Actuadores neumáticos de cremallera
Figura 1: Actuador rotativo de cremallera
Los actuadores neumáticos de cremallera y piñón, también conocidos como cilindros de rotación limitada, son dispositivos rotativos utilizados para diversas funciones mecánicas como girar, abrir, cerrar, mezclar, oscilar, posicionar y dirigir, todas ellas involucrando una rotación restringida. Estos actuadores se emplean frecuentemente para automatizar válvulas de cuarto de vuelta, como las válvulas de bola y mariposa. Convierten la energía del aire comprimido en un movimiento rotatorio oscilante utilizando un cilindro neumático. El gas limpio, seco y procesado necesario para estos actuadores es suministrado por una estación central de aire comprimido, que típicamente soporta múltiples dispositivos neumáticos dentro de un sistema de proceso.
Los actuadores neumáticos, en comparación con sus homólogos eléctricos, suelen ser más duraderos, más adecuados para entornos peligrosos y menos costosos. Además, suelen requerir menos mantenimiento y proporcionan un par motor más elevado en comparación con su tamaño. Lea nuestro artículo sobre los accionamientos semirrotativos neumáticos de Festo para conocer más sobre un accionamiento específico de cremallera y piñón.
Índice de contenidos
Vea nuestra selección en línea de actuadores neumáticos giratorios.
Diseño
En un actuador neumático de piñón y cremallera, la fuerza lineal de un pistón accionado por aire comprimido se convierte en un par de giro a través de un mecanismo de engranaje de piñón y cremallera. Un piñón y cremallera, como se muestra en la figura 2, consiste en un engranaje circular, el piñón, engranado en un engranaje lineal, la cremallera.
Figura 2: Engranajes de cremallera
La cremallera está mecanizada en el pistón y la cremallera se acopla con precisión al engranaje del piñón. Cuando la cámara se llena de aire comprimido, el pistón junto con la cremallera se extiende o se retrae, lo que hace girar el piñón a través de la conexión de engranaje.
Diseño de bastidor simple frente a bastidor doble
Los actuadores de cremallera ofrecen los rangos más amplios de par y rotación en comparación con otros mecanismos de conversión para convertir la fuerza lineal en par rotativo. Tiene un alto rendimiento mecánico y los pares que son capaces de producir van desde un par de Nm hasta varios miles de Nm.
Sin embargo, uno de los posibles inconvenientes del diseño de cremallera y piñón es la holgura. La holgura se produce cuando los engranajes de la cremallera y el piñón no están completamente alineados y hay un pequeño espacio entre cada conexión del engranaje. Esta desalineación puede provocar el desgaste de los engranajes durante el ciclo de vida del actuador, lo que a su vez aumenta el juego.
Una unidad de doble cremallera utiliza un par de cremalleras en lados opuestos del piñón. Esto ayuda a eliminar la holgura debida a una fuerza contraria y también duplica el par de salida de la unidad y aumenta la eficiencia mecánica del sistema. En el actuador de doble efecto que se muestra en la figura 3, las dos cámaras de los lados se llenan de aire a presión, lo que empuja los pistones hacia el centro y, para devolver los pistones a la posición inicial, se presuriza a su vez la cámara del centro.
Figura 3: Actuadores rotativos de doble efecto con cremallera
Función
Los actuadores neumáticos de cremallera pueden ser de simple o doble efecto. También es posible que estos actuadores proporcionen múltiples paradas.
Simple efecto frente a doble efecto
En un actuador de simple efecto, el aire sólo se suministra a un lado del pistón y es responsable del movimiento del pistón en una sola dirección. El movimiento del pistón en sentido contrario lo realiza un muelle mecánico. Los actuadores de simple efecto conservan el aire comprimido, pero realizan el trabajo en una sola dirección. Un inconveniente de los cilindros de simple efecto es la inconsistencia de la fuerza de salida a lo largo de toda la carrera debido a la fuerza del muelle opuesto. La figura 4 muestra un actuador neumático rotativo de doble cremallera de simple efecto.
Figura 4: Actuador neumático rotativo de doble cremallera de simple efecto
En un actuador de doble efecto, el aire se suministra a las cámaras de ambos lados del pistón o pistones. Una mayor presión de aire en un lado puede impulsar el pistón o los pistones hacia el otro lado. Los actuadores de doble efecto se utilizan cuando hay que trabajar en ambas direcciones. La figura 5 muestra un actuador neumático rotativo de doble efecto.
Una de las ventajas de los cilindros de doble efecto es la fuerza de salida constante en todo el rango de rotación. Los inconvenientes de los cilindros de doble efecto son la necesidad de aire comprimido para el movimiento en ambas direcciones y la falta de una posición definida en caso de fallo de la energía o la presión.
Figura 5: Actuador neumático rotativo de doble efecto
Posicionamiento múltiple
Algunos actuadores de piñón y cremallera pueden detenerse en varias posiciones a lo largo de una rotación controlando la presión en los puertos. Las posiciones de parada pueden estar en cualquier secuencia, haciendo posible que el actuador pase selectivamente por una posición de parada intermedia.
Pernos de tope de desplazamiento
Los pernos de tope de recorrido están en el lado del cuerpo del actuador (como se ve en la figura 6) y permiten ajustar las posiciones finales de los pistones limitando la rotación del engranaje del piñón desde el interior. Al instalar el actuador, introduzca los dos tornillos del tope de carrera hasta que entren en contacto con la tapa del tope de carrera. Continúe atornillando el perno de tope de carrera izquierdo hasta que la ranura del piñón visible en la parte superior gire a la posición que es paralela a la longitud del cuerpo del actuador.
Figura 6: Componentes del actuador neumático de piñón y cremallera: paquete de cartuchos de resorte (A), leva de tope de recorrido (B), indicador de posición (C), tapa de extremo (D), cuerpo (E), puerto integral (F), junta del pistón (G), cojinete del eje de salida (H), eje de salida (I), pistón (J), tornillos de ajuste del tope de recorrido (K), puerto neumático (L), guía del pistón (M) y anillo del pistón (N).
Estándares
Para ser compatibles e intercambiables con los productos de varios fabricantes, la mayoría de los actuadores neumáticos de cremallera se han estandarizado. Estas normas especifican las dimensiones de varios componentes, como la interfaz entre el actuador y la válvula, los puertos de aire, la interfaz del indicador de posición y las formas del conductor del eje. Pueden verse en la figura 6.
Figura 7: Carcasa y superficies de montaje: interfaz de accesorios según VDI/VDE 3845 (A y E), indicador de posición según norma NAMUR (B), pernos de tope de recorrido (C), montaje ISO 5211 (D).
ISO 5211: 2017
La norma ISO 5211:2017 especifica los requisitos para la fijación de los actuadores de fracción de vuelta a las válvulas industriales, y puede verse en la figura 7. Especifica las dimensiones de la brida y los componentes de accionamiento, así como los valores de par para las interfaces y los acoplamientos especificados.
NAMUR VDI/VDE 3845: 2010-09
Esta norma contiene especificaciones de la interfaz entre el actuador y una válvula de proceso que proporciona aire comprimido, y puede verse en la figura 7. También puede utilizarse como interfaz de accesorios en la parte superior del actuador, por ejemplo, un interruptor o sensor de retroalimentación de posición. Las válvulas NAMUR ofrecen una interfaz de montaje según VDI/VDE 3845, que incluye dos puertos de aire en el lado plano de la válvula, así como orificios adicionales para fijar la válvula en el cuerpo del actuador.
Criterios de selección
Hay varios factores que hay que tener en cuenta a la hora de seleccionar un actuador neumático de piñón y cremallera para su aplicación.
Para un juego cero en cada extremo de la rotación y una mayor precisión de parada, se recomienda un actuador de doble cremallera, mientras que para aplicaciones más ligeras en las que se desea un diseño compacto, se puede especificar un actuador de una sola cremallera.
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 rango de oscilación, el volumen de aire necesario para la operación, el medio de control y la interfaz, incluyendo las opciones de eje de salida, los tamaños de las bridas y los puertos de aire piloto.
Aplicaciones
Debido a su salida de par constante, los actuadores de piñón y cremallera se utilizan con frecuencia y suelen ser el estilo preferido de actuadores neumáticos para válvulas. Se utilizan para mezclar, verter, alimentar de forma intermitente, girar de forma continua, volcar, posicionar, oscilar, elevar, abrir y cerrar y girar. Estos actuadores se utilizan para diversas funciones mecánicas en la industria siderúrgica, la manipulación de materiales, las operaciones marítimas, los equipos de construcción, la maquinaria minera y la dirección asistida hidráulica.
