Actuador neumático rotativo - Cómo funciona
Figura 1: Actuadores neumáticos rotativos
Un actuador neumático rotativo utiliza aire comprimido para generar su energía de funcionamiento. Algunos están diseñados específicamente para controlar válvulas a distancia. El aire limpio y seco puede suministrarse a través de una estación central de aire comprimido o, en el caso de un sistema de gas comprimido, a partir del gas de proceso. A continuación, el gas residual puede liberarse al aire o a una tubería de proceso de menor presión aguas abajo. Se suelen utilizar para automatizar y controlar a distancia válvulas de cuarto de vuelta o multivuelta, como las de bola o mariposa.
Un actuador neumático rotativo consta de una o varias cámaras de aire con un pistón o una membrana de fuelle. Dependiendo del diseño, la presión del aire obliga al pistón o al diafragma a moverse creando un movimiento lineal o rotativo. Si el movimiento creado es lineal, convierte internamente el movimiento lineal en movimiento de rotación. Los actuadores rotativos neumáticos son duraderos, ofrecen una gran fuerza en relación con su tamaño y pueden utilizarse en entornos peligrosos.
Generalmente, para accionar una válvula rotativa se utiliza un actuador rotativo. Sin embargo, también hay diseños que utilizan cilindros neumáticos, que crean un movimiento lineal, para generar un par de torsión mediante brazos pivotantes o rodamientos. Sin embargo, la especificación de actuadores rotativos neumáticos para estas aplicaciones puede simplificar el diseño y aumentar la vida útil. Los actuadores rotativos neumáticos son autónomos, por lo que sus piezas no están expuestas a contaminantes ni a entornos agresivos, lo que significa que es menos probable que necesiten mantenimiento a lo largo de su vida útil.
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Simple efecto frente a doble efecto
Los actuadores neumáticos pueden ser de simple o doble efecto. Un actuador de doble efecto tiene aire suministrado a ambos lados del pistón. Una mayor presión de aire en cualquiera de los lados crea movimiento para abrir y cerrar la válvula. Un actuador de simple efecto, por el contrario, tiene el aire suministrado a un lado y utiliza uno o más resortes para devolver el pistón a su posición. Un actuador de retorno por muelle puede ser diseñado para ser cerrado o abierto por muelle. Estos actuadores conservan el aire comprimido, sin embargo, los actuadores de doble efecto proporcionan un mejor control y funcionan a velocidades de ciclo más altas. En ciertas aplicaciones puede ser una ventaja de los actuadores de retorno por muelle volver a la posición de base en caso de pérdida de presión o de energía.
Diseño
En los actuadores neumáticos rotativos, la fuerza lineal de un pistón se convierte en par mediante mecanismos como el de piñón y cremallera o el de yugo escocés. Sin embargo, los actuadores de paletas pueden producir directamente un par motor a partir de la presión del aire.
Cremallera y piñón
Un piñón-cremallera, como se muestra en la figura 2, consta de un engranaje circular (el piñón) acoplado a un engranaje lineal (la cremallera). Cuando se acciona, el pistón que está unido a la cremallera se mueve linealmente. Debido a la conexión del engranaje con el piñón, lo hace girar con el eje de salida acoplado convirtiendo efectivamente el movimiento lineal en rotativo.
Figura 2: Engranajes de cremallera a la izquierda y un actuador rotativo de cremallera de doble efecto a la derecha
A menudo se instalan dos pistones y cremalleras en el lado opuesto de cada uno para duplicar la cantidad de par en el piñón, como se muestra en la figura 3. En este actuador de doble efecto, las dos cámaras laterales se llenan de aire a presión que empuja los pistones hacia el centro. Para devolver los pistones a la posición inicial, la cámara del centro se presuriza a su vez.
Figura 3: Actuadores rotativos de doble efecto con una cremallera a la izquierda y otra a la derecha
El diseño de la cremallera tiene una eficiencia mecánica bastante alta. Pueden producir un rango de par desde un par de Nm hasta varios miles de Nm.
Los actuadores de piñón y cremallera desgastados son propensos a sufrir holguras, causadas por el desgaste de los engranajes y los espacios entre ellos, lo que provoca una reducción de la precisión. Cuando la precisión en el posicionamiento es crítica, se recomiendan las versiones de doble cremallera. En comparación con los actuadores de paletas, los diseños de cremallera y piñón tienen un mayor rango de oscilación.
Yugo escocés
Figura 4: Actuadores de yugo escocés
En un mecanismo de yugo escocés, el eje del pistón se acopla a un eje giratorio a través de un pasador y una ranura, como se muestra en la figura 5. El movimiento lineal del eje hace que el pasador gire. Los actuadores de yugo escocés pueden ser de retorno por muelle o de doble efecto. Estos actuadores también pueden estar equipados con dos pistones opuestos para duplicar la cantidad de par en el eje de salida, como se muestra en la figura 5 a la derecha. Los actuadores de yugo escocés son actuadores de alta resistencia que producen pares que van desde varios miles hasta cientos de miles de Nm.
Figura 5: Actuadores neumáticos de yugo escocés con retorno por muelle (simple efecto)
Tipo Vane
Un actuador de tipo paleta mostrado en la figura 6 tiene una cámara con un eje que la atraviesa y una paleta conectada a ella. Cuando se suministra aire comprimido a un lado de la paleta, la presión diferencial hace que la paleta y el eje giren.
Figura 6: A la izquierda: Interior de la cámara de un actuador tipo álabe: ajuste de carrera (A), puerto (B), álabe móvil (C) y eje (D). Derecha: actuador de paletas
Los actuadores de paletas son actuadores para trabajos ligeros que producen pares que van desde una fracción de Nm hasta varios cientos. Pueden ser de retorno por muelle o de doble efecto y vienen en configuraciones de una o dos paletas. Las configuraciones de doble paleta proporcionan pares más elevados a expensas de rangos de oscilación más pequeños. La oscilación de los actuadores de doble pala varía entre 90° y 100°, mientras que los actuadores de una sola pala pueden tener un rango de hasta 280°.
Criterios de selección
El primer paso en la selección de un actuador neumático rotativo es averiguar el tipo de actuador más adecuado para su aplicación. Mientras que los actuadores de yugo escocés se utilizan principalmente para aplicaciones de servicio pesado, es aconsejable considerar sus opciones al seleccionar un actuador rotativo para aplicaciones de servicio ligero y medio.
Actuadores de cremallera:
- Ventajas:
- Mayor eficiencia mecánica: del 90 al 95%
- Aplicaciones de uso medio
- Actuación a alta velocidad
- Mayor rango de oscilación
- Disadvantages:
- Propenso a retroceder debido al desgaste
- Un poco más caro
Actuadores de paletas:
- Ventajas:
- Normalmente, más económico en términos de dinero para las capacidades de par
- Aplicaciones de trabajo ligero y medio
- Posicionamiento preciso
- Disadvantages:
- Vida útil más corta en comparación con los actuadores de cremallera
- Un poco menos de eficiencia mecánica, principalmente debido a las fugas alrededor de la paleta
- Rango de oscilación limitado
El siguiente paso sería el dimensionamiento del actuador. Los actuadores neumáticos suelen caracterizarse sobre todo por la cantidad de par que pueden producir o detener y eso lleva al dimensionamiento del actuador. Un actuador de un determinado tamaño también proporcionará probablemente un rango de par en función de la presión de control que se le suministre. Otros criterios a tener en cuenta a la hora de seleccionar un actuador rotativo son el ángulo de rotación, el volumen de aire necesario para la operación, el medio de control, los materiales y la interfaz, incluidas las opciones de eje de salida, los tamaños de las bridas y los puertos de aire piloto.