Actuador hidráulico frente a actuador neumático: Principales diferencias, aplicaciones y selección

En la industria moderna, los sistemas de automatización no pueden funcionar sin un actuador y necesitan uno para controlar operaciones mecánicas como el empuje, la sujeción, el posicionamiento y muchas más. Los tipos de actuadores pueden subdividirse en muchas categorías, pero las más destacadas son los actuadores hidráulicos y neumáticos, que se distinguen por su tipo de energía o fuente de energía. Sus prestaciones y principios de funcionamiento difieren mucho entre sí, lo que permite utilizarlos en una gran variedad de aplicaciones en diversos sectores de la industria. El objetivo de este artículo es explicar las diferencias más importantes entre los actuadores hidráulicos y neumáticos, sus principales ventajas, los escenarios típicos de aplicación y ofrecer orientación sobre cómo tomar la decisión correcta a la hora de elegir entre ellos durante el proceso de diseño.

Conocer las distinciones fundamentales de los actuadores hidráulicos y neumáticos es tan importante como conocer las reglas básicas de la gramática cuando se aprende un nuevo idioma. Una base sólida permite diseñar y optimizar una solución de automatización de forma más fundamental y eficaz.

¿Qué es un actuador hidráulico?

Un actuador hidráulico es un dispositivo que utiliza un líquido altamente presurizado, normalmente un aceite hidráulico o lubricantes para equipos, y lo convierte en movimiento o fuerza. Su principio básico se basa en el uso de líquidos que no pueden comprimirse. La bomba hidráulica genera presión para el aceite hidráulico, y este aceite se bombea a través de tubos hasta el actuador, como tipos de cilindros (como los cilindros hidráulicos) y motores. La aplicación continua de presión de fluido del aceite a alta presión empuja contra los pistones o paletas del actuador y se consigue un gran empuje o par que permite el movimiento lineal o el movimiento de rotación. Un sistema hidráulico completo se compone, entre otros elementos, de una bomba hidráulica, un motor eléctrico para accionarla, un depósito, un filtro, un refrigerador, válvulas de control y tuberías y accesorios. Como es sabido, un sistema hidráulico es una de las mejores soluciones en aplicaciones en las que se necesita una gran precisión y control con una elevada fuerza de salida, especialmente en escenarios de cargas pesadas, lo que a menudo se conoce como proporcionar fuerza bruta o la mayor potencia. Este es un hecho establecido desde hace mucho tiempo en la industria.

¿Qué es un actuador neumático?

Un actuador neumático utiliza energía de gas comprimido, normalmente presión de aire, para crear fuerza y movimiento. Su principio de funcionamiento se basa en un compresor de aire que comprime el aire ambiente y lo almacena en un depósito receptor. A continuación, el aire se procesa en unidades de preparación que incluyen filtros, reguladores y, en algunos casos, lubricadores. El depósito receptor, incluidos sus filtros, reguladores y lubricadores, debe estar libre de aceite, suciedad y humedad, y tener la presión correcta. A continuación, el aire comprimido limpio y seco controlado por presión se envía a través de tuberías al actuador, que puede ser un cilindro neumático o un motor, también conocidos como dispositivos neumáticos. El actuador, conocido como de desplazamiento positivo, responde a la señal neumática y empuja o hace girar el pistón y las paletas, permitiendo el movimiento lineal o el movimiento de rotación. Se prefieren los sistemas neumáticos por su estructura sencilla, funcionamiento rápido y función limpia. Son habituales en aplicaciones de carga ligera y en líneas de producción.

Principales diferencias: Comparación detallada

Tanto los actuadores hidráulicos como los neumáticos funcionan con el uso de la presión de fluidos, pero sus prestaciones, atributos del sistema, adaptabilidad al entorno y costes difieren enormemente. Estas distinciones son importantes a la hora de evaluar qué tecnología se aplica mejor a un contexto determinado.

Diferencias de rendimiento

Las diferencias destacan en la fuerza y la densidad de potencia. El funcionamiento de los sistemas hidráulicos suele ser a presiones más altas, que van de decenas a cientos de megapascales, lo que permite que los motores hidráulicos produzcan un empuje enorme o un par elevado. Para las operaciones que requieren un par muy elevado o una fuerza significativa, por ejemplo, la elevación de cargas pesadas, el apriete o los accionamientos de alto par, a menudo se prefieren los motores hidráulicos. Además, tienen una alta densidad de potencia, es decir, pueden suministrar una gran fuerza en un pequeño volumen. En los sistemas neumáticos, la presión de funcionamiento es menor, normalmente de 0,4 a 1,0 MPa, y por tanto la fuerza de salida también es menor. La fuerza de salida puede aumentarse utilizando actuadores más grandes, pero esto los hace menos compactos.

En términos de respuesta a la velocidad, así como de control de la misma, los actuadores neumáticos tienen una ventaja competitiva en respuesta, así como en rapidez de movimiento, capaz de alcanzar altas velocidades. Se caracterizan por la baja densidad y la facilidad de flujo del gas, lo que les permite arrancar y detenerse rápidamente. Por estas razones, son adecuados para acciones de alta aceleración. Pero debido a la compresibilidad del aire, el control preciso de la velocidad en los sistemas neumáticos es difícil y se modifica fácilmente con la carga. Por el contrario, los sistemas hidráulicos se mueven más despacio pero tienen un control preciso y estable de la velocidad en el nivel superior debido a la incompresibilidad del líquido. También pueden mantener una velocidad fija bajo cargas que cambian constantemente, lo que permite movimientos lineales precisos.

Los actuadores hidráulicos no tienen parangón en cuanto a precisión, rigidez y capacidad de posicionamiento. Debido a la incompresibilidad de los líquidos, los sistemas hidráulicos tienen un alto grado de rigidez y, por tanto, muy pocos cambios de posición y velocidad bajo influencias externas. Esto ayuda a conseguir un movimiento estable y precisión en la posición mantenida, lo que es esencial en sistemas que necesitan un control preciso de la posición o de la fuerza. Los sistemas neumáticos son menos eficaces debido a la compresibilidad del gas, la rigidez reducida, la presencia de deformación elástica, la desviación de la posición bajo carga variable y requieren técnicas de control elaboradas para intentar un posicionamiento de alta precisión.

Diferencias en las características del sistema y el entorno

Los sistemas hidráulicos suelen ser más complicados que los neumáticos en cuanto a complejidad del sistema y piezas. Se necesita una unidad de potencia hidráulica completa, válvulas complejas y tuberías de alta presión. Los sistemas neumáticos son bastante sencillos. Un compresor de aire, un depósito receptor, unidades de preparación de aire, válvulas y tuberías son las principales unidades que deben incluirse.

En cuanto a adaptabilidad y limpieza ambiental, los sistemas neumáticos tienen ventaja. Su uso de aire comprimido limpio y seco aumenta aún más la bondad. No se produce contaminación por fugas, lo que permite su uso en industrias que requieren una limpieza muy alta, como la alimentaria, la farmacéutica y la electrónica. Las piezas neumáticas también son menos susceptibles a los cambios periféricos de temperatura, incluso en zonas de temperaturas extremas. Los sistemas hidráulicos utilizan aceite para su funcionamiento. Este aceite también puede tener fugas, lo que provocará contaminación, con el consiguiente riesgo de daños y la posible implicación de materiales peligrosos. También ellos deben tener un alto grado de limpieza del aceite. El aceite es sensible a los cambios de temperatura, lo que podría afectar al rendimiento y aumentar la necesidad de medidas extremas adicionales, sobre todo en temperaturas extremas.

La seguridad es otra preocupación. La alta presión a la que funcionan los sistemas hidráulicos plantea mayores riesgos y exige precauciones de seguridad más estrictas y el cumplimiento de los requisitos de seguridad mecánica. Por otro lado, los sistemas hidráulicos tienen una buena capacidad de autobloqueo; mantienen la posición en caso de pérdida de potencia. Los sistemas neumáticos tienen una presión de funcionamiento más baja, lo que los hace más seguros; sin embargo, suelen perder la capacidad de mantener la posición en caso de pérdida de aire.

Diferencias económicas y de mantenimiento

En cuanto al desembolso económico, los sistemas neumáticos suelen ser los más baratos debido a que sus piezas son menos costosas y su montaje más sencillo. Por el contrario, los sistemas hidráulicos son más caros debido a la complejidad de las instalaciones y al elevado coste de los equipos.

Sin embargo, los gastos energéticos presentan otro problema, ya que la necesidad de producir aire comprimido aumentará estos costes en los sistemas neumáticos, especialmente si funcionan con una eficiencia inferior a la óptima. Irónicamente, aunque una configuración hidráulica puede ahorrar energía en algunas aplicaciones, los costes continuos del fluido hidráulico y los cambios de filtro los hacen bastante negativos.

Los sistemas neumáticos se benefician de una menor demanda de mantenimiento, ya que una sola tarea domina la preparación de las unidades neumáticas. La limpieza del aceite junto con la sustitución de juntas y filtros, además de las comprobaciones de mantenimiento de desengrase, hacen que las configuraciones hidráulicas sean más complicadas. Los constructores suelen mezclar la localización de averías con el mantenimiento general y el conocimiento de sistemas delicados conlleva la necesidad de conocimientos especializados.

He aquí una tabla comparativa concisa de actuadores hidráulicos y neumáticos:

Característica	Actuador hidráulico	Actuador neumático
Medio de trabajo	Líquido (aceite hidráulico)	Gas (aire comprimido)
Presión de funcionamiento	Alta	Bajo
Fuerza de salida	Alta, alta densidad de potencia	Relativamente bajo
Control de velocidad	Preciso y estable	Difícil de controlar con precisión
Precisión/Rigidez	Alta	Bajo
Complejidad del sistema	Complejo	Simple
Limpieza medioambiental	Propenso a fugas de líquidono apto para entornos limpios	Limpio y ecológico, adecuado para entornos limpios
Seguridad	Riesgo de alta presión, normalmente autobloqueante	Seguridad de baja presión, pierde la posición en caso de pérdida de aire
Coste inicial	Alta	Bajo
Mantenimiento	Complejo	Simple

Ventajas de los actuadores hidráulicos

Los actuadores hidráulicos ofrecen ventajas clave en aplicaciones específicas:

• Salida de fuerza inmensa: El actuador hidráulico puede producir un empuje o par que supera a cualquier sistema neumático, lo que lo hace muy útil en aplicaciones de trabajo pesado, ya que es capaz de proporcionar fuerza bruta e imponer potencia.
• Alta precisión y rigidez: El más adecuado para aplicaciones que necesitan un control preciso de la posición, la velocidad de movimiento y un alto grado de rigidez, por lo tanto, movimientos lineales precisos.
• Movimiento suave: Se puede lograr un movimiento muy suave y controlable, más adecuado para su uso en un movimiento donde se requiere una fuerza continua uniforme.
• Control de bloqueo automático: Mantiene su posición de forma segura incluso si se retira la alimentación o la presión, lo que mejora la seguridad.

Ventajas de los actuadores neumáticos

Los actuadores neumáticos ofrecen ventajas únicas en muchos campos de la automatización:

• Estructura básica y precio económico: Inversión primaria reducida junto con gastos de instalación bajos y óptimos para nuestras aplicaciones de presupuesto limitado.  
• Reacción y movimientos rápidos: Capaz de arrancar/parar rápidamente y de realizar movimientos cíclicos a alta velocidad, proporciona un retorno aún más rápido.  
• No contaminante y respetuoso con el medio ambiente: Aplicable en zonas sensibles a la limpieza, ya que el medio de trabajo no contamina.  
• A prueba de explosiones más fácil de conseguir: No utiliza energía eléctrica, lo que supone una mayor seguridad en entornos explosivos o inflamables.  
• Protección contra sobrecargas: Protección del sistema que se detiene automáticamente en caso de sobrecarga.

Escenarios típicos de aplicación

Actuador hidráulico

Los actuadores hidráulicos se emplean con frecuencia en aplicaciones industriales que exigen altos niveles de fuerza, un control preciso o un funcionamiento en entornos difíciles:

• Maquinaria de construcción: Excavadoras, grúas, bulldozers, etc., emplean cilindros hidráulicos para levantar y excavar con potencia. Esto incluye equipos pesados de construcción.
• Prensas industriales y estampadoras: Se utilizan para estampar y otros procesos de conformado de metales que requieren una presión inmensa.
• Máquinas de moldeo por inyección y fundición a presión: Se utilizan en procesos de moldeo por sujeción e inyección; dos procesos que requieren un control preciso y altos niveles de fuerza.
• Ingeniería naval y de alta mar: Se utilizan en sistemas de timón, así como en molinetes de ancla y tapas de escotilla que deben soportar cargas pesadas y funcionar en entornos difíciles.
• Equipos metalúrgicos: Se utilizan para la reducción de laminadores y la apertura de puertas de hornos, ambos en condiciones de alta temperatura y carga pesada.

Actuador neumático

Los actuadores neumáticos tienen una fuerte presencia en el mercado en circunstancias en las que existe una gran exigencia de velocidad, automatización, limpieza o bajos costes, sobre todo en equipos de manipulación de materiales y otras aplicaciones industriales:

• Líneas de producción automatizadas: Para agarrar, colocar, empujar, sujetar, clasificar, así como, otros movimientos repetitivos con una alta tasa de velocidad, permitiendo una amplia variedad de movimientos.
• Maquinaria de envasado: Para sellado, corte, transporte, paletizado de bolsas de embalaje y muchas más.
• Procesado de alimentos y bebidas: Su naturaleza limpia se presta a ser ampliamente utilizada en el transporte, dispensación y envasado de productos alimenticios.
• Productos farmacéuticos y equipos médicos: En la producción y envasado de productos farmacéuticos y en el control de equipos médicos, que requieren un alto grado de limpieza y seguridad.
• Automatización de válvulas: Para el control de apertura/cierre y regulación de diversas válvulas industriales.

Selección del actuador adecuado a sus necesidades

Elegir entre un actuador hidráulico y uno neumático no es una simple cuestión de que uno sea superior al otro; depende de los requisitos específicos de la aplicación. Para ello, hay que tener en cuenta múltiples factores para tomar la decisión correcta:

1. Fuerza o par necesarios: Este es el factor más crítico. Evalúe la fuerza máxima y continua necesaria. Si se requiere una fuerza inmensa, la hidráulica suele ser la única opción.
2. Velocidad de movimiento y precisión de control: Determine los requisitos de la aplicación en cuanto a velocidad de movimiento y precisión del control de velocidad.
3. Variación de la carga: Si la carga varía frecuente y significativamente y requiere mantener la estabilidad de posición o velocidad, los sistemas hidráulicos tienen ventaja.
4. Entorno de trabajo: Tenga en cuenta la limpieza del entorno, la temperatura, la humedad y la presencia de sustancias inflamables/explosivas, incluidos los materiales peligrosos o las zonas de temperaturas extremas.
5. Presupuesto de costes: Evalúe la inversión inicial y los costes de funcionamiento y mantenimiento a largo plazo.
6. Complejidad del sistema y capacidad de mantenimiento: Considere las capacidades de instalación y mantenimiento in situ y la tolerancia a la complejidad del sistema.
7. Suministro de energía: Confirme la disponibilidad de una fuente de energía de alta presión (para la bomba hidráulica) o una fuente de aire comprimido in situ.
8. Requisitos de seguridad: Tenga en cuenta los requisitos de seguridad específicos de la aplicación, como el autobloqueo en caso de pérdida de alimentación o la protección contra explosiones, así como el cumplimiento de los requisitos de seguridad mecánica.

La evaluación exhaustiva de estos factores permite tomar una decisión más informada sobre la tecnología de actuadores más adecuada para una aplicación específica durante el proceso de diseño.

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Tendencias futuras en tecnología de actuadores

La tecnología de los actuadores evoluciona constantemente para satisfacer la creciente demanda de inteligencia, eficiencia y sostenibilidad del sector. Las tendencias futuras incluyen la integración de más sensores y funciones de comunicación para lograr un control y una supervisión del estado más inteligentes, al tiempo que se mejora la eficiencia general del sistema para reducir los costes operativos y maximizar la eficacia. También se promoverá la integración y modularización de los actuadores con otros componentes para simplificar la estructura del sistema. A medida que avance la tecnología, se generalizará el uso de actuadores eléctricos por sus ventajas de precisión y controlabilidad. Además, la industria también está prestando cada vez más atención al uso de materiales y procesos respetuosos con el medio ambiente para reducir las fugas de fluidos y reducir el riesgo de daños. Todas estas tendencias impulsarán conjuntamente el desarrollo de la tecnología de actuadores y aportarán nuevas posibilidades a las futuras aplicaciones industriales.

Conclusión

Dos tecnologías fundamentales en el ámbito industrial son los actuadores hidráulicos y neumáticos, cada uno con ventajas y ámbitos de aplicación peculiares. Por su alta precisión y potente fuerza, los sistemas hidráulicos son esenciales en los campos del control de cargas pesadas y de precisión. Los sistemas neumáticos, por su parte, se utilizan sobre todo en líneas de producción automatizadas por su sencillez, rapidez y funcionamiento limpio. La selección adecuada se basa en el análisis de las necesidades de la aplicación y en consideraciones de peso.

VINCER, como proveedor de válvulas actuadas, aplica los principios de eficiencia de costes, amplia gama de ofertas de productos, fuerte personalización y servicio profesional para garantizar soluciones de válvulas fiables para los clientes, optimizando así los sistemas de control de fluidos para una mayor eficiencia y eficacia operativa. No cabe duda de que los actuadores evolucionarán con los avances tecnológicos, haciéndose cada vez más inteligentes y más eficientes y respetuosos con el medio ambiente, lo que tendrá un mayor impacto en la automatización industrial en el futuro, demostrando ser unos de los caballos de batalla más versátiles de la industria moderna.