Calculo de actuadores neumaticos

INSTITUT! TECN!#$GIC! SUPERI!R E A#%ARA! – Campus

INGENIERÍA MECÁNICA

Materia: Automatización Industrial Semestre – Grupo - Sistema: 7° Semestre – Grupo “A” - Escolarizado Producto Académico: ACTUA!RES Prese"ta: Erika María oscano Arias!   oce"te: In"! #osimar Mu$oz %el"ado

ME%E&&'( %E )*A )*A+, +, +E*! A"osto - Enero ./01

ACTUA!RES

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C!NTENI! !*+ETI%!)!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!2 INTR!UCCI$N)!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!3 ,) Actuadores)!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!1 ,) Actuadores Neum.ticos e /idr.u&icos) !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!1 ,), Ca&cu&o de actuadores /idr.u&icos 0 Neum.ticos)!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!03 ,)1 Se&ecci2" de actuadores)!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!04 ,)3 etermi"aci2" de &a pote"cia 0 re"dimie"to e" &os motores 4idr.u&icos 0 "eum.ticos !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!./ C!NC#USI$N)!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!.. *I*#I!GRA5IA)!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!.5

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!*+ETI%!) 6ue el alumno comprenda el concepto de actuadores así como su clasicación 8 di9erencia entre actuadores neum:ticos e ;idr:ulicos de i"ual manera el calculo de ellos así como su selección 8 su determinación!

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INTR!UCCI$N) ótica pueden emplear ener"ía neum:tica ;idr:ulica o el@ctrica! ada uno de estos sistemas presenta características di9erentes siendo preciso e=aluarlas a la ;ora de seleccionar el tipo de actuador m:s con=eniente las características a considerar son entre otrasB

• • • • • • •

Cotencia! ontrola>ilidad! Ceso 8 =olumen! Crecisión! +elocidad! Mantenimiento! oste!

Se clasican en tres "randes "rupos se"?n la ener"ía Due utilizanB • • •

(eum:ticos! idr:ulicos! El@ctricos!

&os actuadores neum:ticos el aire comprimido como 9uente de ener"ía 8 son mu8 indicados en el control de mo=imientos r:pidos pero de precisión limitada! &os motores ;idr:ulicos son recomenda>les en los manipuladores Due tienen una "ran capacidad de car"a Funto a una precisa re"ulación de =elocidad! &os motores el@ctricos son los m:s utilizados por su 9:cil 8 preciso control así como por otras propiedades =entaFosas Due esta>lece su 9uncionamiento como consecuencia del empleo de la ener"ía el@ctrica!

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,) Actuadores) ,) Actuadores Neum.ticos e /idr.u&icos)  Actuadores Neumáticos.

El cilindro neum:tico consiste en un cilindro cerrado con un pistón en su interior Due desliza 8 Due transmite su mo=imiento al eterior mediante un =:sta"o! Se compone de las tapas trasera 8 delantera de la camisa donde se mue=e el pistón del propio pistón de las Funtas est:ticas 8 din:micas del pistón 8 del anillo rascador Due limpia el =:sta"o de la suciedad! &os cilindros neum:ticos independientemente de su 9orma constructi=a representan los actuadores m:s comunes Due se utilizan en los circuitos neum:ticos! a8 dos tipos de actuadores los Due producen mo=imiento lineal Hcilindros 8 los Due producen mo=imiento rotati=o Hmotores! &a ener"ía in;erente al aire comprimido alimenta a los actuadores neum:ticos donde se trans9orma en mo=imientos de =ai=@n en los cilindros o en mo=imiento de "iro en los motores! En los actuadores lineales encontramos dos tipos 9undamentalesB

•

•

ilindro de simple e9ectoB sólo pueden e9ectuar tra>aFo en una dirección! ilindro de do>le e9ectoB e9ect?an tra>aFo en am>as direcciones!

 ilindro de simple e9ecto de @m>olo!

El =:sta"o puede estar reple"ado o etendido inicialmente tienen un resorte de recuperación de posición al suministrarle aire comprimido el @m>olo modica su posición 8 cuando se pur"a el aire el muelle recupera la posición inicial del @m>olo! %e>ido a la lon"itud del muelle se utilizan cilindros de simple e9ecto con carreras de ;asta 0// mm!

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Estos cilindros sólo pueden e9ectuar tra>aFo en una dirección el Due realiza el aire comprimido mientras Due el mo=imiento de>ido al muelle solamente sir=e para recuperar la posición inicial por ello es apropiado para tensar epulsar introducir suFetar etc!

 ilindro de simple e9ecto de mem>rana!

rana de "oma desempe$a las 9unciones de @m>olo! &a placa de suFeción asume la 9unción del =:sta"o 8 est: unida a la mem>rana el retroceso se realiza por tensión interna de la mem>rana! Este tipo cilindros sólo pueden e9ectuar carreras mu8 cortas por lo Due se emplean para remac;ar estampar 8 so>re todo suFetar!

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 ilindro de simple e9ecto de mem>rana arrolla>le!

&a mem>rana tiene 9orma de =aso cuando se introduce aire comprimido la mem>rana se desarrolla en la pared interna del cilindro presenta mu8 poco rozamiento 8 son mu8 estancos su carrera es mu8 corta!

 ilindro de do>le e9ecto

*eci>e aire comprimido por una c:mara pur":ndose el lado contrario con lo Due el =:sta"o cam>ia de posición! uando el aire cam>ia de dirección 8 se intercam>ian las c:maras de llenado 8 de e=acuación el =:sta"o recupera la posición primiti=a!

&a 9uerza del @m>olo es ma8or en el a=ance Due en el retroceso de>ido a la ma8or sección so>re la Due presiona el aire 8a Due en la otra c:mara se tiene Due descontar la supercie del =:sta"o! Estos cilindros pueden desarrollar tra>aFo en las dos direcciones 8 adem:s pueden presentar carreras si"nicati=amente ma8ores a las de los cilindros de simple e9ecto!

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 ilindro "iratorio!

on este tipo de cilindro pueden o>tenerse mo=imientos de ;asta 5//K tienen poca capacidad para desarrollar tra>aFo son mu8 poco empleados de>ido a Due presentan poca estanDueidad!

 ilindro telescópico!

Est: 9ormado por los tu>os cilíndricos 8 =:sta"o de @m>olo! En el a=ance sale primero el @m>olo interior si"uiendo desde dentro ;acia 9uera los si"uientes =:sta"os! &a 9uerza a desarrollar est: determinada por la supercie del @m>olo menor! Son empleados donde se necesitan importantes lon"itudes de ele=ación con una >ase cilíndrica de reducidas dimensiones por eFemplo en plata9ormas ele=adoras presentan pro>lemas de pandeo!

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 ilindro de do>le =:sta"o!

 ienen =:sta"os en am>os lados en este caso la 9uerza Due desarrollan en am>as direcciones es la misma adem:s son capaces de soportar li"eros es9uerzos laterales!

Actuadores de mo=imiento rotati=o! &os actuadores de mo=imiento rotati=o Hmotores se usan menos Due los lineales 8a Due en "eneral los motores el@ctricos ;acen esta 9unción de 9orma m:s ecaz! A pesar de esto en determinadas situaciones Hde ei"encia de m:s limpieza o de peli"rosidad por peli"ro de eplosión etc! tam>i@n son utilizados en muc;os procesos producti=os!

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 Motor de @m>olo radial!

Cor medio de cilindros de mo=imiento alternati=o el aire comprimido acciona a tra=@s de una ec@ntrica o de una >iela el ci"Le$al del motor su potencia depende de la presión de alimentación del n?mero de @m>olos 8 de la supercie 8 la =elocidad de mo=imiento de estos!

 Motor de aletas!

onsta de un rotor ec@ntrico pro=isto de unas ranuras ;omo"@neamente repartidas en ellas se deslizan unas aletas a>ati>les Due son empuFadas contra la pared interior del motor! Estos motores tienen una "ama de =elocidad de entre 5/// 8 4/// r!p!m! para potencias de ;asta .3 +!

 Actuadores Hidráulicos.

Estos actuadores se >asan para su 9uncionamiento en la presión eFercida por un líDuido "eneralmente un tipo de aceite! &as maDuinas Due normalmente se encuentran con9ormadas por actuadores ;idr:ulicos tienen ma8or =elocidad 8 ma8or resistencia mec:nica 8 son de "ran tama$o por ello son usados para aplicaciones donde reDuieran de una car"a pesada! ualDuier tipo de sistema ;idr:ulico se encuentra sellado ;erm@ticamente a modo Due no permita de nin"una manera derramar el líDuido Due contiene de lo contraria se corre un "ran ries"o! &os actuadores ;idr:ulicos reDuieren demasiado eDuipo para suministro de ener"ía así como de mantenimiento periódico!

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 +entaFas de los actuadores ;idr:ulicos

&as =entaFas Due presentan los actuadores de esta naturaleza sonB • • • • • •

Altos índices entre potencia 8 car"a! Ma8or eactitud! *espuesta de ma8or 9recuencia! %esempe$o sua=e a >aFas =elocidades! Amplio ran"o de =elocidad! Croduce m:s 9uerza Due un sistema neum:tico de mismo tama$o!

 %es=entaFas de los actuadores ;idr:ulicos

&as des=entaFas de este sistema son Due de>ido a las ele=adas presiones a las Due se tra>aFan propician la eistencia de 9u"as de aceite a lo lar"o de la instalación! Adem:s estas instalaciones suelen ser m:s complicadas Due las necesarias para actuadores neum:ticos 8 muc;o m:s Due para los el@ctricos necesitando de eDuipos deB • • • •

iltrado de partículas! Eliminación de aire! Sistemas de re9ri"eración! ución!

 Aplicaciones de los actuadores ;idr:ulicos

&as principales aplicaciones se encuentran en m:Duinas troDueladoras en car"adores 8 en maDuinarias pesada para o>ras ci=iles! Este sistema de actuadores se di=ide en tres "randes "ruposB • • •

ilindro ;idr:ulico! Motor ;idr:ulico! Motor ;idr:ulico de oscilación!

 ilindro ;idr:ulico

%e acuerdo con su 9unción podemos clasicar a los cilindros ;idr:ulicos en . tiposB •

%e e9ecto simpleB se utiliza 9uerza ;idr:ulica para empuFar 8 una 9uerza eterna di9erente para contraer!

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0.

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%e acción do>leB se emplea la 9uerza ;idr:ulica para e9ectuar am>as acciones!

 ilindro de presión din:mica

&le=a la car"a en la >ase del cilindro! &os costos de 9a>ricación por lo "eneral son >aFos 8a Due no ;a8 partes Due res>alen dentro del cilindro!

 ilindro de e9ecto simple

arra es colocada en un etremo del pistón cuando la presión es eFercida en la parte contraria al etremo del pistón donde est: la >arra esta su>e ;asta donde la presión lo empuFe eFerciendo una 9uerza so>re la >arra de contracción despu@s la >arra es re"resada a la posición inicial por la simple acción de resortes o de la "ra=edad! &a car"a solo puede colocarse en un etremo del cilindro!

 ilindro de e9ecto do>le

&a car"a puede colocarse en cualDuiera de los lados del cilindro! Se "enera un impulso ;orizontal de>ido a la di9erencia de presión entre los etremos del pistón cuando el líDuido entra en este!

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 ilindro telescópico

&a >arra de tipo tu>o multiet:pico es empuFada sucesi=amente con9orme se =a aplicando al cilindro aceite a presión! Se puede lo"rar una carrera relati=amente en comparación con la lon"itud del cilindro!

 Motor ;idr:ulico

En los motores ;idr:ulicos el mo=imiento rotatorio es "enerado por la presión! Estos motores los podemos clasicar en dos "randes "ruposB •

•

El de tipo rotatorioB en el Due los en"ranes son accionados directamente por aceite a presión! El de tipo oscilanteB el mo=imiento rotatorio es "enerado por la acción oscilatoria de un pistón o percutorN este tipo tiene ma8or demanda de>ido a su ma8or eciencia!

 Motor de en"ranaFe

El aceite a presión Ou8e desde la entrada Due act?a so>re la cara dentada de cada en"ranaFe "enerando torDue en una dirección! &a estructura del motor es simple por lo Due es mu8 recomenda>le su uso en operaciones a alta =elocidad!  Motor oscilante con pistón aial

 iene como 9unción el a>sor>er un determinado =olumen de Ouido a presión 8 de=ol=erlo al circuito en el momento Due @ste lo precise!

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 Motor con pistón eFe inclinado

El aceite a presión Due Ou8e desde la entrada empuFa el pistón contra la >rida 8 la 9uerza resultante en la dirección radial ;ace Due el eFe 8 el >loDue del cilindro "iren en la dirección de la Oec;a! Este tipo de motor es mu8 con=eniente para usos a alta presión 8 a alta =elocidad! Es posi>le modicar su capacidad al cam>iar el :n"ulo de inclinación del eFe! ,), Ca&cu&o de actuadores /idr.u&icos 0 Neum.ticos)

Cara calcular la 9uerza Due eFerce el =:sta"o de un cilindro en sus carreras de a=ance o retroceso se de>e partir de la presión de tra>aFo del aire comprimido! &a 9uerza desarrollada depende de la supercie ?til del actuador Due ser: di9erente se"?n se trate de cilindros de simple o de do>le e9ecto! ERI(A MA) T!SCAN! ARIAS)

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 ilindros de simple e9ecto

En este tipo de cilindros la presión del aire se eFerce so>re toda la supercie del @m>olo! Al determinar la 9uerza Due realiza el cilindro ;emos de tener en cuenta Due el aire de>e =encer la 9uerza de empuFe en sentido opuesto Due realiza el muelle! En estos cilindros solamente se eFerce 9uerza en el sentido de a=ance es decir la 9uerza Due realiza el aire comprimido cuando el cilindro re"resa a su posición esta>le lo ;ace por medio de la 9uerza de empuFe del resorte Due eclusi=amente sir=e para recuperar la posición del =:sta"o pero es incapaz de desarrollar nin"?n tipo de tra>aFo mec:nico! A e9ectos de c:lculo se interpreta Due la 9uerza del resorte es del orden del 0/P de la 9uerza neum:tica! Sección del @m>oloB

+olumenB

 ilindros de do>le e9ecto!

Estos cilindros desarrollan tra>aFo neum:tico tanto en la carrera de a=ance como en la de retroceso lo Due sucede es Due la 9uerza es distinta en cada uno de los mo=imientos porDue el aire comprimido en el mo=imiento de a=ance act?a so>re toda la supercie del @m>olo mientras Due en el retroceso solamente lo ;ace so>re la ERI(A MA) T!SCAN! ARIAS)

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supercie ?til Due resulta de restar a la supercie del @m>olo la del =:sta"o! Sección en el a=anceB

Sección retrocesoB

+olumenB

%ondeB

 :lculo de la 9uerza del @m>olo!

&a 9uerza teórica del @m>olo se calcula con la si"uiente 9órmulaB QpRS

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%ondeB SQSupercie ?til! pQCresión del aire! Medida en >ar! Cara los c:lculos neum:ticos se admiten las si"uientes eDui=alenciasB 0>arQ0/3CaQ0AtmQ0pTcm. En la pr:ctica es necesario conocer la 9uerza real Due realiza el @m>olo! Cara calcularla ;a8 Due tener en cuenta los rozamientos Due eisten lo Due pro=oca unas p@rdidas so>re la 9uerza teórica! En condiciones normales de ser=icio Hpresiones de 2 a J >ar se puede considerar Due las 9uerzas de rozamiento suponen entre un 3 a un 03P de la 9uerza teórica calculada!  ilindro de simple e9ectoB

 ilindro de do>le e9ectoB

 :lculo del consumo de aire

Se de>e tener en cuenta el =olumen del cilindro 8 el n?mero de =eces Due se repite el mo=imiento en la unidad de tiempo "eneralmente se mide en ciclos por minuto! En el c:lculo del consumo de aire se tiene en cuenta la presión de tra>aFo por lo Due se o>tiene el consumo de aire comprimido para conocer el consumo de aire atmos9@rico se parte del consumo de aire a la presión de tra>aFo 8 se aplica la le8 de )o8le-Mariotte!

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0J

 &on"itud de carrera

&a lon"itud de carrera en cilindros neum:ticos no de>e superar los ./// mm! Cara @m>olos de "ran tama$o 8 carrera lar"a el sistema neum:tico no resulta económico por el ele=ado consumo de aire Due reDuiere! uando la carrera es mu8 lar"a el es9uerzo mec:nico del =:sta"o 8 de los coFinetes de "uía es demasiado "rande! Cara e=itar el ries"o de pandeo si las carreras son "randes de>en adoptarse =:sta"os de di:metro superior a lo normal desaconseF:ndose su uso! ,)1 Se&ecci2" de actuadores)

&a correcta selección de un actuador para una línea de proceso es 9undamental 8a Due si no se selecciona >ien esto repercutir: en el proceso de producción! &os pasos Due se de>en se"uir ante el proceso de selección sonB a Identicar Du@ se Duiere automatizar por eFemploB 0! +:l=ula de >ola .! +:l=ula de mariposa 5! +:l=ula de compuerta 2! +:l=ula de mac;o > Costeriormente se de>e determinar si se Duiere automatizarB 0! (eum:ticamente .! El@ctricamente 5! idr:ulicamente c %eterminar el toDue de la =:l=ula 8 del actuador para Due la =:l=ula a>ra en los tiempos reDueridos 8 no se seleccione un actuador mu8 "rande o mu8 c;ico! d omar en cuenta los si"uientes par:metros para ase"urarse de la correcta selección de un actuador el@ctricoB 0! +oltaFe .! Manio>ra en operación HtorDue 5! iempo de manio>ra 2! Un"ulo de manio>ra 3! emperatura 1! onectores 7! Ceso

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04

e &a alineación el@ctrica cuentan con un mando manual 8 con una pantalla de &ed Due in9orma el status Due est: teniendo el actuador 8a Due cuentan con accesorios adicionales como tarFeta ser=o! Esta alineación el@ctrica puede serB 0! Alterna .! ontinua 5! Indistinta ,)3 etermi"aci2" de &a pote"cia 0 re"dimie"to e" &os motores 4idr.u&icos 0 "eum.ticos  Selección del motor neum:tico

Cara calcular un motor de aire se precisan dos datos de los tres si"uientesB 0- Cotencia reDuerida .- +elocidad en *CM necesaria para arrastrar la car"a determinada 5- Car de tra>aFo epresado en (eVton metro W(mX &a potencia reDuerida =iene determinada por la 9órmulaB    

 Q

π∙Par [ N ∙ m ] ∙RPM  30

 Q

0.1046 ∙ Par

[ N ∙ m ] ∙ RPM 

1000

aFo!  alculo de la potencia de los motores ;idr:ulicos

&as =aria>les Due permiten calcular cuales ;an de ser las características del motor sonB  CarB Car de rotación "enerado por el motor para con=ertir la

potencia del motor en 9uerza mec:nica por medio de la rotación del eFe!  %esplazamientoB audal del Ouido necesario para alcanzar una

determinada =elocidad de rotación! ERI(A MA) T!SCAN! ARIAS)

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 Cresión de operaciónB Cresión a la Due tra>aFa el motor!  +elocidad de operaciónB +elocidad a la Due "iran los componentes

del motor!   emperatura de operaciónB emperatura a la cual el motor tra>aFa

en 9orma se"ura 8 eciente!  +iscosidad del OuidoB +iscosidad del Ouido de tra>aFo utilizado en

el motor! El =olumen del Ouido Due es >om>eado en cada re=olución =iene calculado por la "eometría de las c:maras Due transportan el aceite! om>a nunca desarrolla el =olumen calculado o teórico del Ouido! %e modo Due se usa un 9actor llamado rendimiento =olum@trico Due es la relación entre el caudal calculado con relación al real! Este rendimiento =aría con la =elocidad la presión 8 la 9orma de construcción de la >om>a! Asimismo el rendimiento mec:nico tampoco es del 0//P de>ido >:sicamente a la ener"ía "astada en los rozamientos! %e modo Due se considera Due el rendimiento "lo>al de una >om>a ;idr:ulica es el producto de su rendimiento =olum@trico 8 el rendimiento mec:nico! ormulasB ¯¿ ∙ Rendimiento global ¿   W X Q Caudal [ gpm ] ∙ ( Alta presión − Baja presión )¿ ¿

¯¿ ∙ Rendimientoglobal ¿   W XQ Q [ l / min ] ∙ ( Alta presión− Baja presión )¿ ¿

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C!NC#USI$N) Aprendimos Due un actuador es un dispositi=o capaz de trans9ormar ener"ía ;idr:ulica neum:tica o el@ctrica en la acti=ación de un proceso con la nalidad de "enerar un proceso! %e i"ual manera conocimos los tipos de actuadores los cuales se clasican en (eum:ticos e idr:ulicos así como su 9uncionamiento 8 la manera en Due se realizan los c:lculos de estos!  am>i@n ;a>lamos so>re la selección de los actuadores en los cuales se de>e se"uir una serie de pasos ante el proceso de selección así como la determinación de la potencia del rendimiento en los motores neum:ticos e ;idr:ulicos!

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*I*#I!GRA5IA) ;ttpBTTeducati=a!catedu!esT227//013TaulaTarc;i=osTrepositorioT273/T2407T;tmlT .YactuadoresYneumticos!;tml ;ttpBTTcursos!aiu!eduTSistemasP./idraulicasP./8P./(eumaticosTC%Tema P./2!pd9  ;ttpBTTVVV!u;u!esTra9ael!sanc;ezTin"enieriamaDuinasTcarpetaapuntes!;tmTra> aFosP./IMP././/4-0/TManuelP./#esusP./Esacalera-AntonioP./*odri"uezActuadoresP./(eumaticos!pd9  ;ttpBTTVVV!Duiminet!comTarticulosTlos-3-pasos-mas-importantes-para-laseleccion-de-un-actuador-2J33.!;tm

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