstago (ya
que sta no es efectiva). Nosotros la denominaremos A2.
Figura 4.8 Diferencia entre las secciones efectivas de un
cilindro.
Con esto tenemos que:
= 2 Dando por resultado el valor de la fuerza F2.
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Como podemos deducir, a igualdad de valor de presin, y debido a
la desigualdad de reas, el valor de la fuerza de salida (F1) es
mayor que el valor de la fuerza de retroceso (F2). Este mismo
efecto es aplicable a la velocidad para el vstago, ya que si el
volumen de la cmara de retorno es menor, para una igualdad de
caudal le costar menos llenarse, y por ello la velocidad de retorno
ser mayor. En consecuencia podemos afirmar que en los actuadores de
doble efecto, para igualdad de presin y caudal:
La velocidad de retorno es mayor que la de avance.
La fuerza provocada a la salida es mayor que la fuerza de
retorno.
> >
Los desfases comentados pueden corregirse fcilmente mediante la
utilizacin de cilindros de doble vstago. stos disponen de vstago a
ambos lados del mbolo, consiguiendo as igualdad entre las reas de
accin y volmenes. Debido a ello se consigue igualdad de fuerzas y
velocidades en las carreras (prdida de fuerza y aumento de la
velocidad para cilindros de igual tamao).
4.3 Cilindros de doble vstago
Este tipo de cilindros tiene un vstago corrido hacia ambos
lados. La gua del vstago es mejor, porque dispone de dos cojinetes
y la distancia entre stos permanece constante. Por eso, este
cilindro puede absorber tambin cargas laterales pequeas. Los
emisores de seales, pueden disponerse en el lado libre del
vstago.
Figura 4.9 Cilindro con vstago doble.
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La fuerza es igual en los dos sentidos (las superficies del
mbolo son iguales), al igual que sucede con la velocidad de
desplazamiento. Este tipo de cilindros recibe tambin la denominacin
de cilindro compensado y es importante recordar el equilibrio entre
fuerzas y velocidad de lo que puede considerarse como tericos
avances y retornos de vstago. Evidentemente, para cumplirse esta
correccin de desfases los dimetros de los vstagos han de ser
iguales.
4.4 AMORTIGUAMIENTI En los accionamientos neumticos que son
ejecutados a velocidades importantes y la masa trasladada es
representativa, se producen impactos del mbolo contra la camisa que
liberan gran cantidad de energa que tiende a daar el cilindro. En
estos casos, es evidente que la regulacin de velocidad alargara la
vida del componente pero al mismo tiempo restara eficacia al
sistema. Como solucin, se presentan los actuadores con amortiguacin
interna. Estos disponen de unos casquillos de amortiguacin
concebidos para ser alojados en las propias culatas del cilindro.
Como particularidad, se observa que se dispone de forma integrada
de unos pequeos reguladores de caudal de carcter unidireccional.
Cuando el cilindro comienza a mover, el aire puede fluir por el
interior del alojamiento de la culata y por el regulador. En estos
momentos, la velocidad desarrollada es la nominal.
Figura 4.10 Amortiguamiento de mbolo.
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Cuando el casquillo de recrecimiento entra en contacto con el
alojamiento, se obtura el punto de fuga ms importante y el poco
aire que todava queda en el interior del cilindro, se ve obligado a
escapar a travs del regulador de caudal. En consecuencia, se
obtiene una regulacin de velocidad en los ltimos milmetros de
carrera del cilindro. Cuando se invierte el movimiento, el aire
puede circular a travs del interior del alojamiento del casquillo y
tambin por el antirretorno, lo cual hace que el sistema tenga
funcin unidireccional. Los amortiguadores neumticos no son propios
de los cilindros clsicos sino de prcticamente la totalidad de
actuadores. De este modo encontramos unidades convencionales,
unidades de doble vstago, unidades sin vstago e incluso actuadores
de giro limitado que incorporan el recurso en sus mecnicas. Los
lmites para el empleo de las amortiguaciones neumticas vienen
establecidos por grficas y fabricante, haciendo referencia a la
velocidad mxima de desplazamiento y la carga trasladada. Una curva
delimitar con total claridad los lmites de funcionamiento para este
tipo de amortiguaciones. En caso de no ser suficientes, se requerir
la colocacin de amortiguadores hidrulicos exteriores (tambin en
caso de limitar la carrera del cilindro mecnicamente).
4.5 Sistema antigiro
Uno de los principales problemas que plantean los cilindros de
mbolo convencionales es el movimiento de giro que puede sufrir el
vstago sobre s mismo, ya que tanto el mbolo como el vstago,
habitualmente son de seccin circular al igual que la camisa, y por
ello ningn elemento evita la rotacin del conjunto pistn. En
determinadas aplicaciones, esto puede tener efectos negativos y se
hace necesaria la incorporacin de actuadores o elementos exteriores
que realicen un efecto antigiro. Existen mltiples posibilidades, de
las cuales detallamos las ms extendidas.
sistemas de seccin no circular
sistemas de gua (simple o doble).
sistemas doble vstago.
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4.5.1 Secciones no circular
Una de las primeras soluciones adoptadas, fue sustituir la
clsica seccin del vstago (circular) por otros perfiles que no
permitan el giro sobre s mismo. Algunos de estos perfiles fueron
los cuadrados, ovales, etc., pero presentaban el problema de una
difcil mecanizacin (y por ello precio un excesivo del componente),
adems de presentar un grado de estanqueidad bastante bajo, ya que
el perfil de la juntas dinmicas y estticas no es el ms adecuado.
Otra solucin corresponde al trabajo mediante secciones de vstago
circulares (y en consecuencia del casquillo gua) pero marcando la
funcin antigiro sobre el perfil interior de la camisa del cilindro
(y en consecuencia del mbolo).
4.5.2 Sistema de gua Las unidades de guiado son elementos
mecnicos exteriores que aseguran la funcin de guiado del vstago al
mismo tiempo que protegen al vstago de las fuerzas de giro y flexin
exteriores. Se fabrican en acero y se acoplan sobre la culata
anterior de los cilindros normalizados. En su interior se
encuentran unos cojinetes de bronce sintetizado por los cuales se
deslizan las varillas de guiado (en ocasiones pueden ser
rodamientos lineales, los cuales aportan una mayor fiabilidad,
reducen el rozamiento pero incrementan el coste de la unidad).
Una de las ventajas adicionales que presentan los sistemas de
gua es la posibilidad de limitar la carrera de un cilindro de forma
rpida, sencilla y sin intervencin sobre el mismo. Esta limitacin
suele ser muy frecuente ya que rara vez coincidir la carrera
deseada en el diseo con las ofertadas comercialmente. Esta
limitacin de carrera se ejecuta mediante un disco colocado
directamente sobre la gua (golpeando antes de la ejecucin completa
de la carrera). Se pueden colocar amortiguadores hidrulicos sobre
el bloque si el fabricante lo ha previsto.
Figura 4.11 Unidad de guiado para cilindro (Doble gua).
Figura 4.12 Sistema de guiado integrado (Gua simple).
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4.5.3 Sistemas de doble vastago
Como ya se ha indicado, algunos actuadores incorporan ya unas
guas que le proporcionan funcin antigiro. En estos actuadores se
dispone de un solo mbolo y vstago efectivos; los restantes vstagos
tienen funcin exclusiva de antigiro, no siendo solidarios a ningn
mbolo, y desplazndose exclusivamente por arrastre (no tienen
contacto con la presin de alimentacin). Estos actuadores no deben
confundirse con los denominados de vstago paralelo. En stos tambin
se dispone de 2 vstagos pero la diferencia se encuentra en que cada
uno de ellos dispone de su propio mbolo. Este tipo de actuadores
tiene funcin antigiro, y presentan mayor prestacin en cuanto a la
absorcin de cargas exteriores, si bien, la principal ventaja de
estos actuadores es que al disponer de un
Figura 4.13 Vstagos paralelos (funcin anti giro)
4.6 Cilindros multiposicionales
Los cilindros multiposicionales son una buena opcin el aquellos
casos en los que se requiera alcanzar 3 4 posiciones diferentes y
no se requiera una variabilidad frecuente de las mismas. Son no
obstante, unidades sencillas ya que tan solo se componen de 2
unidades convencionales unidas por el extremo de los vstagos o bien
por las culatas (mediante placa adaptadora comercial). Para 4
posiciones, se requiere que la carrera de las 2 unidades sean
diferentes.
4.7 Cilindros de vstago hueco Algunos actuadores neumticos
presentan la ventaja de tener el vstago o eje hueco, lo que los
hace ideales para el trabajo con aplicacin de la tcnica de vaco, o
bien, para pasar cables elctricos si fuera necesario.
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La aplicacin de este tipo de actuadores permite y facilita el
conexionado de elementos, ya que no ser necesario el guiado de
tubos para vaco o cableado elctrico desde los puntos de generacin
de energa hasta los consumidores (ventosas, electroimanes, etc.),
sino que pueden pasar a travs del hueco que encontramos en el
vstago, consiguiendo as una instalacin ms simple y por tanto ms
econmica.
4.8 Unidades de bloqueo
Las unidades de bloqueo no pueden considerarse en s actuadores,
sino como elementos auxiliares de stos. No obstante, son uno de los
componentes de mayor aplicacin en la actualidad, ya que aportan una
solucin eficaz y econmica a uno de los principales problemas que
plantea el trabajo con actuadores neumticos: el posicionamiento
intermedio de los mismos. En los circuitos neumticos y
electroneumticos, uno de los principales problemas siempre ha sido
el posicionamiento de los vstagos de los cilindros con cierta
precisin en posiciones intermedias entre finales de carrera. Uno de
los mtodos tradicionales para conseguir estos accionamientos, ha
sido el empleo de vlvulas de tres posiciones (centro abierto o
cerrado). Estos mtodos presentaban el gran inconveniente de no
asegurar el posicionamiento, sobre todo si existan cargas
exteriores acopladas o sobre los vstagos. Todo es debido a la
compresin de aire que se da en el interior de las cmaras, ya que
trabajamos con fluidos compresibles. Por supuesto, los centros
abiertos no son de utilidad cuando se requiere un control de la
posicin y existen este tipo de cargas. Otro de los grandes
inconvenientes vena dado por las grandes aceleraciones sufridas por
los vstagos cuando se producan las conmutaciones, ya que la
diferencia de presin era notable. Este problema se soluciona
aplicando controles mediante 2 vlvulas de 3 vas y 2 posiciones, en
vez de las 5 vas y las 2 3 posiciones tradicionales. Por todos
estos motivos se hace necesario el desarrollo de nuevos componentes
ideados para este tipo de movimientos, y es cuando aparecen las
unidades de retencin. stas consiguen el posicionamiento mediante un
frenado mecnico del vstago (bloqueo), asegurando el mismo por
efecto de friccin en ambas direcciones.
4.8.1 Estructura interna unidades de bloqueo
Las unidades de bloqueo estn compuestas principalmente por un
cuerpo exterior de aluminio, el cual se acopla mecnicamente a la
culata anterior de los cilindros normalizados.
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Generalmente, en el interior de este cuerpo se aloja una
excntrica con una palanca de actuacin y un pistn. El pistn se
desplaza axialmente por la fuerza de un muelle o de la presin
aplicada, desplazando en su recorrido la palanca aplicada a la
excntrica. Cuando la palanca es desplazada por el pistn, hace rotar
el cuerpo unos grados determinados, producindose as la sujecin del
vstago del cilindro (zona de ferodo). El vstago atraviesa la unidad
de retencin. La liberacin del vstago puede producirse por una nueva
inyeccin de aire comprimido, o bien por la eliminacin de ste sobre
la lnea piloto o de actuacin (dependiendo de si la unidad de
retencin trabaja como elemento monoestable o biestable). Estas
unidades siempre son capaces de desarrollar mayores fuerzas de
sujecin que las desarrolladas por las cargas aplicadas sobre el
cilindro. Si se utiliza una disposicin de simple efecto, tambin
aseguramos el bloqueo del vstago en caso de una cada repentina de
la presin, por lo cual estos elementos pueden formar parte de los
sistemas de seguridad.
5 Actuadores de giro Los actuadores rotativos son los encargados
de transformar la energa neumtica en energa mecnica de rotacin.
Dependiendo de si el mvil de giro tiene un ngulo limitado o no, se
forman los dos grandes grupos a analizar:
Actuadores de giro limitado, que son aquellos que proporcionan
movimiento de giro pero no llegan a producir una revolucin
(exceptuando alguna mecnica particular como por ejemplo pin
cremallera). Existen disposiciones de simple y doble efecto para
ngulos de giro de 90, 180..., hasta un valor mximo de unos 300
(aproximadamente).
Motores neumticos, que son aquellos que proporcionan un
movimiento rotatorio constante. Se caracterizan por proporcionar un
elevado nmero de revoluciones por minuto.
5.1 Actuadores de paleta El actuador de giro de tipo paleta quiz
sea el ms representativo dentro del grupo que forman los actuadores
de giro limitado. Estos actuadores realizan un movimiento de giro
que rara vez supera los 270, incorporando unos topes mecnicos que
permiten la regulacin de este giro. Estn compuestos por una
carcasa, en cuyo interior se encuentra una paleta que delimita las
dos cmaras. 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. El funcionamiento es similar al de los actuadores
lineales de doble efecto. Al aplicar aire comprimido a una de
sus
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cmaras, la paleta tiende a girar sobre el eje, siempre y cuando
exista diferencia de presin con respecto a la cmara contraria
(generalmente comunicada con la atmsfera). Si la posicin es
inversa, se consigue un movimiento de giro en sentido contrario.
Estos componentes presentan ventajas propias de los componentes de
ltima generacin, tal y como amortiguacin en final de recorrido,
posibilidad de deteccin magntica de la posicin (mecnica o
magntica), etc. La deteccin mecnica se ejecuta mediante elementos
mviles exteriores ajustables en grado mediante nonio graduado. Este
tipo de actuadores ha de recuperar siempre la posicin (ejecucin de
retorno), por lo cual no son aptos para el marcado de pasos
regulares a no ser que el fabricante incorpore una rueda libre
(consiguindose un avance regular de pasos apto para un nmero
importante de aplicaciones). Este tipo de piones o ruedas libres
son comercializadas por los propios fabricantes para el acople
directo con sus productos y se presentan Inversiones de giro a
izquierdas o a derechas (para cubrir las necesidades del
automatismo).
Figura 5.1 Actuador de paleta.
5.2- Actuador pin cremallera En esta ejecucin de cilindro de
doble efecto, el vstago es una cremallera que acciona un pin y
transforma el movimiento lineal en un movimiento giratorio, hacia
la izquierda o hacia la derecha, segn el sentido del mbolo. Los
ngulos de giro corrientes pueden ser de 45, 90, 180, 290 hasta
720.Es posible determinar el margen de giro dentro del margen total
por medio de un tornillo de ajuste que ajusta la carrera del
vstago.
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Figura 5.2 Actuador de pin cremallera
El par de giro est en funcin de la presin, de la superficie del
mbolo y de la desmultiplicacin. Los accionamientos de giro se
emplean para voltear piezas, doblar tubos metlicos, regular
acondicionadores de aire, accionar vlvulas de cierre, vlvulas de
tapa, etc. Existen actuadores pin cremallera de doble cremallera,
los cuales proporcionan mayor par y mejor guiado de la unidad.
5.3 Motores de paleta
Como ya hemos comentado anteriormente, los motores neumticos son
los encargados de la transformacin de la energa neumtica en energa
mecnica (movimiento rotatorio constante). Dentro de la variada gama
de motores neumticos, los ms representativos son los del tipo de
paletas, tambin conocidos como de aletas. Debido a su construccin
sencilla y peso reducido, su aplicacin se ha extendido bastante en
los ltimos aos. Su constitucin interna es similar a la de los
compresores de paletas, es decir, un rotor ranurado, en el cual se
alojan una serie de paletas, que gira excntricamente en el interior
del estator. En estas ranuras se deslizan hacia el exterior las
paletas o aletas por accin de la fuerza centrfuga cuando se aplica
una corriente de aire a presin.
6 Mecnica de un cilindro
El cilindro de mbolo se compone de: tubo, tapa posterior (fondo)
y tapa anterior con cojinete y aro rascador, adems de piezas de
unin y juntas. Cuando el cilindro ha de realizar trabajos pesados,
el tubo (camisa del cilindro 1), se fabrica en la mayora de los
casos de tubo de acero embutido sin costura (St. 35).
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Para prolongar la duracin de las juntas, la superficie interior
del tubo debe someterse a un mecanizado de precisin (bruido). Hoy
en da, donde la mayora de las aplicaciones requieren esfuerzos
dbiles, se suelen construir en aluminio. Estas ejecuciones
especiales se emplean cuando los cilindros no se accionan con
frecuencia o para protegerlos de influencias corrosivas. Tambin
para la captacin de finales de carrera magnticamente. La camisa
marca dos parmetros fundamentales del cilindro.
Por un lado, su dimetro interno marcar la seccin que presenta el
cilindro y por tanto, para una presin dada nos indicar la fuerza
que este es capaz de realizar. Evidentemente, a mayor dimetro,
mayor fuerza y consumo.
Por otro lado, la longitud del tubo delimita lo que se conoce
como carrera del cilindro, o longitud til para el trabajo con el
mismo. Tanto dimetros como carreras se encuentran normalizados.
Para las tapas posterior fondo (2) y anterior (3) se emplea
preferentemente material de fundicin (aluminio o acero en funcin
del resto de materiales del cilindro). La fijacin de ambas tapas en
el tubo puede realizarse mediante tirantes, roscas o bridas. El
vstago se fabrica preferentemente de acero bonificado. Este acero
contiene un determinado porcentaje de cromo que lo protege de la
corrosin. A deseo, el mbolo se puede someter a un tratamiento de
temple. Su superficie se comprime en un proceso de rodado entre
discos planos. En algunas ocasiones, sobre la simbologa de los
actuadores los fabricantes indican mediante una serie de smbolos
tratamientos especficos aplicados a los vstagos. La profundidad de
asperezas del vstago es de 1 m. En general, las roscas se
laminan al objeto de prevenir el riesgo de roturas. En cilindros
hidrulicos debe emplearse un vstago cromado (con cromo duro) o
templado. El vstago acopla mecnicamente con el mbolo del cilindro,
cerrando la unin mediante tuerca y juntas estticas (para el
sellado). Sobre el mbolo se montaran las juntas dinmicas y el imn
(si es un cilindro preparado para captacin magntica de la posicin).
Para hermetizar el vstago, se monta en la tapa anterior un collarn
obturador (5). De la gua de vstago se hace cargo un casquillo del
cojinete (6), que puede ser de
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bronce sinterizado o un casquillo metlico con revestimiento de
plstico. Delante del casquillo del cojinete, se encuentra un aro
rascador (7). Este impide que entren partculas de polvo y suciedad
en el interior del cilindro. Por eso, no se necesita emplear un
fuelle. Pertenece a los elementos estanqueizantes que componen el
cilindro. El junta dinmica (8), hermetiza las cmaras del cilindro
para un ptimo rendimiento. Las juntas tricas o anillos toroidales
(9), se emplean para la obturacin esttica, porque deben
pretensarse, y esto causa prdidas elevadas por friccin en
aplicaciones dinmicas.
Figura 6.1 Seccin de un cilindro.
7 Calculo de cilindros
Analizaremos brevemente los principales aspectos a tener en
cuenta a la hora de calcular un cilindro. No obstante, lo ms
recomendable es acudir siempre a los datos aportados por el
fabricante donde se nos mostraran tablas para los esfuerzos
desarrollados, mximas longitudes de flexin y pandeo, etc.
7.1 Fuerza del embolo
La fuerza ejercida por un elemento de trabajo depende
principalmente de la presin del aire, del dimetro del cilindro y
del rozamiento de las juntas. La fuerza terica del mbolo se calcula
con la siguiente frmula:
= En la prctica, es necesario conocer la fuerza real que ejercen
los actuadores. Para determinarla, tambin 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.
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7.2 Longitud de carrera
La longitud de carrera en cilindros neumticos no debe exceder de
2000 mm. Con mbolos de gran tamao y carrera larga, el sistema
neumtico no resulta econmico por el elevado consumo de aire y
precio de los actuadores. Cuando la carrera es muy larga, el
esfuerzo mecnico del vstago y de los cojinetes de gua, es demasiado
grande. Para evitar el riesgo de pandeo, si las carreras son
grandes, deben adoptarse vstagos de dimetro superior a lo
normal.Adems, al prolongar la carrera, la distancia entre cojinetes
aumenta y, con ello, mejora la gua del vstago. Otra solucin la
aportan los cilindros de vstago guiado, mucho ms resistentes a los
esfuerzos mecnicos.
7.3 Velocidad del embolo
La velocidad del mbolo, en cilindros neumticos depende de la
fuerza antagonista, de la presin del aire, de la longitud de la
tubera, de la seccin entre los elementos de mando y trabajo y del
caudal que circula por el elemento de mando. Adems, influye en la
velocidad la amortiguacin de final de carrera. Cuando el mbolo
abandona la zona de amortiguacin, el aire entra por una vlvula
antirretorno y de estrangulacin y produce un aumento de la
velocidad. La velocidad media del mbolo, en cilindros estndar, est
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 mbolo puede regularse con vlvulas especiales. Las
vlvulas de estrangulacin, las antirretorno y de estrangulacin, y
las de escape rpido, proporcionan velocidades mayores o menores,
dependiendo de su regulacin.
7.4 Consumo de aire
Para disponer de aire y conocer el gasto de energa, es
importante conocer el consumo de la instalacin, clculo que comenzar
por los actuadores (potencia). Para una presin de trabajo, un
dimetro y una carrera de mbolo determinado, el consumo de aire se
calcula como sigue: La frmula de clculo por embolada, resulta:
= 2 ( ) Donde:
s Carrera por minuto q Consumo por carrera
Q Caudal normal (Nl / min) n Carrera en centimetros
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7.5 Fijaciones
El tipo de fijacin es importante ya que el cilindro puede ir
equipado de los accesorios de montaje necesarios. De lo contrario,
como dichos accesorios se construyen segn el sistema de piezas
estandarizadas, tambin ms tarde puede efectuarse la transformacin
de un tipo de fijacin a otro. Este sistema de montaje facilita el
almacenamiento en empresas que utilizan a menudo el aire
comprimido, puesto que basta combinar el cilindro bsico con las
correspondientes piezas de fijacin. La principal ventaja que
ofrecen los sistemas de fijacin no fijos, es que un mismo cilindro
puede colocarse en una mquina de distintas formas segn el tipo de
fijacin.
8 Conclusiones Los actuadores hidrulicos y neumticos son
componentes mecnicos de amplio uso en diversas reas de la industria
y la ciencia, su principal uso dentro de la los procesos son el
cierre de vlvulas tanto para control del flujo de fluidos, como
para su aislamiento. Pero no es su nica utilizacin, dado que se
encuentran instalados en maquinaria pesada para mover grandes
cargas dada su robustez y potencia, principalmente la de los
actuadores hidrulicos gracias a la propiedad de los lquidos para no
comprimirse. Tambin encontramos aplicaciones de actuadores en
disciplinas como la robtica, la agricultura y la industria de la
construccin por mencionar algunos ejemplos. Al seleccionar un
actuador se deben de tomar en cuenta una cantidad importante de
factores de los cuales depender el buen funcionamiento del equipo,
como primer criterio se debe de saber la carga sobre la que estar
trabajando, de esto depende directamente si se selecciona un
actuador hidrulico o neumtico ya que los primeros tienen mayor
potencia aunque requieren de un mantenimiento ms constante lo que
incrementa el costo a largo plazo, adems de ser ms sucios debido a
los aceites que utiliza. Posteriormente se debe de tomar en cuenta
la funcin que desempear el actuador, dado que los cilndricos
tienden a ser ms rpidos y potentes que los actuadores de diafragma
y de pistn, pero estos ltimos son ms tiles para control de nivel y
flujo por su exactitud gracias a los DVCs y DLCs de distintas
compaas de instrumentacin. Tambin se debe de tomar en cuenta el
tipo de material del actuado, as como la posicin final del equipo
en caso de una emergencia, es decir si se requiere que este
normalmente cerrado, normalmente abierto o si la posicin final del
equipo no es prioritaria, as como la velocidad de respuesta a lo
cual se le puede acoplar un equiupo BUSTER para incrementar su
respuesta.
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9 Bibliografa
Neumtica e hidrulica; Antonio Creus Sol; Ed. Marcombo S. A.;
2007
Mecatrnica, control y automatizacin; Cortes, Monjaras y Soto;
Ed. Alfaomega;
2013
Actuadores estndar; Festo;
http://www.festo.com/net/SupportPortal/Files/17218/Standardantriebe_es.pdf
http://ocw.uc3m.es/ingenieria-mecanica/neumatica-y-
oleohidraulica/trasparencias/cilindrosNeumaticos.pdf