Salvador de las Heras 1

Transcripción

1 3. Actuadores Cilindros. Motores. Tipos. Características. Dinámica. Clasificación El término actuadores hidráulicos se utiliza en aquellos componentes mecánicos destinados a transformar la energía hidráulica de presión y caudal en trabajo mecánico en la etapa de salida de un STEO. Según la forma con la que se entrega el trabajo, los actuadores oleohidrálicos se clasifican en: Actuadores lineales o cilindros. La potencia mecánica que desarrollan se define por el producto de fuerza y velocidad lineal. Actuadores rotativos y motores. La potencia mecánica que desarrollan se define por el producto de par y velocidad angular. Actuadores/ Clasificación 1

2 Actuadores line ineales El cilindro hidráulico es el elemento final de los sistemas de transmisión de energía oleohidráulica en la mayoría de aplicaciones. Los cilindros actúan, por lo que son llamados comúnmente actuadores hidráulicos. Su concepción tecnológica básica es la de de camisa-émbolo émbolo-vástago vástago. Nota: Para llevar a buen término técnica y económicamente el diseño, fabricación o mantenimiento de un cilindro hidráulico, conviene atenerse a las Normas y recomendaciones existentes, que aportan experiencia y economía. Actuadores/ Lineales Principio de func uncionamiento Si el caudal de entrada al actuador es Q 1,el que sale es Q 2 y viceversa. Al recorrido total se denomina carrera. En caso contrario El émbolo avanzará si retrocederá hasta el la fuerza de presión contorno anterior. (p 1 A 1 p 2 A 2 ) es A 1 y A superior a la fuerza exterior aplicada al vástago (F). actuador respectivamente. Actuadores/ Lineales/ Principio de funcionamiento y A 2 son las áreas del émbolo y de la sección anular formada entre el émbolo y el vástago, es decir, las áreas de trabajo de la antecámara y de la poscámara del 2

3 Diseño y selección Además de la carrera y las áreas de los cilindros hidráulicos, se ha de tener presente que: Los cilindros hidráulicos han de comprobarse a flexión lateral. El guiado del cilindro se puede realizar mediante guías internas o externas. Es conveniente evitar en lo posible las fugas de fluido a presión entre cámaras o hacia el exterior. Las juntas, las características elásticas del fluido y de la instalación perfilan la dinámica del sistema. Las sujeciones y los elementos de guiado y juntas sufren fatiga mecánica. Conviene limitar el calentamiento extremo del aceite. Actuadores/ Lineales/ Diseño y selección Tipos Los actuadores hidráulicos se dividen en: Cilindros de simple efecto. Cilindros de doble efecto. Los cilindros de simple efecto requieren de una fuerza exterior para retornar a su posición inicial. El cilindro de doble efecto puede desplazar una carga en ambos sentidos mediante la entrada de caudal a presión. La variedad de aplicaciones que utilizan un mismo principio de funcionamiento hace que se creen múltiples diseños de actuadores lineales: émbolos con vástago por cada extremo, sin vástago, émbolo fijo y cilindro móvil, telescópicos, diferenciales, etc. Predomina el uso de émbolo de sección circular con camisa tubular y redonda por razones económicas y de mantenimiento. Actuadores/ Lineales/ Tipos 3

4 Simple efecto En el actuador de simple acción la fuerza desarrollada actúa en un sólo sentido. Su uso se extiende en la práctica a aplicaciones específicas. Por ejemplo, en la elevación de prensas el propio peso que gravita sobre el actuador garantiza el retorno. Retorno sin muelle. Retorno con muelle. Actuadores/ Lineales/ Simple efecto Doble efecto En los cilindros de doble acción hay dos cámaras sometidas a las presiones, p 1 y p 2, que hacen que el cilindro se mueva en un sentido u otro. El vástago hace que el dispositivo sea asimétrico con respecto a las presiones que se necesitan para obtener el mismo esfuerzo a izquierda y a derecha. Sin amortiguación interna. Con amortiguación interna, regulable en ambos sentidos. Actuadores/ Lineales/ Doble efecto 4

5 Otros Diferencial Telescópico Tándem De doble vástago Los cilindros de acción diferencial son cilindros de doble acción en los que la sección del vástago es la mitad de la superficie del émbolo. Son cilindros muy robustos que responden muy bien a solicitaciones de pandeo y que los hace ideales para carreras largas. El vástago de los cilindros telescópicos se forma de varios cilindros que pueden quedar recogidos unos en otros. De esta forma se pueden conseguir carreras mayores sin penalizar el espacio de montaje, ya que la carrera total del cilindro puede ser varias veces superior a su elongación en reposo. Cada uno de los cilindros recibe el nombre de fase. Los cilindros tándem se construyen montando en serie dos cilindros sobre un mismo vástago. Con este tipo de construcción se pueden realizar esfuerzos mayores sin incrementar la presión de trabajo. En estos cilindros el émbolo es solidario de dos vástagos que atraviesan ambas tapas laterales. Se consigue con ello que las áreas de empuje a ambos lados del émbolo sean iguales. Esta circunstancia permite que la velocidad de salida y entrada del cilindro sean iguales para un mismo caudal. Doble efecto No disponible Sin amortiguación Actuadores/ Lineales/ Otros Ciego Los cilindros ciegos son cilindros de simple efecto en los que las áreas del émbolo y del vástago son iguales. Un ejemplo de estos cilindros es el gato hidráulico. Multiplicador de presión Rotativo de cremallera Rotativo de paletas Este es un tipo de cilindro lineal que no se usa como elemento final de un accionamiento sino para aumentar la presión de la instalación. Su funcionamiento se entiende de su esquema. Están formados por un vástago solidario de dos émbolos. La presión que actúa sobre uno de los émbolos se observa en el émbolo opuesto amplificada. Un cilindro rotativo es un cilindro de simple o doble efecto conectado a una cremallera que engrana sobre una rueda dentada. Se consigue de esta forma convertir un movimiento lineal en rotativo, pudiéndose transformar el cilindro lineal en cilindro de giro. La construcción de este tipo de actuador no es lineal, pero se ha incluido en este apartado por asociación con los actuadores rotativos de cremallera. Este actuador provee de una salida rotativa de ángulo de giro finito pero con un par instantáneo muy elevado. Consisten en una o varias cámaras donde el fluido a presión actúa sobre unas superficies móviles solidarias del eje de salida. Actuadores/ Lineales/ Otros 5

6 Componentes de los cilindros Los componentes básicos de los cilindros son: La camisa, con sus tapas a ambos extremos. El émbolo. El vástago. Otros son: Juntas. Rascadores. Guías. Actuadores/ Lineales/ Componentes Balance de fuerzas Sobre un cilindro hidráulico de doble efecto en movimiento de avance, la ecuación de equilibrio dinámico se expresa: p A p A F mx F f donde p 1 A 1,es la fuerza de presión de impulsión en la cámara 1 p 2 A 2,es la fuerza de contrapresión antagonista en la cámara 2 F, es la fuerza útil o disponible en el vástago, opuesta al movimiento mx,es la fuerza inercial de aceleración o frenado F f,es la fuerza resistiva de rozamiento Actuadores/ Lineales/ Balance de fuerzas 6

7 Equilibrio dinámicoico Se dice que el movimiento de un cilindro es en régimen permanente cuando la velocidad se mantiene constante. Esta circunstancia no ocurre durante toda la carrera del cilindro debido a las etapas de aceleración en el arranque y en el frenado del movimiento. Los esfuerzos que pueden generarse durante el frenado son tan elevados que casi siempre se usan medios para la amortiguación, ió sean éstos internos o externos al cilindro. En general, son convenientes para velocidades de traslación mayores a 0,1m/s e incluso menores si la masa arrastrada es considerable. Actuadores/ Lineales/ Equilibrio dinámico Motores oleohidráulicos Los motores oleohidráulicos reconvierten la energía hidráulica en mecánica rotativa de giro continuo. El aceite a presión fuerza el movimiento de su mecanismo interno haciendo girar el eje de salida. Los motores pueden ser bidireccionales o unidireccionales, y sus principales diseños coinciden con los de las bombas. Hay por tanto, motores de engranajes, de paletas y de pistones. Símbolos de motores hidráulicos. De izquierda a derecha: no reversible o unidireccional, reversible o bidireccional, y reversible de cilindrada variable. Actuadores/ Motores 7

8 Aplicaciones Los motores oleohidráulicos son muy usuales en maquinaria industrial, puentes grúa, en sistemas de inyección de plástico, y en la tracción de vehículos de obras públicas. Los motores hidráulicos no tienen rival en aquellas aplicaciones donde se requieran pares espectaculares a bajas velocidades, como en las perforadoras de túneles, por ejemplo. Su uso en transmisiones hidrostáticas está muy extendido. Nota: Para llevar a buen término técnica y económicamente el diseño, fabricación o mantenimiento de un motor hidráulico, conviene atenerse a las Normas y recomendaciones existentes, que aportan experiencia y economía. Actuadores/ Motores/ Aplicaciones Principio de funcionamiento Se puede decir que los motores son bombas que trabajan en sentido inverso. Son muchas las bombas hidráulicas de desplazamiento positivo que pueden trabajar como motores sin apenas cambios. Se han de tomar precauciones cuando se desee utilizar una bomba como motor. No todas las bombas están preparadas para resistir presiones elevadas en su lumbrera de aspiración o para drenar las fugas internas a tanque. Los caudales de entrada y salida se pueden considerar idénticos. En realidad existe una pequeña diferencia debida al efecto de la compresibilidad del aceite que en la mayoría de ocasiones puede omitirse. Actuadores/ Motores/ Principio de funcionamiento 8

9 La relación funcional que se observa entre el caudal y las revoluciones de salida es, sin pérdidas y en unidades SI: Q C El par entregado en el eje de salida sin pérdidas es: M C (p p ) V V E S Actuadores/ Motores/ Principio de funcionamiento Tipos Los motores oleohidráulicos suelen clasificarse según su velocidad de giro en: motores lentos, de baja velocidad (entre 1 y 300 rpm) y par elevado; y motores rápidos, de alta velocidad (entre 100 y rpm) y bajo par. La cilindrada de los motores lentos es mayor que en los motores rápidos. Los motores lentos normalmente desarrollan una potencia mayor. Actuadores/ Motores/ Tipos 9

10 Engranajes Gerotor Paletas Un motor de engranajes desarrolla par debido a la acción del aceite a presión sobre la superficie de los dientes de dos piñones. Las principales ventajas de un motor de engranajes externos son la sencillez de su diseño y su consiguiente bajo coste. Existen también motores de engranajes internos y de tornillo helicoidal. Los motores de engranajes internos permiten el trabajo a mayor presión y velocidad. Los de tornillo usan tres tornillos de los cuales sólo uno está unido al eje de salida y son muy silenciosos. Los motores gerotor u orbitales están muy extendidos en la industria de la automoción. Este motor está constituido por un rotor que gira en el interior de una corona dentada excéntrica. Sus prestaciones son excelentes a bajas velocidades. En los motores de paletas el par se desarrolla por la acción de la presión sobre la superficie expuesta de unas paletas que se deslizan en el interior de un rotor conectado al eje de salida. Las paletas han de mantenerse en contacto con la pared interior de la carcasa durante todo el régimen de funcionamiento (en caso contrario el aceite fluiría sin realizar trabajo). La fuerza centrífuga no resulta suficiente cuando el motor está comenzando a girar o si lo hace a bajas vueltas. Actuadores/ Motores/ Tipos Pistones axiales Pistones radiales Los motores de pistones axiales pueden ser de desplazamiento constante o variable. Como en las bombas de pistones axiales, coexisten dos diseños tipo: de pistones en línea, y de eje inclinado. La velocidad y el par generado por un motor de pistones axiales dependen del ángulo formado por la placa (diseños en línea) o el bloque de cilindros (motores de eje inclinado) y el eje. A mayor ángulo, mayor par y menor velocidad de giro. Estos motores son los más eficientes de todos los motores hidráulicos, y pueden trabajar con los intervalos más grandes de presiones, caudales y revoluciones. Los motores de pistones radiales suelen utilizarse en la tracción de vehículos. De hecho, algunos diseños especiales vienen preparados para ser montados directamente en ruedas de tractores y otros vehículos pesados. Estos diseños les permiten comunicar el par adecuado desde revoluciones muy bajas hasta el máximo posible. Tanto es así, que pueden usarse como freno dinámico principal a expensas del sistema clásico de freno. Merece una atención especial la versión dual del motor de pistones radiales. La dualidad de su funcionamiento se consigue al alimentar de aceite a presión la mitad de las lumbreras, lo que aumenta al doble la velocidad y reduce a la mitad de par mecánico. Su funcionamiento es muy silencioso y fiable. Actuadores/ Motores/ Tipos 10

11 Características s funcional nales Los motores hidráulicos son actuadores muy robustos y de una relación potencia/peso muy alta. El nivel de esfuerzos que pueden realizar es muy elevado y su velocidad de giro es casi insensible a la carga. Los cambios en la carga van asociados a cambios en la presión de trabajo que pueden ser perjudiciales. Motor Desplazamiento volumétrico Presiones máximas Par máximo Intervalo de revoluciones [cm 3 /rev] [bar] [Nm] [rpm] Engranajes Gerotor Paletas Pistones Actuadores/ Motores/ Características Capacidad volumétrica, C V La capacidad volumétrica de un motor hidráulico es el volumen de fluido que el motor acoge por revolución. q n 0 0 C donde las unidades deben ser congruentes entre sí. V Por ejemplo, si las unidades de C V son cm 3 /rev y las de n son rpm, el caudal q 0 de la expresión anterior debe estar en cm 3 /min. n 0 son las revoluciones de giro del motor en vacío. Actuadores/ Motores/ C V 11

12 Curva característica Se muestra el par en función de las revoluciones de salida. Se superponen las isobaras de presiones y las curvas de rendimiento constante. c-c típica de un motor oleohidráulico (modelo de pistones radiales de baja velocidad- Marca Vickers). Las zonas sombreadas indican las regiones de trabajo del motor (límites de presión y potencia). Actuadores/ Motores/ c-c Rendimientos El rendimiento total de un motor hidráulico es: TOT (pe p S )q donde: M, es el par del accionamiento, en [Nm],, es la velocidad del accionamiento mecánico, en [s - 1 ] q, es el caudal volumétrico impulsado, en [m 3 /s] p E, es la presión en la entrada, en [Pa] p S, es la presión a la salida, en [Pa] Rendimiento mecánico: M Rendimiento volumétrico: mec 1 M C (p p ) C q V V V E S Actuadores/ Motores/ Rendimientos 12

13 Se debe considerar que: Al aumentar el par que entrega un motor de cilindrada constante aumenta la presión de trabajo. Las revoluciones del motor no cambian si no lo hace el caudal. Si se disminuye la capacidad volumétrica del motor sin cambiar el caudal, la velocidad puede aumentar por encima de la velocidad máxima prescrita por el fabricante del motor. El funcionamiento de un motor hidráulico depende de la estanqueidad que se consiga del lado presurizado del motor. Los motores de engranajes tienen rendimientos del orden del 70%. El rendimiento de los motores de paletas ronda el 80%. Los motores de pistones son los de mayor rendimiento con valores próximos al 95%. Actuadores/ Motores/ Rendimientos Frecuencia propia Sistemas con actuadores lineales La rigidez hidráulica en los cilindros de doble efecto es: 2 2 A1 A2 = 1+ 2 = B + A L + V A L + V 1 1 L1 2 2 L2 La rigidez de un cilindro hidráulico es variable en función de la carrera. Actuadores/ Motores/ Frecuencia propia/ Actuadores lineales 13

14 Si y es el desplazamiento unitario del cilindro de carrera total L, y es =A 2 /A 1, la rigidez hidráulica es: = B A 1 + y L A + V L ( 1- y) A + V 1 L1 1 L2 1 Rigidez normalizada ,25 0,5 1 Sin el volumen de las conducciones, la rigidez mínima es: min B A L 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Carrera unitaria, y Rigidez hidráulica de un cilindro hidráulico en función de y para diferentes valores de.. Volumen en los conductos de conexión nulo. La rigidez normalizada es / min. Actuadores/ Motores/ Frecuencia propia/ Actuadores lineales En las aplicaciones usuales se utiliza con un aceptable margen de seguridad la regla del tres: << La frecuencia máxima de trabajo del cilindro no sobrepasará el tercio de su frecuencia propia mínima. >> 1 1 min Esto es: fmax f p 3 6 m ac 9 3 El tiempo mínimo de aceleración será: tmin f f p p Actuadores/ Motores/ Frecuencia propia/ Actuadores lineales/ R3 14

15 Frecuencia propia Sistemas con motores hidráulicos La frecuencia propia de un sistema formado por un motor oleohidráulico que accione una inercia de valor J, es (unidades SI): f p BC 2 1 V V J T donde: V V V C T L1 L2 V Actuadores/ Motores/ Frecuencia propia/ Motores oleohidráulicos FIN? 15