TECNOLOGICO NACIONAL DE MEXICOINSTITUTO TECNOLGICO DE TUXTLA GUTIERREZ

CARRERAING. MECNICA

TRABAJOACTUADORES NEUMTICOS E HIDRULICOSCRITERIOS DE SELECCIN Y ECUACIONES.

UNIDAD II

MATERIA:AUTOMATIZACIN INDUSTRIAL

PRESENTAVILLARREAL LVAREZ EDNNo. DE CONTROL12270087

CATEDRATICOING. MARIO TOLEDO MARTNEZ

TUXTLA GUTIRREZ, CHIAPAS, A 20 DE ABRIL DEL 2015

NDICE

INTRODUCCIN31.CRITERIOS DE SELECCIN PARA CILINDROS Y MOTORES41.1 ACTUADORES NEUMTICOS41.1.1 ACTUADORES NEUMTICOS LINEALES41.1.2 OTROS TIPOS DE CILINDROS61.1.3 ACTUADORES NEUMTICOS GIRATORIOS71.2 ACTUADORES HIDRULICOS101.2.1 ACTUADORES HIDRULICOS LINEALES101.2.2 ACTUADORES HIDRULICOS ROTATIVOS132.CALCULO DE CILINDROS Y MOTORES NEUMTICOS142.1 CONSUMO DE AIRE COMPRIMIDO142.2 POTENCIA DESARROLLADA POR UN MOTOR NEUMTICO15EJERCICIOS DE CALCULO DE POTENCIA DE UN MOTOR NEUMATICO Y CONSUMO DE AIRE COMPRIMIDO16CUADRO COMPARATIVO. ACTUADORES NEUMTICOS E HIDRULICOS18FUENTES DE INFORMACIN19

INTRODUCCIN

Los actuadores son dispositivos capaces de generar una fuerza a partir de lquidos y gases. El actuador recibe la orden de un regulador o controlador y da una salida necesaria para activar a un elemento final de control como lo son las vlvulas. Pueden ser hidrulicos o neumticos.

Los actuadores hidrulicos se emplean cuando lo que se necesita es potencia, y los neumticos son simples posicionamientos. Sin embargo, los hidrulicos requieren demasiado equipo para suministro de energa, as como de mantenimiento peridico. Por otro lado, las aplicaciones de los modelos neumticos tambin son limitadas desde el punto de vista de precisin y mantenimiento.

El trabajo realizado por un actuador neumtico 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.

Los actuadores se dividen en 2 grande grupos: cilindros y motores.

1. CRITERIOS DE SELECCIN PARA CILINDROS Y MOTORES

Aunque en esencia los actuadores neumticos e hidrulicos son idnticos, los neumticos tienen un mayor rango de compresin y adems existen diferencias en cuanto al uso y estructura.

1.1 ACTUADORES NEUMTICOS1.1.1 ACTUADORES NEUMTICOS LINEALES

El cilindro neumtico consiste en un cilindro cerrado con un pistn en su interior que desliza y que transmite su movimiento al exterior mediante un vstago.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. 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. Tipos de cilindros de simple efecto: Cilindros de mbolo, cilindros de membrana, cilindros de membrana enrollable.

Fig. 1. Cilindro De Simple Efecto.Cilindros de doble efecto, con dos entradas de aire para producir carreras de trabajo de salida y retroceso.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.Los actuadores lineales de doble efecto son los componentes ms habituales en el control neumtico. Esto es debido a que: 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.

Fig. 2. Cilindro De Doble Efecto.

1.1.2 OTROS TIPOS DE CILINDROS

Cilindro neumtico de fuelleTambin conocido como motor neumtico de fuelle, incorpora un cilindro de doble efecto, un sistema de accionamiento de vlvula de control direccional y dos tornillos de regulacin de velocidad de avance y retroceso. Cilindro neumtico de impacto El vstago de este cilindro se mueve a una velocidad elevada del orden de los 10 m/s y esta energa se emplea para realizar trabajos de marcado de bancadas del motor, de perfiles de madera, de componentes electromecnicos y trabajos en presas de tiempo embuticin, estampado, remachado, doblado, etc.

Cilindro neumtico sin vstago Cuando el espacio disponible para el cilindro es limitado, el cilindro neumtico sin vstago es la eleccin. Puede tener una carrera relativamente larga de unos 800 mm y mayor.

Cilindro neumtico guiado Uno de los problemas que presentan los cilindros convencionales es el movimiento de giro que puede sufrir el vstago, ya que el pistn, el vstago y la camisa del cilindro son de seccin circular, por lo que ninguno de ellos evita la rotacin. En algunas aplicaciones la rotacin libre no es tolerable por lo que es necesario algn sistema anti giro. Uno de los sistemas que aparte de la funcin anti giro tiene otras ventajas es el cilindro neumtico guiado que contiene dos o ms pistones con sus vstagos, lo que da lugar a una fuerza doble de la de los cilindros convencionales.

Cilindros de doble efecto multiposicin. Consisten en dos o ms cilindros de doble efecto acoplados en serie. Dos cilindros con carreras diferentes permiten obtener cuatro posiciones diferentes del vstago.

Cilindros tndem Est constituido por dos cilindros de doble efecto que forman una unidad. Gracias a esta disposicin, al aplicar simultneamente presin sobre los dos mbolos se obtiene en el vstago una fuerza de casi el doble de la de un cilindro normal para el mismo dimetro.1.1.3 ACTUADORES NEUMTICOS GIRATORIOS

Los actuadores rotativos o giratorios 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 Motores neumticos

Actuadores de giro limitado 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).

Actuador De PaletaEl 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.

Fig. 3. Actuador De Paleta.

Los cilindros que funcionan como actuadores giratorios, de giro limitado, son el cilindro giratorio de pistn-cremallera-pin en el que el movimiento lineal del pistn es transformado en un movimiento giratorio mediante un conjunto de pin y cremallera y el Cilindro de aletas giratorias de doble efecto para ngulos entre 0 y 270.

Fig. 4. Actuador Pion-Cremallera.

Motores NeumticosProporcionan un movimiento rotatorio constante. Se caracterizan por proporcionar un elevado nmero de revoluciones por minuto.Motores de aire comprimido Su ngulo de giro no est limitado, hoy es uno de los elementos de trabajo ms empleados que trabajan con aire comprimido. Tipos de motores -Embolo -Aletas -Engranajes

Motores De mbolo Su accionamiento se realiza por medio de cilindros de movimiento alternativo, el aire comprimido acciona a travs de una biela el cigeal del motor. La potencia de estos motores depende: a) De la presin de entrada b) Del nmero de mbolos c) De la superficie y velocidad de los mbolos.Existen dos tipos de motores de mbolos a) Motor de mbolo axial b) Motor de mbolo radial

El funcionamiento de ambos es idntico. Constan de cinco cilindros dispuestos axialmente, la fuerza se transforma por medio de un plato oscilante en un movimiento rotativo. El aire lo reciben dos cilindros simultneamente al objeto de equilibrar el par y obtener un funcionamiento normal. Estos motores se ofrecen para giro a derechas y a izquierdas.

Fig. 5. Motor De Embolo Radial Y Axial Respectivamente.

Motores De Aletas Son de construccin sencilla y por tanto de reducido peso, constan de un rotor excntrico dotado de ranuras, el cual gira en una cmara cilndrica. En las ranuras se deslizan unas aletas, que son empujadas contra la pared interior del cilindro por el efecto de la fuerza centrfuga, y en otros casos por medio de resortes o muelles, garantizndose as la estanqueidad de las diversas cmaras. Es suficiente una pequea cantidad de aire para empujar las aletas, y se va dilatando a medida que el volumen de la cmara aumenta.

Fig. 6. Motor De Aletas.

Motor de engranajes En estos motores, el par de rotacin es generado por la presin que ejerce el aire sobre los flancos de los dientes de los piones engranados, uno de los piones es solidario con el eje del motor. Estos motores se utilizan generalmente en mquinas propulsores de gran potencia, su sentido de rotacin es reversible.

1.2 ACTUADORES HIDRULICOS1.2.1 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.

Fig. 7. Cilindro Hidrulico De Simple Efecto.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.

Fig. 8. Cilindro Hidrulico De Doble Efecto.

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.

Fig. 9, Cilindro Hidrulico Telescpico.Otros elementos en los cilindros son: Sellos Los sellos se usan en diferentes partes del cilindro. 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.

Fig. 10. Sellos En Un Cilindro Hidrulico.

AmortiguadoresCuando 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. 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.

Fig. 11. Cilindro Hidrulico Con Amortiguador.1.2.2 ACTUADORES HIDRULICOS ROTATIVOS

Motor hidrulico El motor hidrulico convierte la energa hidrulica en energa mecnica. El motor hidrulico usa el flujo de aceite enviado por la bomba y lo convierte en un movimiento rotatorio para impulsar otro dispositivo (por ejemplo, mandos finales, diferencial, transmisin, rueda, ventilador, otra bomba, etc.). Varios tipos de motores hidrulicos se usan en la industria. Proporcionan una velocidad determinada relativamente constante a travs de su variada gama de presiones. Cuando alcanzan su mximo par, su velocidad cae rpidamente debido a que el fluido hidrulico se escapa a travs de una vlvula de alivio dejando el motor sin alimentar. Entre los tipos de motores hidrulicos se encuentran: los motores de paletas, de pistn axial o radial, de engranajes y gerotor.

FIG. 11. MOTOR HIDRAULICO

2. CALCULO DE CILINDROS Y MOTORES NEUMTICOS2.1 CONSUMO DE AIRE COMPRIMIDO

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:(Ecu. 1)Con ayuda de tablas, se puede establecer los datos del consumo de aire de una manera ms sencilla y rpida. Los valores estn expresados por cm de carrera para los dimetros ms corrientes de cilindros y para presiones de 100 a 1500 kPa. (1-15 bar).Donde: Tabla 1. Componentes De La Ecuacin 1.Q Caudal nominal ( Nl / min)

S Carrera en cm.

n Carreras por minuto

q Consumo por carrera.

Tabla 2. Ejemplo De Tabla Para El Calculo De Caudales

2.2 POTENCIA DESARROLLADA POR UN MOTOR NEUMTICO

SELECCIN DEL MOTOR NEUMTICO Para calcular un motor de aire se precisan dos datos de los tres siguientes: 1- Potencia requerida 2- Velocidad en RPM necesaria para arrastrar la carga determinada 3- Par de trabajo expresado en Newton metro [Nm]

Asimismo, deben considerarse los siguientes factores: 1- Presin del aire en bar (o psig). Como la presin del sistema de alimentacin de aire puede variar durante el da debido a consumos intermitentes de otros puntos, los clculos deben hacerse con la presin ms baja prevista y asegurar la alimentacin del motor con un regulador de presin, cuya presin de salida es la presin que se tomara. 2- Alimentacin de aire suficiente para el motor, es decir, mnima prdida de carga en la tubera de alimentacin.

La potencia requerida viene determinada por la frmula:

(Ecu. 2)

Una vez calculada la potencia, se consultan las curvas de rendimiento de cada motor y se selecciona el motor cuya potencia de salida esta prxima al punto de trabajo.

EJERCICIOS DE CALCULO DE POTENCIA DE UN MOTOR NEUMATICO Y CONSUMO DE AIRE COMPRIMIDO

FIG. 12. CALCULO DE CONSUMO DE AIRE COMPRMIDO

FIG. 13. CALCULO DE POTENCIA DE UN MOTOR NEUMATICO

CUADRO COMPARATIVO. ACTUADORES NEUMTICOS E HIDRULICOS

Tabla 3. Cuadro Comparativo.CILINDROSMOTORES

NEUMTICOLos cilindros neumticos independientemente de su forma constructiva, representan losactuadores ms comunes que se utilizan en los circuitos neumticos. Existen dos tipos fundamentales de los cuales derivan construccionesespecialesCilindros de simple efectoCilindros de doble efectoLos actuadores rotativos o giratorios son los encargados de transformar la energa neumtica en energa mecnica de rotacin.Motores neumticos Proporcionan un movimiento rotatorio constante. Se caracterizan por proporcionar un elevado nmero de revoluciones por minuto.

HIDRULICOLos 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.El motor hidrulico convierte la energa hidrulica en energa mecnica. El motor hidrulico usa el flujo de aceite enviado por la bomba y lo convierte en un movimiento rotatorio para impulsar otro dispositivo.Proporcionan una velocidaddeterminada relativamenteconstante a travs de su variada gama de presiones. Cuando alcanzan su mximo par, su velocidad cae rpidamente debido a que el fluido hidrulico se escapa a travs de una vlvula de alivio dejando el motor sin alimentar.

FUENTES DE INFORMACIN

Deppert W, Stoll K., Dispositivos Neumticos, Marcombo 1992

Salvador Millan. Calculo Y Diseo De Circuitos En Aplicaciones Neumaticas. Alfaomega. 1998. Bogot Colombia.

Cursos AIU. Actuadores Neumticos E Hidrulicos. Disponible en http://cursos.aiu.edu/sistemas%20hidraulicas%20y%20neumaticos/pdf/tema%204.pdf Consultado el 12 de Abril del 2015.