ES2932272B2 - Actuador lineal para bomba de alta presion - Google Patents

Description

DESCRIPCIÓN

ACTUADOR LINEAL PARA BOMBA DE ALTA PRESIÓN

Sector de la técnica

La invención se refiere a un actuador lineal accionado con un husillo de rodadura, así como a una bomba de alta presión que incorpora dicho actuador lineal. Particularmente, la invención es de aplicación para máquinas de corte por chorro de agua o máquinas de procesado a alta presión.

Estado de la técnica

Son bien conocidas las máquinas de corte por chorro de agua, utilizadas para cortar eyectando agua a alta presión sobre la pieza de trabajo. También son conocidas las máquinas de procesado a alta presión (HPP, "High Pressure Processing”), utilizadas para procesar productos, tales como alimentos o bebidas, sometiéndolos a altas presiones para, por ejemplo, esterilizar los productos o mejorar sus propiedades organolépticas. Estas máquinas emplean bombas de alta presión para elevar la presión del fluido de trabajo a altas presiones, de 300-600 MPa o superiores.

Para la actuación de las bombas de alta presión, así como para una gran variedad de aplicaciones como, por ejemplo, en robótica, los actuadores lineales con husillos de rodadura son de uso cada vez más frecuente. Para estas aplicaciones este tipo de actuadores lineales presentan ventajas frente a otros tipos de actuadores como los actuadores hidráulicos o neumáticos, que generan mayores niveles de ruido y un calentamiento excesivo del fluido de trabajo. Los actuadores lineales con husillos de rodadura proporcionan una alta precisión, velocidad, compacidad y rendimiento, yendo su uso acompañado habitualmente por servomotores o motores paso a paso, que permiten un control muy preciso.

Los actuadores lineales con husillos de rodadura comprenden un eje de actuación que es desplazable axialmente al girar alrededor del eje, por medio de un motor, una tuerca conectada operativamente a un tramo roscado del eje por medio de bolas, rodillos u otros elementos de rodadura, que reducen el rozamiento entre la tuerca y el eje. La tuerca está provista de canales en los que se disponen los elementos de rodadura, por ejemplo, bolas (en los husillos de bolas) o rodillos (en los husillos de rodillos), siendo la invención igualmente de aplicación a todo tipo de husillos de rodadura, es decir no sólo a husillos de bolas (“ball screws”) o husillos de rodillos (“roller screws”) sino también, por ejemplo, a husillos de rosca trapezoidal (“ACME screws”). De este modo, el movimiento giratorio de accionamiento del motor es convertido en un movimiento longitudinal de desplazamiento axial del eje. En una bomba, el desplazamiento axial del eje es transmitido a un émbolo para comprimir el fluido de trabajo de manera en sí mismo conocida. Por ejemplo, en el documento de patente ES-2769552-T3 se divulga un actuador lineal con husillo de rodadura para una bomba de alta presión.

Inherentemente al funcionamiento de los actuadores lineales con husillos de rodadura, el giro de la tuerca alrededor del eje produce, además de la fuerza axial útil sobre el eje, un par de reacción que tiende a hacer girar el eje de actuación alrededor del mismo, anulando el efecto de avance lineal buscado. Particularmente, en las aplicaciones de los actuadores lineales para bombas, en las que el émbolo de compresión del fluido se desplaza en contacto con las paredes del cilindro de compresión, y especialmente, en las bombas de alta presión, en las que el émbolo se desplaza a velocidades altas, de 0,1-0,5 m/s o superiores, con una carrera de, típicamente, 100-200 mm, para poder disponer de la fuerza de actuación axial buscada se requiere oponer a este par de reacción otro par opuesto, que lo anule, dejando como fuerza resultante únicamente a la fuerza axial ejercida sobre el eje de actuación.

Para impedir el giro indeseado del eje de actuación en los actuadores lineales con husillos de rodadura se conocen medios de guiado longitudinal del eje en la dirección de desplazamiento axial destinados a oponerse al par de reacción, sean por medio de superficies de fricción, canales lineales para bolas o rodillos, patines lineales de bolas, varillas o columnas solidarias y guiadas, etc. En general, estos sistemas se oponen al giro del husillo resistiendo el par correspondiente, pero aportando inevitablemente una fricción cuando el eje avanza. La ejecución más frecuente de estos sistemas antigiro es usar patines lineales de bolas. Estos patines de bolas presentan el inconveniente de que las superficies planas sobre las que se disponen son difíciles de fabricar con precisión, lo que resulta en movimientos indeseados que desvían la dirección de desplazamiento axial del eje, además de requerir diseños de carcasa complejos para soportar esfuerzos de los patines no simétricos. Otros medios de guiado conocidos para limitar o impedir el giro indeseado del eje de actuación incorporan seguidores de leva o rodamientos acoplados al eje soportando el par de reacción que compensa el giro indeseado del eje.

Los medios de guiado conocidos para limitar o impedir el giro del eje disipan parte de la energía del actuador por su propia fricción, lo que reduce el rendimiento del actuador y genera pérdidas en forma de calor, que es necesario evacuar al exterior de la carcasa.

La presente invención tiene como objetivo proporcionar un actuador lineal con un husillo de rodadura adecuado para bombas de alta presión que incorpore medios para limitar o impedir el giro del eje de actuación alrededor del mismo complementarios o alternativos a los conocidos en el estado de la técnica, que particularmente permitan superar los inconvenientes de los actuadores lineales con husillos de rodadura conocidos, así como de las bombas de alta presión que los incorporan.

Objeto de la invención

Con el objetivo señalado, además de aportar ventajas adicionales que pueden derivarse de esta memoria descriptiva, la presente invención proporciona un actuador lineal que comprende un husillo de rodadura. El husillo de rodadura comprende un eje, una primera tuerca y una segunda tuerca, las tuercas estando conectadas operativamente a respectivamente un primer tramo roscado y un segundo tramo roscado del eje. Los tramos roscados están configurados con sentidos de roscado opuestos, de manera que al girar las tuercas en sentidos opuestos el eje es desplazable axialmente respecto a las tuercas en una misma dirección. El actuador lineal de acuerdo con la invención comprende adicionalmente un accionamiento para accionar el desplazamiento del eje girando las tuercas simultáneamente en sentidos opuestos.

Para proporcionar el movimiento de desplazamiento axial del eje, se contempla que las tuercas están fijas, en particular respecto a una carcasa, pudiendo girar alrededor del eje, por ejemplo, por medio rodamientos que bloquean las tuercas axialmente dentro de la carcasa, permitiendo que el movimiento de desplazamiento axial del eje sea resultante de la combinación de los dos movimientos de giro diferentes, uno en cada tuerca.

El accionamiento proporciona el giro simultáneo de las tuercas en sentidos opuestos, es decir una tuerca a derechas y la otra a izquierdas, estando conectadas operativamente al mismo eje sobre respectivamente un tramo roscado mecanizado a derechas y otro tramo roscado mecanizado a izquierdas. El giro simultáneo de las tuercas en sentido opuesto resulta en un avance del eje en la dirección de desplazamiento axial.

El accionamiento puede estar configurado para proporcionar dicho giro simultáneo de las tuercas en sentido opuesto transmitiendo a las respectivas tuercas un par de giro al eje sustancialmente igual en su magnitud o módulo y de sentido opuesto. De este modo puede prescindirse de la incorporación de medios para impedir el giro del eje como los conocidos en el estado de la técnica.

El accionamiento puede comprender al menos un motor, tal como un motor eléctrico, preferentemente un servomotor o motor paso a paso, cada motor estando configurado para hacer girar al menos una de las tuercas, de manera en sí mismo conocida. Asimismo, el accionamiento puede comprender un engranaje de transmisión acoplable al motor o motores para girar las tuercas.

Para la trasmisión de un par de giro al eje sustancialmente igual y de sentido contrario en las respectivas tuercas, se contempla que el engranaje de trasmisión comprenda un piñón, por ejemplo, cónico, que engrana perpendicularmente con coronas, por ejemplo, cónicas, solidarias a las respectivas tuercas, estando el piñón accionado por un único motor, por ejemplo, un servomotor. Preferentemente, el número de dientes del piñón de ataque es par, para que el accionamiento de ambas coronas sea exactamente el mismo, evitando asimetrías que provoquen vibraciones o pequeños giros indeseados del eje.

Para proporcionar un par de giro sustancialmente igual y de sentido contrario, se contempla que el eje, las tuercas y/o el accionamiento, en particular, dicho engranaje de transmisión, están configurados simétricamente respecto a un plano de simetría perpendicular al eje. En este sentido, se contempla que ambas tuercas estén configuradas con un mismo paso, en correspondencia con el paso de los respectivos tramos roscados del eje, y que, en particular, las coronas solidarias a las tuercas sean del mismo diámetro. Asimismo, la invención propone que uno de los tramos roscados del eje se extiende en una mitad del eje y en su otra mitad el otro tramo roscado, con la rosca en sentido contrario.

Complementaria o alternativamente, el accionamiento puede comprender un controlador para proporcionar un par de giro y/o velocidad de giro controlados accionando al menos un motor, por ejemplo, servomotor, o respectivos motores acoplados a las respectivas tuercas.

De este modo se consigue un sistema mecánicamente simétrico que no requiere de medios adicionales para impedir el giro del eje para su funcionamiento. El par de reacción que provoca la primera tuerca sobre el eje se ve compensado por un par de sentido opuesto provocado por la segunda tuerca sobre el mismo eje.

Si el accionamiento de ambas tuercas no es de la misma magnitud y de sentido opuesto, se obtiene un movimiento resultante que, aun teniendo una componente de giro controlado, puede resultar útil para lograr movimientos con dos grados de libertad, es decir tanto en desplazamiento axial como en giro alrededor del eje. Asimismo, la fuerza axial y el par de giro ejercidos por el eje pueden ser controlados independientemente.

El actuador lineal con husillo de rodadura tal como se ha descrito resulta ideal para su uso en bombas de alta presión, del tipo de los intensificadores hidráulicos de uso habitual en el corte por chorro de agua, la esterilización o pasteurización de alimentos mediante procesada HPP, la fabricación de polietileno, etc. Se logra un sistema poco sensible a defectos de tolerancias de mecanizado, sencillo de reparar o mantener y con una alta eficiencia energética, al poder prescindir de los medios conocidos para impedir el giro del eje con rozamiento.

Descripción de las figuras

Como parte de la explicación de al menos un ejemplo de realización de la invención se incluyen las siguientes figuras.

La figura 1 muestra una vista en perspectiva de una realización de bomba de alta presión de acuerdo con la invención.

La figura 2 muestra una vista en corte transversal de la bomba de alta presión de la realización mostrada en la figura 1 según un plano que contiene el eje de actuación del actuador lineal y el eje de accionamiento del motor.

La figura 3 muestra una vista explosionada en perspectiva de la bomba de alta presión de la realización mostrada en la figura 2.

Descripción detallada de la invención

De acuerdo con un ejemplo de realización como se muestra en las figuras, la bomba de alta presión (1) comprende un actuador lineal con un husillo de rodadura, que comprende un eje (10), una primera tuerca (21) y una segunda tuerca (22). Las tuercas (21, 22) están conectadas operativamente a respectivamente un primer tramo roscado (11) y un segundo tramo roscado (21) del eje (10), que están configurados con sentidos de roscado opuestos. Las tuercas (21, 22) están fijas a la carcasa (50), pudiendo girar alrededor del eje (10) por medio de rodamientos (51, 52). El actuador lineal comprende adicionalmente un accionamiento para accionar el desplazamiento del eje (10) girando las tuercas (21, 22) simultáneamente en sentidos opuestos. Al girar las tuercas (21, 22) en sentidos opuestos el eje (10) es desplazable axialmente respecto a las tuercas (21, 22) en una misma dirección.

El eje (10) tiene una parte o tramo roscado (11) con su hélice a derechas y otra parte o tramo roscado (12), de similar longitud, con su hélice a izquierdas. En cada una de estas partes (11, 12) se localiza la respectiva tuerca (21, 22) con un sentido de rosca o hélice acorde a la zona donde se mueve, esto es, una tuerca (21) a derechas y otra tuerca (22) a izquierdas. En este ejemplo de realización, ambas tuercas (21, 22) tienen el mismo paso y diámetro. No obstante, también se contempla que pueda utilizarse cualquier combinación de pasos de tuerca, así como, por ejemplo, motores (40) o engranajes de transmisión independientes para las respectivas tuercas (21,22).

De este modo se proporcionan medios para evitar el giro indeseado del eje (10) alrededor del mismo. Cuando gira el motor (40), las dos tuercas (21, 22) giran simultáneamente en sentidos opuestos, proporcionando al eje un par idéntico en magnitud, pero de sentido opuesto, igual a la mitad del par motor. De este modo se consigue un avance lineal del eje (10) del husillo sin giro, pudiendo prescindir de medios adicionales para evitar el giro como los conocidos en el estado de la técnica, lo cual aumenta el rendimiento del actuador y de la bomba (1), reduciendo fricciones y sobrecalentamientos.

Mediante un movimiento alternativo del motor (40) en sus dos sentidos de giro, se consigue un movimiento lineal en el husillo que puede aprovecharse como accionamiento para el bombeo de alta presión. El movimiento resultante del eje (10) en el husillo es lineal y sin giro. Las dos tuercas (21, 22) se reparten el mismo par del motor (40), ya que cada una de las tuercas hace el trabajo de contrarrestar el par de la otra tuerca. Por tanto, el sistema es mecánicamente simétrico, actuando de igual manera en los dos sentidos. Así, en la realización simétrica que se muestra en las figuras los respectivos pares ejercidos por las tuercas (21, 22) sobre el eje (10) son idénticos, con ángulos de giro idénticos, por lo que el movimiento del eje (10) resultante es estrictamente lineal.

La bomba de alta presión (1) de acuerdo con esta realización comprende un primer émbolo (61) y un segundo émbolo (62), los émbolos (61, 62) estando dispuestos a respectivos lados de los extremos del eje (10), siendo accionables alternativamente por el desplazamiento axial del eje (10) para comprimir fluido de trabajo por la bomba (1). El fluido de trabajo, por ejemplo, agua, es suministrado y extraído de la bomba (1) por respectivas conexiones (71, 72), que incorporan respectivamente una entrada (2) y una salida (3) de fluido. El fluido es comprimido al desplazar los émbolos (61, 62) en los respectivos cilindros o cámaras de compresión (4).

La bomba (1) es accionable por un único motor (40) eléctrico, que está fijado externamente a la carcasa (50). La carcasa (50) tiene una forma cilíndrica, con una cubierta lateral (56) y dos tapas de extremo (55), que pueden fijarse a la cubierta lateral (56) mediante tornillos (59). En la cubierta lateral (56) la carcasa incorpora una abertura lateral (53) para acoplar mecánicamente el motor (40) al actuador lineal a través de esta. Las tuercas (21, 22) y los respectivos rodamientos (51, 52) están fijados a la carcasa (50) por medio de casquillos separadores (57, 58). Adicionalmente, se ha previsto un alojamiento (54) configurado para contener un baño de aceite en el que son inmersos el eje (10), las tuercas (21, 22) y el engranaje de transmisión - piñón (30) así como coronas (31, 32) -, para refrigerar y lubricar.

Los casquillos separadores (57, 58) mantienen la separación entre rodamientos (51, 52). El aceite de lubricación y refrigeración queda contenido en dicho alojamiento cerrado por las tapas, pudiendo ser recirculado y enfriado. Las tapas (55) de la carcasa (50) son resistentes a la reacción de empuje transmitida por el eje (10). Ventajosamente, esta carcasa (50) permite un mecanizado sencillo.

El motor (40) está acoplado mecánicamente a un engranaje de transmisión para girar las tuercas (21, 22). El engranaje de transmisión comprende un piñón (30) cónico que engrana perpendicularmente con coronas (31, 32) cónicas solidarias a respectivamente la primera tuerca (21) y la segunda tuerca (22). Ventajosamente, el sistema piñón-corona también hace posible proporcionar un aumento de par adecuado con los servomotores disponibles. La reducción necesaria para equilibrar pares y velocidades puede ajustarse mediante el cambio del tamaño del piñón (30) y las coronas (31, 32). De este modo se proporciona una bomba de alta presión (1) compacta, de bajo ruido y bajas revoluciones por minuto del motor (40).

El motor (40) puede accionar ambas tuercas (21, 22) simultáneamente mediante dicho engranaje dispuesto a 90 grados con el eje del husillo. Este engranaje hace girar una tuerca (21) en un sentido y la otra tuerca (22) en el sentido opuesto, exactamente con la misma cantidad de giro. Las coronas (31, 32) de las tuercas se disponen enfrentados entre sí, siendo de mayor diámetro que el piñón (30) solidario al eje de accionamiento (41) del motor (40) . Como puede observarse en las figuras, el eje (10), las tuercas (21, 22), el piñón (30) y las coronas (31, 32) así como el motor (40) se disponen simétricamente respecto al plano de simetría perpendicular al eje (10) del actuador lineal y que contiene el eje de accionamiento (41) del motor (40). Asimismo, los tramos roscados (11, 12) se disponen adyacentemente a los respectivos extremos del eje (10).

Lista de signos de referencia

1 Bomba de alta presión

2 Entrada de agua de suministro a la bomba

3 Salida de agua de eyección de la bomba

4 Cámara de compresión de agua

10 Eje del husillo de rodadura

11 Primer tramo roscado del eje

12 Segundo tramo roscado del eje

21 Primera tuerca del husillo de rodadura

22 Segunda tuerca del husillo de rodadura

30 Piñón del engranaje de transmisión

31 Primera corona del engranaje de transmisión

32 Segunda corona del engranaje de transmisión

40 Motor del accionamiento

41 Eje del motor

50 Carcasa de la bomba

51 Primer rodamiento de la fijación de la primera tuerca a la carcasa 52 Segundo rodamiento de la fijación de la segunda tuerca a la carcasa 53 Abertura lateral de la carcasa para el acoplamiento del motor 54 Alojamiento de la carcasa para baño de aceite

55 Tapa de extremo de la carcasa

56 Cubierta lateral de la carcasa

57 Casquillo separador de extremo

58 Casquillo separador central

59 Tornillo de fijación de la tapa de extremo

61 Primer émbolo de la bomba

62 Segundo émbolo de la bomba

71 Primera conexión de entrada y salida de agua de la bomba

72 Segunda conexión de entrada y salida de agua de la bomba

Claims (12)

REIVINDICACIONES

1. - Actuador lineal para bomba de alta presión (1), que comprende un husillo de rodadura con un eje (10), una primera tuerca (21) y una segunda tuerca (22), las tuercas (21, 22) conectadas operativamente a respectivamente un primer tramo roscado (11) y un segundo tramo roscado (12) del eje (10) configurados con sentidos de roscado opuestos, de manera que al girar las tuercas (21, 22) en sentidos opuestos el eje (10) es desplazable axialmente respecto a las tuercas (21, 22) en una misma dirección, y un accionamiento para accionar el desplazamiento del eje (10) girando las tuercas (21, 22) simultáneamente en sentidos opuestos.

2. - Actuador lineal según la reivindicación anterior, en el que el accionamiento está configurado para girar las tuercas (21, 22) simultáneamente transmitiendo un par de giro sustancialmente igual y de sentido opuesto a las respectivas tuercas (21,22).

3. Actuador lineal según una de las reivindicaciones anteriores, en el que el accionamiento comprende un engranaje de transmisión acoplable a un motor (40) para girar las tuercas (21,22).

4. Actuador lineal según la reivindicación anterior, en el que el engranaje de transmisión comprende un piñón (30) que engrana perpendicularmente con coronas (31, 32) solidarias a respectivamente la primera tuerca (21) y la segunda tuerca (22).

5. Actuador lineal según la reivindicación anterior, en el que el número de dientes del piñón (30) es par.

6. Actuador lineal según una de las reivindicaciones anteriores, en el que el eje (10), las tuercas (21, 22) y/o el accionamiento están configurados simétricamente respecto a un plano de simetría perpendicular al eje (10).

7. Actuador lineal según una de las reivindicaciones anteriores, en el que los tramos roscados (11, 12) se disponen adyacentemente a los respectivos extremos del eje (10).

8. Actuador lineal según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el accionamiento comprende al menos un motor (40), cada motor (40) configurado para hacer girar al menos una de las tuercas (21, 22).

9. Bomba de alta presión (1), que comprende un actuador lineal de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, un primer émbolo (61) y un segundo émbolo (62), los émbolos (61, 62) dispuestos a respectivos lados de los extremos del eje (10), siendo accionables alternativamente por el desplazamiento axial del eje (10) para comprimir fluido por la bomba (1).

10. Bomba de alta presión (1) según la reivindicación anterior, que comprende una carcasa (50) que encierra el eje (10), las tuercas (21, 22) y/o el engranaje de transmisión, las tuercas (21, 22) dispuestas fijas respecto a la carcasa (50) pudiendo girar alrededor del eje (10) por medio de rodamientos (51, 52).

11. Bomba de alta presión (1) según la reivindicación anterior, en la que la carcasa (50) comprende una abertura lateral (53) para acoplar mecánicamente el motor (40) al actuador lineal, el motor (40) dispuesto exteriormente a la carcasa (50).

12. Bomba de alta presión (1) según una de las reivindicaciones 10 u 11, en la que la carcasa (50) comprende un alojamiento (54) configurado para contener un baño de aceite en el que son inmersos el eje (10), las tuercas (21, 22) y/o el engranaje de transmisión.