Guía de Estudio: Actuadores

1. Introducción a los Actuadores

Definición: Los actuadores son dispositivos que transforman energía (hidráulica, neumática o eléctrica) en un proceso mecánico, automatizando tareas industriales. Son esenciales en sistemas de control para activar elementos finales como válvulas.

Funciones principales:

• Reciben órdenes de controladores o reguladores.
• Generan efectos sobre procesos automatizados.

Importancia del cálculo: Los cálculos previos de fuerzas, intensidades eléctricas y momentos de giro son fundamentales para evitar fallos estructurales en máquinas o sistemas.

Simulaciones: Herramientas como FluidSIM® permiten simular el funcionamiento de actuadores antes de construir prototipos costosos. Esto facilita la mejora del diseño y la formación de estudiantes.

Aplicaciones: Desde sistemas industriales hasta sectores como la aeronáutica o la arquitectura.

2. Actuadores Neumáticos e Hidráulicos

2.1. Actuadores Neumáticos

Función: Transforman la energía contenida en aire comprimido en energía cinética o mecánica. Son muy utilizados por su robustez, fácil instalación y relación precio-rendimiento.

Tipos de movimiento:

• Movimiento recto (lineal):
  • Cilindro de simple efecto: Solo recibe aire comprimido en un lado, lo que permite trabajo en un único sentido. El retroceso es provocado por un muelle o una fuerza externa.
    • Características: La carrera está limitada por la longitud del cilindro (aproximadamente 80 mm).
    • Usos comunes: Sujetar, derivar, entregar y juntar piezas.
  • Cilindro de doble efecto: Funciona alimentándose de aire comprimido en ambos lados del émbolo, permitiendo trabajo en ambos sentidos. Este tipo de cilindro es muy versátil.
    • Activación: Utiliza válvulas de 5/2 o 5/3 vías.
    • Características: Realiza trabajo en avance y retroceso con fuerzas casi equivalentes.
• Movimiento giratorio (rotativo):
  • Motor neumático: Convierte aire comprimido en energía mecánica giratoria continua. Estos motores se utilizan en aplicaciones industriales como el montaje de componentes.
  • Actuador giratorio: Utiliza una aleta giratoria para transmitir fuerza al eje de salida. El ángulo de giro es ajustable entre 0° y 180°.

Tipos de actuadores neumáticos:

• Cilindro de membrana: Utiliza una membrana flexible (goma, metal o material sintético) para reducir la fricción y evitar el uso de juntas deslizantes.
• Cilindro de fuelle: Actúa mediante la expansión y compresión de un fuelle de goma. Estos cilindros no tienen partes mecánicas móviles y son ideales para aplicaciones de carrera corta como prensar o sujetar.
• Músculo neumático: Produce una fuerza axial de tracción al acortarse bajo presión. Es hasta 10 veces más potente que un cilindro neumático convencional y consume un 40% menos de energía.

Avances en cilindros neumáticos:

• Detección sin contacto: Uso de imanes para detectores magnéticos.
• Cilindros sin vástago: Ahorro de espacio en aplicaciones con limitaciones de tamaño.
• Recubrimientos protectores: Mejoras en resistencia a ambientes corrosivos.

2.2. Actuadores Hidráulicos

Función: Los actuadores hidráulicos utilizan líquidos para generar fuerza. Son ideales en aplicaciones donde se requieren grandes empujes o fuerzas de tracción.

Tipos de cilindros hidráulicos:

• Cilindros de simple efecto: El fluido actúa en una sola dirección y el retorno se debe a fuerzas externas como la gravedad.
• Cilindros telescópicos: Estos cilindros son ideales cuando se necesita una carrera larga y compacta al retraerse.
• Cilindros de doble efecto: Utilizan fluido hidráulico para mover el émbolo en ambas direcciones. Son diferenciales, lo que significa que las áreas expuestas a la presión son desiguales en el avance y el retroceso.
• Cilindros de doble vástago: Usados cuando se requiere una carga en ambos extremos. Generan la misma fuerza en ambos sentidos.

Motores hidráulicos:

• Motores de engranaje: Utilizan el principio de presión sobre los dientes de engranajes para generar torsión.
• Motores de paletas: Las paletas en un rotor crean cámaras de presión que impulsan el fluido desde la entrada hasta la salida, generando torsión. Este diseño es altamente eficiente y equilibrado.
• Motores de pistones axiales: Los pistones se mueven a lo largo de un eje y generan torsión cuando el fluido presiona sobre ellos, ideal para aplicaciones de alta potencia.

3. Cálculo de Actuadores Neumáticos e Hidráulicos

3.1. Cálculo de Actuadores Neumáticos

Fuerza del émbolo: Se basa en la presión de trabajo y el diámetro del cilindro. La fuerza efectiva debe tener en cuenta la fricción, que se estima en un 10% de la fuerza nominal.

Fórmula para fuerza teórica del émbolo:

F_th = P ⋅ A

Donde:

P = Presión (Pa o bar),

A = Superficie útil del émbolo.

Consumo de aire: Depende del tamaño del cilindro, la carrera y la frecuencia de ciclos por minuto. Se expresa en litros por minuto.

Fórmula para el cálculo de consumo de aire:

Consumo de aire = (0.987 + P_trabajo)/0.987 ⋅ A ⋅ L ⋅ n

Donde:

A = Superficie del émbolo,

L = Longitud de la carrera,

n = Ciclos por minuto.

3.2. Cálculo de Cilindros Hidráulicos

Fuerzas generadas: Calculadas con las áreas del cilindro y del vástago. La fórmula toma en cuenta la presión de operación y el área efectiva del pistón.

Fórmula para fuerza de avance:

F_avance = P ⋅ (π ⋅ D²)/4 ⋅ 0.9

Fórmula para fuerza de retroceso:

F_retroceso = P ⋅ (π ⋅ (D² – d²))/4 ⋅ 0.9

Donde:

P = Presión,

D = Diámetro interior del cilindro,

d = Diámetro del vástago.

4. Selección de Actuadores

Pasos para seleccionar un actuador:

1. Identificar el proceso a automatizar: Por ejemplo, válvulas de bola, válvulas de mariposa o compuertas.
2. Seleccionar el tipo de actuador: Neumático, eléctrico o hidráulico.
3. Determinar el torque necesario: Asegurarse de que el actuador tenga la capacidad para abrir o cerrar la válvula en el tiempo requerido sin sobredimensionar el sistema.
4. Consideraciones adicionales: Voltaje, temperatura, ángulo de maniobra, conectores, peso, etc.

5. Criterios de Selección de Actuadores

Actuadores de cuarto de vuelta: Incluyen actuadores neumáticos, eléctricos e hidráulicos, y se utilizan en aplicaciones de automatización industrial donde se requiere un control preciso de movimientos.

Parámetros a tener en cuenta:

• Voltaje: Dependiendo de la alimentación eléctrica disponible.
• Tiempo y ángulo de maniobra: Específico para la aplicación.
• Torque de maniobra: Importante para determinar la capacidad del actuador para operar válvulas o sistemas mecánicos.
• Resistencia a condiciones ambientales: Los actuadores pueden estar diseñados para ser resistentes a temperaturas extremas, polvo, humedad o entornos explosivos.

6. Aspectos adicionales a considerar

Velocidad del émbolo: Determinada por el caudal de aire o fluido, la longitud de la tubería y la presión de trabajo. En aplicaciones con grandes masas, se deben considerar sistemas de amortiguación.

Amortiguamiento: Impide que el pistón impacte de manera brusca en los extremos de la carrera, evitando daños y vibraciones. Las válvulas de escape rápido pueden aumentar la velocidad del émbolo.