Alejandro Manzano

ACTUADORES
HIRAULICOS
Alejandro Manzano Pavón
Santiago Martín Barbosa
ACTUADORES HIRAULICOS
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).
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.
Existe tres tipos de actuadores:
• Neumáticos
• Eléctricos
• Hidráulicos
En este trabajo nos centraremos en los actuadores hidráulicos y los tipos que existen.
ACTUADORES HIRAULICOS
Los actuadores hidráulicos son los que han de utilizar un fluido a presión,
generalmente un tipo de aceite, para que el sistema donde sea utilizado pueda movilizar
sus mecanismos. Los actuadores hidráulicos se utilizan para maquinarias grandes, las
cuales presentan mayor velocidad y mayor resistencia mecánica.
Para las aplicaciones que exijan una carga útil, el dispositivo hidráulico es el
sistema a elegir. Los altos índices entre potencia y carga, la mayor exactitud, la
respuesta de mayor frecuencia con un desempeño más suave a bajas velocidades y el
amplio rango de velocidad, son algunas de las ventajas del acondicionamiento
hidráulicos sobre los actuadores neumáticos.
La presión es aplicada de la misma manera que la neumática en un émbolo que se
encuentra dentro de un compartimiento hermético. Este se encuentra acoplado
mecánicamente a un vástago que se mueve linealmente de acuerdo a la presión aplicada.
Los cálculos para la fuerza ejercida por un cilindro hidráulico son las mismas que para
los cilindros neumáticos.
Sin embargo, poseen una diferencia fundamental; el cilindro hidráulico del mismo
tamaño que el neumático produce una mayor fuerza. Las principales aplicaciones la
podemos encontrar en máquinas troqueladoras, en cargadores y en maquinarias pesada
para obras civiles.
Para la aplicación de los actuadores hidráulicos, se necesita de una bomba que
envíen al líquido también a presión a través de una tubería o de mangueras especiales
para el transporte del mismo.
Estos actuadores son de poco uso en la industria si lo comparamos con la acogida
de los actuadores neumático y eléctrico; esto se debe entre otras cosas a los grandes
requisitos para el espacio de piso y las condiciones de gran riesgo provenientes del
escurrimiento de fluidos de alta presión.
En esta clase de actuadores también encontramos cilindros de simple o de doble
efecto y en cuanto a los elementos de control y protección son muy similares a los
sistemas...
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. Existen tres grandes grupos:
1. cilindro hidráulico
2. motor hidráulico
3. motor hidráulico de oscilación
Cilindro hidráulico:
Los Cilindros Hidráulicos son unos actuadores mecánicos que aprovechan la
energía de un Circuito o Instalación hidráulica de forma mecánica. Los Cilindros
Hidráulicos son posiblemente la forma más habitual de uso de energía en instalaciones
hidráulicas.
Figura 1
En la figura 1 se ve el esquema de un cilindro hidráulico. Cuando se alimenta
con fluido hidráulico por la boca posterior avanza.
La velocidad de avance es proporcional al Caudal e inversamente proporcional al
área posterior del pistón. Es de hacer notar que para que el pistón avance será necesario
que el fluido presente en la cámara anterior salga por la boca correspondiente. Cuando
se desea que el pistón entre se debe alimentar por la boca anterior y sacar el fluido de la
cámara posterior . Este cambio de direcciones del fluido se logra mediante las válvulas
direccionales.
ELECCION DEL CILINDRO HIDRAULICO
Es fundamental una buena selección del Cilindro Hidráulico adecuado a su
ubicación para el correcto funcionamiento de la instalación. Las características
fundamentales para la elección serán:

Fuerza, donde se define la fuerza necesaria para el actuador. Es importante
elegir Cilindros-Actuadores Hidráulicos sobredimensionados. Este
sobredimensionamiento deberá ser calculado en función de la instalación, pero
suele estar entre el 20% y el 100% de la fuerza a efectuar.

Velocidad, dado que muchos cilindros forman parte de Sistemas
Automatizados más complejos, y deben actuar a un ritmo calculado.

Longitud de Carrera, dado que los Cilindros Hidráulicos tienen limitaciones
constructivas y de diseño, por lo que deben elegirse de forma adecuada y
calculada previamente a su instalación, o bien instalar limitadores y/o sistemas
de control de carrera.
TIPOS DE CILINDROS HIDRAULICOS
Básicamente, los Cilindros Hidráulicos se definen por su sistema de
desplazamiento en:
Cilindro de presión dinámica
Lleva la carga en la base del cilindro. Los costos de fabricación por lo general
son bajos ya que no hay partes que resbalen dentro del cilindro.
Figura 2
Cilindro de Efecto simple.
La barra esta solo en uno de los extremos del pistón, el cual se contrae mediante
resortes o por la misma gravedad. La carga puede colocarse solo en un extremo del
cilindro.
Figura 3
Cilindro de Efecto doble.
La carga puede colocarse en cualquiera de los lados del cilindro. Se genera un
impulso horizontal debido a la diferencia de presión entre los extremos del pistón
Figura 4
Cilindro telescópico.
La barra de tipo tubo multietápico es empujada sucesivamente conforme se va
aplicando al cilindro aceite a presión. Se puede lograr una carrera relativamente en
comparación con la longitud del cilindro
Figura 5
Válvulas Direccionales
Las válvulas en términos generales, tienen las siguientes misiones:

Distribuir el fluido

Regular caudal

Regular presión
Las válvulas son elementos que mandan o regulan la puesta en marcha, el paro y la
dirección, así como la presión o el caudal del fluido enviado por el compresor o
almacenado en un depósito.
Veamos como se comanda un cilindro de simple efecto con una válvula direccional
de tres vías dos posiciones. En la figura 6 vemos el esquema del circuito.
Figura 6
En la figura 7 vemos la válvula física y simbólicamente representada en sus
distintas posiciones de funcionamiento.
Figura 7
La simbología de las válvulas direccionales cumple con los siguientes
lineamientos:
Cada posición se indica con un cuadrado en el que se dibujan con flechas las
conexiones que la válvula realiza en dicha posición.
Las Vías u orificios principales de conexión de la válvula se llaman así
P = Presión , T = Tanque, A y B conexiones de utilización , es decir van a las bocas del
cilindro o motor hidráulico.
En la figura 8 vemos como ejemplo de esto a la válvula 4vias dos posiciones.
Figura 8
En la figura 9 vemos que la válvula tiene dos entradas mas de fluido , en el caso que sea
pilotada hidráulicamente, los pilotos se denominan X e Y , o bien están numerados .
Figura 9
Las formas de mando de las válvulas pueden ser
- Manuales ( palanca , pedal , botón).
- Eléctrica a través de bobinas(Solenoides).
- Neumática con pilotos neumáticos.
- Hidráulica con pilotos hidráulicos.
Lo mas usual son los mandos electro hidráulicos, es decir se colocan dos
válvulas en cascada , una válvula pequeña mandada eléctricamente , maneja a través de
pilotos hidráulicos a una válvula grande.
Puede ser que la válvula tenga resortes que la llevan automáticamente a una
posición central.
En otros casos disponen de trabas en cada posición ver figura 10
Figura 10
Las válvulas tienen muchas veces una posición central pasando a tener tres
posiciones (las hay de cuatro y más).
Vemos en la Figura 11 las distintas funciones de conexionado que cumplen las válvulas
en las posiciones centrales.
Figura 11
En algunos casos también viene especificado que sucede cuando la válvula
cambia de una posición a otra denominándose eso: posición en la transición.
Las distintas posiciones de centro se utilizan en función de cómo se resuelve el
circuito.
La posición centro cerrada implica que los cilindros quedan fijos cuando la
válvula está en ella. (Figura 12). Esta posición permite el agregado de un acumulador de
fluido a presión
Figura 12
La posición centro abierto deja completamente libre al cilindro. (Figura 13).
Figura 13
En la figura 14 vemos esquemáticamente, en símbolo simplificado y una vista
externa de una cascada de válvulas. Una mas pequeña (Válvula Piloto) comandada
eléctricamente a través de dos solenoides controla la mas grande mandada por pilotos
hidráulicos de la primera.
Figura 14
Entre ambas se ubican válvulas que limitan el flujo para que la válvula grande se
mueva con velocidad controlada y no provoque cierres y aperturas extremadamente
bruscas , lo que generaría ondas de presión ( golpe de ariete) que pudiesen dañar al
circuito.
En la figura 15 vemos una válvula similar pero en corte de una real.
Figura 15
Aplicaciones más frecuentes

Elevación de cargas

Descenso de cargas

Bloqueo de cargas

Desplazamiento de cargas
MANTENIMIENTO DE LOS CILINDROS HIDRAULICOS
Daremos ahora unos cuantos consejos generales para evitar incidencias y averías en
las instalaciones con Cilindros Hidráulicos:

Lubricar con aceite hidráulico limpio las juntas, conectores y racores antes de
usarlos.

Comprobar la presión de funcionamiento del Circuito Hidráulico para evitar
sobrepresiones.

Comprobar el apriete de los conectores hidráulicos del Cilindro para evitar
fugas.

Comprobar los soportes de los cilindros, tanto en hogura como en alineación.

Limpiar la suciedad del vástago, usando fuelles en instalaciones en zonas de
polvo o suciedad alta.

Mantener el Aceite Hidráulico en perfectas condiciones ayuda en gran medida a
la conservación de todos los elementos de una Instalación hidráulica.
Motor hidráulico
Los motores hidráulicos realizan un trabajo mecánico en forma de movimiento
giratoria ejerciendo un par en el eje de salida. Su funcionamiento es pues inverso al de
las bombas hidráulicas. Se emplean sobre todo porque entregan un par muy grande a
velocidades de giro pequeñas en comparación con los motores eléctricos.
Tipos de motores hidráulicos
Motores de engranajes
Son de tamaño reducido y pueden girar en los dos sentidos, pero el par es
pequeño, son ruidosos, pueden trabajar a altas velocidades pero de forma análoga a los
motores de paletas, su rendimiento cae a bajas velocidades.
Figura 16
Se usan para sistemas simples con un nivel relativamente bajo de presión (de
140 a 180 bar / 14 - 18 MPa), el motor de engranajes es el más usado entre los motores
hidráulicos. El motor de engranajes es un motor muy simple, fiable, relativamente
barato y el menos sensible a la suciedad. En la animación se puede ver que el sentido de
rotación está determinado por la dirección del flujo de aceite. La presión en el lado de
presión depende de la carga(torque) en el eje del motor hidráulico.
Figura 17
Motores de paletas
Estos motores tienen un rotor montado excéntricamente en un cilindro, con
paletas longitudinales alojadas en ranuras a lo largo del rotor.
El par se origina cuando el aire a presión actúa sobre las paletas. El número de paletas
suele ser de 4 a 8. Normalmente cuatro o cinco paletas son suficientes para la mayoría
de las aplicaciones. Se utilizan mayor número de paletas cuando se necesita mejorar la
fiabilidad de la máquina y su par de arranque.
Figura 18
Los motores de paletas giran desde 3000 a 25000 R.P.M.,en vacío.
Como norma general, los motores deben trabajar con una precarga para evitar
que giren a velocidades altas.
Al girar en vacío el motor, el número de veces que las paletas rozan sobre el
cilindro es casi doble que en carga. Esto supone un desgaste innecesario de las paletas y
de la pared del cilindro sobre la que deslizan.
La vida de las paletas se prolongará a varios cientos de horas trabajando el motor
a velocidades moderadas y metiendo aire al motor debidamente limpio y lubricado con
aceite en suspensión.
Los motores de paletas giran a velocidades más altas y desarrollan mas potencia
en relación con su peso que los motores de pistones, sin embargo tienen un par de
arranque menos efectivo.
Los motores de paletas son más ligeros y más baratos que los motores de
pistones de potencia similar.
Son los motores de uso más frecuente.
Figura 19
MOTORES NEUMATICOS DE PISTONES
Los motores hidraulicos de pistones tienen de 4 a 6 cilindros. La potencia se
desarrolla bajo la influencia de la presión encerrada en cada cilindro.
Trabajan a revoluciones más bajas que los motores de paletas. Tienen un par de
arranque elevado y buen control de su velocidad. Se emplean para trabajos a baja
velocidad con grandes cargas.
Figura 20
Pueden tener los pistones colocados axial o radialmente.
Figura 21
SELECCIÓN DEL MOTOR.
Lo primero que debe saberse es la velocidad a la que debe trabajar el motor y el
par para esa velocidad. La combinación de ambas variables nos indicará la potencia del
motor. Entre todos los motores posibles que den las características que buscamos hay
que elegir el que da máxima potencia para los valores buscados.
Asegurarse de que se ha elegido el valor de par adecuado. (No el par de arranque o
bloqueo, sino el del motor girando a la velocidad seleccionada.)
Motor hidráulico
En los motores hidráulicos el movimiento rotatorio es generado por la presión.
Estos motores los podemos clasificar en dos grandes grupo: El primero es uno de tipo
rotatorio en el que los engranes son accionados directamente por aceite a presión, y el
segundo, de tipo oscilante, el movimiento rotatorio es generado por la acción oscilatoria
de un pistón o percutor; este tipo tiene mayor demanda debido a su mayor eficiencia.
Figura 22
Motor de Engranaje.
El aceite a presión fluye desde la entrada que actúa sobre la cara dentada de cada
engranaje generando torque en la dirección de la flecha. La estructura del motor es
simple, por lo que es muy recomendable su uso en operaciones a alta velocidad.
Figura 23
Motor con pistón eje inclinado
El aceite a presión que fluye desde la entrada empuja el pistón contra la brida y la
fuerza resultante en la dirección radial hace que el eje y el bloque del cilindro giren en
la dirección de la flecha. Este tipo de motor es muy conveniente para usos a alta presión
y a alta velocidad. Es posible modificar su capacidad al cambiar el ángulo de
inclinación del eje.
Figura 24
Motor oscilante con pistón axial
Tiene como función, el absorber un determinado volumen de fluido a presión y
devolverlo al circuito en el momento que éste lo precise.
Figura 25