ES2203148T3 - Accionador de baja presion. - Google Patents
Accionador de baja presion.Info
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Abstract
Un accionador que comprende un tubo interior, un tubo de restricción, un mecanismo móvil y un bastidor exterior rígido, por el que: a) el tubo interior es un tubo cilíndrico interior hueco flexible (8), impermeable a fluidos, expansible en todas las direcciones cuando se introduce un fluido dentro del tubo interior (8) y contraible cuando se retira fluido del tubo interior (8); b) el tubo de restricción es un tubo (6) de restricción, de tejido, aplastable, que rodea radialmente el tubo cilíndrico interior (8); c) el mecanismo móvil (10) está asociado de manera obturada con el tubo (6) de restricción y se mueve en la misma dirección lineal axial cuando el tubo (6) de restricción y el tubo interior (8) se enderezan desde una posición acortada doblada o rizada tras la introducción de fluido dentro del tubo interior (8) y se contraen en la misma dirección axial cuando se retira fluido del tubo interior (8); y d) el bastidor exterior rígido (4) aloja el tubo (6) de restricción, el tubo interior(8) y el mecanismo móvil (10), guiando dicho bastidor (4) el movimiento axial del mecanismo móvil (10); caracterizado porque dicho tubo (6) de restricción está totalmente extendido cuando está en reposo, y cuando el tubo interior (8) está acortado tras el desinflado, el tubo (6) de restricción se dobla o riza de manera aleatoria.
Description
Accionador de baja presión.
Esta invención se refiere a un nuevo accionador
mecánico de baja presión. Más en particular, esta invención está
relacionada con un nuevo dispositivo neumático o hidráulico de baja
presión que crea una fuerza mecánica lineal o radial para mover
componentes, maquinaria o válvulas de control.
Los accionadores mecánicos con pistones son
ampliamente usados en la industria para mover partes o componentes
de maquinaria para llevar a cabo distintas funciones. Los
accionadores se utilizan en líneas de montaje o procesos
industriales para controlar válvulas, o para hacer funcionar
equipamientos. Los accionadores normalmente funcionan utilizando
fluidos neumáticos o hidráulicos de baja presión para crear una
fuerza, lineal o de rotación, para mover un componente o una pieza
de maquinaria.
Los pistones neumáticos o accionadores son de dos
tipos básicos:
Estos son típicamente huecos y consisten en
caucho preformado que se extiende y contrae de manera lineal
mediante un mecanismo "de acordeón" que extiende o desinfla el
elastómero. Para evitar el abombamiento radial, el caucho debe ser
muy pesado, el movimiento horizontal debe ser muy corto en relación
con la dimensión radial de la forma del acordeón, y la presión
neumática debe ser lo suficientemente baja como para no romper el
caucho. Los pistones de tipo fuelle son útiles en primer lugar para
empujes cortos, movimientos de baja presión tales como activación
de conmutadores o frenos. Las máximas presiones de trabajo típicas
de estos pistones de tipo fuelle están limitadas a aproximadamente
1,378x10^{5} Pa.
Estos accionadores comprenden típicamente un
pistón sólido deslizante dentro de un tubo sólido hueco (usualmente
metálico). Los pistones de tubo sólido funcionan típicamente a
presiones de trabajo en el intervalo de aproximadamente
5,511x10^{5} Pa. Para contener la fuerza neumática requerida en
el pistón, uno o más obturadores de aire, de caucho, encierran la
circunferencia del pistón y por ello contienen el aire. Los
obturadores de aire son similares a anillos de pistón en un motor
de combustión interna. Típicamente, se genera una fuerza lineal
puesto que los pistones se mueven a lo largo del eje del interior
del cilindro tubular. El término "accionador" es
frecuentemente aplicado en situaciones en las que se va a generar
una fuerza de rotación (momento de torsión). En el caso de
accionadores mecánicos, la fuerza rotacional se obtiene normalmente
utilizando un montaje de cremallera y piñón dentro del cilindro. La
cremallera está unida al pistón y el piñón abandona el cilindro
radialmente. Esto requiere una obturación (una junta tórica, por
ejemplo) para contener la presión de aire. Están disponibles varios
tipos de accionadores, por ejemplo de doble acción y de retorno de
muelle.
El pistón deslizante en un cilindro fijo se
utiliza comúnmente para aplicaciones tales como rotación de
varillas de válvula. El problema inherente a este tipo es que son
caros de fabricar y tienen problemas de desgaste y fricción
asociados a la necesidad de obturadores deslizantes en los
pistones. El aire contaminado puede acortar significativamente la
vida de las obturaciones, y el diseño de tales accionadores no
permite durabilidad económica. Por lo tanto, algunas aplicaciones
requieren que el aire sea filtrado, o tratado de otro modo para
prolongar la vida útil del accionador.
Existen otros mecanismos de movimiento lineal que
comprenden un tubo que se estira de una manera lineal, tal como
para la conducción de aire utilizada en sistemas de ventilación.
Estos mecanismos tubulares estirables incluyen entubaciones de
plástico con hilo bobinado incrustado que permite el estiramiento
horizontal de las entubaciones. El hilo bobinado proporciona
resistencia radial. Existe un problema inherente a tales tubos.
Cuando se aplica una alta presión neumática al tubo, éste tiende a
girarse y provocar abombamiento localizado. Tales tubos con
bobinados internos o incrustados son entonces apropiados únicamente
para aplicaciones de muy baja presión.
Varios inventores han intentando resolver los
problemas inherentes a los diseños de estos dos tipos de
accionadores utilizando un tubo obturado de caucho (bolsa de aire)
y restringiendo su expansión radial mediante varios medios distintos
a fuelles. Estos sistemas suponen generalmente rodear el tipo de
caucho con un tubo exterior que tiene hilos helicoidales. Esto
permite que el tubo exterior se estire sin abombamiento. Otro
método utiliza un segundo tubo exterior con presión neumática de
compensación. Estos sistemas generalmente acortan el recorrido
disponible del accionador con relación a su longitud y también
establecen fuerzas opuestas que disminuyen significativamente la
eficiencia mecánica del tubo interior de expansión.
Los accionadores normalmente emplean uno de dos
métodos para la activación:
A. El principio físico de que cuando se aplica
presión a las superficies interiores de una "bolsa elastómera"
de cualquier forma (por ejemplo, un globo alargado) la presión
tenderá a forzar la bolsa hacia una forma esféroide. De este modo,
la presión intenta igualarse dentro de los confines del volumen.
Esto será descrito en lo sucesivo como "presión de
igualación".
B. Restringir la expansión radial de una bolsa
elastómera mediante una serie de dos bobinados diagonales opuestos
para los cuales el ángulo de los puntos de cruce cambia para
permitir un cierto alargamiento del tubo hasta que tiene lugar un
cambio del ángulo máximo. Esto se describe como "constricción
radial".
Se han expedido un cierto número de patentes a lo
largo de los años que describen varios dispositivos que emplean uno
o el otro, o ambos, de los principios A y B descritos
anteriormente.
Beullens utiliza el principio de igualación de la
presión. Esto se demuestra mediante la descripción de las figuras 1
y 2 estando en la posición inactiva y la figura 3 estando en la
posición activa. La columna 4, párrafo 40, describe que "los
puntos de trabajo .... se empujan unos hacia otros". El propósito
de los hilos en espiral en Beullens aparenta no ser sólo evitar que
el dispositivo "explote" sino también redirigir la fuerza
radial hacia una fuerza horizontal de aspiración cuando se alcanza
el máximo tamaño radial.
El dispositivo comprende, por un lado, al menos
una cámara obturable de forma estanca que está restringida mediante
una pared hecha a partir de material parcialmente distorsionable,
y, por otro lado, filamentos aproximadamente inestirables,
bobinados en espiral, flexibles, que se extienden sustancialmente
próximos unos a otros al menos alrededor de dicha pared, por lo que
parte de dichos filamentos son bobinados hacia la derecha y otra
parte de los mismos hacia la izquierda, y esto de un modo tal que
dos filamentos que se cruzan arbitrariamente pueden sufrir algún
desplazamiento angular uno en relación con el otro y un extremo de
cada uno de dichos filamentos en un lado de dicha cámara está fijo
con relación a un punto de trabajo, y el otro extremo del mismo en
el lado opuesto de dicha cámara está fijo con relación a otro punto
de trabajo, y por lo que está provista adicionalmente al menos una
abertura de alimentación en dicha cámara, a través de la cual se
puede alimentar un gas o líquido presurizado, y dicha pared es
distorsionable al menos a lo largo de una dirección transversal a la
línea que une ambos puntos de trabajo mencionados, de un modo tal
que, regulando la presión de gas o líquido dentro de la cámara,
tiene lugar un desplazamiento relativo de dichos puntos de
trabajo.
Negishi utiliza el principio de constricción
radial. El accionador de Negishi incluye un miembro elástico
extensible en direcciones axiales cuando se suministra un fluido
presurizado dentro del miembro elástico y un dispositivo de guiado
montado hacia dentro del miembro elástico y que permite que el
miembro elástico se mueva en las direcciones radiales pero
restringe el movimiento del miembro elástico en las direcciones que
interseccionan con las direcciones axiales. El accionador es del
tipo bolsa de aire de modo que la energía del fluido presurizado se
puede convertir en movimiento mecánico con una alta eficacia. El
accionador se mueve solamente en las direcciones axiales sin
expandirse en las direcciones radiales, de modo que el espacio
ocupado por el accionador en funcionamiento es pequeño. Debido a las
restricciones de cambio de ángulo de la "estructura trenzada de
refuerzo", hay un desplazamiento limitado de este accionador en
relación con su longitud. Esto limita su aplicación. La otra
"realización" (figura 3a) es la visión de un muelle de retorno
fuera del accionador.
El dispositivo descrito por Negishi en esta
patente es muy similar al dispositivo en su patente estadounidense
número 5.201.262, excepto porque el tubo de guiado está ahora fuera
en vez de dentro. El accionador de esta patente incluye un miembro
elástico extensible en direcciones axiales cuando se proporciona un
fluido presurizado en el miembro elástico, y un dispositivo de
guiado dispuesto hacia fuera del miembro elástico y que permite que
el miembro elástico se mueva en las direcciones axiales, pero que
restringe el movimiento del miembro elástico en las direcciones que
interseccionan con las direcciones axiales. El accionador es de tipo
bolsa de aire de modo que la energía del fluido presurizado se
puede convertir en movimiento mecánico con alta eficiencia. El
accionador se mueve sólo en las direcciones axiales sin expandirse
en las direcciones radiales, de modo que el accionador ocupa poco
espacio en funcionamiento. El tubo telescópico parece ser usado no
para evitar la expansión del elastómero (esto se hace mediante la
estructura trenzada), sino para mantener el pistón señalado en la
misma dirección). Si la estructura trenzada no estuviese allí, el
elastómero podría deteriorarse y pellizcar el tubo telescópico.
Existe un desplazamiento limitado en este pistón.
Negishi emplea, en este caso, una combinación de
los principios de igualación de la presión y de constricción
radial, en el que existen dos tubos concéntricos de presión. El
accionador de doble acción de la patente estadounidense nº 5.067.390
incluye un cuerpo tubular hecho de un material elástico, con una
primera estructura trenzada de refuerzo que lo rodea. Un segundo
cuerpo tubular hecho de un material elástico rodea la estructura
trenzada de refuerzo para formar un espacio hacia fuera. Una
segunda estructura trenzada de refuerzo rodea el segundo cuerpo
tubular. El accionador incluye adicionalmente miembros de cierre
para cerrar y unir los extremos de los cuerpos tubulares primero y
segundo y reforzar las estructuras trenzadas, y un dispositivo de
guiado para permitir movimientos axiales de los cuerpos tubulares
primero y segundo pero restringiendo los movimientos laterales de
los mismos. Las estructuras trenzadas de refuerzo primera y segunda
están construidas de modo tal que los ángulos iniciales de trenzado
de las mismas permiten que la primera estructura trenzada se
alargue y permiten que la segunda estructura trenzada se contraiga
cuando se suministre fluido presurizado a los cuerpos tubulares
primero y segundo. La presión del fluido se varia entre los tubos
de modo que el tubo exterior en un punto tiene una presión más alta
que el tubo interior y de este modo restringe la expansión radial,
dirigiendo la fuerza al empuje horizontal. Este dispositivo también
tiene un movimiento limitado.
Sakaguchi describe un ejemplo clásico del
principio de igualación de la presión. El accionador de Sakaguchi
incluye un cuerpo tubular hecho de un material elástico similar a
caucho y una estructura trenzada hecha de fibras orgánicas o
inorgánicas, de alta resistencia a la tensión, que refuerzan el
exterior del cuerpo tubular. Los miembros de cierre cierran de
forma estanca los extremos del cuerpo tubular. Al menos uno de los
miembros de cierre tiene un pasaje de conexión de fluidos. El cuerpo
tubular se deforma para expandir su diámetro cuando se introduce
fluido presurizado a través del pasaje de conexión para provocar
una fuerza de contracción en la dirección longitudinal.
Extensómetros de detección de la contracción en un miembro de cierre
proporcionan señales correspondientes a la fuerza de contracción
del accionador.
Este dispositivo también funciona de acuerdo con
el principio de igualación de la presión con modificaciones para
mejorar y disminuir la fatiga. Takagi describe un accionador
neumático que incluye un cuerpo tubular elástico, miembros de cierre
que cierran de forma estanca sus extremos y una estructura trenzada
hecha de cordones trenzados que refuerzan el cuerpo tubular. La
estructura trenzada se expande en su dirección radial y se contrae
simultáneamente en su dirección axial junto con el cuerpo tubular
cuando se proporciona el líquido presurizado en el cuerpo tubular.
De acuerdo con la invención, los cordones trenzados de la
estructura trenzada comprenden monofilamentos teniendo cada uno de
ellos una superficie exterior suavemente redondeada de un gran radio
de curvatura. Se puede proporcionar una capa protectora entre el
cuerpo tubular y la estructura trenzada o se proporciona un relleno
en el cuerpo tubular tal como una sustancia fluida incompresible
que no tiene forma constante, o los diámetros de ambos extremos de
la estructura trenzada y los ángulos de trenzado en ambos extremos
se hacen mayores que los de una porción sustancialmente intermedia
de la estructura de trenzado. El accionador de acuerdo con la
invención disminuye el daño del cuerpo tubular al alargar su vida
útil y exhibe una mejora en la ejecución del contacto y una alta
resistencia a la fatiga que puede ahorrar grandemente el consumo de
aire para eliminar la desventaja del gran consumo de aire de los
accionadores de tipo bolsa de aire sin afectar de forma adversa a
sus ventajas.
El montaje accionado por presión de fluido
descrito por Wang incluye una cubierta hecha de un material elástico
flexible, tal como caucho o poliuretano, un muelle tensor
helicoidal encamisado sobre la cubierta para predisponer la cubierta
a moverse hacia una posición retraída, y un muelle helicoidal de
espaciado interpuesto entre el muelle tensor y la cubierta para
evitar que cualquier pared de la cubierta quede atrapada entre
cualesquiera dos vueltas adyacentes del muelle tensor. Cuando se
aplica un fluido comprimido al interior de la cubierta, la cubierta
se extiende. Esta utiliza el muelle de retorno para la restricción
radial, pero añade un muelle separador entre medias para evitar que
el material flexible se apriete entre las vueltas del muelle de
retorno.
Paynter describe un método para crear un momento
de torsión presurizando el interior de un tubo que tiene hilos de
muelle preformados en espiral (con forma helicoidal) en el exterior.
La presión de expansión fuerza a los hilos a enderezarse (es decir,
a perder su espiral) y de este modo giran un extremo del
dispositivo.
La invención, entre otras cosas, proporciona una
bomba adaptada para la admisión y entrega de líquido tal como agua
en pozos o cuerpos de agua relativamente profundos. La bomba
comprende una cámara de paredes rígidas, adaptada para la inmersión
en el líquido que se va a aspirar. La cámara de paredes rígidas
tiene una válvula de admisión y una válvula de suministro
interpuestas entre la cámara de paredes rígidas y un tubo de
suministro. La bomba está caracterizada porque comprende, acomodada
en la cámara de paredes rígidas, una cámara deformable elásticamente
asociada a medios para controlar, al menos en una dirección,
deformaciones alternadas de la cámara mediante expansión y
retracción. Este es un dispositivo para una bomba sumergible (bomba
de pozo por ejemplo). Existe un émbolo deformable en un extremo del
asa en la parte superior para aumentar la presión ejercida sobre el
agua en el pozo, forzando el agua hacia arriba a través de un
tubo.
Larsson describe un accionador flexible que
comprende al menos un tubo de presión, que es axialmente extensible
y/o contraible bajo la influencia de un fluido de presión. El
objeto de la invención es proporcionar un accionador flexible, que
puede llevar a cabo movimientos axiales rectos así como movimientos
curvos en uno o más planos y que también puede funcionar a
presiones muy altas. Estos objetos han sido conseguidos por el
hecho del que tubo (12) con la excepción de sus partes (13) de
conexión o unión, de extremo, está ondulado y porque al menos las
porciones (10) del tubo ondulado, que están situadas entre sus
dobleces (9) que se proyectan hacia fuera, están equipadas con
medios (8) de un material que es inextensible en comparación con el
material del tubo, y dispuestas sustancialmente para evitar una
expansión radial y/o contracción del tubo en dichas porciones (10).
Este es efectivamente un tipo de fuelle muy largo, con refuerzos en
los dobleces del fuelle para evitar su abombamiento. Se han
reivindicado muchas variaciones para evitar el abombamiento, pero
todas dependen básicamente de la idea de fuelles y del reforzamiento
con cable helicoidal.
Price describe un pistón activado por presión de
fluido, transportado deslizablemente en un cilindro accionado por
presión de fluido que, a su vez, es transportado deslizablemente en
un transportador fijo. El movimiento del cilindro se resiste
mediante un tubo deformable encajado por fricción en un miembro
circular fijo. Una presión de fluido predeterminada que actúa a lo
largo de una porción de pared de área diferencial del cilindro
genera una fuerza que supera la resistencia por fricción del tubo
deformable encajado en el miembro circular fijo avanzando de este
modo el cilindro en la dirección del movimiento del pisto
presurizado. La fuerza de salida del pistón no se ve
sustancialmente afectada por la fuerza impartida sobre el cilindro.
Este es un dispositivo muy complicado para ser usado en el
accionamiento de frenos de aeronaves. El único material flexible
parecer ser un miembro deformable radialmente dentro del cilindro
para alterar los movimientos.
La invención está dirigida a un accionador que
comprende: (a) un tubo interior hueco flexible, impermeable a
fluidos, que se puede expandir a lo largo de un eje cuando se
introduce un fluido en el tubo interior, y contraer a lo largo del
mismo eje cuando se retira el fluido del tubo interior; (b) un
mecanismo móvil asociado al tubo interior que se mueve en la misma
dirección cuando se expande la vejiga durante la introducción de
fluido en el tubo interior.
El tubo interior puede ser expansible en todas
las direcciones, pero está confinado en un restringidor que
restringe la expansión de la vejiga a un eje. El fluido puede ser
aire comprimido o aceite hidráulico. Se puede asociar un conectador
móvil a un extremo móvil del tubo interior expandible y puede
articular el tubo interior al mecanismo móvil. El mecanismo móvil
puede ser un pistón. El conectador móvil puede deslizar sobre un
vástago de restricción.
La vejiga y el mecanismo móvil se pueden alojar
en un bastidor rígido. Un conectador fijo se puede situar en un
extremo del tubo interior opuesto al conectador móvil y puede
asegurar un extremo fijo del tubo interior al bastidor rígido.
Se puede unir el pistón a un yugo que convierte
el movimiento axial en movimiento de rotación. El tubo interior se
puede unir externamente a una cremallera dentada que actúa sobre un
piñón para convertir el movimiento lineal en movimiento de
rotación. Se pueden fijar radialmente varios mecanismos de
cremallera en un plano, actuando sobre un piñón común en el centro
para crear un momento de torsión y/o acción de retorno.
Los tubos interiores primero y segundo se pueden
situar extremo con extremo sobre lados opuestos del mecanismo móvil
y pueden proporcionar una acción oscilante al mecanismo móvil en
cualquier dirección a lo largo del eje cuando se introduce el
fluido alternamente en los tubos interiores primero y segundo.
Los tubos interiores primero y segundo pueden
tener cremalleras dentadas que engranan con dientes en el mecanismo
móvil. Los tubos interiores primero, segundo, tercero y cuarto se
pueden montar en orientación de pares opuestos alrededor del
mecanismo móvil y pueden accionar el mecanismo móvil al unísono. El
mecanismo móvil puede ser un engranaje y los tubos interiores
primero, segundo, tercero y cuarto pueden tener cremalleras
dentadas que pueden engranar con los dientes del engranaje.
Los tubos interiores pueden estar hechos de
elastómero. El restringidor puede estar hecho de un tejido
aplastable. Se puede unir internamente un muelle de retorno dentro
del tubo interior, o externamente. El tubo interior puede estar
unido a cada uno de los extremos del restringidor o unido a lo
largo de toda su longitud al restringidor.
La figura 1 ilustra un alzado de un accionador de
doble acción de baja presión con una unión de yugo de acuerdo con
la invención.
La figura 2 ilustra una vista en planta de un
accionador de doble acción de baja presión.
La figura 3 ilustra una vista en corte tomada a
lo largo de la línea de corte A-A de la figura
1.
La figura 4 ilustra un alzado de un accionador de
acción simple de baja presión, con una unión de yugo.
La figura 5 ilustra una vista en planta de un
accionador de acción simple de baja presión.
La figura 6 ilustra un corte en detalle de un
tubo de tejido y un tubo interior.
La figura 7 ilustra un alzado de cuatro
accionadores con cremalleras dentadas que engranan en un engranaje
común.
La figura 8 ilustra una vista en planta del
sistema de cuatro accionadores ilustrado en la figura 7.
El accionador de acuerdo con la invención trabaja
sobre el principio de una envoltura que es expansible en una
dirección pero no en la otra. En la invención, se fija un tubo
elastómero a cada extremo de discos respectivos de un diámetro igual
al diámetro del tubo elastómero. Un disco está fijo mientras que el
otro disco es libre de deslizar axialmente distanciándose del disco
fijo sobre las guías. Situado fuera del tubo elastómero está un
tubo de restricción que está construido de un material que tiene
resistencia a la tensión pero no resistencia a la comprensión, tal
como un tejido entrelazado. El tubo de restricción no se estirará a
presiones de trabajo pero se doblará o aplastará. El tubo de
restricción es de una longitud suficiente como para que, cuando
esté totalmente extendido, el disco fijo y el disco móvil estén
situados a la máxima distancia uno de otro. No obstante, a medida
que el disco libremente deslizante se mueva hacia el disco fijo, el
tubo de restricción se aplasta y arruga. Tanto el tubo interior
elastómero como el tubo exterior de restricción están fijados por
cada extremo a los dos discos de extremo de una forma estanca al
aire por medios conocidos tales como abrazaderas.
El disco fijo de extremo tiene un orificio a
través del cual se aplica el fluido neumático (o hidráulico de baja
presión) de una forma controlada mediante medios conocidos, tales
como un compresor o bomba. La presión creada por el fluido dirigido
hacia el tubo elastómero provoca que el tubo elastómero se expanda.
No obstante, dado que su expansión radial se constriñe mediante el
tubo exterior de restricción, toda la fuerza generada se dirige
axialmente en la dirección que mueve el disco libremente deslizable
alejándolo del disco fijo.
Básicamente, esta invención es un mecanismo de
cilindro accionado mediante presión de fluido que se puede utilizar
neumáticamente (o, alternativamente, hidraulicamente) para crear una
fuerza longitudinal (tal como con pistones) o, cuando está
conectada a un yugo, para crear una fuerza de rotación (momento de
torsión) (tal como con un accionador). Los accionadores se utilizan
comúnmente en aplicaciones industriales para abrir y cerrar
mecánicamente válvulas.
El accionador de baja presión de acuerdo con la
invención está dirigido a evitar los problemas de la técnica
anterior, esto es, evitar el problema del estiramiento inherente a
los accionadores de tipo fuelle o de tipo
tubo-pistón teniendo el tubo de restricción en
reposo cuando está totalmente extendido, y teniendo el tubo
arrugado o doblado cuando no está extendido. De este modo, no hay
necesidad de utilizar un material que es tendente a abombarse a
altas presiones cuando se estira. Un tejido o algún otro tipo de
tubo exterior flexible es apropiado para este propósito.
Si se utiliza un tejido exterior entrelazado, el
tubo interior elastómero no necesita ser ancho como con los fuelles
convencionales y puede ser un caucho muy delgado, ya que es
totalmente constreñido y soportado por el tejido. El tubo interior
necesita sólo ser lo suficientemente ancho como para no abombarse
entre las hebras del tejido y de este modo no desgastarse
prematuramente. Utilizar un tubo delgado de caucho tiene también la
ventaja de que reduce la pérdida de energía que se provoca cuando
se estira un tubo grueso de caucho. En la invención, el caucho no
necesita tener gran resistencia porque el único propósito del caucho
es contener el fluido presurizado.
Durante el recorrido del pistón accionador desde
la posición de reposo, en la que el tejido está deformado, hasta la
posición extendida en la que el tubo está totalmente extendido, no
existe ningún desgaste significativo por fricción entre el caucho y
el tejido. Esto es porque el caucho se expande inicialmente en el
área de menor resistencia, esto es, donde el caucho no está en
contacto con el tejido. Consecuentemente no existe un desgaste
significativo que induzca el frotamiento entre el caucho y el tejido
cuando está totalmente presurizado.
Los tipos existentes de fuelles y accionadores de
pistón de tubo sólido tienen graves defectos y limitaciones. Con
los accionadores de fuelle, el empuje está limitado debido a las
presiones de fluido que pueden ser radialmente constreñidas por
este método, y el movimiento axial restringido.
Los pistones de tubo sólido tienen las siguientes
limitaciones y deficiencias:
a. Pérdida por fricción;
b. Desgaste de la obturación, provocando fallos
prematuros, y costosas reparaciones o sustituciones;
c. Las partículas contaminantes en el aire pueden
provocar desgaste prematuro en las obturaciones, requiriendo
algunas veces filtros de aire en el suministro neumático para
reducir este problema;
d. Pesados, difíciles de manejar, provocando por
ello una instalación más lenta y altos costes de mantenimiento en
los tamaños más grandes;
e. Alto coste de fabricación debido a
requerimientos de mecanización de estrecha tolerancia para el
movimiento y la contención de aire; y
f. muchas partes y formas.
g. Empuje lateral cuando las cremalleras unidas a
pistones opuestos actúan sobre un piñón común.
Haciendo referencia a la figura 1, que ilustra
una vista en alzado de un accionador 2 de doble acción de baja
presión, y la figura 3, que ilustra una vista en corte tomada a lo
largo de la línea de corte A-A de la figura 1, el
accionador 2 tiene un par de bastidores lineales rígidos 4 y 5 a
cada lado (véase la figura 3). Entre medias de los dos bastidores 4
y 5 está situado un par opuesto de tubos 6 y 16 de restricción
radial, de tejido, exteriores, de fuelle, flexibles, cada uno de los
cuales encierra un tubo interior flexible estirable 8 (no mostrado
en la figura 1 pero visible en la figura 3) hecho de un caucho o
elastómero a prueba de fluidos. Los tejidos exteriores que
restringen radialmente los tubos 6 y 16 son extensibles en una
dirección lineal horizontal pero no son extensibles en una
dirección radial. Los tubos 6 y 16 de tejido tienen tubos interiores
elásticos 8 impermeables a fluidos (véase el detalle en la figura
6).
Los dos extremos exteriores opuestos de los dos
tubos exteriores 6 y 16 de restricción están respectivamente
conectados a abrazaderas fijas 18 y 20 de extremo, que están
fijadas a los bastidores 4 y 5 del accionador mediante respectivas
placas 28 y 30 de extremo. Los extremos interiores 12 de fuelle de
los dos tubos 6 y 16 de restricción, de tejido, están unidos a
abrazaderas móviles interiores 22 y 24 de extremo en cualquier lado
del pistón central 10. El pistón 10 se desliza sobre cuatro barras
26 de anclaje (véase la figura 3) que se extienden horizontalmente
entre los dos extremos de las placas longitudinales 28 y 30 de
extremo del accionador 2.
Cuando se inyecta aire a través de una entrada
(no mostrada) en uno de los tubos interiores 8, por ejemplo a
través de la placa 28 de extremo, a la derecha en la figura 1, la
presión de aire provoca que el tubo interior 8 se expanda en la
única dirección que puede, a saber, hacia el pistón 10. La porción
12 de fuelle, fijada radialmente, del tubo exterior 6 de
restricción también se expande y mueve el pistón 10 hacia la
izquierda. El pistón 10 está conectado al yugo rotatorio 14 y
provoca que el árbol 15 rote.
La acción opuesta tiene lugar cuando el tubo
interior derecho 8 y el tubo exterior 6 de restricción se desinflan
y el tubo interior izquierdo 8 y el tubo exterior 16 de restricción
se inflan. Esto proporciona un accionador de doble acción.
La figura 2 ilustra una vista en planta del
accionador 2 que incluye placas 4 y 5 de bastidor, tubos exteriores
6 y 16 de tejido, de restricción, pistón oscilante 10, barras 26 de
anclaje, abrazaderas fijas primera y segunda 18 y 20 de extremo,
abrazaderas libres primera y segunda 22 y 24 de extremo y placas 28
y 30 de extremo.
Los dos tubos interiores 8 están hechos de caucho
impermeable al aire o al aceite o de un producto elastómero
flexible impermeable a fluidos similar. Con la constricción radial
creada por los dos tubos exteriores 6 y 16 de tejido, los dos tubos
interiores 8 pueden expandirse únicamente en una dirección axial y
no se pueden expandir radialmente. Los tubos exteriores 6 y 16 de
tejido están unidos a los respectivos tubos interiores 8 únicamente
en cada extremo. Mientras un tubo interior 8 está en total tensión
tal y como cuando está totalmente inflado (el material elastómero
está estirado), el tubo exterior 6 o 16 de constricción, de tejido,
según el caso, está también a su longitud total. Cuando se acorta
el tubo interior específico 8, tal y como cuando se desinfla, el
tubo exterior 6 o 16 de constricción, de tejido, según el caso, se
dobla o riza de una manera aleatoria (véase el fuelle 12 en la
figura 1).
Las abrazaderas o discos 18 y 22 de plástico o de
metal sólido están situadas en cada extremo del tubo exterior 6 de
tejido, mientras que un segundo juego está situado en cada extremo
del tubo exterior 16 de tejido. En un extremo, el disco 18 está
fijado de manera segura a la placa 28 de extremo y tiene una
lumbrera de entrada a la que está unido un accesorio para un
suministro neumático de aire en el tubo 8 de entrada. El disco 22,
en el otro extremo interior del tubo exterior 6 de tejido y el tubo
interior 8, está asociado al pistón 10 y desliza sobre las cuatro
guías 26. El disco 22 puede estar separado o ser parte del pistón
10 al cual están unidos o bien los accesorios para un yugo 14 para
que el accionador imparta un movimiento de rotación a un árbol 15,
o bien un vástago para transmitir fuerza lineal horizontal. El tubo
interior 8 y el tubo exterior 6 de tejido están unidos por cada
extremo a los discos mediante abrazaderas desmontables 18 y 22
(similares a abrazaderas para mangueras). Cuando se suministra aire
comprimido a través del accesorio y el disco fijo, el tubo interior
8 se infla y estira. Al mismo tiempo, el tubo exterior 6 de tejido
se alarga y pierde sus dobleces, arrugas o rizos mientras que al
mismo tiempo restringe el estiramiento radial del tubo interior 8.
De este modo, toda la fuerza debida al inflado se aplica axialmente
en la dirección del pistón 10.
Cuando se retira la presión de aire comprimido,
el tubo exterior 6 de restricción retorna a su posición original,
bien por medio de un muelle (no mostrado) unido al pistón 10,
situado bien dentro o fuera del tubo exterior 6 de restricción (una
única acción según se ilustra en la figura 4 y 5) o mediante un
pistón opuesto de doble acción (dos tubos interiores 8 con un
pistón deslizante común 10 en el medio y un disco fijo en cualquier
extremo), según se ilustra en las figuras 1, 2 y 3.
La figura 4 ilustra un alzado de un accionador 32
de baja presión y acción simple. La figura 5 ilustra una vista en
planta del accionador 32 de baja presión de acción simple.
Básicamente, como se ve en las figuras 4 y 5, el accionador 32 de
acción simple que comprende un único tubo 36 de tejido, con un tubo
interior 38 elastómero, está encerrado en un par de bastidores
laterales 34 y 35. En las figuras 4 y 5, sólo es visible un tubo
exterior 36 de tejido. El tubo interior 38 elastómero interior no
es visible. Un extremo del tubo exterior 36 de tejido está asegurado
por la abrazadera 42 a la placa 44 de extremo. El extremo libre del
tubo exterior 36 está asegurado a la abrazadera 46 que está
conectada al pistón 40. El movimiento del pistón 40 mediante un
mecanismo 48 de yugo imparte un momento de torsión al árbol 50. El
movimiento longitudinal creado por el inflado o desinflado del tubo
interior elástico 38 con un fluido neumático hidráulico se lleva a
cabo con los fuelles o la sección arrugada 52.
La figura 6 ilustra una vista en corte
transversal de una porción del exterior del tubo 6 de tejido, de
restricción, y del tubo interior 8 de caucho. El tubo 6 de
restricción y el tubo interior 8 pueden estar separados uno del otro
o fundidos conjuntamente. En algunos casos puede ser deseable
formar el tubo 6 de restricción y el tubo interior 8 como una
unidad integrada.
La figura 7 ilustra un alzado de cuatro
accionadores con cremalleras dentadas que engranan en un engranaje
común. Como se ve en la figura 7, los tubos exteriores primero,
segundo, tercero y cuarto 54, 56, 58 y 60 están dispuestos en
posiciones a 90º en relación unos con otros. Cada uno de los cuatro
tubos 54, 56, 58 y 60 tienen cremalleras correspondientes 62, 64,
66 y 68 que se proyectan desde los lados interiores de los mismos
hacia y engranando en un engranaje cilíndrico central común 70. Las
cuatro cremalleras 62, 64, 66 y 68 tienen en un lado de las mismas
dientes que engranan con los dientes coincidentes del engranaje
cilíndrico común 70. Se apreciará que los tubos funcionan por
parejas. En la figura 7 los tubos opuestos 54 y 56 están extendidos
mientras que el otro par de tubos opuestos 58 y 60 están
comprimidos. Las cremalleras 62, 64, 66 y 68 están restringidas de
divergir o saltar del diente del engranaje cilíndrico 70 mediante
respectivos cilindros 72, 74, 76 y 78 de guía.
La figura 8 ilustra una vista en planta del
sistema de cuatro accionadores mostrado en la figura 7. Los cuatro
tubos 54, 56, 58 y 60, y las cremalleras 62, 64, 66 y 68 están
montados y mantenidos en su sitio mediante un primer bastidor 80, un
segundo bastidor 82 y los respectivos bastidores 84 y 86 de
extremo.
La invención es particularmente aplicable a
accionadores neumáticos, que es el uso más común, pero debe
entenderse que la invención tiene aplicación también en otras
áreas, incluida la hidráulica. Las figuras ilustran realizaciones
preferidas de la invención. No obstante, debe entenderse que se
pueden hacer numerosas variaciones que, no obstante, representan
parte de la invención global. Por ejemplo, utilizando un material
de combinación tal como un tejido elastómero o de caucho, u otro
material similar, que es estanco al aire o estanco al aceite, el
tubo exterior de restricción puede servir para dos propósitos,
eliminando por ello la necesidad de un tubo interior 8 diferente de
caucho o elastómero.
Otra posible variación es que, aunque la longitud
del tubo 6 de restricción, cuando está en reposo, es como se
describió anteriormente, la longitud en reposo del tubo interior 8
de caucho material elastómero puede variar dependiendo de varios
factores.
Los dibujos (particularmente la figura 3)
ilustran los cuatro mecanismos 26 de barras de anclaje de guiado
como exteriores a los dos tubos 6 y 8. No obstante, para algunas
aplicaciones, el mecanismo de guiado puede ser uno o más tubos
telescópicos fijos a y que unen las respectivas abrazaderas fijas 18
y 20 de extremo y las abrazaderas móviles 22 y 24 dentro del tubo
interior elastómero 8.
(1) Dado que la fuerza radial es absorbida por el
tubo exterior 6 de tejido, el tubo interior elástico 8 puede ser
muy estrecho ya que sólo sirve como una obturación de aire o
fluido. La fuerza radial de la presión de aire es contenida por el
tubo exterior 6 de tejido.
(2) Se puede incrustar un material de tejido
estirable en una dirección del tubo exterior 6, construido dentro o
unido al tubo interior elástico 8 a lo largo de toda la longitud en
vez de dejarlo unido únicamente en los extremos.
(3) El tubo exterior 6 de tejido se puede
fabricar bien a partir de un tejido plano con una costura
longitudinal para crear una forma tubular, o a partir de tejido
entrelazado como un tubo.
(4) El tubo exterior 6 de tejido puede estar
construido en su forma o contenido de una manera tal que guíe el
efecto de arrugamiento en forma de fuelle durante el desinflado en
vez de permitir que se arrugue de una manera aleatoria.
(5) Dependiendo de la combinación de materiales
utilizados (tejido, caucho, etc.) existe a veces la necesidad de un
tubo de guía rígido fijo de metal o plástico unido al bastidor
fuera del tejido (o un tubo flexible si está integrado). Como se
puede ver en la figura 3, el tubo de guía podría estar situado
entre el tubo exterior 6 y las barras 26. Esto sirve para controlar
la deformación por rizado. En el caso del uso del accionador, este
tubo de guía puede tener ranuras longitudinales para permitir el
movimiento de los componentes de fuerza unidos al pistón
deslizante.
(6) El pistón 10 se puede activar llenando el
tubo interior 8 con un fluido hidráulico en vez de
neumáticamente.
(7) El tubo interior elastómero 8, si fuese
ventajoso, podría estar ligado al tubo exterior 6 de tejido.
(8) El accionador 2 puede ser de acción simple
(como se ve en las figuras 4 y 5) con un muelle de retorno (muelle
unido bien al interior o al exterior) o de doble acción según se
ilustra en las figuras 1 y 2. La fuerza de retorno para un
accionador de acción simple puede ser proporcionada por un muelle
helicoidal dentro del tubo interior elastómero 8 o mediante un
mecanismo exterior de retorno de muelle.
(9) Los vástagos 26 de guía que ayudan al
movimiento axial se pueden eliminar y sustituir por un vástago
telescópico interior de guía unido internamente a una placa fija 28
ó 30 de extremo y correspondientes abrazaderas móviles 22 ó 24. Las
guías telescópicas se utilizan en muchas áreas tales como mangos de
paraguas, etc. Esta modificación no sería particularmente útil para
un accionador rotacional pero podría ser una modificación útil para
ciertas aplicaciones de espacio limitado en aplicaciones de empuje
axial.
(1) Las figuras 1 y 2 de los dibujos ilustran un
accionador de doble acción que utiliza un mecanismo de yugo para
convertir la fuerza axial en un momento de torsión. Las figuras 4 y
5 ilustran un accionador de acción simple que también aplica un
momento de torsión a un árbol. El yugo y la acción rotatoria y el
árbol se pueden eliminar si se requiere una acción oscilante
lineal.
(2) Los accionadores de válvulas de "pistón en
cilindro" utilizan comúnmente una cremallera, un montaje de
cremallera y piñón para la creación del momento de torsión. En
accionadores de doble acción de este tipo o accionadores de fuerza
dual (pistones opuestos, ambos ejerciendo fuerza en la misma
dirección) los cilindros son típicamente fabricados como un tubo en
línea. Cuando las cremalleras actúan sobre lados opuestos de los
piñones, esto crea una fuerza lateral debida al desplazamiento de
cada juego de dientes del centro axial de cada cilindro. Estas
deficiencias no existen con la presente invención porque, con la
presente invención, es simple fabricar un montaje de dos cilindros
opuestos con cremalleras cuyos dientes están centrados en el eje de
sus respectivos cilindros. Los dos cilindros están montados en una
placa de un modo tal que se desvían axialmente uno de otro lo
suficiente como para dirigir su fuerza resultante a sus respectivos
lados de piñón común en el caso de un accionador de doble acción.
En el caso de un accionador de fuerza dual, ambos cilindros están
alineados para dar correctamente la máxima fuerza entregada al
piñón.
(3) El diseño simple y la economía del coste de
fabricación, permiten que se construya un accionador rotatorio de
fuerza dual de doble acción, de corto recorrido, que utiliza cuatro
cilindros dispuestos radialmente montados sobre una placa circular
y que acciona un único piñón (véanse las figuras 7 y 8).
(1) El accionador de acuerdo con la invención es
menos caro de fabricar que otros accionadores convencionales porque
no existe el requerimiento de obturaciones de aire entre las partes
móviles. El accionador es simple en construcción y existen menos
requerimientos de mecanización.
(2) El accionador de la invención es más ligero
en peso que los accionadores actuales porque tiene menos partes.
Además no existe tubo sólido de metal.
(3) Las únicas partes móviles (excluyendo los
mecanismos exteriores de deslizamiento y yugo), son el tubo interior
elastómero y el tubo exterior de tejido. Las dos mencionadas partes
no son caras de comprar y son simples y rápidas de sustituir para
un mecánico de taller sin herramientas especializadas.
(4) Existe poco desgaste porque, aparte de los
tubos de tejido y elastómero, todas las otras partes son exteriores
y no crean casi condiciones para el fallo o desgaste.
(5) El aire contaminado no provoca problemas
porque no existen obturaciones deslizantes de aire que puedan
llegar a obstruirse o ensuciarse.
(6) Cuando se utiliza como cilindro horizontal de
doble acción, el desplazamiento puede ser aproximadamente el 75% de
la longitud total. Esta capacidad de expansión es muy útil en
situaciones estrechamente confinadas.
Como norma general, los accionadores neumáticos
típicos trabajan en el intervalo de aproximadamente 5,511x10^{5} a
6,895x10^{5} Pa. Los tejidos normales tales como el algodón y el
punto no son apropiados para el entubado exterior porque el algodón
no aguantará tales presiones sin fallar. No obstante, tejidos
apropiados disponibles en el mercado hechos de textiles como el
Nylon (marca registrada), Mylar (marca registrada) y similares,
aguantarán tales presiones.
Los accionadores hidráulicos pueden trabajar
hasta a 413,68x10^{5} Pa, pero típicamente por razones de
seguridad trabajan únicamente a 103,42x10^{5} Pa. La presión de
103,42x10^{5} Pa es mucho mayor que la que aguantará la presente
invención. Generalmente no existe ninguna razón para utilizar
hidráulicos a baja presión porque es antieconómico. No obstante,
una excepción es en sistemas domésticos de suministro de agua
corriente. Un accionador de acuerdo con la invención puede funcionar
utilizando el sistema de conexión doméstico de agua si existen muy
pocos ciclos por día. En esta aplicación no se requiere ningún
compresor de aire o bomba hidráulica y la aplicación es práctica si
el consumo de agua es pequeño y sólo se requieren unos pocos ciclos
por día.
Claims (11)
1. Un accionador que comprende un tubo interior,
un tubo de restricción, un mecanismo móvil y un bastidor exterior
rígido, por el que:
a) el tubo interior es un tubo cilíndrico
interior hueco flexible (8), impermeable a fluidos, expansible en
todas las direcciones cuando se introduce un fluido dentro del tubo
interior (8) y contraible cuando se retira fluido del tubo interior
(8);
b) el tubo de restricción es un tubo (6) de
restricción, de tejido, aplastable, que rodea radialmente el tubo
cilíndrico interior (8);
c) el mecanismo móvil (10) está asociado de
manera obturada con el tubo (6) de restricción y se mueve en la
misma dirección lineal axial cuando el tubo (6) de restricción y el
tubo interior (8) se enderezan desde una posición acortada doblada
o rizada tras la introducción de fluido dentro del tubo interior (8)
y se contraen en la misma dirección axial cuando se retira fluido
del tubo interior (8); y
d) el bastidor exterior rígido (4) aloja el tubo
(6) de restricción, el tubo interior (8) y el mecanismo móvil (10),
guiando dicho bastidor (4) el movimiento axial del mecanismo móvil
(10);
caracterizado porque dicho tubo (6) de
restricción está totalmente extendido cuando está en reposo, y
cuando el tubo interior (8) está acortado tras el desinflado, el
tubo (6) de restricción se dobla o riza de manera aleatoria.
2. Un accionador según la reivindicación 1, en
el cual un conectador móvil (22) está asociado con un extremo móvil
del tubo interior expansible (8) y une el tubo interior (8) al
mecanismo móvil (10).
3. Un accionador según la reivindicación 1, en
el cual el mecanismo móvil es un pistón (10).
4. Un accionador según la reivindicación 3, en el
cual el conectador móvil (22) se desliza sobre un vástago (26) de
restricción.
5. Un accionador según la reivindicación 2, en
el cual un conectador fijo (18) está situado en un extremo del tubo
interior (8) opuesto al conectador móvil (22) y asegura un extremo
fijo del tubo interior (8) al bastidor rígido (4).
6. Un accionador según la reivindicación 3, en la
cual el pistón (10) está unido a un yugo (14) que convierte
movimiento axial en movimiento de rotación.
7. Un accionador según la reivindicación 1, en el
cual el tubo interior (8) está conectado a una combinación de
cremallera (62) y piñón (70).
8. Un accionador según la reivindicación 1, en
el cual los tubos interiores primero y segundo (8) están situados
extremo con extremo sobre lados opuestos del mecanismo móvil (10) y
proporcionan acción oscilante al mecanismo móvil (10) en cualquier
dirección a lo largo del eje cuando el fluido se introduce
alternamente dentro de los tubos interiores primero y segundo
(8).
9. Un accionador según la reivindicación 1, en
el cual los tubos interiores primero y segundo (8) tienen
cremalleras dentadas (62, 64) que engranan con dientes sobre el
mecanismo móvil (10).
10. Un accionador según la reivindicación 1, en
el cual el tubo interior (8) está hecho de elastómero o caucho.
11. Un accionador según la reivindicación 1, en
el cual el fluido es aire comprimido o aceite hidráulico.
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