Acutadores-Neumáticos

8/16/2019 Acutadores-Neumáticos

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UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS ESPE-EL

SISTEMAS HIDRAULICOS Y NEUMATICOS

Tema: Resumen de los A!uado"es Neum#!$os

ACTUADORES NEUM%TICOS

Convierten la energía del aire comprimido en trabajo mecánico generando unmovimiento lineal mediante servomotores de diafragma o cilindros, o bien unmovimiento giratorio con motores neumáticos. Su aplicación reside en las válvulasde control neumáticas en las que el servomotor está accionado por la señalneumática de 0,2 ! bar "# $ !% psi& ' act(a directamente sobre un vástago queposiciona el obturador con relación al asiento.

Fig. N° 1 Actuador Neumático

)plicaciones de dispositivos*TABLA I Aplicaciones y ejemplos de dispositivos neumáticos

D$s&os$!$'o A&l$a$ones T$&os

C$l$nd"osNeum#!$os

+uera en donde el piston 'su desplaamiento sonelevados

Cilindros de simple ' dobleefecto, tándem,multiposición, cilindroneumático guiado, sinvástago, de impacto

A!uado"esNeum#!$os

-ovimiento de los cilindrosneumáticos

Cilindro de pistón

Cremallerapiñon, depistones de dos cremalleras

M(sulosNeum#!$os

mulan el musculo /umano.-aterial que al ser alimentado con aire ejerceuna gran fuera con mu'poco recorrido

.).

Mo!o" Neum#!$o 1aletas donde un ejeec3ntrico dotado develocidad gira a gran

velocidad por el aire ' vacíalas cámaras formadas entre

Servomotores eumáticos


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las paletas del cuerpo motor

4lustraciones de dispositivos

TABLA II Resumen de ilustraciones

)ctuador eumático

Cilindroeumático

Servomotor eumáticos

-(sculoeumático

)* Se"'omo!o" Neum#!$o

l servomotor neumático "fig. 2.!& consiste en un diafragma con resorte que trabaja"con algunas ecepciones& entre 0,2 ! bar "# ' !% psi&, es decir, que las posicionesetremas de la válvula corresponden a 0,2 ! bar "# ' !% psi&.

l servomotor puede ser de dos acciones*

• 5irecta* cuando la presión de gobierno act(a en la cámara superior delservomotor, es decir, cuando la fuera sobre el diafragma es ejercida /acia

abajo.• 4ndirecta* cuando la presión de gobierno act(a en la cámara inferior del

servomotor, es decir, cuando la fuera sobre el diafragma es ejercida /aciaarriba.

)l acoplar el servomotor a la válvula, los t3rminos aplicables desde el punto de vistade seguridad son* n fallo de aire "o sin aire& la válvula cierra, o en fallo de aire "osin aire& la válvula abre.

6as válvulas pueden ser*

• )cción directa* cuando tienen que bajar para cerrar.• )cción inversa* cuando tienen que bajar para abrir.

Fig. N° Tipos de acciones en las válculas de control.


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)*)*Fue"+as en el se"'omo!o" neum#!$o

4dealmente, con una señal de 0,2 bar "# psi& la válvula debe estar en la posición 07de su carrera ' para una señal de ! bar "!% psi& en la posición !007.

• Causas de comportamientos anormales*• 8oamientos en la estopada.• 9ist3resis ' falta de linealidad del resorte.• :rea efectiva del obturador que varía con la carrera del vástago de la válvula.• sfuero en el obturador de la válvula creado por la presión diferencial del

fluido.• +uera adicional del servomotor necesaria para conseguir un cierre efectivo.

Ecuación de equilibrio de una válvula:

F a ≤ F r+ F s+ F w+ F b1∓ F b2+ F p

5onde*

• F a . +uera resultante obtenida por el servo.

• F r . +uera de roamiento en

• F s . +uera de asentamiento

• F w . +uera del obturador

• F b1 .+uera elástica del fuelle de estanqueidad

• F b2 . +uera de desequilibrio del fuelle de estanqueidad.

• F p . +uera estática ' dinámica sobre el obturador.

n una válvula de acción directa "la válvula abre ala aumentar la señal de aire& lafuera +a vale*

Fa= Ad∗ Pa∗1.02− F sr= Ad ( Pa− F 2 )∗1.02 F sr= Ad F 2∗1.02

5onde*

• A d . área efectiva del diafragma, en cm

2

• Pa . presión de aire sobre el diafragma, en bar.

• F sr . fuera debida a la compresión final del muelle a carrera total. n bar

• F

2 . compresión final del muelle a Carrera total. n bar.


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Fig. N° ! "#turador en $ovimiento Lineal

n una válvula inversa "la válvula con disminución de la señal de aire& es*

F a= A d F 1∗1.02

• F

1 . compresión inicial del muelle a Carrera cero, en bar.

+ueras en una valvula*

• +uera de roamiento* +r, se produce entre el vástago de la válvula ' laempaquetadura ' depende del tipo de empaquetadura

• +uera de asentamiento* +s permite cerrar la válvula ' conseguir que la fugade fluido sea mínima. Su valor depende del grado de mecaniación delasiento ' del obturador.

F s=0.5∗π ∗ D s

5onde*

• F s . +uera de asentamiento, en ;g

• Ds . 4nterior del asiento, en cm.

Ejercicio:

Se tiene los siguientes parámetros calcular la presión máima.

• )d < =>0 cm 2• Campo de trabajo del muelle < 0,>2 bar • Carrera del servomotor < %! mm• ?álvula de tamaño 2@ "%0 mm& con obturador en ?• A interior del asiento < %,0B cm. :rea del asiento < 20,2 cm2• Carrera del obturador < 2#,B mm. :rea transversal del vástago < 0,= cm2• 1eso del obturador < B ;g• )cción inversa < aire abre


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-argen de trabajo del muelle para un recorrido de 2#.B mm

2−0.451

=0.74 ¿̄

Compresión inicial del muelle* 2−0.74=1.26 ¿̄

-argen de compresión* 1.262−2 ¿̄

6uego la fuera del actuador con la válvula en posición de cierre es*

F a= Ad F 1∗1.02=940∗1.26∗1.02=1208 kg

6a fuera de roamiento es aproimadamente*

F r=10kg, valvulasde1

1

2

a2

1

2

6a fuera de asentamiento es* F s=0.5∗π ∗ D s=0.5∗3.14∗5.08=8 kg

l peso del obturador* F w=8kg

6a fuera estática del obturador es*

F p

=

( A

s

+ Ast )∗ P1∗1.02=(20.27−0.97 )∗ P

1

∗1.02

+inalmente*

1208 kg ≥10+8+8+(2027−0.97 )∗ P1∗1.02

8esolviendo 1!


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Fig. N° % &ilindro neumático de movimiento Lineal

Dipos*

• Cilindro eumático de doble efecto* el aire a presión entra por el orificio de lacámara trasera ', al llenarla, /ace avanar el vástago, que en su carreracomprime el aire de la cámara delantera que se escapa al eterior a trav3s

del correspondiente orificio. n la carrera inversa del vástago se invierte elproceso• Cilindro eumático Simple* funciona de forma similar eceptuando que la

carrera inversa se efect(a gracias a la acción del muelle.• Cilindro eumático Euiado* dos o más vástagos rígidos guiados proporcionan

una antirotación al mecanismo acoplado al cilindro, evitando las fuerasradiales ' de torsión que la carga ejercería en un cilindro normal.

• Cilindro eumático de impacto* mueve el vástago a gran velocidad "!0 mFs& 'se utilia en las prensas para trabajos de embutición, remac/ado, etc.

• Cilindro eumático de rotación* proporciona un movimiento de rotación

gracias a una cremallera unida al vástago o a un elemento rotativo depaletas.

Cálculo de los cilindros neumáticos

6as principales variables a considerar en la selección de los cilindros neumáticosson la fuera del cilindro, la carga, el consumo de aire ' la velocidad del pistón.

+uera del cilindro6a fuera del cilindro es una función del diámetro del cilindro, de la presión del aire 'del roce del embolo, que depende de la velocidad del embolo ' que se toma en elmomento de arranque. 6a fuera que el aire ejerce sobre el pistón es*

+< 1 )ire G )1istón

Como el 1ascal es una unidad mu' pequeña se utilia el bar equivalente a !00.000pascal. Htras equivalencias del bar con unidades de presión son*

! Iar < 0,=B atmosfera < !,02 ;gFcm2 < !.020 cm. c.d.a. < %0 mm. c.d.9g


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1ara comodidad de cálculo se utilia la fuera en neJton, la presión en bar, eldiámetro en mm. ' la superficie en mm2. 5e este modo, la formula anterior pasa aser*

¿̄

¿¿ A piston(mm2)

P aire¿ F =¿

1ara los cilindros de simple efecto, la fuera es la diferencia entre la fuera del aire 'la del muelle

¿̄¿

F = Paire¿

6os cilindros de doble efecto "figura 2.K& no cuentan con un resorte para volver a suposición de equilibrio, así su fuera no disminu'e en la carrera de avance, pero si ensu carrera de retroceso, debido a la disminución del área del embolo por laeistencia del vástago. 6as epresiones matemáticas correspondientes son*

D

π (¿¿2−d2)

40

F = Paire¿

+uera de la Carga del cilindro6a carga depende de las formas de montaje del cilindro que son básicamente tres*

"u&o ) $ -ontaje fijo que absorbe la fuera del cilindro en la línea central. s elmejor sistema 'a que las fueras sobre el vástago están equilibradas ' loselementos de fijación "tornillos,...& solo están sometidos a una simple tensión ocialladura. 6a fijación del cilindro puede ser del tipo de espárragos o de brida.

"u&o , $ l montaje absorbe la fuera del cilindro en la línea central ' permite elmovimiento en un plano. Se emplean cuando la maquina donde están montados semueve siguiendo una línea curva.

"u&o . $ l montaje no absorbe la fuera del cilindro en la línea central ' el planode las superficies de montaje no coincide con dic/a línea por lo que, al aplicar lafuera, se produce un momento de giro que tiende a /acer girar el cilindro alrededor de los pernos de montaje.

6a selección del vástago del pistón depende del tipo de montaje del cilindro ' de laconeión del etremo del vástago. iste el riesgo de pandeo del vástago.

6a longitud basica del vastago se calcula mediante la epresion*


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6ongitud basica < Carrera actual G +actor de pandeo

Consumo del airel consumo de aire del cilindro es una función de la relación de compresión, del

área del pistón ' de la carrera, seg(n la fórmula*

Consumo de aire < 8elación de compresión G área pistón G carrera G CiclosFminuto

6a relación de compresión referida al nivel del mar está dada por*

¿̄¿

0,987+ Paire¿

¿

l volumen de aire requerido para una carrera del pistón epresado en cm# es*

V (dm3 )= π ∗ D2∗l

4000000

l consumo de aire en condiciones normales de presión ' temperatura en un cilindrode simple efecto es pues*

¿̄¿

0,987+ Paire¿

Q=¿

G π ∗ D2∗l4000000

Siendo*L < Consumo total de aire en Mdm#FminN.5 < 5iametro cilindro MmmN.l < Carrera en MmmN.n < Ciclos por minuto.

?elocidad del pistón ' amortiguamiento

6a velocidad del pistón se obtiene dividiendo el caudal por la sección del pistón.¿̄¿

¿̄

¿

0,987+ Paire¿

0,987+ Paire¿

Velocidad(dm3

min )=¿

sta velocidad sería algo menor debido a los espacios muertos en los cilindros"posiciones finales de los cilindros ' tuberías de alimentación&, la fuera del muelle


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antagonista, la p3rdida de carga provocada por la longitud ' sección de las tuberías' por las válvulas de mando ' las de escape.

6a velocidad media del 3mbolo en los cilindros estándar se establece entre 0.! ' !.%mFseg.

l amortiguamiento del cilindro es necesario para reducir la velocidad del pistón alfinal de su carrera ' evitar así el golpe del pistón contra el cilindro. l ideal es que lavelocidad del pistón al final de su carrera sea cero.

6a energía cin3tica del impacto debe ser menor que la permisible seg(n la fórmula*

n el gráfico se observa que girando sucesivamente el tornillo de ajuste, mejora eltiempo de amortiguamiento pero aumenta el impacto "aceleración mFs&, con lo cual

el usuario vuelve al ajuste inicial para evitar los impactos. Sin embargo, girando ! o2 vueltas más el tornillo de ajuste se consigue el amortiguamiento neumático idealcon un mínimo impacto ' unos bajos niveles de ruido ' de vibración. On giroadicional del tornillo de ! o 2 vueltas más, daría lugar a un impacto muc/o másfuerte sin que se redujera el tiempo total del ciclo del cilindro.

Figura N° 1 Amortiguamiento con restricción de caudal y cambios de presión en la alimentación

n la práctica se suele escoger un cilindro con ma'or diámetro del necesario con locual se obtiene una sobrecapacidad de amortiguamiento. n general se intentacorregir el impacto una ve que el cilindro está instalado, presentándose dos casos,el sobre amortiguamiento ' la falta de amortiguamiento.

l primero puede corregirse adoptando las siguientes medidas*!. )umentar la velocidad del pistón ajustando los restrictores o las válvulas de

control de retención.2. 8educir la presión de operación.#. )umentar la masa móvil, lo cual no es fácil de conseguir.

P para corregir los impactos por poco amortiguamiento*!. 8educir la velocidad del pistón.2. )umentar la presión de operación.#. 8educir la masa.>. quipar el cilindro con amortiguadores /idráulicos eternos.


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s evidente que lo mejor es obtener el amortiguamiento ideal desde el principio,seleccionando correctamente el cilindro ' sus accesorios de amortiguación "válvulade aguja o gomas&. n la figura 2 pueden verse las curvas que relacionan lavelocidad del pistón ' la masa móvil de amortiguamiento para una carrera mínimade 200 mm ' una presión de operación de K,# bar.

Figura N° 2 Relación entre la velocidad del pistón y la masa móvil de amortiguamiento. FuenteCreus

Ona regla práctica es seleccionar el cilindro que cumpla la relación*

Masa movil en Kg

Area del Piston <4

n el caso de que el movimiento del vástago sea vertical se recomienda que secumpla*

Masa movil en Kg

Area del Piston


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1ara determinar con precisión la velocidad del pistón se usan dispositivoselectrónicos que además permiten medir las secuencias del ciclo de trabajo delcilindro. n la figura > pueden verse las variaciones de presión en el cilindro enfunción del tiempo ' de las fases de movimiento del pistón.

Figura N° # $ra%co de presión en el cilindro en una carrera. Fuente &C'

Cilindro de doble efecto tipo tándem

s un cilindro compuesto por dos cilindros de doble efecto acoplados en serie. )plicando simultáneamente presión sobre los dos 3mbolos se obtiene una fueraque equivale aproimadamente al doble a la de un cilindro del mismo diámetro.Se utilia cuando se necesitan fueras considerables, ' eiste un espacioinsuficiente para colocar cilindros de diámetro superior.

Figura N° ( Cilindro de doble e)ecto tipo tandem

Cilindros de doble efecto multiposiciónConsisten en dos o más cilindros de doble efecto acoplados en serie. 5os cilindroscon carreras diferentes permiten obtener cuatro posiciones diferentes del vástago"figura K&.


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Figura N° * Cilindro Neumtico multiposición

Cilindro neumático guiado

Ono de los problemas que presentan los cilindros convencionales es el movimientode giro que puede sufrir el vástago, 'a que el pistón, el vástago ' la camisa delcilindro son de sección circular, por lo que ninguno de ellos evita la rotación. nalgunas aplicaciones la rotación libre no es tolerable por lo que es necesario alg(nsistema anti giro.ntre las soluciones figuran la adopción de pistones ' camisas ovaladas, lainstalación de unidades de guiado que aseguran la función de guiado del vástagogracias a elementos mecánicos eteriores formados por cojinetes de broncesinteriado dentro de los cuales deslian las varillas de guiado.1ero uno de los sistemas que aparte de la función anti giro tiene otras ventajas es elcilindro neumático guiado que contiene dos o más pistones con sus vástagos, lo que

da lugar a una fuera doble de la de los cilindros convencionales. Eracias a losamortiguadores, alcana su posición final con suavidad, lo que proporciona un bajoruido en su funcionamiento.

Cilindro neumático sin vástagoCuando el espacio disponible para el cilindro es limitado, el cilindro neumático sinvástago es la elección. 1uede tener una carrera relativamente larga de unos B00mm ' ma'or. l arrastre del carro porta cargas eterior puede /acerse de formamecánica o magn3tica "figura &.


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n el arrastre mecánico, el cuerpo del cilindro está provisto de una ranuralongitudinal por donde deslia una brida recubierta por una junta de cauc/o quegarantia la estanqueidad del cilindro ' que une el pistón con el carro porta carga. lfinal de la carrera del cilindro viene determinado por un vástago o mac/o.

Figura N° + Cilindro Neumtico sin vstago

n el arrastre magn'tico el cuerpo del cilindro es de acero inoidable magn3tico, 'en su interior deslia el 3mbolo provisto de imanes permanentes. Su movimiento esseguido magn3ticamente por una corredera eterna provista tambi3n de imanespermanentes. 6a estanqueidad se logra con tapas roscadas provistas de tomas parala alimentación de aire. 6a fuera que ejerce este sistema es algo inferior a la dearrastre mecánico, debiendo señalar que no puede montarse en vertical 'a que si sesupera la carga admisible tiene lugar el desenganc/e magn3tico ' la carga cae. Siesta condición se presenta en el cilindro con arrastre mecánico, la carga no semueve ' queda inmóvil sin caerse.ntre las aplicaciones de los cilindros neumáticos sin vástago figuran latransferencia ' alimentación de cargas, la apertura de puertas, etc.

Cilindro neumático de impactol vástago de este cilindro se mueve a una velocidad elevada del orden de los !0mFs ' esta energía se emplea para realiar trabajos de marcado de bancadas demotor, de perfiles de madera, de componentes electromecánicos ' trabajos enprensas de embutición, estampado, remac/ado, doblado, etc.

Figura N° , Cilindro Neumtico de -mpacto

5isponen de un cilindro neumático de doble efecto con dos cámaras, la posterior Ide ma'or sección, aunque inicialmente el aire sólo act(a sobre una pequeña áreade diámetro c gracias a una junta anular C. )l accionar una válvula distribuidora, el

aire en la cámara anterior ) escapa a la atmósfera mientras que la cámara posterior I se va llenando de aire a presión. n el instante en que la fuera ejercida por la


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presión de aire en la superficie c supera la del aire en escape en la cámara anterior ), se aplica entonces plena presión a toda la superficie del 3mbolo en la cámaraposterior I, con lo que se consigue una gran aceleración ' se alcanan velocidadesdel orden de ,% a !0 mFs, cuando lo normal es de 0,! a ! mFs.

BibliografíaCreus, A. (2007). Neumática e Hidráulica . E A. Creus, Neumtica e idrulica

(!ágs. "2#$"%2). Es!a&a' Alfaomega.

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