titulo: actuadores elÉctricos y neumÁticos … · ¾neumaticos ¾hidrulicos ¾electricos. ... en...

InstrumentaciInstrumentacióón / Ing. n / Ing. Quirino Jimenez D.Quirino Jimenez D.

TITULO:TITULO:

ACTUADORES ELACTUADORES ELÉÉCTRICOS CTRICOS Y NEUMY NEUMÁÁTICOS PARA TICOS PARA

VVÁÁLVULASLVULAS


ACTUADORESACTUADORES

son dispositivos capaces de generar una son dispositivos capaces de generar una fuerza a partir de lfuerza a partir de lííquidos, de energquidos, de energíía a elelééctrica y gaseosa. El actuador recibe la ctrica y gaseosa. El actuador recibe la orden de un regulador o controlador y da orden de un regulador o controlador y da una salida necesaria para activar a un una salida necesaria para activar a un elemento final de control como lo son las elemento final de control como lo son las vváálvulas lvulas


ACTUADORESACTUADORES

es la parte de la ves la parte de la váálvula de control con lvula de control con que se convierte la energque se convierte la energíía de entrada, ya a de entrada, ya sea neumsea neumáática o eltica o elééctrica, en movimiento ctrica, en movimiento mecmecáánico para abrir o cerrar la vnico para abrir o cerrar la váálvulalvula


CLASIFICACION DE LOS CLASIFICACION DE LOS ACTUADORESACTUADORES

NEUMATICOSNEUMATICOSHIDRULICOSHIDRULICOSELECTRICOSELECTRICOS


ACTUADOR NEUAMTICOACTUADOR NEUAMTICOConsiste en un diafragma con resorte que trabaja entre 3 y 15 Consiste en un diafragma con resorte que trabaja entre 3 y 15 psipsi(0.2 (0.2 –– 1 1 barbar), es decir, que la posiciones extremas de la v), es decir, que la posiciones extremas de la váálvula lvula corresponden a 3 y 15 corresponden a 3 y 15 psipsi (0.2 y 1 (0.2 y 1 barbar).).Al Aplicar una cierta presiAl Aplicar una cierta presióón sobre el diafragma, el resorte se n sobre el diafragma, el resorte se comprime de tal modo que el mecanismo empieza a moverse y comprime de tal modo que el mecanismo empieza a moverse y sigue movisigue moviééndose hasta que se llegue a un equilibrio entre la fuerza ndose hasta que se llegue a un equilibrio entre la fuerza ejercida por la presiejercida por la presióón del aire sobre el diafragma y la fuerza n del aire sobre el diafragma y la fuerza ejercida por el resorte.ejercida por el resorte.Idealmente, con una seIdealmente, con una seññal de 3 al de 3 psipsi la vla váálvula debe estar oposicilvula debe estar oposicióón n cero y a 15 cero y a 15 psipsi en la posixcio100. Asimismo, debe existir una en la posixcio100. Asimismo, debe existir una proporcionalidad entre las seproporcionalidad entre las seññales intermedias y sus ales intermedias y sus correspondientes posiciones.correspondientes posiciones.


COMPORTAMIENTO DE LAS COMPORTAMIENTO DE LAS VALVULAS DE CONTROLVALVULAS DE CONTROL

En la practica las vEn la practica las váálvulas de control se desvlvulas de control se desvíían de este an de este comportamiento debido a las siguientes causas:comportamiento debido a las siguientes causas:1.1.-- rozamiento en la estopada.rozamiento en la estopada.2.2.-- HistHistééresis y falta de linealidad del resorte.resis y falta de linealidad del resorte.3.3.-- ÁÁrea efectiva del obturador que varrea efectiva del obturador que varíía con la carrera a con la carrera del vdel váástago de la vstago de la váálvula.lvula.4.4.-- esfuerzo en el obturador de la vesfuerzo en el obturador de la váálvula creado por la lvula creado por la presipresióón diferencial del fluido.n diferencial del fluido.5.5.-- Fuerza adicional del actuador necesaria para Fuerza adicional del actuador necesaria para conseguir un cierre efectivo entre el asiento y el conseguir un cierre efectivo entre el asiento y el obturador.(fuerza de asentamiento) obturador.(fuerza de asentamiento)


En la vEn la váálvula existe un equilibrio entre estas lvula existe un equilibrio entre estas diversas fuerzas que viene dada por la diversas fuerzas que viene dada por la sigsig

formulaformulaF>= F+ F+ F+ F + F+ F>= F+ F+ F+ F + F+ FpFp

En la que: En la que: Fa = fuerza resultante obtenida por el actuador.Fa = fuerza resultante obtenida por el actuador.FrFr = fuerza del rozamiento. = fuerza del rozamiento. FsFs = fuerza del asentamiento.= fuerza del asentamiento.FwFw = peso del obturador.= peso del obturador.FbFb= fuerza el= fuerza eláástica del fuelle.stica del fuelle.FbFb = fuerza de desequilibrio del fuelle.= fuerza de desequilibrio del fuelle.FpFp = fuerza est= fuerza estáática y dintica y dináámica sobre el obturador.mica sobre el obturador.


ValvulaValvula de accide accióón directan directaLa fuerza resultante Fa obtenida por el actuador depende de la aLa fuerza resultante Fa obtenida por el actuador depende de la acciccióón n

de la vde la váálvula (aire cierra, aire abre). lvula (aire cierra, aire abre). En un una vEn un una váálvula de accilvula de accióón directa ( aire cierra). n directa ( aire cierra).

Fa = Ad* Pa * 1.02 Fa = Ad* Pa * 1.02 ––Fsr. Fsr. = Ad(Pa = Ad(Pa –– F2)*1.02 F2)*1.02 Fsr =Ad F2*1.02Fsr =Ad F2*1.02

en la que:en la que:

Ad= Ad= áárea efectiva del diafragma rea efectiva del diafragma Pa = presiPa = presióón del aire sobre el diafragma n del aire sobre el diafragma

Fsr = fuerza debida a la compresiFsr = fuerza debida a la compresióón final del muelle o carrera totaln final del muelle o carrera totalF2 = compresiF2 = compresióón final del muelle a carrera total.n final del muelle a carrera total.


VVáálvula de accilvula de accióón inversan inversa

En una vEn una váálvula de accilvula de accióón inversa ( aire abre) es:n inversa ( aire abre) es:Fa= Ad F1*1.02 en la que Fa= Ad F1*1.02 en la que F1 es la compresiF1 es la compresióón inicial del muelle a n inicial del muelle a carrera cero.carrera cero.


ACTUADOR ELECTRICOACTUADOR ELECTRICOEl actuador elEl actuador elééctrico es un motor elctrico es un motor elééctrico ctrico acoplado al vacoplado al váástago de la vstago de la váálvula a travlvula a travéés de un s de un tren de engranajes. El motor se caracteriza tren de engranajes. El motor se caracteriza fundamentalmente por su par y por el tiempo fundamentalmente por su par y por el tiempo requerido para hacer pasar a la vrequerido para hacer pasar a la váálvula de la lvula de la posiciposicióón abierta a la cerrada o viceversa. n abierta a la cerrada o viceversa. Existen bExisten báásicamente tres circuitos elsicamente tres circuitos elééctricos de ctricos de control capaces de actuar sobre control capaces de actuar sobre sobresobre el motor: el motor: todo o nada, flotante y proporcional.todo o nada, flotante y proporcional.


CIRCUITO TODO O NADACIRCUITO TODO O NADACircuito todo o nada representado en la Circuito todo o nada representado en la sigsig fig. fig. consiste en un motor elconsiste en un motor elééctrico unidireccional ctrico unidireccional acoplado al vacoplado al váástago de la vstago de la váálvula con una leva lvula con una leva que fija el principio y el final de la rotacique fija el principio y el final de la rotacióón del n del motor gracias a dos interruptores de final de motor gracias a dos interruptores de final de carrera S1 y S2. segcarrera S1 y S2. segúún la posicin la posicióón (cierre entre n (cierre entre los contactos 1los contactos 1--2 o 32 o 3--4) se excita el devanado 4) se excita el devanado derecha o izquierda y el motor gira en uno u oto derecha o izquierda y el motor gira en uno u oto sentido hasta el final de su carrera. sentido hasta el final de su carrera.


CIRCUITO FLOTANTECIRCUITO FLOTANTE

Consiste en un motor elConsiste en un motor elééctrico ctrico bidireccionalbidireccional con con interruptores de final de carrera, acoplados al interruptores de final de carrera, acoplados al vváástago de la vstago de la váálvula. El interruptor del lvula. El interruptor del controlador flota entre los dos contactos de controlador flota entre los dos contactos de accionamiento. El motor gira a la derecha o accionamiento. El motor gira a la derecha o izquierda segizquierda segúún el controlador cierre el contacto n el controlador cierre el contacto correspondiente y se para si el contacto mcorrespondiente y se para si el contacto móóvil vil no toca ninguno de los fijos o bien cuando llega no toca ninguno de los fijos o bien cuando llega a su final de carrera.a su final de carrera.


CIRCUITO PROPORCIONALCIRCUITO PROPORCIONALCircuito proporcional esta formado por un motor Circuito proporcional esta formado por un motor bidireccionalbidireccional, un , un relerele de equilibrio y un potencide equilibrio y un potencióómetro de metro de equilibrio. El controlador es un potenciequilibrio. El controlador es un potencióómetro cuyo brazo metro cuyo brazo mmóóvil se mueve de acuerdo con el valor de la variable vil se mueve de acuerdo con el valor de la variable del proceso.del proceso.El corazEl corazóón del circuito es el n del circuito es el relerele de equilibrio. Consiste de equilibrio. Consiste en una armadura ligera en forma de U que pivotea en su en una armadura ligera en forma de U que pivotea en su centro entre dos bobinados de control; posee una lamina centro entre dos bobinados de control; posee una lamina con un contacto mcon un contacto móóvil que flota entre dos contactos fijos vil que flota entre dos contactos fijos conectados a las bobinas del motor a travconectados a las bobinas del motor a travéés de final de s de final de carrera.carrera.


CIRCUITO PROPORCIONALCIRCUITO PROPORCIONALSi las posiciones de los brazos mSi las posiciones de los brazos móóviles en los dos potenciviles en los dos potencióómetros, metros, el de controlador y el del motor corresponden, la corriente que el de controlador y el del motor corresponden, la corriente que fluye fluye en los dos bobinados de control es la misma y la armadura del en los dos bobinados de control es la misma y la armadura del relerelede equilibrio permanece neutra. Por el contrario, si varia la sede equilibrio permanece neutra. Por el contrario, si varia la seññal de al de salida del controlador, el brazo msalida del controlador, el brazo móóvil de su potencivil de su potencióómetro cambia metro cambia de posicide posicióón, variando la corriente de paso entre los dos bobinados n, variando la corriente de paso entre los dos bobinados de control. La armadura bascula y el contacto mde control. La armadura bascula y el contacto móóvil cierra el circuito vil cierra el circuito de excitacide excitacióón de uno de los bobinados del motor con lo cual gira en n de uno de los bobinados del motor con lo cual gira en el sentido correspondiente hasta que la posiciel sentido correspondiente hasta que la posicióón de l brazo mn de l brazo móóvil vil de su potencide su potencióómetro se correspondan con la del controlador; en metro se correspondan con la del controlador; en este instante la armadura queda equilibrada y el motor se para. este instante la armadura queda equilibrada y el motor se para.


PistonesPistones


El pistEl pistóón es un cilindro abierto por su base inferior, n es un cilindro abierto por su base inferior, cerrado en la superior y sujeto a la biela en su parte cerrado en la superior y sujeto a la biela en su parte intermedia. El movimiento del pistintermedia. El movimiento del pistóón es hacia arriba y n es hacia arriba y abajo en el interior del cilindro, comprime la mezcla, abajo en el interior del cilindro, comprime la mezcla, transmite la presitransmite la presióón de combustin de combustióón al cign al cigüüeeññal a traval a travéés s de la biela, fuerza la salida de los gases resultantes de de la biela, fuerza la salida de los gases resultantes de la combustila combustióón en la carrera de escape y produce un n en la carrera de escape y produce un vacvacíío en el cilindro que o en el cilindro que ““aspiraaspira”” la mezcla en la carrera la mezcla en la carrera de aspiracide aspiracióón. n.

El pistEl pistóón, que a primera vista puede parecer n, que a primera vista puede parecer de las piezas mas simples, ha sido y es una de las que de las piezas mas simples, ha sido y es una de las que ha obligado a un mayor estudio. Debe ser ligero, de ha obligado a un mayor estudio. Debe ser ligero, de forma que sean mforma que sean míínimas las cargas de inercia, pero a nimas las cargas de inercia, pero a su vez debe ser lo suficientemente rsu vez debe ser lo suficientemente ríígido y resistente gido y resistente para soportar el calor y la presipara soportar el calor y la presióón desarrollados en el n desarrollados en el interior de l la cinterior de l la cáámara de combustimara de combustióón.n.


Veamos en esta oportunidad algunos tipos de pistones Veamos en esta oportunidad algunos tipos de pistones SealedSealed PowerPower de Federal de Federal MogulMogul que les proporcionarque les proporcionarááuna mejor comprensiuna mejor comprensióón de las caractern de las caracteríísticas, beneficios sticas, beneficios y materiales de estos pistones para su correcta y materiales de estos pistones para su correcta aplicaciaplicacióón.n.Comenzaremos por los materiales. Los pistones de los Comenzaremos por los materiales. Los pistones de los motores actuales usan como elemento principal el motores actuales usan como elemento principal el aluminio, por ser un metal con amplias cualidades.aluminio, por ser un metal con amplias cualidades.En la fabricaciEn la fabricacióón de los pistones, al aluminio se le n de los pistones, al aluminio se le agregan otros elementos para obtener formulas agregan otros elementos para obtener formulas adecuadas que proporcionan las caracteradecuadas que proporcionan las caracteríísticas sticas particulares necesarias segparticulares necesarias segúún el tipo y aplicacin el tipo y aplicacióón del n del motor. Estas aleaciones son las que permiten obtener motor. Estas aleaciones son las que permiten obtener un producto de alta calidad como es el caso de los un producto de alta calidad como es el caso de los pistones pistones SealedSealed PowerPower..


TIPOS DE PISTONES:TIPOS DE PISTONES:

Pistones de aluminio fundido (Sufijos P, NP)Pistones de aluminio fundido (Sufijos P, NP)

Uno de los procesos mUno de los procesos máás antiguos y as antiguos y aúún vigente, es el de n vigente, es el de la fundicila fundicióón de lingotes de aluminio en grandes Crisoles (donde se n de lingotes de aluminio en grandes Crisoles (donde se calientan los metales hasta que se funden o pasan de scalientan los metales hasta que se funden o pasan de sóólido a lido a llííquido) que luego se vacquido) que luego se vacíían en moldes enfriados por agua bajo an en moldes enfriados por agua bajo sistemas especiales. sistemas especiales.

Posteriormente, comienza el proceso de mecanizado, Posteriormente, comienza el proceso de mecanizado, efectuado por diferentes maquinarias controladas por computadoraefectuado por diferentes maquinarias controladas por computadoras s y por y por úúltimo pasan por una serie de procesos tltimo pasan por una serie de procesos téérmicos que les dan rmicos que les dan las propiedades requeridas por las empresas fabricantes de equiplas propiedades requeridas por las empresas fabricantes de equipo o original. Estos mismos pistones de la marca original. Estos mismos pistones de la marca SealedSealed PowerPower son los son los que tienen los vehque tienen los vehíículos que salen de la fabrica y son los mismos culos que salen de la fabrica y son los mismos ofrecidos en las ofrecidos en las repuesterasrepuesteras como piezas de reposicicomo piezas de reposicióón.n.


Pistones forjados a presiPistones forjados a presióón (Sufijo F)n (Sufijo F)

En En ééste proceso se utilizan trozos de barras de aleaciones de ste proceso se utilizan trozos de barras de aleaciones de aluminio cortados a la medida y sometidos a presiones de hasta aluminio cortados a la medida y sometidos a presiones de hasta 3000 toneladas de fuerza.3000 toneladas de fuerza.

En los troqueles se forja con exactitud las dimensiones del pisEn los troqueles se forja con exactitud las dimensiones del pisttóón y n y las ranuras de los anillos con maquinados a precisilas ranuras de los anillos con maquinados a precisióón para brindar n para brindar optima calidad y confiabilidad en el uso de estos, tanto en motooptima calidad y confiabilidad en el uso de estos, tanto en motores res de uso diario como de trabajos pesados eh incluso en los motoresde uso diario como de trabajos pesados eh incluso en los motores

de autos de competenciasde autos de competencias


Pistones Pistones HipereutecticosHipereutecticos (Prefijo H)(Prefijo H)

Estos pistones son fabricados con modernos sistemas de la mEstos pistones son fabricados con modernos sistemas de la máás s alta tecnologalta tecnologíía metala metalúúrgica en la cual se emplean nuevas rgica en la cual se emplean nuevas formulaciones que permiten agregar una mayor cantidad de silicioformulaciones que permiten agregar una mayor cantidad de silicio, , logrlográándose una expansindose una expansióón molecular uniforme de los elementos n molecular uniforme de los elementos utilizados en su composiciutilizados en su composicióón. n.

Esta tEsta téécnica de manufactura proporciona a cnica de manufactura proporciona a ééstos pistones stos pistones caractercaracteríísticas especiales, tales como soportar mayor fuerza, sticas especiales, tales como soportar mayor fuerza, resistencia y control de la dilataciresistencia y control de la dilatacióón a temperaturas altas, n a temperaturas altas, disminuyendo el riesgo de que el pistdisminuyendo el riesgo de que el pistóón se pegue o agarre en el n se pegue o agarre en el cilindro, la vida cilindro, la vida úútil es mayor ya que las ranuras de los anillos y el til es mayor ya que las ranuras de los anillos y el orificio del pasador del pistorificio del pasador del pistóón son mn son máás duraderas, adems duraderas, ademáás se s se pueden instalar en los nuevos motores e igualmente se usan en pueden instalar en los nuevos motores e igualmente se usan en motores de amotores de añños anteriores. Esta particular tecnologos anteriores. Esta particular tecnologíía de los a de los pistones pistones SealedSealed PowerPower se impone en especial para las nuevas se impone en especial para las nuevas generaciones de motores de alta compresigeneraciones de motores de alta compresióón. Al usar pistones con n. Al usar pistones con prefijo prefijo ““HH”” su reparacisu reparacióón sern seráá confiable.confiable.


Pistones con capa de recubrimiento (Sufijo C)Pistones con capa de recubrimiento (Sufijo C)

Los primeros minutos de funcionamiento de un motor nuevo o Los primeros minutos de funcionamiento de un motor nuevo o reparado son cruciales para la vida del motor. Los pistones de lreparado son cruciales para la vida del motor. Los pistones de la a marca marca SealedSealed PowerPower han estado a la vanguardia de la tecnologhan estado a la vanguardia de la tecnologíía a del recubrimiento de las faldas del pistdel recubrimiento de las faldas del pistóón. n.

Inicialmente se utilizInicialmente se utilizóó el estael estañño (o (ééste le da un color opaco figura 3) ste le da un color opaco figura 3) pero por ser nocivo a la salud ha sido eliminado por los fabricapero por ser nocivo a la salud ha sido eliminado por los fabricantes ntes de pistones. En sustitucide pistones. En sustitucióón se estn se estáá aplicando el nuevo aplicando el nuevo recubrimiento recubrimiento antianti--friccifriccióón compuesto por molibdeno y grafito en las n compuesto por molibdeno y grafito en las faldas (dfaldas (dáándole un color negrondole un color negro


BIBLIOGRAFIA:BIBLIOGRAFIA:

InstrumentaciInstrumentacióón Industrial, A. n Industrial, A. CreusCreus, , EditEdit. . MarcomboMarcombo..ProcessProcess control control instrumentationinstrumentationtechnologytechnology, , CurtisCurtis D. D. JohnsonJohnson, , EditEdit. . PrenticePrentice Hall.Hall.

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