3.3. Efectos finales. Actuadores

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Actuadores

Se denominan actuadores a aquellos elementos que convierten la energía neumática en mecánica. Se clasifican según cual sea su clase de movimiento que producen en dos tipos de actuadores: los que producen movimiento lineal (cilindros) y los que producen movimiento rotativo (motores).

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En los Actuadores lineales encontramos dos tipos fundamentales:

  • Cilindro de simple efecto: sólo pueden efectuar trabajo en una dirección.
  • Cilindro de doble efecto: efectúan trabajo en ambas direcciones.

La energía inherente al aire comprimido alimenta a los actuadores neumáticos donde se transforma en movimientos de vaivén, en los cilindros, o en movimiento de giro en los motores.


Cilindro de simple efecto de émbolo

El vástago puede estar replegado o extendido inicialmente, tienen un resorte de recuperación de posición, al suministrarle aire comprimido el émbolo modifica su posición y cuando se purga el aire, el muelle recupera la posición inicial del émbolo. Debido a la longitud del muelle se utilizan cilindros de simple efecto con carreras de hasta 100 mm.

Cilindro de simple efecto de émbolo
Imagen en Flickr de IedaTecnología bajo CC

Estos cilindros solo pueden efectuar trabajo en una dirección, el que realiza el aire comprimido, mientras que el movimiento debido al muelle solamente sirve para recuperar la posición inicial, por ello es apropiado para tensar, expulsar, introducir, sujetar, etc.

 

Recibe aire comprimido por una cámara, purgándose el lado contrario, con lo que el vástago cambia de posición. Cuando el aire cambia de dirección y se intercambian las cámaras de llenado y de evacuación el vástago recupera la posición primitiva.


Imagen en Flickr de IedaTecnología bajo CC

La fuerza del émbolo es mayor en el avance que en el retroceso debido a la mayor sección sobre la que presiona el aire, ya que en la otra cámara se tiene que descontar la superficie del vástago.

Estos cilindros pueden desarrollar trabajo en las dos direcciones y además pueden presentar carreras significativamente mayores a las de los cilindros de simple efecto.


 

 

Cálculo de la fuerza en el vástago de un cilindro simple efecto o doble efecto

Para calcular la fuerza que ejerce el vástago de un cilindro en sus carreras de avance o retroceso se debe partir de la presión de trabajo del aire comprimido. La fuerza desarrollada depende de la superficie útil del actuador, que será diferente según se trate de cilindros de simple o de doble efecto.

Cilindros de simple efecto

En este tipo de cilindros la presión del aire se ejerce sobre toda la superficie del émbolo. Al determinar la fuerza que realiza el cilindro, hemos de tener en cuenta que el aire debe vencer la fuerza de empuje en sentido opuesto que realiza el muelle.

En estos cilindros solamente se ejerce fuerza en el sentido de avance, es decir, la fuerza que realiza el aire comprimido, cuando el cilindro regresa a su posición estable lo hace por medio de la fuerza de empuje del resorte, que exclusivamente sirve para recuperar la posición del vástago, pero es incapaz de desarrollar ningún tipo de trabajo mecánico.

A efectos de cálculo se interpreta que la fuerza del resorte es del orden del 10 % de la fuerza neumática.

 

Sección (S) y volumen (V) del émbolo:

S= \pi \cdot r_e^2= \pi \cdot \left( \frac{\phi_e}{2}\right)^2= \frac{\pi \cdot \phi_e^2}{4} \\ V= S \cdot e= \frac{\pi \cdot \phi_e^2}{4} \cdot e

donde

  • Φe = Diámetro del émbolo.
  • e = Carrera del vástago (longitud).

 

Cálculo de la fuerza del émbolo en avance (en retroceso es debida al resorte).

La fuerza teórica del émbolo se calcula con la siguiente fórmula:

F=p \cdot S

donde

  • S = Superficie útil.
  • p = Presión del aire.

Para los cálculos neumáticos se admiten las siguientes equivalencias:

1 bar = 105 Pa = 1 Atm = 1 kp/cm2

La anterior podríamos llamarla fuerza teórica o ideal, en la práctica es necesario conocer la fuerza real que realiza el émbolo. Para calcularla hay que tener en cuenta los rozamientos que existen, lo que provoca unas pérdidas sobre la fuerza teórica. En condiciones normales de servicio (presiones de 4 a 8 bar) se puede considerar que las fuerzas de rozamiento suponen entre un 5 a un 15% de la fuerza teórica calculada.

F_{\begin{verbatim}real\end{verbatim}}= p \cdot S-\left(F_{\begin{verbatim}muelle\end{verbatim}}+F_{\begin{verbatim}rozamiento\end{verbatim}}\right)

Cilindros de doble efecto

Estos cilindros desarrollan trabajo neumático tanto en la carrera de avance como en la de retroceso. Lo que sucede es que la fuerza es distinta en cada uno de los movimientos, porque el aire comprimido en el movimiento de avance actúa sobre toda la superficie del émbolo, mientras que en el retroceso solamente lo hace sobre la superficie útil, que resulta de restar a la superficie del émbolo la del vástago.

Sección del émbolo en el avance (Savance), sección del émbolo en el retroceso (Sretroceso), (disminuida la sección en el avance por la sección del vástago) y volumen (V):

S_{\begin{verbatim}avance\end{verbatim}}= \frac{\pi\cdot \phi_e^2}{4}

donde:

  • Φe = Diámetro del émbolo.
  • Φv = Diámetro del vástago.
  • e = Carrera del vástago.

Cálculo de la fuerza del émbolo doble efecto, en avance y retroceso.

La fuerza teórica al igual que para el cilindro simple efecto en el avance, se calcula con la siguiente fórmula:

F=p \cdot S

donde:

  • S = Superficie útil.
  • p = Presión del aire.
F_{real}=p \cdot S - (F_{\begin{verbatim}muelle\end{verbatim}}+F_{\begin{verbatim}rozamiento\end{verbatim})

La fuerza real, teniendo en cuenta las pérdidas por rozamiento, quedaría así:

F_{\begin{verbatim}real en avance\end{verbatim}}=p \cdot S_{\begin{verbatim}avance\end{verbatim}}-F_{\begin{verbatim}rozamiento\end{verbatim}}

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Actuadores de movimiento rotativo

Los actuadores de movimiento rotativo (motores), se usan menos que los lineales ya que en general los motores eléctricos hacen esta función de forma más eficaz. A pesar de esto en determinadas situaciones (de exigencia de más limpieza o de peligrosidad por peligro de explosión, etc.) también son utilizados en muchos procesos productivos.

Motor de émbolo radial

Por medio de cilindros de movimiento alternativo, el aire comprimido acciona a través de una excéntrica o de una biela el cigüeñal del motor, su potencia depende de la presión de alimentación, del número de émbolos y de la superficie y la velocidad de movimiento de estos.

Motor de émbolo radial
Imagen en Flickr de vjbp56 bajo CC

Motor de aletas

Consta de un rotor excéntrico provisto de unas ranuras homogéneamente repartidas, en ellas se deslizan unas aletas abatibles que son empujadas contra la pared interior del motor. Estos motores tienen una gama de velocidad de entre 3000 y 9000 r.p.m. para potencias de hasta 25 cv.


Imagen en Flickr de vjbp56 bajo CC

Turbomotores

Son los que arrastran los tornos de los dentistas, tiene una gama de velocidad muy fácilmente regulable de hasta 500000 r.p.m.


Imagen en Flickr de vjbp56 bajo CC

Caso de estudio


Imagen de elaboración propia

Un cilindro de simple efecto es alimentado por aire comprimido a una presión de 8 bar, el muelle ejerce una fuerza de 50 N, el diámetro del émbolo es de fe = 30 mm y realiza una carrera e = 50 mm.

En el desarrollo de su actividad repite 8 ciclos cada minuto, y presenta un rendimiento η = 85 %.

Calcula la fuerza que ejerce el cilindro para el caso teórico y el real.