actuadores y sus diferentes caracteristicas, Guías, Proyectos, Investigaciones de Bioquímica e Instrumentación

¡Descarga actuadores y sus diferentes caracteristicas y más Guías, Proyectos, Investigaciones en PDF de Bioquímica e Instrumentación solo en Docsity! IINSTITUTO TECNOLOGICO NACIONAL DE MEXICO CAMPUS INSTITUTO TECNOLOGICO DE VILLAHERMOSA Departamento de Ciencias de la Tierra Ingeniería Petrolera “Trabajo de investigación sobre los diversos Actuadores” “Instrumentación” Alumno: Jose Hernan de los Santos Garduza Matricula: 17301420 Semestre: 6to semestre Catedrático: Ing. Cosme Esteban Meraz Brin Horario: 08:00 a 09:00 hrs Periodo Académico: Enero – junio 2020 Ciudad Industrial, Villahermosa, Tabasco, México. 1 INTRODUCCION “Pocos instrumentistas de la industria de petróleo y gas conocen a fondo a los actuadores, porque, a pesar de que la tarea de un actuador es abrir y cerrar una válvula, la misma depende de muchos sistemas y de una puntual filosofía de operación para su eficaz funcionamiento” 2 Bent Jensen es nombrado director general y toma el mando de la compañía, que en esos momentos se dedicaba principalmente a la fabricación de poleas de correa plana, poleas de correa trapezoidal, molinos y forjas. Sin embargo, el joven y recién graduado en ingeniería mecánica tiene planes para el futuro y se concede a sí mismo un período de cinco años para desarrollar una idea para el futuro de la empresa. 1979 Desarrollo del primer actuador lineal eléctrico. Tras trabajar en este proyecto durante un año, Bent Jensen desarrolla el primer actuador lineal eléctrico, el LA30, diseñado para mejorar varias aplicaciones, principalmente en el sector de la maquinaria agrícola. 1982 Primer gran pedido de actuadores. Después de haber servido solo pequeñas cantidades de actuadores a pequeños clientes en Dinamarca, la compañía recibe su primer gran pedido de actuadores LA30: Taarup Maskinfabrik (hoy conocida como Kverneland Group) realiza un pedido de 2000 actuadores para sus máquinas agrícolas. 1984 La compañía cambia su nombre al de LINAK® Su propietario, Bent Jensen, decide cambiar el nombre de su compañía por el de LINAK, contracción de los términos ‘Lineær Aktuator’ (actuador lineal), ya que considera que refleja mejor el nuevo enfoque principal de la empresa. 5 1. Actuadores Un actuador es un dispositivo inherentemente mecánico cuya función es proporcionar fuerza para mover o “actuar” otro dispositivo mecánico. La fuerza que provoca el actuador proviene de tres fuentes posibles: Presión neumática, presión hidráulica, y fuerza motriz eléctrica (motor eléctrico o solenoide). Dependiendo del origen de la fuerza el actuador se denomina “neumático”, “hidráulico” o “eléctrico”. Se denominan actuadores a aquellos elementos que pueden provocar un efecto sobre un proceso automatizado. Los actuadores son dispositivos capaces de generar una fuerza a partir de líquidos, de energía eléctrica y gaseosa. El actuador recibe la orden de un regulador o controlador y da una salida necesaria para activar a un elemento final de control como lo son las válvulas. El actuador más común es el actuador manual o humano. Es decir, una persona mueve o actúa un dispositivo para promover su funcionamiento. Con el tiempo, se hizo conveniente automatizar la actuación de dispositivos, por lo que diferentes dispositivos hicieron su aparición. Actualmente hay básicamente dos tipos de actuadores. • Lineales • Rotatorios 1.1 Actuadores lineales generan una fuerza en línea recta, tal como haría un pistón. Los actuadores rotatorios generan una fuerza rotatoria, como lo haría un motor eléctrico. En este artículo nos concentraremos en los actuadores rotatorios. En la próxima actualización tocaremos el tema de los actuadores lineales. Como ya se mencionó; Existen tres tipos de actuadores:  Hidráulicos  Neumáticos  Eléctricos Los actuadores hidráulicos, neumáticos y eléctricos son usados para manejar aparatos mecatrónicos. Por lo general, los actuadores hidráulicos se emplean cuando lo que se necesita es potencia, y los neumáticos son simples posicionamientos. Sin embargo, los hidráulicos requieren mucho equipo para suministro de energía, así como de mantenimiento periódico. Por otro lado, las aplicaciones de los modelos neumáticos también son limitadas desde el punto de vista de precisión y mantenimiento. 6 Los actuadores eléctricos también son muy utilizados en los aparatos mecatrónicos, como, por ejemplo, en los robots. Los servomotores CA sin escobillas se utilizarán en el futuro como actuadores de posicionamiento preciso debido a la demanda de funcionamiento sin tantas horas de mantenimiento. 1.1.1 ACTUADORES ELECTRICOS La estructura de un actuador eléctrico es simple en comparación con la de los actuadores hidráulicos y neumáticos, ya que sólo se requieren de energía eléctrica como fuente de poder. Como se utilizan cables eléctricos para transmitir electricidad y las señales, es altamente versátil y prácticamente no hay restricciones respecto a la distancia entre la fuente de poder y el actuador. Existe una gran cantidad de modelos y es fácil utilizarlos con motores eléctricos estandarizados según la aplicación. En la mayoría de los casos es necesario utilizar reductores, debido a que los motores son de operación continua. Utilización de un pistón eléctrico para el accionamiento de una válvula pequeña. La forma más sencilla para el accionamiento con un pistón, sería la instalación de una palanca solidaria a una bisagra adherida a una superficie paralela al eje del pistón de accionamiento y a las entradas roscadas. Existen Alambres Musculares, los cuales permiten realizar movimientos silenciosos sin motores. Es la tecnología más innovadora para robótica y automática, como así también para la implementación de pequeños actuadores. 1.1.1.1 Tipos de actuadores eléctricos A continuación, te detallamos los tipos de actuadores eléctricos que existen, así como sus principales funciones. 1.1.1.1.1 Motores de corriente continua (DC) Estos motores son los que más se emplean en la actualidad sobre todo gracias a su gran versatilidad y la facilidad de control que ofrecen. En el motor se incorpora un sensor para la posición que es el que realiza el control sobre la acción del actuador eléctrico. 1.1.1.1.2 1.1.1.1.2 Controlados por excitación Se crea un campo magnético de dirección fija. 7 1.1.2 ACTUADORES NEUMÁTICOS A los mecanismos que convierten la energía del aire comprimido en trabajo mecánico se les denomina actuadores neumáticos. Aunque en esencia son idénticos a los actuadores hidráulicos, el rango de compresión es mayor en este caso, además de que hay una pequeña diferencia en cuanto al uso y en lo que se refiere a la estructura, debido a que estos tienen poca viscosidad. El cilindro neumático consiste en un cilindro cerrado con un pistón en su interior que desliza y que transmite su movimiento al exterior mediante un vástago. Se compone de las tapas trasera y delantera, de la camisa donde se mueve el pistón, del propio pistón, de las juntas estáticas y dinámicas del pistón y del anillo rascador que limpia el vástago de la suciedad. Los cilindros neumáticos independientemente de su forma constructiva, representan los actuadores más comunes que se utilizan en los circuitos neumáticos. Existen dos tipos fundamentales de los cuales derivan construcciones especiales.  Cilindros de simple efecto, con una entrada de aire para producir una carrera de trabajo en un sentido.  Cilindros de doble efecto, con dos entradas de aire para producir carreras de trabajo de salida y retroceso. 1.2.2 Cilindros de simple efecto Un cilindro de simple efecto desarrolla un trabajo sólo en un sentido. El émbolo se hace retornar por medio de un resorte interno o por algún otro medio externo como cargas, movimientos mecánicos, etc. Puede ser de tipo “normalmente dentro” o “normalmente fuera”. Los cilindros de simple efecto se utilizan para sujetar, marcar, expulsar, etc. Tienen un consumo de aire algo más bajo que un cilindro de doble efecto de igual tamaño. Sin embargo, hay una reducción de impulso debida a la fuerza contraria del resorte, así que puede ser necesario un diámetro interno algo más grande para conseguir una misma fuerza. También la adecuación del resorte tiene como consecuencia una longitud global más larga y una longitud de carrera limitada, debido a un espacio muerto. 1.2.3 Tipos de cilindros de simple efecto:  Cilindros de émbolo  cilindros de membrana  cilindros de membrana enrollable 1.2.3.1 Cilindros de émbolo: 10 se trata de un elemento que se mueve de forma alternativa dentro de un cilindro para interactuar con un fluido. Fabricados con aluminio, los pistones se instalan en el cilindro a través de anillos con flexibilidad, que le permiten realizar sus movimientos. 1.2.3.2 cilindros de membrana: Una membrana de goma, plástico o metal reemplaza aquí al émbolo. El vástago está fijado en el centro de la membrana. En algunos el vástago puede adoptar forma plana y formar una superficie de acción. Se consiguen carreras cortas, hasta 50mm. La carrera de retorno se realiza mediante: un resorte antagonista por la tensión de la misma membrana (para carreras cortas). Se utiliza para la construcción de dispositivos y herramientas, para estampar, remachar y fijar en prensas. 1.2.3.3 cilindros de membrana enrollable: La membrana tiene forma de vaso, cuando se introduce aire comprimido la membrana se desarrolla en la pared interna del cilindro, presenta muy poco rozamiento y son muy estancos, su carrera es muy corta. 1.2.4 Los cilindros de doble efecto Los cilindros de doble efecto son aquellos que realizan tanto su carrera de avance como la de retroceso por acción del aire comprimido. Su denominación se debe a que emplean las dos caras del émbolo (aire en ambas cámaras), por lo que estos componentes sí pueden realizar trabajo en ambos sentidos. Sus componentes internos son prácticamente iguales a los de simple efecto, con pequeñas variaciones en su construcción. Algunas de las más notables las encontramos en la culata anterior, que ahora ha de tener un orificio roscado para poder realizar la inyección de aire comprimido (en la disposición de simple efecto este orificio no suele prestarse a ser conexionado, siendo su función la comunicación con la atmósfera con el fin de 11 que no se produzcan contrapresiones en el interior de la cámara). El campo de aplicación de los cilindros de doble efecto es mucho más extenso que el de los de simple, incluso cuando no es necesaria la realización de esfuerzo en ambos sentidos. Esto es debido a que, por norma general (en función del tipo de válvula empleada para el control), los cilindros de doble efecto siempre contienen aire en una de sus dos cámaras, por lo que se asegura el posicionamiento. Para poder realizar un determinado movimiento (avance o retroceso) en un actuador de doble efecto, es preciso que entre las cámaras exista una diferencia de presión. Por norma general, cuando una de las cámaras recibe aire a presión, la otra está comunicada con la atmósfera, y viceversa. Este proceso de conmutación de aire entre cámaras nos ha de preocupar poco, puesto que es realizado automáticamente por la válvula de control asociada. En definitiva, podemos afirmar que los actuadores lineales de doble efecto son los componentes más habituales en el control neumático. Esto es debido a que: - Se tiene la posibilidad de realizar trabajo en ambos sentidos (carreras de avance y retroceso). - No se pierde fuerza en el accionamiento debido a la inexistencia de muelle en oposición. - Para una misma longitud de cilindro, la carrera en doble efecto es mayor que en disposición de simple, al no existir volumen de alojamiento. 12 1.1.3 Actuadores Hidráulicos Los actuadores hidráulicos, que son los de mayor antigüedad, pueden ser clasificados de acuerdo con la forma de operación, funcionan en base a fluidos a presión. Los cilindros hidráulicos de movimiento lineal son utilizados comúnmente en aplicaciones donde la fuerza de empuje del pistón y su desplazamiento son elevados. 1.1.3.1 Existen tres grandes grupos:  Cilindro hidráulico  Motor hidráulico  Motor hidráulico de oscilación 1.1.3.2 Cilindro hidráulico:  Cilindro de simple efecto. El líquido a presión entra solo por la parte trasera de la cámara del cilindro. El retroceso del émbolo se produce por la fuerza de gravedad o la acción de una fuerza contraria cuando se libera la presión del líquido.  Cilindro de doble efecto. El líquido a presión entra por la parte trasera de la cámara del cilindro. El retroceso del émbolo se produce por la entrada de líquido a presión por la parte delantera de la cámara del cilindro, mientras se libera la presión en la parte delantera. 1.1.3.3 Motor hidráulico: es un actuador mecánico que convierte presión hidráulica y flujo en un par de torsión y un desplazamiento angular, es decir, en una rotación o giro. Su funcionamiento es pues inverso al de las bombas hidráulicas y es el equivalente rotatorio del cilindro hidráulico. Se emplean sobre todo porque entregan un par muy grande a velocidades de giro pequeñas en comparación con los motores eléctricos. 1.1.3.4 Motor hidráulico de oscilación El movimiento rotatorio es generado por la acción oscilatoria de un pistón o percutor; este tipo tiene mayor demanda debido a su mayor eficiencia. 15 1.1.4 Los principales componentes de un cilindro hidráulico son: Cilindro. Cuerpo principal del cilindro hidráulico en forma de un tubo cilíndrico, con una superficie interior muy pulida, dentro del cual se desplaza el émbolo. Émbolo o pistón. Pieza cilíndrica maciza que se mueve alternativamente en el interior del cuerpo del cilindro hidráulico, primero desplazándose para ejercer una fuerza al vástago y después para recibir de éste la fuerza necesaria para moverse en sentido contrario. Vástago. Barra acoplada al émbolo, que efectúa el movimiento alternativo de ida y regreso. Cabezales. Tapas roscadas en cada extremo del cilindro, la trasera es ciega, y la delantera tiene un orificio a través del cual se desplaza el vástago. Boquillas. Son los orificios de entrada y salida del líquido hidráulico a presión, y en las cuales se acoplan las mangueras que conducen el líquido. Horquillas. Son las piezas simples o en forma de U, que sirven para fijar el cilindro y el vástago, para lo cual están dotadas de orificios a través de los cuales se coloca un perno (tornillo o pasador). La trasera forma parte del cabezal trasero, y la delantera se encuentra en el extremo del vástago. Actuador Neumático Actuador Eléctrico Actuador Hidráulico Fuerza Generadora de Movimiento Presión de aire Energía eléctrica Presión hidráulica Elemento Motriz Émbolo, Pistón o Veleta Motor Eléctrico Émbolo, Pistón o Veleta Transmisión de Fuerza o Torque Eje o Cremallera Reductor Eje Conversión mecánica Yugo o Piñón - No hay - Yugo o Piñón 16 17 Actuador de Piñón y Cremallera (Rack & Pinion) a) Dimensionamiento de un actuador Neumático Rotatorio • Primero se debe determinar el torque que se necesita para generar el movimiento rotatorio. Este torque puede ser expresada en N-m, lb-in, lb-ft, etc. (Newton- metros, libras-pulgadas o libras- pié, etc.). El fabricante de la válvula debe suministrar este dato. Usualmente está publicado en su sitio web. • No olvidar considerar la presión de la línea, que muy posiblemente lucha en contra del actuador. • Establecer el porcentaje de sobredimensionamiento. Usualmente y dependiendo del tamaño y diseño de la válvula, entre 10% y 50% de sobredimensionamiento. • Segundo, debe establecerse la carrera angular del actuador (¿90º, 180º?). • Tercero, conseguir la presión mínima de aire disponible en el punto. Es en esta situación en la que el actuador está en su peor condición. La válvula debe ser actuada aun cuando la presión de aire caiga al mínimo. También se debe conseguir la presión máxima esperada, y compararla con la presión máxima que soporta el actuador y con el torque máximo que soporta el eje de la válvula. • Cuarto, con los torques ya determinados, y recurriendo a las tablas de torque de los diferentes modelos, se puede escoger un modelo adecuado para la aplicación. Es importante determinar el factor final de sobredimensionamiento que se calcula dividiendo el torque del actuador por el torque original requerido por la válvula. Por ejemplo, si el torque original 20 requerido de una válvula es de 3600 lb-in y se utiliza un porcentaje de 30%, es decir multiplicamos por 1,30 encontramos que se requiere un actuador de 4680 lb-in (la presión disponible de aire es 80 psi mín); hay un modelo XX0350 que entrega 3547 lb-in que no es suficiente; el siguiente tamaño XX0600 entrega 6028 lb-in que es más que suficiente. Sin embargo, el factor ya no es 1,30, si no que 1,67. Es importante tenerlo en cuenta para no perder de vista cuanto torque realmente estamos entregando a la válvula, sobre todo cuando el cliente o el ingeniero suministran el torque máximo admisible para el vástago de la válvula. • Verificar el torque máximo admisible para el vástago de la válvula. • Establecer los controles que gobernarán al actuador: Posicionador, válvulas solenoides, interruptores de carrera, transmisores de posición, etc. • Si el torque máximo a máxima presión de aire supera el torque máximo admisible del vástago de la válvula, debe considerar instalar un regulador de presión para limitar la presión máxima de aire. 1.2.2 Actuador Hidráulico Rotatorio Para hacer funcionar el actuador hidráulico, se conecta la presión hidráulica a uno de los lados del émbolo o veleta (en adelante, solo “émbolo”) generando una fuerza en sentido de la expansión del espacio entre el émbolo y la pared del cilindro o el cuerpo. Mediante un dispositivo mecánico que puede ser el conjunto piñón y cremallera, yugo escocés, o una simple veleta, el movimiento se transforma en rotatorio. Para mover el actuador en sentido contrario es necesario introducir aire comprimido en el lado opuesto del émbolo. El torque que genera el actuador es directamente proporcional a la presión de aceite hidráulico, pero puede ser variable de acuerdo a la posición actual del actuador, si el actuador es de Yugo. A. Dimensionamiento de un actuador Rotatorio Hidráulico • Básicamente son los mismos pasos a seguir que para el actuador neumático. 21 • Considerar que la presión hidráulica es mucho más alta que la presión de aire, por lo que los pistones o veletas asociados a un actuador hidráulico son mucho más pequeños. • Considerar la adquisición de una central hidráulica si el cliente no posee actualmente presión hidráulica disponible. • Establecer los controles que gobernarán al actuador: Posicionador, válvulas solenoides, interruptores de carrera, transmisores de posición, etc. 22