Fundamentos de ingeniería: actuadores rotativos

Los actuadores rotativos se pueden montar directamente en las juntas del equipo sin ocupar las largas carreras requeridas por los cilindros. Los actuadores rotativos tampoco se limitan al típico arco de pivote de 90° de un cilindro;Según la configuración, pueden alcanzar longitudes de arco de 180°, 360° o incluso 720° o más.

Diseño de actuador rotativo

Este Actuador estriado en espiral A veces denominado actuador de pistón y ranura helicoidal o deslizante, tiene una configuración alargada y utiliza un concepto operativo de engranaje ranurado helicoidal deslizante para convertir el movimiento lineal del pistón en rotación del eje. Consiste en una carcasa cilíndrica y dos partes móviles: un eje y un manguito de pistón anular. Los dientes ranurados helicoidales maquinados en el eje son complementarios a las ranuras correspondientes en el diámetro interior del pistón. El diámetro exterior del manguito del pistón lleva un segundo conjunto de estrías helicoidales que engranan con una corona dentada integral con la carcasa, Figura 1(a).

El manguito del pistón sella hidráulicamente entre la carcasa y el eje. Cuando se aplica presión hidráulica al puerto en el lado izquierdo del pistón, ocurren tres eventos simultáneamente. El desplazamiento axial del manguito del pistón se mueve hacia la derecha;Gira en el sentido de las agujas del reloj (visto desde el eje de salida) porque los engranajes de su diámetro exterior y la corona dentada de la carcasa lo obligan a girar;Los engranajes en el diámetro interior del manguito del pistón giran el eje en el sentido de las agujas del reloj. Al aplicar presión al puerto alternativo, el manguito del pistón vuelve a su posición inicial original y gira el eje en sentido contrario a las agujas del reloj.

El diseño de revés de doble hélice del conjunto de engranajes agravó la rotación del eje de modo que su rotación fue mucho mayor que la del manguito del pistón. Para el diseño helicoidal de 30°, el eje gira casi el doble que el manguito del pistón, e incluso más para el diseño helicoidal de 45°. Las características de este diseño incluyen un alto par en una configuración compacta, un par constante en todo el ángulo de rotación, sin fugas internas y un par de retención que es aproximadamente el doble del par de avance. Debido a que todas las transmisiones, las piezas móviles y los cojinetes están siempre sumergidos en aceite hidráulico, los actuadores de tornillo prácticamente no requieren mantenimiento.

Debido a que el área hidráulica efectiva en ambos lados del pistón es igual, se produce el mismo par en sentido horario y antihorario. La eficiencia mecánica promedio es de alrededor del 70%. Dado que el ángulo de rotación está determinado por la longitud del actuador y dado que no hay obstáculos internos como los diseños de las palas, cualquier rotación es teóricamente posible. Por el contrario, un tubo de tope interno adecuado puede limitar la rotación del actuador a casi cualquier ángulo intermedio. Sin embargo, la mayoría de los actuadores de tornillo ofrecen rotación de 90°, 180° y 360° como estándar. Debido a la holgura requerida entre los dientes estriados internos, los actuadores helicoidales experimentan algo de juego, típicamente de ½° a 1° para los modelos más pequeños y menos para los modelos más grandes.

El diseño de un solo eje para la salida de par es un factor importante a la hora de elegir el actuador más económico para la aplicación. Las extensiones de doble eje con carcasas montadas sobre patas se utilizan comúnmente como bisagras eléctricas estables para implementos pesados, herramientas, plumas, grúas y diversas piezas de máquinas. Algunos actuadores helicoidales también están disponibles con bridas de eje perforadas y roscadas de gran diámetro, lo que permite que las cargas se atornillen directamente al actuador. Los diseños de eje hueco son otra opción. El torque es proporcional a la presión y el torque de salida puede alcanzar aproximadamente 700,000 lb-in. Tiene una presión de fluido de 3000 psi.

Una Actuador de manivela de pistón cerrado , Fig. 1(b), con radianes ajustables hasta aproximadamente 100°. Este actuador es compacto y tiene pocos problemas mecánicos. El soporte de cojinete incorporado supera el empuje lateral. La versión a prueba de fallas está equipada con un resorte que devuelve el eje a una posición segura en caso de falla de energía o pérdida de fluido. La producción de par sigue una distribución sinusoidal. El par máximo se produce a mitad de carrera. Por lo tanto, estos actuadores deben seleccionarse para impulsar la carga de acuerdo con su par mínimo.

Una actuador de horquilla , Figura 1(c), hay dos pistones conectados rígidamente por una varilla común. Un pasador de transmisión central en la biela se acopla a un yugo doble enchavetado en el eje de salida, que gira en un arco circular de hasta 90°. La salida de par (par de frenado) al principio y al final de la carrera es el doble del punto medio (par de funcionamiento). Esta característica es efectiva porque muchas aplicaciones requieren un alto par de frenado para mover y acelerar las cargas. Hay disponibles modelos a prueba de fallas, de acción simple y de doble acción. La eficiencia oscila entre el 70% y el 95%.

en un Actuador de piñón y cremallera , Figura 1(d), un pistón largo mecanizado en una cremallera en un lado engrana con el piñón para girar el eje de salida. Este principio del juego de engranajes se aplica a los modelos a prueba de fallas, de simple y doble efecto. Si se requiere una carga equilibrada en el cojinete, utilice dos pistones bidireccionales con cremalleras paralelas;Ambas cremalleras engranan con un piñón ubicado en el centro. Girado a 1800°, el torque alcanza los 50 millones de lb-in.disponible. El par es constante e igual en ambas direcciones.

El actuador de cremallera y piñón de múltiples posiciones puede girar el eje de salida a múltiples posiciones cambiando el puerto de presión. Las posiciones de salida pueden estar en cualquier orden, permitiendo que el actuador se detenga o pase en cualquier posición intermedia.

Los actuadores de cremallera y piñón son especialmente útiles para aplicaciones de servicio pesado porque pueden manejar grandes cargas laterales y finales y pueden acomodar rodamientos grandes. Debido a sus características de salida de par constante y características antideriva, a menudo se usa en control de precisión. La eficiencia varía del 85 % al 92 % para los modelos de un solo bastidor y del 92 % al 97 % para los modelos de dos bastidores.

En el actuador de cadena de pistón, Figura 1(e), la cadena de transmisión circular se mantiene tensa en ambas ruedas dentadas. Una rueda dentada convierte el movimiento lineal en salida de torsión;La rueda dentada loca mantiene la tensión. Dos eslabones en forma de pistón están igualmente espaciados en la cadena;Un pistón es más grande que el otro. La carcasa que contiene el mecanismo tiene dos cámaras de pistón paralelas y puertos en cada uno de los dos extremos opuestos. El fluido presurizado que ingresa al puerto actúa sobre ambos pistones;Debido a las diferentes fuerzas aplicadas, la cadena se mueve en la misma dirección que el pistón más grande. Un pistón más pequeño sella el lado de retorno de la cadena para evitar fugas de líquido. Invierta la rotación invirtiendo los puertos.

El actuador de cadena de pistón proporciona 5 revoluciones completas y 23 500 lb-in de torque. El diseño está limitado por la fuerza de la cadena y las ruedas dentadas, así como por el volumen para aplicaciones que requieren un par extremadamente alto. El par es constante a lo largo de la carrera.

Actuadores de bolsas de aire y paletas

En el actuador de bolsa de aire, Fig. 2(a), el eje de salida es accionado por la expansión y contracción de un par de bolsas de aire. Cuando se presuriza una vejiga, empuja un brazo de palanca en forma de copa que gira el eje en un arco de hasta 100°. Una válvula de cuatro vías controla el flujo de aceite o aire de modo que cuando se presuriza una vejiga, se expulsa la otra.

Dado que este tipo de actuador no tiene fugas internas, es muy preciso e insensible a la contaminación. Se puede usar casi cualquier medio fluido si la vejiga es químicamente compatible;No se requiere material de carcasa especial. El actuador puede transmitir un par de hasta 2750 lb-in.

Otro diseño de vejiga utiliza un mecanismo de cremallera y piñón que se mueve hacia adelante y hacia atrás al expandir y desinflar la vejiga. La bolsa permanece precargada indefinidamente y ofrece una rotación de 90° o 180°. El par máximo se produce al comienzo del ciclo de rotación. El torque puede alcanzar 45,000 lb-in.

Una actuador de hoja única , Fig. 2(b), tiene una cámara cilíndrica en la que las palas conectadas al eje impulsor giran 280° a través de un arco circular. Los dos puertos están separados por una barrera fija. La presión diferencial aplicada a las paletas hace girar el eje impulsor hasta que las paletas se encuentran con la barrera. La rotación se invierte invirtiendo la presión del fluido en la entrada y la salida.

Una actuador de doble paleta , Figura 2(c), con dos cuchillas y barreras diametralmente opuestas. Esta configuración proporciona el doble de torsión que un actuador de una sola paleta en el mismo espacio; sin embargo, la rotación generalmente se limita a 100°.

Los actuadores de paletas son fáciles de mantener porque tienen menos piezas y ajustes menos críticos que muchos otros tipos de actuadores rotativos. Su eficiencia mecánica varía del 80% al 95%, según la construcción y la aplicación. Las esquinas cuadradas de las paletas hacen que el sellado sea un desafío, y las fugas de derivación internas son comunes en los actuadores de paletas. En ausencia de controles externos, las posiciones pueden estar restringidas. Los actuadores de paletas transmiten un torque de 700,000 lb-in.

Instalar

Para evitar un desgaste excesivo y una falla prematura, se deben aplicar pocas o ninguna carga de empuje o de voladizo al eje de salida del actuador, a menos que esté equipado con cojinetes (como cojinetes de rodillos cónicos) para acomodar estas cargas. Utilice acoplamientos elásticos para eliminar las cargas laterales debidas a la desalineación del eje. Cuando las cargas laterales son inevitables, si el actuador no está equipado con suficientes cojinetes para soportar tales cargas, apoye el eje de salida con cojinetes auxiliares. Los actuadores conectados al tren de engranajes entran en esta categoría. Algunos diseños helicoidales y de piñón y cremallera están disponibles con rodamientos integrales para soportar cargas en voladizo significativas sin necesidad de rodamientos externos adicionales.

Para eliminar el aire atrapado, instale el actuador de modo que el puerto de suministro de aire quede en la parte superior. O proporcione un escape adecuado para el sistema. Los actuadores rotativos más grandes a menudo tienen válvulas de purga incorporadas.

En aplicaciones de ciclo continuo, el fluido hidráulico caliente puede acumularse cerca del actuador, por lo que se debe programar un ciclo de fluido más grande. Puede ser necesario un intercambiador de calor. No instale actuadores giratorios donde se puedan acumular contaminantes, por ejemplo, en puntos bajos del sistema.

solicitud

Los actuadores rotativos se utilizan para mezclar, verter, alimentación intermitente, sujeción de tornillos, rotación continua, inversión, transferencia automática, proporcionando tensión constante y manipulación de materiales. También son adecuados para girar, sujetar con palanca, indexar, posicionar, girar, levantar, abrir, cerrar, empujar, tirar y bajar.

En la siderurgia, por ejemplo, ponen bobinas, torniquetes y flips up, y hornos eléctricos basculantes. En el manejo de materiales, cambian los transportadores, giran y colocan las pinzas de los contenedores en los montacargas, tensan, guían, operan las válvulas y los frenos. En las operaciones en alta mar, abren y cierran escotillas, balancean equipos de manejo de carga, operan plumas y válvulas grandes de todo tipo, posicionan hidroalas y controlan la dirección.

También realizan tareas como la rotación de la pluma y la plataforma de trabajo en elevadores aéreos autopropulsados, el posicionamiento de herramientas e implementos en equipos de construcción, el posicionamiento de martillos perforadores en maquinaria de minería subterránea y la dirección asistida hidráulica en pavimentadoras de encofrado deslizante y carretillas elevadoras de mochila, entre otras tareas.

para movimiento lineal?

Mediante el uso de enlaces mecánicos de movimiento armónico, un actuador que gira a una velocidad constante puede mover una carga pesada de manera muy eficiente en una dirección lineal. El movimiento armónico resultante proporciona la mayor ventaja mecánica al comienzo de la carrera, lo que permite una rápida aceleración de la carga. A mitad de la carrera, la carga está a la velocidad máxima. La mitad de desaceleración de la carrera es la imagen especular de la mitad de aceleración. Las cargas pesadas se desaceleran y detienen automáticamente con una fuerza igual a la fuerza utilizada originalmente para acelerar la carga.

La carga puede avanzar y retroceder automáticamente a la velocidad máxima mediante el uso de un actuador giratorio de 360° conectado a un enlace en lugar de un actuador de 180°. Durante la desaceleración, la energía no se transfiere de vuelta al sistema hidráulico, sino que el actuador la utiliza para la carga conectada al trabajo. Requiere menos aceite hidráulico y caballos de fuerza. Para dimensionar un actuador para este tipo de aplicación, determine las pérdidas por fricción y la fuerza requerida para acelerar y desacelerar la carga.

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