Método para calcular cargas de momento en actuadores lineales

Jul 08, 2023

Con el equipo real, existen varios tipos de condiciones de equipo y condiciones de conducción para actuadores y cilindros eléctricos y, por lo tanto, es muy difícil explicar todas las condiciones de operación.

Contribuido por | Orientalmotor

Un actuador lineal eléctrico es un producto combinado que consta de un mecanismo lineal y un motor eléctrico y, cuando se ensambla previamente, ofrece un diseño más sencillo, un tiempo de instalación más corto y alta calidad.

Mientras el actuador está funcionando, se producen momentos de carga debido no solo a la gravedad, sino también a la aceleración y desaceleración de la carga. Debido a que las cargas de momento pueden dañar los actuadores, es fundamental confirmar que se encuentran dentro de las especificaciones. Sin embargo, calcular las cargas de momento en los actuadores lineales puede ser complicado y llevar mucho tiempo.

Este documento describe un método para calcular las cargas de momento de una manera simple y facilita la selección del actuador.

Al combinar un motor con componentes mecánicos lineales, los actuadores lineales eléctricos benefician a los ingenieros de diseño al reducir el tiempo de diseño, instalación y ajuste del equipo (consulte la Figura 1).

Cuando los actuadores lineales eléctricos están en funcionamiento, se producen momentos de carga debido a la gravedad aplicada a la carga y la aceleración de la carga. Debido a que las cargas de momento tienen una gran influencia en la vida útil de los actuadores, es esencial asegurarse de que estén dentro de las especificaciones del actuador. Sin embargo, el cálculo de las cargas de momento de los actuadores lineales eléctricos puede ser complicado y llevar mucho tiempo, ya que las direcciones y los movimientos de instalación suelen tenerse en cuenta para los actuadores lineales.

La figura 2 muestra el flujo de selección del actuador lineal. Primero, verifique el tamaño y la masa transportable de un actuador lineal. Luego, verifique el tiempo de posicionamiento para determinar las condiciones de operación que cumplan con el tiempo de posicionamiento requerido. Por último, verifique si el momento aplicado al actuador está dentro del rango permitido.

Usando la Serie EAS como ejemplo, la estructura del actuador lineal eléctrico se muestra en la Figura 3. Además, la Figura 4 muestra su estructura de sección transversal.

La carga aplicada a una mesa y las cargas de momento están soportadas por una guía lineal que consiste en un riel guía y un bloque guía. Estas cargas influyen en la vida útil de la guía lineal y, por lo tanto, es importante tenerlas en cuenta durante el proceso de selección.

El momento aplicado a un actuador lineal eléctrico se explica en la siguiente sección.

Como se muestra en la Figura 5, cuando el centro de gravedad de la carga transportada sobresale del centro de la mesa del actuador lineal eléctrico, el momento se aplica desde el centro de la mesa como punto de apoyo. El momento aplicado a un actuador lineal eléctrico se puede obtener a partir de la siguiente fórmula.

A partir de este punto, la aceleración gravitacional se considera 9,807 m/s2 en este artículo.

Hay tres direcciones diferentes de momentos aplicados al actuador lineal eléctrico: dirección de cabeceo, dirección de guiñada y dirección de balanceo (consulte la Figura 6). Los puntos de soporte de momento están en la cara inferior (superficie de instalación) del actuador lineal y el centro de la mesa.

Las direcciones de los momentos aplicados a los actuadores lineales eléctricos pueden cambiar según las condiciones de instalación de la carga y la dirección de instalación del propio actuador. La figura 7 muestra cómo cambia la dirección de un momento cuando se cambia la dirección de instalación de un actuador en las mismas condiciones de instalación de la carga.

El momento aplicado al actuador lineal detenido se denomina momento estático. El valor admisible del momento estático de un actuador lineal se denomina momento estático admisible y está determinado por los factores de resistencia mecánica de una guía lineal y una mesa. Cuando se aplica una fuerza externa mientras el actuador lineal está detenido, es necesario verificar que el momento estático esté dentro del rango permitido en cada dirección.

El momento aplicado al actuador lineal mientras transporta una carga se denomina momento dinámico. Debido a que la aceleración se aplica durante la operación, el momento se aplica dependiendo de la distancia en voladizo desde la mesa.

Los métodos de cálculo del momento en cada dirección, cuando se transporta una carga con un actuador lineal como se muestra en la Figura 8, se muestran en las fórmulas anteriores. Cada anotación en la Figura 8 indica el significado de la siguiente manera:

En esta figura se omiten la masa del brazo y la posición del centro de gravedad.

La fórmula 2 calcula el momento de la dirección de cabeceo; la fórmula 3 calcula el momento de la dirección de guiñada; y la fórmula 4 calcula el momento de dirección de laminación.

Calcule la relación dividiendo los valores de momento calculados por estas fórmulas (2), (3) y (4) con los momentos dinámicos permisibles en cada dirección, que son las especificaciones del producto. A continuación, sume todas las relaciones de momento calculadas en cada dirección. Si la suma total es menor que 1, como se muestra en la fórmula del momento (5), entonces se puede usar.

En esta sección, se explican ejemplos de cálculo de cargas de momento por dirección de instalación. Un actuador lineal de un solo eje se utiliza como ejemplo. A continuación, se muestra un ejemplo de cálculo de cargas de momento al seleccionar el actuador lineal eléctrico EASM4XD020ARAC con un ancho de deslizamiento de 45 mm (1,771 pulg.) y una altura de mesa de 60 mm (2,362 pulg.):

La Figura 9 muestra un actuador lineal eléctrico instalado horizontalmente con la carga en voladizo en la dirección del eje Y. El momento dinámico admisible del actuador lineal eléctrico se muestra a continuación:

El centro de gravedad de la carga desde el actuador y la distancia saliente del centro de gravedad del brazo se muestran a continuación: La masa de la carga, la masa del brazo y la aceleración se muestran a continuación:

De la fórmula del momento admisible (5):

Según los resultados, el momento está dentro del momento dinámico permisible y, por lo tanto, se puede utilizar.

La figura 10 muestra un ejemplo de cálculo del momento dinámico cuando se instala un actuador lineal en la dirección vertical. Las dimensiones de instalación, las cargas y las condiciones de funcionamiento son exactamente las mismas que en 5.1.

No se aplica el momento de dirección de rodadura MR, por lo que es 0 [N·m]. De la fórmula del momento admisible (5):

Según los resultados, el momento está dentro del momento dinámico permisible y, por lo tanto, se puede utilizar.

A continuación, como ejemplo de combinación de 2 ejes, se explica el cálculo de cargas de momento de la combinación XY de actuadores lineales eléctricos. Con la combinación XY, el eje Y único, que transfiere la carga, se calcula primero para determinar si el eje Y es utilizable. Luego, para el cálculo de las cargas de momento del eje X, se suman al cálculo el momento de carga de la masa total del eje Y y el momento de carga generado cuando el eje Y acelera para transferir la carga.

La figura 11 muestra un ejemplo de la combinación XY de actuadores lineales eléctricos. EASM6XD030ARAK se fija en la corredera del eje X y EASM4YD020ARAK se combina en el eje Y. El eje Y se fija en la placa de fijación del eje Y y luego se fija en la mesa del eje X.

Primero, se calcula la carga de momento aplicada al eje Y (consulte la Figura 12). Los momentos dinámicos admisibles del actuador del eje Y EASM4YD020ARAK se indican a continuación.

La distancia saliente del centro de gravedad de la carga desde el eje Y, la masa de la carga y la aceleración del eje Y se indican a continuación.

Debido a que el momento MY no se aplica a la dirección de guiñada, es 0 [N·m].

De la fórmula del momento admisible (5):

El momento del deslizamiento del eje Y está dentro del rango de especificación y, por lo tanto, se puede utilizar.

A continuación, se calcula la carga de momento aplicada al deslizamiento del eje X. A continuación se indican los momentos dinámicos admisibles del carro del eje X EASM6XD030ARAK.

La carga del eje X, el centro de gravedad de la carga del eje Y y la distancia saliente del centro de gravedad de la carga de la placa fija deslizante del eje Y se indican a continuación.

La masa de la placa fija del eje Y, la masa de la corredera del eje Y y la aceleración operativa del eje X se indican a continuación.

La Figura 13 muestra la flecha A en la Figura 11, y la Figura 14 muestra la flecha B en la Figura 11.

Al calcular las cargas de momento, simule la condición de la carga de momento aplicada al eje X en su máximo y calcule bajo la condición cuando Y1 está en su punto máximo.

De la fórmula del momento admisible (5):

El momento aplicado al eje X está por debajo del valor de especificación y, por lo tanto, se puede utilizar. Con base en los hallazgos, tanto el eje X como el Y cumplen sus respectivos momentos dinámicos permisibles y por lo tanto, se determina que son utilizables. Se toman los mismos pasos de cálculo para la combinación X–Y–Z con la adición de un eje Z; comience a calcular el momento desde el eje más extremo, que es el eje Z, luego continúe con el eje Y y el eje X.

Cuando se aplica el momento a la corredera, la mesa se inclina en la dirección del momento. Esta inclinación provoca el desplazamiento a la posición en voladizo. La Tabla 1 muestra la cantidad de deflexión cuando se aplican los momentos dinámicos permisibles en cada dirección a la mesa deslizante de la serie EAS, como se muestra en la Figura 15. Las medidas se toman en la posición saliente de 100 mm (3,94 pulg.) desde el centro de la mesa, y los valores son solo para referencia.

Cuando se utiliza un cilindro eléctrico, es necesario instalar externamente una guía para apoyar la varilla para que pueda soportar las cargas de momento. También está disponible la serie de un cilindro eléctrico con una guía (guía del eje) que se puede utilizar mientras se aplican cargas a la varilla (consulte la Figura 16). En esta sección se explican ejemplos de cálculo de cargas de momento para un cilindro eléctrico con guía.

Para un cilindro eléctrico con guía, hay direcciones para las cuales se aplican momentos, al igual que un actuador lineal eléctrico. La figura 17 muestra las direcciones de momento que se aplican al cilindro con guía.

A continuación se muestra un ejemplo de cálculo de cargas de momento aplicadas a un casquillo lineal, cuando un cilindro con guía transfiere cargas en dirección vertical. Los siguientes se muestran en la Figura 18.

Como se muestra en la Figura 18, al indicar el momento de dirección de cabeceo como Mp, que se aplica al casquillo lineal instalado verticalmente, se puede calcular con la siguiente fórmula (6).

Esto es para confirmar que el valor calculado del momento de la dirección de cabeceo está dentro del rango del momento dinámico permisible.

A continuación, con el cilindro con una guía de eje como se muestra en la Figura 18, la posición inicial se establece cuando la varilla se inserta por completo. La figura 19 muestra la relación entre la distancia de posicionamiento y la masa transportable al trasladar la carga en sentido horizontal.

La carga en la dirección horizontal tiene la carga en sí misma y también el peso propio de la guía del vástago y el eje del cilindro. Esto se aplica al casquillo lineal como el momento. Estos aspectos se consideran e incluyen en la figura.

En este artículo se explicaron el concepto y los procedimientos de los métodos de cálculo de carga de momento para cilindros y actuadores lineales eléctricos. Con el equipo real, existen varios tipos de condiciones de equipo y condiciones de conducción para actuadores y cilindros eléctricos y, por lo tanto, es muy difícil explicar todas las condiciones de operación. Oriental Motor ofrece cálculos de selección basados ​​en las condiciones de operación. Para obtener más detalles, comuníquese con la oficina de ventas de Oriental Motor más cercana.

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