El futuro de las pruebas es eléctrico
Tras siete décadas de predominio de los sistemas hidráulicos, ha llegado la segunda revolución en el ámbito de los ensayos. La accionamiento eléctrico está sustituyendo a los sistemas hidráulicos en laboratorios de todo el mundo, y sus ventajas van mucho más allá del rendimiento.
STEP Lab nació en 2007 como pionera de esta revolución y, desde el primer día, se dedicó al estudio y desarrollo de sistemas de ensayo basados en accionamientos eléctricos. STEP Lab se centra en tecnologías capaces de sustituir a las hidráulicas, de una forma eficiente y con un alto rendimiento. La gama de productos se divide actualmente en dos familias principales: EA y UD.
Las dos tecnologías
Serie EA
Actuadores electromecánicos, basados en husillos de bolas de alta precisión y gran fiabilidad.
Esta tecnología encuentra su mejor aplicación en:
- Pruebas dinámicas del bucle de control de posición y fuerza, hasta 35 Hz, con una aceleración de hasta 4 G
- Pruebas estáticas del bucle de control de posición
- Ensayos estáticos en el bucle de control de fuerza (ensayos de fluencia)
Actualmente, la gama de productos de actuadores electromecánicos abarca un amplio rango de fuerzas: de <1 kN hasta más de 200 kN de fuerza dinámica. Estos valores permiten sustituir el 95 % de las aplicaciones hidráulicas mundiales en el ámbito de las pruebas.
Serie UD
Actuadores electrodinámicos basados en motores lineales de alta dinámica.
Esta tecnología es la mejor del mercado para las siguientes aplicaciones:
- Pruebas dinámicas del bucle de control de posición y fuerza, con una frecuencia de prueba superior a 250 Hz y aceleración de> 90 G
- Ensayos a alta velocidad de deformación
- Reproducción en el laboratorio de la adquisición de la curva temporal con alta dinámica
La carga dinámica (de fatiga) máxima que alcanzan los actuadores electrodinámicos es de 100 kN. De hecho, la tecnología de los motores lineales permite superar este valor.
Ventajas operativas de los sistemas eléctricos
El accionamiento eléctrico tiene una eficiencia muy alta gracias a dos características importantes:
Accionamiento directo
La energía eléctrica transformada en energía mecánica se aplica directamente al dispositivo bajo prueba (DUT), especialmente en los actuadores electrodinámicos (motores lineales). En estos actuadores no hay transmisión mecánica: la fuerza electromagnética se transmite directamente desde el motor lineal a la varilla del actuador. Esto permite obtener una eficiencia muy alta del sistema, normalmente superior al 85 %.
Efecto «KERS» (sistema de recuperación de energía cinética)
En los ensayos cíclicos, durante la mitad del ciclo en la que la máquina debe reducir la energía de una muestra, dicha energía se recupera y se almacena en condensadores para ser reutilizada durante la siguiente fase. Este efecto cobra mucha más relevancia cuando se incrementan la velocidad y la frecuencia del ensayo.
Estas dos características permiten ahorrar entre un 60 % y un 80 % de energía total en comparación con el sistema de ensayo hidráulico y, en determinadas condiciones (frecuencia de ensayo = frecuencia natural de la muestra), el ahorro supera el 90 %.
Ahorro energético típico en comparación con el sistema hidráulico
Ahorro a la frecuencia de prueba de resonancia
Eficiencia del accionamiento directo (motores lineales)
Donde la tecnología eléctrica se impone
Las ventajas de los accionamientos eléctricos abarcan la precisión, la dinámica, el consumo energético, el tiempo de actividad, los costes de funcionamiento y el impacto medioambiental. A continuación se ofrece un desglose completo de todas las dimensiones relevantes, con datos comparativos reales cuando están disponibles.
Precisión y repetibilidad
Eléctrico
- Precisión en todo el rango de velocidades (0,1 – 4.000 mm/s)
- Control de posición y velocidad en bucle cerrado con una repetibilidad de 1 µm
- No se ve afectado por las variaciones de temperatura ni por la histéresis mecánica
Hidráulico
- Se puede alcanzar una buena precisión (pero solo tras un largo proceso de ajuste del PID)
- Las limitaciones de las válvulas mecánicas reducen la precisión a velocidades extremas
- La temperatura del aceite, la compresibilidad, la histéresis de las válvulas y la fricción de las juntas influyen en la repetibilidad
Resultados de las pruebas dinámicas
En los ensayos de fatiga, lo que importa es el valor eficaz de la carga aplicada, lo que significa que un actuador dinámico puede alcanzar una amplitud máxima superior a la que sugiere su clasificación estática. En los ensayos de choque o de picos, los motores de corriente continua sin escobillas pueden soportar una sobrecarga de corriente momentánea para generar una fuerza adicional durante unos segundos. No se necesitan circuitos hidráulicos especiales de almacenamiento de presión.
| Especificaciones | Eléctrico (e.g. STEP Lab KUD080-L2) | Hidráulico (COMPETITOR) |
|---|---|---|
| Carrera | 300 mm / 12 in | 250 mm / 10 in |
| Rendimiento óptimo | 41 kN @ 5.0 m/s | 33.5 kN @ 3.5 m/s (180 gpm HPU) |
| Se requiere HPU | No | 525,600 unit (1,960 l) |
| Tiempo de funcionamiento (típico) | 95% (+876 horas al año) | 85% |
Consumo energético y eficiencia operativa
El paso de la accionamiento hidráulico al eléctrico supone un cambio de paradigma en la gestión energética y la reducción de costes. A diferencia de las unidades de potencia hidráulicas, que deben funcionar de forma continua a plena presión independientemente de la demanda, los actuadores eléctricos solo consumen energía durante el movimiento. Además, utilizan condensadores integrados para la recuperación de energía cinética (KERS), que capturan la energía durante la desaceleración y la devuelven al sistema. Una investigación independiente de la Universidad de Ciencias Aplicadas de Ostfalia confirma que los sistemas eléctricos pueden ser hasta seis veces más eficientes que las configuraciones hidráulicas tradicionales.
Análisis comparativo de costes (por cada 1 000 horas de funcionamiento)
| Parámetros | Eléctrico (e.g. STEP Lab KUD080-L2) | Hidráulico (Competitor) |
|---|---|---|
| Consumo de potencia | 85 kW | 270 kW |
| Consumo energético | 85 MWh | 270 MWh |
| Gastos de funcionamiento anuales* | $ 53.800 | $ 170.880 |
*Basado en un coste energético de 85 $/MWh.
Ahorro anual al pasarse a los sistemas eléctricos
Costes de mantenimiento
Los sistemas hidráulicos requieren un mantenimiento periódico del líquido y las juntas. Los actuadores eléctricos solo requieren un engrase periódico de las guías lineales; el resto del mantenimiento es mínimo.
| Artículo | Eléctrico(anual) | Hidráulico (anual) |
|---|---|---|
| Aceite | $0 | $2,500 |
| Filtros | $0 | $750 |
| Tuberías y juntas | $0 | $3,000 |
| Chiller | $500 | $500 |
| Total | $500 | $6750 |
Seguridad, medio ambiente y ruido
Eléctrico
- Sin fugas de aceite, sin riesgo de incendio por el líquido hidráulico
- Sin vapores de aceite, apto para salas blancas
- Sin costes de eliminación de aceites usados
- Ruido del actuador: ~55 dB en reposo, ~68 dB en funcionamiento
- No se requiere protección auditiva ni insonorización
Hidráulico
- Las fugas de aceite requieren una limpieza periódica del suelo
- Los vapores de petróleo contaminan el aire y el medio ambiente
- La costosa gestión de los residuos de aceite regulada
- Ruido del HPU: ~72 dB (a menudo requiere protección auditiva)
- Special infrastructure may be needed for noise isolation
Conclusión
El paso de los ensayos hidráulicos a los eléctricos no es una perspectiva de futuro, sino una transición que ya está en marcha. La tecnología está consolidada, la cobertura es amplia y el coste total de propiedad favorece cada vez más a los sistemas eléctricos en aspectos como la precisión, el consumo energético, el mantenimiento y el impacto medioambiental.
Gracias a sus arquitecturas totalmente eléctricas, los sistemas de STEP Lab ofrecen un funcionamiento más limpio, una mayor precisión y un menor coste de ciclo de vida en comparación con las alternativas hidráulicas.
Si está buscando una máquina de ensayos totalmente eléctrica, STEP Lab le ofrece una de las soluciones más avanzadas y fiables del mercado.
| Características | Eléctrico | Hidráulico |
|---|---|---|
| Precisión | Precisión a cualquier velocidad; control en bucle cerrado de posición y velocidad | Funciona bien tras un ajuste prolongado del PID; presenta dificultades a velocidades muy altas o muy bajas |
| Rango de fuerza | Rango de solapamiento: <1 kN – 200 kN; cubre el 95 % de los casos de uso | 1 kN – 2 000 kN; preferiblemente por encima de 200 kN |
| Pruebas dinámicas | Hasta más de 250 Hz; posibilidad de sobrecarga máxima mediante aumento de la corriente del motor | Funciona, pero está limitado por la respuesta mecánica de la válvula |
| Consumo energético | entre un 60 % y un 80 % menos; recuperación de energía del KERS durante las pruebas cíclicas | Funcionamiento continuo a plena potencia, independientemente de la demanda real |
| Instalación | Plug and play (solo conexión eléctrica) | Instalación compleja; requiere una infraestructura de unidad de potencia hidráulica |
| Mantenimiento | Mínimo (solo engrase periódico de las guías lineales) | Cambios de aceite periódicos, sustitución de juntas, control de fugas |
| Contaminación atmosférica y ambiental | Zero (apto para salas blancas) | Vapores de aceite, fugas, costosa eliminación de aceites usados |
| Ruido de funcionamiento | Normalmente por debajo de 60 dB | Alto (puede ser necesario utilizar protección auditiva o insonorización) |
PREGUNTAS FRECUENTES
¿Pueden los actuadores eléctricos sustituir por completo a los hidráulicos?
¿Cuál es la diferencia entre los actuadores electromecánicos y los electrodinámicos?
¿Cuánta energía ahorran realmente los actuadores eléctricos?
Por lo general, entre el 60 % y el 80 % en comparación con un sistema hidráulico equivalente. Esto se consigue mediante dos mecanismos: la transmisión directa (sin pérdidas en la transmisión mecánica) y un sistema de recuperación de energía cinética (KERS) que captura y almacena energía durante la fase de desaceleración de las pruebas cíclicas. En condiciones de prueba resonantes, el ahorro puede superar el 90 %.
¿Son adecuados los actuadores eléctricos para entornos de sala limpia?
¿Qué grado de complejidad tiene la instalación en comparación con un sistema hidráulico?
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