ACTUADORES HIDRULICOS LINEALES Y ROTATIVOS.

ACTUADORES HIDRULICOS LINEALES Y ROTATIVOS.

ACTUADORES HIDRULICOS LINEALES

Los cilindros hidrulicos de movimiento lineal son utilizados comnmente en aplicaciones donde la fuerza de empuje del pistn y su desplazamiento son elevados.Los cilindros hidrulicos pueden ser de simple efecto, de doble efecto y telescpicos.

- En el primer tipo, el fluido hidrulico empuja en un sentido el pistn del cilindro y una fuerza externa (resorte o gravedad) lo retrae en sentido contrario. El cuerpo del cilindro es la caja externa tubular y contiene el pistn, el sello del pistn y el vstago. Calibre es el trmino usado para indicar el dimetro del pistn. El extremo del pistn del cilindro (algunas veces llamado extremo ciego) se conoce como el extremo de la cabeza. El extremo desde el cual el vstago se extiende y se retrae se conoce como el extremo del vstago.

- El cilindro de accin doble utiliza la fuerza generada por el fluido hidrulico para mover el pistn en los dos sentidos, mediante una vlvula de solenoide. El cilindro de accin doble es el accionador hidrulico ms comn utilizado actualmente y se usa en los sistemas del implemento, la direccin y otros sistemas donde se requiera que el cilindro funcione en ambas direcciones. Puesto que los cilindros con vstago de acoplamiento son los cilindros de accin doble ms comunes, se tiene en cuenta las pautas de la National Fluid Power Association (NFPA) para fijar las normas de calibre, tipo de montaje y dimensiones generales del cilindro. Esto permite usar los cilindros con vstago de acoplamiento de diferentes fabricantes, si tienen la misma descripcin de diseo.Sin embargo, recuerde que aunque los cilindros pueden tener el mismo calibre, su calidad puede ser diferente.El calibre del cilindro es el trmino que indica el dimetro interno del cilindro. Un cilindro de calibre grande produce un mayor volumen por unidad de longitud que un cilindro de calibre pequeo. Para mover un pistn la misma distancia, un cilindro de calibre grande necesita ms aceite que un cilindro de calibre menor. Por tanto, para un rgimen de flujo dado, un cilindro de calibre grande se mueve ms lentamente que un cilindro de calibre pequeo. El rea efectiva de un cilindro es el rea del pistn y de sello de pistn sobre la cual acta el aceite. Debido a que uno de los extremos del vstago est unido al pistn y el extremo opuesto se extiende fuera del cilindro, el rea efectiva del extremo del vstago es menor que el rea efectiva del extremo de la cabeza. El aceite no acta contra el rea del pistn cubierta por la unin del vstago. El volumen de aceite necesario para llenar el extremo del vstago del cilindro es menor que el volumen de aceite necesario para cubrir el extremo de la cabeza del cilindro. Por tanto, para un rgimen de flujo dado, el vstago del cilindro se retrae ms rpido que el tiempo que tarda en extenderse.

- El cilindro telescpico contiene otros de menos dimetro en su interior y se expanden en etapas, son muy utilizados en gras. Est constituido por los tubos cilndricos y vstago de mbolo. En el avance sale primero el mbolo interior, siguiendo desde dentro hacia fuera los siguientes vstagos o tubos. La reposicin de las barras telescpicas se realiza por fuerzas externas. La fuerza de aplicacin est determinada por la superficie del mbolo menor.

Otros elementos en los cilindros Sellos Los sellos se usan en diferentes partes del cilindro, como se muestra en la figura. El sello del pistn se usa entre el pistn y la pared del cilindro.

Su diseo permite que la presin de aceite extienda el sello contra la pared del cilindro, de manera que, a mayor presin, mayor fuerza sellante. El sello del extremo de la cabeza (sello anular) evita que el aceite escape por entre el cuello del vstago y la pared del cilindro. El sello de vstago es un sello en forma de U que limpia el aceite del vstago a medida que el vstago se extiende por el cilindro.

El sello de labio se ajusta al cilindro e impide que la suciedad o el polvo entren al cilindro cuando se retrae el vstago del cilindro.Los sellos se fabrican en poliuretano, nitrilo o vitn. El material debe ser compatible con los fluidos usados y las condiciones de operacin.

Amortiguadores La figura muestra un cilindro con amortiguadores.

Cuando un cilindro en movimiento llega a un extremo muerto (como sucede al final de la carrera del cilindro), la accin que experimenta se conoce como carga de choque.Cuando un cilindro est sujeto a una carga de choque, se usan amortiguadores para minimizar el efecto. Cuando el pistn se aproxima al final de la carrera, el amortiguador se mueve dentro del conducto de aceite de retorno y restringe el flujo de aceite de retorno del cilindro. de la presin de aceite de retorno

. La restriccin produce un aumento de la presin de aceite de retorno entre el conducto del aceite de retorno y el pistn. El aumento de la presin de aceite produce un efecto de amortiguacin que reduce el movimiento del pistn y minimiza el choque que ocurre al final de la carrera.

Algunos cilindros pueden requerir un amortiguador en el extremo de la cabeza, mientras otros pueden requerir amortiguadores tanto en el extremo de la cabeza como en el extremo del vstago.

Clculo de de las dimensiones principales del cilindro.

Las principales dimensiones de un cilindro son:- El dimetro- La carrera

Clculo del dimetro del cilindro y su carrera. Dimetro interno La seleccin del rea interior o dimetro interno del cilindro depende de: a) La fuerza requerida del cilindro b) La presin suministrada al cilindro

Carrera

Existen algunas desventajas en el uso del muelle interno:a) En la posicin comprimida, el muelle ocupa una parte de la longitud del cilindro por lo que este ha de construirse ms largo de lo que sera necesario por su carrera real.

b) Cuanto ms larga es la carrera, ms largo debe de ser el muelle, con lo que se aumenta la probabilidad de que este se hunda enganchndose alrededor del vstago.Mientras que la longitud de otras partes (cilindro, vstago y tirantes) puede adecuarse fcilmente a la longitud deseada, la desventaja del muelle mencionada en b limita grandemente la carrera. En trminos generales, puede decirse que lo que fija el lmite de la longitud del muelle es la proporcin entre su longitud y el dimetro de sus espiras.

La carrera mxima de los cilindros con muelle interior varia de 60 [mm] para cilindros con un dimetro de hasta 20 [mm], a 300 [mm] para cilindros con un dimetro de hasta unos 300 [mm].Si la accin del muelle interior puede sustituirse por ejemplo:a) muelles externob) una carga externa sobre el vstago, La mxima longitud del cilindro viene determinada por factores similares a aquellos que se aplicaran a los cilindros de doble efecto.

Clculo del dimetro del vstago

Materiales de construccin para los actuadores

Cilindros:1.- Tubo: se fabrica de tubo de acero embutido sin costuras. 2 y 3.- Tapa anterior y/o posterior: en ambas para su fabricacin se emplea preferentemente material de fundicin o maleables, como por ejemplo el aluminio. 4.- Vstago: se fabrica preferentemente de acero bonificado, conteniendo un determinado porcentaje de cromo, para protegerlo de la corrosin. 5.- Collarn obturador: se emplea para hermetizar el vstago

6.- Casquillo de cojinete: puede ser de bronce o metlico revestido. Su misin es servir de gua al vstago de plstico. 7.- Anillo rascador: impide que entren partculas de polvo y suciedad en el interior del cilindro se encuentra situado delante del casquillo (6). 8.- Mango doble de copa: su misin es hermetizar la cmara del cilindro, se fabrican de diferentes materiales dependiendo de la temperatura. (Vitn para temperaturas de -20 c y +80 c, tefln para temperaturas de -80 c y +200c)

ACTUADORES HIDRULICOS ROTATIVOS

Motor hidrulico

El nombre que se da generalmente al actuador hidrulico giratorio es el de motor hidrulico. La construccin de los motores se parece mucho a la de las bombas.En vez de suministrar fluido como lo hace una bomba, son impulsados por sta y desarrollan un par y un movimiento contino de rotacin, es decir, convierten la energa hidrulica en torque.Como los dos orificios del motor, de entrada y de salida, pueden ser ambos presurizados (motores bidireccionales), la mayoria de los motores hidrulicos llevan drenaje externoCaractersticas nominales de los Motores

Los motores hidrulicos se clasifican segn su desplazamiento (tamao), capacidad de par, velocidad y limitaciones de la presin mxima.

Desplazamiento

Es la cantidad de fluido requerida por el motor para que su eje gire una revolucin. El desplazamiento del motor es igual a la capacidad de una cmara multiplicada por la cantidad de cmaras que el motor contiene. Este desplazamiento se expresa en pulgadas cbicas por revolucin (in^3/rev), o centmetros cbicos por revolucin, (cm^3/rev).

El desplazamiento de los motores hidrulicos puede ser fijo o variable para un mismo caudal de entrada y presin de trabajo constantes. El motor de desplazamiento fijo suministra un par constante (Torque constante) a velocidad constante. Bajo las mismas condiciones, el motor de desplazamiento variable proporciona un par variable (Torque variable) a velocidad variable.

Par (Torque)

El Par es el componente de fuerza a la salida del motor. Su concepto es equivalente al de fuerza en un cilindro, se define como un esfuerzo giratorio o de torsin. No se requiere movimiento para tener un par, pero este movimiento se efectuar si el par es suficiente para vencer el rozamiento y resistencia de la carga.

El par de salida se puede expresar en Newton metro, en libras - pulgadas o en libras pie, y es funcin de la presin del sistema y del desplazamiento del motor.}Los valores del par de un motor se dan generalmente para una diferencia especfica de presiones, o cada de presin a travs del mismo. Los valores tericos indican el par disponible en el eje del motor suponiendo un rendimiento del 100%.El par de arranque con carga es el par requerido para conseguir que gire una carga en reposo. Hace falta ms Par para empezar a mover una carga que para mantenerla movindose.

El par de giroPuede referirse a la carga del motor o al motor mismo. Cuando se utiliza con referencia a una carga, indica el par requerido para mantenerla girando. Cuando se refiere al motor, este par indica el par que el motor puede realmente realizar para mantener una carga girando. El par de giro toma en consideracin el rendimiento del motor y se expresa como un porcentaje del par terico. El par de giro de los motores normales de pistones, paletas y engranajes es aproximadamente un 90% del terico.

El par de arranque sin cargase refiere a la capacidad de un motor hidrulico. Indica el valor del par que el motor puede desarrollar para empezar a mover una carga. En algunos casos, este par es mucho menor que el par de giro.Este par de arranque se expresa tambin como un porcentaje del par terico y para los motores corrientes de pistones, paletas y engranajes suele estar comprendido entre el 60 y el 90% del par terico.El rendimiento mecnico es la relacin entre el par real desarrollado y el par terico.

Velocidad

La velocidad del motor depende de su desplazamiento y del volumen de fluido que se le suministra. Su velocidad mxima es la velocidad a una presin de entrada especfica que el motor puede mantener durante un tiempo limitado sin daarse.La velocidad mnima es la velocidad de rotacin suave, continua y ms baja de su eje. El drenaje es la fuga interna a travs del motor, o el fluido que lo atraviesa sin realizar ningn trabajo. La velocidad puede ser expresada en revoluciones por minuto.El motor hidrulico debe ser operado dentro de sus rangos de eficiencia.El sistema hidrulico puede sufrir daos si el motor es sobre-revolucionado o provocar un desgaste prematuro/ acelerado.

Presin

La presin necesaria para el funcionamiento de un motor hidrulico depende del par y del desplazamiento. Un motor con gran desplazamiento desarrollar un par determinado con menos presin que un motor con un desplazamiento ms pequeo. El par desarrollado por un motor se expresa generalmente en libra-pulgada de torsion por cada100 psi de presin (newton metro por bar)

Tipos de motores hidrulicos.Motor de engrane

Un motor de engrane desarrolla una torsin a travs de la presin que acta sobre las superficies de los dientes de un engrane. Cuentan con dos engranes que engarzan y giran juntos, pero solo uno de ellos va acoplado al eje impulsor. El motor puede invertir su rotacin, invirtiendo el flujo. El desplazamiento de un motor de engranes es fijo y aprox. Igual al volumen desplazado entre los dientes multiplicado por el numero de dientes.

Los motores de engrane estan frecuentemente limitados a la presion de operacin de 2000 psi y alrededor de 2400 rpm.Sus principales ventajas han sido su simplicidad y una tolerancia bastante elevada en cuanto a impurezas.La principal desventaja es su baja eficiencia.

Motor de paletasEn un motor de paletas, la torsin al actuar la presin sobre las superficies libres de las paletas rectangulares que deslizan hacia adentro y hacia afuera de las ranuras en un rotor que va engarzado mediante estras al eje impulsor. Al girar el rotor, las paletas recorren la superficie de un anillo de leva, formando cmaras selladas que transportan al fluido desde la entrada hasta la salida.

Existen distintos tipos de diseos del motor de paletas:Diseo balanceado: la presin que se crea en el orificio de entrada o en el de salida del aceite, se dirige a dos cmaras interconectadas dentro del motor, que se encuentran separadas 180. Las cargas laterales se generan una opuesta a la otra por lo que se anulan entre si

Diseo cuadrado: el rotor gira dentro de anillo de la leva y entre el cuerpo y la placa de presin. Los balancines pivotados que van fijados al rotor, obligan a que las paletas se desplacen hacia afuera, en contra del anillo elptico. Durante la operacin, la presin que existe debajo de las paletas, hace que estas se mantengan en contacto con el anillo.

Las vlvulas de vaivn en las placas de presin.La placa de presin est diseada para mantener el grupo giratorio bien sellado a travs de la presin aplicada sobre su superficie externa. Dos vlvulas de vaivn, en la placa de presin, interconectan pasajes para mantener esta presin con independencia del orificio que est presurizado. El sentido de rotacin del motor puede invertirse, invirtiendo la direccin del caudal que se le enva.

Una modificacin especial de este motor permite que ste pueda funcionar en ambos sentidos, sin necesidad de balancines y vlvulas. El aceite a presin, procedente de una fuente exterior, es dirigido a la placa de presin y a la parte inferior de las paletas para mantenerlas contra elanillo. Estos motores son de desplazamiento fijo. Sin embargo, el desplazamiento de una unidad determinada puede ser modificado instalando un anillo de contorno mayor o menor(fig. 6-16).

Otra modificacin de este motor es un diseo unidireccional o no reversible. Una vlvula anti-retorno en la entrada del motor asegura que una presin piloto mantenga as paletas extendidas. As, este diseo no requiere balancines, vlvulas ni una fuente externa depresin. Su utilizacin se limita a aplicaciones unidireccionales tales como el accionamiento de un ventilador.

Motores de paletasde alto rendimiento Es un diseo mas reciente del motor de paletas equilibrado hidrulicamente. Desarrolla un par de la misma forma que el motor tipo "cuadrado' pero tiene modificaciones significativas ensu construccin. En este diseo las paletas se mantienen contra el anillo mediante muelles de forma cilndrica. El cartucho formado por anillo, rotor, paletas y placas laterales es desmontable y puede ser substituido como una unidad completa. Estos motores tambin son reversibles, y las dos placas laterales funcionan alternativamente como placas de presin segn la direccin del caudal.

Motores MHT de par elevado

Otro diseo de motor de paletas equilibrado hidrulicamente es el de la serie MHT, de par elevado y velocidad baja. Esta serie estdisponible en varios tamaos, y uno de ellos funciona desde 5 a 150 r.p.m., con un par mximo de 4500 lb-ft. Tambin existe una versin que origina el doble de par. Este motor es aplicable en transportadores pesados, mesas giratorias, unidades de volteo, cabrestantes y otras aplicaciones en las que su elevada capacidad de par puede ser ventajosa.

Motores de pistones en lnea

Los motores de pistones generan un par, mediante la presin que se ejerce sobre los extremos de los pistones que se mueven alternativamente en el barrilete. En el diseo en lnea, el eje de accionamiento del motor y el bloque de cilindros o barriletes tienen el mismo eje de rotacin. La presin en los extremos de los pistones, actuando contra una placa inclinada, origina la rotacin del barrilete y del eje.

El par es proporcional al rea de los pistones y depende del ngulo deinclinacin de la placa. Estos motores pueden ser de desplazamiento fijo, o variable. El ngulo de inclinacin de la placa es el que determina eldesplazamiento

6Motores de pistones en ngulo

Los motores de pistones en ngulo tambin desarrollan un par mediante la reaccin a lapresin sobre los extremos de pistones alternos. En este diseo, no obstante, el bloque de cilindros y el eje de accionamiento estn montados formando un ngulo entre s y la reaccin se ejerce contra la brida del ejede accionamiento. La velocidad y el par varan en funcin del ngulo, desde un valor mnimo predeterminado de las r.p.m., con un desplazamiento y un par mximos a un ngulo de aproximadamente 30, hasta unas r.p.m. mximas, con un desplazamiento y un par mnimo a aproximadamente 7.5.Existen modelos dedesplazamiento fijoy variable.

Caractersticas de funcionamiento de los motores depistones

Los motores de pistones son probablemente los ms eficientes de los tres tipos que hemos expuesto y,en general, tienen capacidad tanto para altas velocidades, como para altas presiones. En aplicaciones aeroespaciales, en particular, se utilizan debido a su elevada relacin de potencia por unidad de peso. Los motores de pistones en lnea, debido a su sencilla construccin y bajo costo, estn encontrando muchas aplicaciones en las mquinas herramientas y en los equipos mviles.

Motores oscilantes o generadores de torsin

Los motores oscilantes son actuadores de rotacin parcial que no pueden girar continuamente en la misma direccin. Normalmente, el giro est limitado a algo menos de una revolucin. Los motores oscilantes tpicos son del tipo de paleta simple y doble, o del tipo cremallera que desarrolla pares sumamente elevados, con rotaciones superiores a una vuelta

CALCULO DE LA POTENCIA DE LOS MOTORES HIDRULICOS