Actuadores y sus tipos

ACTUADORES

Definición:

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 de el origen de la fuerza el actuador

se denomina “neumático”, “hidráulico” o “eléctrico”.

En este artículo no se abordará el tema de los actuadores de SOLENOIDE por considerar que está asociado a otra área de

discusión. También se abordarán aquellos actuadores mas comunes, dejando para otra instancia los casos especiales, o

aquellos de uso menos difundido.

Historia:

El actuador mas 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

Los 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, hay tres tipos de actuadores:

• Neumáticos

• Eléctricos

• Hidráulicos

Funcionamiento

Es importante comprender el funcionamiento de los actuadores para su correcta

aplicación.

Funcionamiento del actuador Rotatorio

El objetivo final del actuador rotatorio es generar un movimiento giratorio. El movimiento

debe estar limitado a un ángulo máximo de rotación. Normalmente se habla de

actuadores de cuarto de vuelta, o 90º; fracción de vuelta para ángulos diferentes a 90º,

por ejemplo 180º; y de actuadores multivuelta, para válvulas lineales que poseen un eje

de tornillo o que requieren de múltiples vueltas para ser actuados.

La variable básica a tomar en cuenta en un actuador rotatorio es el torque o par; también

llamado momento. Y es expresado en lb-in, lb-pie, N-m, etc.

El actuador rotatorio dependiendo de su diseño, consta de las siguientes partes móviles

básicas:

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

Actuador Rotatorio Neumático

Para hacer funcionar el actuador neumático, se conecta aire comprimido 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.

Actuador de Veleta Única (Rotary Vane)

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

del aire comprimido, pero dependiendo de su diseño puede ser variable de acuerdo a la

posición actual del actuador. Es decir, supongamos que el movimiento del actuador

rotatorio está definido en el rango de 0% a 100% de su movimiento. El torque de salida en

0% es en algunos casos diferente al torque de salida cuando está en la posición 50%. A

mayor abundamiento, en realidad lo que se tiene es una curva de torques en función de la

posición del actuador. ¿Es esto una desventaja? No necesariamente, esta variabilidad de

hecho es beneficiosa para la mayaría de las válvulas, ya que permite ajustar más el

tamaño del actuador, pudiendo incluso bajar un modelo o dos al seleccionado

originalmente.

Hoy existen 3 tipos de actuadores neumáticos

• Piñón y cremallera

• Yugo Escocés

• Veleta

Actuador de Piñón y Cremallera (Rack & Pinion)

Actuador de Yugo Escocés (Scotch Yoke)

Curva de Torque para Yugo Escocés Simétrico y Yugo Escocés Inclinado

A continuación se tiene una tabla de las principales características de ambos tipos de

actuadores

TIPO RANGO de movimiento(*1) Tipo de Torque Rango de TORQUE

Piñón y Cremallera 0º a 90º (180º y 270º)(*2) Constante Torques Bajos y

Medios

Yugo Escocés 0º a 90º Variable Torques Medios y

Altos

Veleta 0º a 90º (180º y 270º)(*2) Constante Torques Bajos

Nota (*1) Los rangos de movimiento de los actuadores usualmente son ajustables en rangos +/-1º en cada lado hasta

+/- 5º a cada lado o mas.

Nota (*2) También disponible en 180º y muy raramente en 270º.

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. (Newtonmetros,

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 aún 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 sobredimansionamiento que se calcula

dividiendo el torque del actuador por el torque original requerido por la válvula. Por

ejemplo, si el torque original 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 mas 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.

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