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#Tendencias de productos
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Nuevos actuadores duraderos para el auge del transporte público electrificado
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El esperado auge del transporte público electrificado impulsa la demanda de actuadores electromecánicos de mayor duración
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El rápido aumento de la demanda de soluciones de transporte masivo energéticamente eficientes está impulsando una mayor adopción de la energía híbrida y totalmente eléctrica. Los diseñadores de sistemas de tránsito tienen cada vez más necesidad de una mayor vida útil y una mayor durabilidad de los componentes, especialmente de los actuadores que permiten una conexión segura y flexible a las fuentes de energía". Afortunadamente, ya está disponible en el mercado una nueva línea de actuadores lineales eléctricos para satisfacer esta necesidad.
El papel de los actuadores en los vehículos electrificados
Los actuadores permiten a los tranvías, autobuses y trenes eléctricos conectarse y desconectarse de las fuentes de energía de forma intermitente. Esto no es tan necesario en la mayoría de las aplicaciones convencionales porque dependen de una única fuente de energía a la que se conectan una vez por la mañana y permanecen conectados hasta el final de su jornada. Los vehículos híbridos, en cambio, utilizan la energía de la batería para las rutas que se extienden más allá de los límites de la ciudad, pero vuelven a recurrir a la energía aérea, más limpia y económica, muchas veces mientras realizan sus rutas. Esto será cada vez más importante a medida que aumente el número de usuarios.
Los actuadores gestionan la conmutación de la red aérea controlando los pantógrafos con resortes, que son conjuntos mecánicos que se sitúan en la parte superior del vehículo y se elevan para conectar con las líneas eléctricas aéreas. (Figura 1) Un muelle eleva el pantógrafo para conectar y mantener el contacto con la línea eléctrica aérea, y el actuador aleja el pantógrafo de la fuente de energía cuando se cambia a la energía de la batería. En otros diseños, el actuador puede precargar el muelle que eleva el pantógrafo hasta la línea eléctrica aérea. Una conmutación intermitente más eficaz reduce la necesidad de añadir un cableado aéreo estético y potencialmente peligroso dentro de los límites de la ciudad a medida que aumenta el uso del transporte público
Algunos diseños utilizan actuadores neumáticos para gestionar la conectividad de los pantógrafos, pero la compresión de aire asociada desprende humedad que puede provocar atascos y, a bajas temperaturas, la formación de hielo. Las soluciones neumáticas también necesitan muchos más componentes, como bombas, tuberías y sistemas de aire comprimido. El aumento del número de pasajeros agrava estos problemas, haciendo que las soluciones neumáticas sean cada vez menos atractivas a medida que aumenta el tráfico.
Los actuadores también guían el cambio a las estaciones de recarga, ayudando a los autobuses híbridos a obtener la energía que necesitan para funcionar durante el día. Y en el caso de los trenes que obtienen energía de terceros carriles, los actuadores controlan la extensión de los contactos del tren al carril alimentado.
Mientras que las aplicaciones actuales podrían exigir actuadores con una vida útil de entre 20.000 y 30.000 ciclos, se espera que el aumento de los ciclos diarios resultante del incremento de pasajeros requiera actuadores con una vida útil de entre 500.000 y 1.000.000 de ciclos.
Prolongación de la vida útil de los actuadores
La creación de un actuador de mayor duración requiere la evaluación de al menos cuatro áreas: la selección del husillo de bolas, el diseño del motor, el frenado y la resistencia ambiental.
Los actuadores de las aplicaciones de transporte público transforman el movimiento rotativo en movimiento lineal a través de un husillo de bolas. La selección de un husillo de bolas que pueda soportar hasta un millón de ciclos durante su vida útil requiere cálculos avanzados de optimización que equilibren la carga y la velocidad mediante la mejora del conjunto de tuerca y husillo. Estos cálculos pueden ser bastante complejos, pero básicamente implican el aumento de la capacidad de carga del conjunto de tornillo y tuerca mediante el uso de un tornillo de bolas de mayor diámetro y una tuerca con el doble de bolas que forman la conexión entre la tuerca y el tornillo. Esta construcción aumenta en gran medida la vida útil del husillo de bolas y la tuerca.
El diseño del motor también influye en la vida del actuador. La mayoría de los actuadores que se utilizan actualmente en los vehículos electrificados emplean motores de corriente continua tradicionales con escobillas de contacto. Pero las escobillas acaban desgastándose ̶ demasiado pronto para el uso prolongado que proyectan los diseñadores de tránsito. Una alternativa mejor es sustituir las escobillas por un campo electromagnético, que elimina por completo las escobillas de contacto y puede durar prácticamente siempre. Por supuesto, habrá un cierto desgaste en los rodamientos u otras partes del motor, pero la longevidad entonces no depende de la vida de las escobillas.
Un motor de corriente continua sin escobillas también requiere una interfaz de usuario ligeramente diferente y ayudará a controlar el frenado en el funcionamiento del pantógrafo.
En un pantógrafo, el actuador trabaja contra un muelle. En una dirección, es la fuerza opuesta; en la otra dirección, es una fuerza de asistencia. Un muelle de oposición proporciona una velocidad estable y más controlada en una dirección. Un muelle de asistencia, por el contrario, permite un funcionamiento más libre que debe ser controlado. Normalmente, la velocidad se controla con un freno de fricción cuando el muelle es de asistencia. En caso de uso prolongado, el freno de fricción se desgastará y limitará la vida útil del actuador.
Junto con un motor mejorado, esta nueva solución de actuador presenta un diseño de husillo de bolas mejorado, un freno electromagnético de retención de carga y un control de motor eléctrico integrado. Este mejor enfoque utiliza el motor sin escobillas para controlar la velocidad y un freno electromagnético para mantener la carga en su lugar una vez que el actuador se detiene. Los actuadores utilizados en aplicaciones de transporte público ya están sujetos a la normativa de salud y seguridad, pero la ampliación de su uso también aportará mayores mejoras en este ámbito. Mientras que los vehículos que funcionan con menos frecuencia podrían utilizar un nivel de protección menor, como el IP65 de las soluciones actuales, el funcionamiento ampliado de un tren que se desplaza a 100 kilómetros por hora supondría una mayor exposición a las fuerzas ambientales y probablemente requeriría un nivel de protección mayor. Asimismo, el funcionamiento en comunidades costeras tendría una mayor exposición a la corrosión en el aire salado, probablemente IP66 o incluso IP69K. Estos factores, combinados con las estrictas normas de seguridad pública que impiden el uso de materiales tóxicos, hacen que los proveedores de actuadores se aseguren de que los materiales y las estrategias de sellado que utilizan ofrezcan un rendimiento seguro durante los 20 o 30 años que pueden durar los propios vehículos.
¿Qué se avecina en el camino?
En las aplicaciones de transporte actuales, los actuadores se encargan principalmente de la función de conmutación, algo que seguirán haciendo. Pero la conmutación requiere cierta electrónica de a bordo, lo que permite a los actuadores comunicarse entre sí y con otros dispositivos, proporcionando a los operadores información como la posición del pantógrafo y creando la necesidad de que los actuadores evolucionen.
Aunque los actuadores utilizados para las estaciones de carga se encuentran entre los primeros componentes que deben actualizarse para adaptarse a la ampliación del número de pasajeros y a la expansión de la electrificación, es posible que pronto le sigan otras aplicaciones de actuadores adecuadas, como el accionamiento de puertas, la nivelación de escalones, la conexión de vagones y el control de huecos para un acceso seguro y fácil de los pasajeros. Hasta ahora, estas aplicaciones han sido gestionadas principalmente por actuadores neumáticos o hidráulicos, pero con el aumento de los ciclos y la necesidad de componentes más eficientes y robustos, los ingenieros deberían considerar los actuadores electromecánicos más adecuados para sus diseños.
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