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IES CÉSAR RODRÍGUEZ
DEPARTAMENTO DE TECNOLOGÍA – NEUMÁTICA E HIDRÁULICA 4º
SANTIAGO CUERVO TAMARGO 1
Introducción.
La neumática y la hidráulica son técnicas empleadas en la industria en
general con el fin de automatizar un proceso o bien para hacer que este sea
más cómodo de realizar. Utilizan el aire en el caso de la neumática y un
aceite comprimido en el caso de la hidráulica, por lo que también se le
conoce como oleo hidráulica.
Los campos de aplicación de ambas técnicas ha ido aumentando y
diversificándose, gracias también a la mayor precisión que estas han ido
consiguiendo. Encontramos estas técnicas aplicadas en campos como la
aeronáutica, la automoción, maquinaría para la industria plástica, para la
elaboración de alimentos, la robótica, la minería, la siderurgia, las máquinas
herramientas, la industria naval, ascensores y maquinaria de elevación……
Ventajas de la neumática.
El aire es de fácil captación y gratis, el
aire no posee propiedades explosivas.
Se puede trabajar a velocidades
realmente altas y fácilmente regulables.
Cambios de sentido instantáneos.
Los cambios de temperatura no afectan
de forma significativa.
Las sobrecargas no constituyen
situaciones peligrosas.
Desventajas de la neumática
En circuitos muy extensos se producen
pérdidas.
Las presiones a las que se trabaja no
permiten desarrollar grandes fuerzas.
Provocan altos niveles de ruido debido a
los escapes a la atmósfera del aire
comprimido.
Ventajas de la oleo hidráulica
Permite trabajar con elevados niveles de
carga.
El aceite empleado es fácilmente
recuperable.
Permite una protección simple contra
sobrecargas.
Velocidad fácilmente controlable
Desventajas de la oleo hidráulica
Personal especializado para el
mantenimiento.
El fluido es más caro
El fluido es muy sensible a la
contaminación.
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Conceptos previos.
Presión.
La presión es una magnitud física que mide la fuerza por unidad de superficie.
En el Sistema Internacional de Unidades (SI) la presión se mide en una unidad que se denomina pascal (Pa) que es equivalente a una fuerza de un
newton actuando en un metro cuadrado.
En determinadas aplicaciones la presión se mide no como la presión
absoluta sino como la presión por encima de la presión atmosférica,
denominándose presión relativa, presión normal, o presión
manométrica. Consecuentemente, la presión absoluta es la presión
atmosférica más la presión manométrica (presión que se mide con el
manómetro).Esta es la presión con que nos encontraremos.
En la práctica en las aplicaciones neumáticas se cumple que:
Caudal
Caudal es la cantidad de fluido que pasa por una sección en un tiempo
determinado.
El caudal se mide en m3/h; l/min; l/s.
Principio de Pascal
En física, el principio de Pascal o ley de
Pascal, es una ley enunciada por el
francés Blaise Pascal (1623-1662) que se
resume en la frase: «el incremento de
presión aplicado a un fluido incompresible
(líquido), contenido en un recipiente indeformable, se transmite con el
mismo valor a cada una de las partes del mismo».
El principio de Pascal puede comprobarse utilizando
una esfera hueca, perforada en diferentes lugares y
provista de un émbolo. Al llenar la esfera con agua y
ejercer presión sobre ella mediante el émbolo, se
observa que el agua sale por todos los agujeros con
la misma presión.
P = F/S
1 Bar = 1 atm = 100 kPa
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También podemos ver aplicaciones del principio de Pascal en las prensas
hidráulicas.
Ley de Boyle-Mariotte
La Ley de Boyle-Mariotte (o Ley de Boyle), formulada por Robert Boyle y
Edme Mariotte, es una de las leyes de los gases ideales que relaciona el
volumen y la presión de una cierta cantidad de gas mantenida a
temperatura constante. La ley dice que el volumen es inversamente
proporcional a la presión:
donde K es constante si la temperatura y la masa del gas permanecen
constantes.
Cuando aumenta la presión, el volumen disminuye, mientras que si la
presión disminuye el volumen aumenta, manteniendo constante la cantidad
de gas y la temperatura, deberá cumplirse la relación:
P V = K
P1 V1 =P2 V2
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El circuito neumático
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Producción del aire comprimido
Compresores
Un compresor es una máquina mediante la cual se obtiene y se
almacena aire comprimido.
Existen dos procedimientos fundamentales de compresión:
Compresión volumétrica: se obtiene por la admisión del aire en
un recinto cerrado donde se le reduce de volumen. Este puede ser el
sistema de compresión por pistón o por paletas giratorias, en este último
caso tenemos una rueda excéntrica que gira en el interior de una carcasa
pero con su centro desviado con respecto al de la carcasa, es decir,
excéntrica con ella. Lleva en su perímetro unas paletas que al girar tienden
a proyectarse contra el interior de la carcasa. Entre paleta y paleta al girar
se reduce el volumen de aire desde el orificio de entrada hasta el de salida.
Turbo compresión: el aire es aspirado y se le aumenta la velocidad de
circulación a través de varias cámaras, impulsado por paletas giratorias.
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Acumulador
Es un depósito de reserva de aire comprimido cuya misión es mantener el
consumo de la red y evitar pérdidas bruscas en la misma. Dispone de un
orificio de purga para eliminar parte del agua que se
condensa en el interior del mismo. Además el aire dentro
del acumulador se enfría y se normaliza, y es que tras el
proceso de compresión el aire puede conservar un efecto de pulsación.
Filtros
Antes de verter el aire a la red para su distribución por la instalación es
necesario filtrarla de nuevo. El polvo, restos de aceite y la humedad que
pueda contener son fuente de importantes averías, por lo que
es importante que el aire esté libre de impurezas. Para ello se
utilizan diversos filtros que por medio de medios físicos y
químicos dejan el aire comprimido preparado.
Red de distribución
La red distribuidora propiamente dicha está compuesta por diversas
tuberías de diámetro adecuado que conducen el aire comprimido, con las
menores pérdidas posibles, hasta los puntos de consumo. El material de los
tubos suele ser el cobre, latón, acero y plástico.
Los tubos deben ser de fácil instalación y resistentes a la corrosión. Las
tuberías permanentes suelen ser de uniones soldadas aunque, a veces, este
sistema presenta problemas de mantenimiento.
Las mangueras de goma y plástico flexibles se reservan para las
derivaciones finales, especialmente éstas últimas, ya que su resistencia
mecánica es superior. En este sentido, las tuberías de polietileno y
poliamida se utilizan cada vez más, tanto por su economía como por su fácil
montaje.
La red debe tener una pendiente del 2 al 3
% para conseguir la acumulación del agua
condensada en un punto y lograr su
evacuación por un orificio de purga.
Para ello se instalan pequeños depósitos
auxiliares en los bajantes provistos de grifo.
Las conexiones de los bajantes se harán por
la parte superior de la conducción principal, para impedir, en lo posible, el
paso de agua condensada.
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Preparación del aire
Antes de la conexión a la máquina se somete al aire comprimido una
preparación previa, hasta este momento hemos intentado dejar el aire
limpio y con unas determinadas condiciones de presión.
Ahora de nuevo se pasa por un filtro, un engrasador, ya que utilizamos el
aire como vehículo que transporte el necesario aceite para
engrasar las diferentes piezas de la instalación. Y por
último un regulador de presión que proporciona las
condiciones de presión adecuadas. Este conjunto de
elementos se denomina unidad de acondicionamiento.
Elementos de trabajo
La energía del aire comprimido que se transmite a través de la red se utiliza
para obtener un movimiento rectilíneo (normalmente de vaivén) por medio de cilindros neumáticos o bien por medio de motores en un movimiento
giratorio.
Cilindros neumáticos
Los cilindros neumáticos consisten en un émbolo o pistón operando dentro de un cilindro. Es el dispositivo más
utilizado para convertir la energía neumática en mecánica.
Pueden ser de simple o de doble efecto y el de simple efecto el
más común es el de retorno por muelle.
Cilindros de simple efecto Esto significa lo siguiente, cuando
decimos de simple efecto quiere decir que introducimos y expulsamos el aire en el interior del cilindro por el mismo sitio, hay un solo camino para ello. Si decimos que tiene retorno por
muelle significa que en el camino (carrera) de retroceso es ayudado por la fuerza de un muelle.
Por lo tanto en estos cilindros introducimos aire comprimido por la parte posterior del cilindro y empujamos de esta manera el pistón (vástago). Estos cilindros por lo tanto solo pueden realizar
trabajo en un sentido.
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Cálculo de la fuerza de empuje La fuerza o empuje que realiza un cilindro es igual a la presión manométrica multiplicada por la superficie total del pistón.
Es importante tener en cuenta en los cilindros de doble efecto que no es lo mismo la fuerza en la
carrera de avance que en la carrera de retroceso, puesto que la fuerza depende de la superficie del pistón, en la carrera de retroceso esta superficie es
menor ya que debemos de descontar la superficie del vástago.
En la práctica se debe de tener en cuenta el roce al
que se ve sometido el propio vástago dentro del
cilindro que puede suponer hasta un 10%
Cilindros de doble efecto
En estos cilindros al recibir el aire por la parte posterior se
evacua el aire de la parte delantera y sale el vástago. Cuando
el aire se introduce por la parte delantera, el vástago
retrocede. Estos cilindros sí pueden trabajar en los dos
sentidos.
Existen variaciones con respecto al cilindro inicial
utilizados para determinadas aplicaciones como el
cilindro de doble vástago, o el cilindro con amortiguación.
Motores neumáticos
Transforman la energía neumática en un movimiento giratorio. Los motores
pueden ser de émbolos, de aletas, de engranajes, turbinas. Aunque no sea
lo más común por que ya existen los motores eléctricos, en ciertas
industrias pueden llegar a ser necesarios como en la industria
alimentaria y farmacéutica, en este tipo de industria la higiene
es una cuestión vital y en determinados procesos productivos
de estas industrias el motor eléctrico ensucia.
F = P A
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Motores de engranajes
Los motores de engranajes es un duplicado de una bomba
de engranajes. En donde el aire comprimido circula desde
uno de los laterales hacia el otro, provocando el movimiento
de giro de los engranajes.
Motores de paletas
Este motor de láminas está compuesto esencialmente de
un rotor, cilindro y dos tapas con cojinetes. En el rotor existen ranuras, en
las cuales se deslizan las láminas. El rotor está
apoyado excéntricamente con respecto al eje del
cilindro. Las láminas se empujan por la fuerza
centrífuga contra la pared interior del cilindro,
formando cámaras de diferentes tamaños. Al
introducir aire comprimido en la cámara menor,
se produce por la fuerza superficial y el radio, el
momento de giro. Por el movimiento giratorio, la
cámara se va ampliando, el aire se expande y
sale.
Motores de émbolos.
Por medio de cilindros de movimiento alternativo el
aire comprimido acciona el movimiento de un
cigüeñal. Se necesitan entonces varios cilindros al
objeto de que no se produzcan sacudidas.
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Entrada y procesamiento de señales
La gran evolución de la neumática y de la hidráulica ha hecho que hoy en
día existan una gran cantidad elementos que nos permitan gobernar el
circuito. Además dentro de estos sistemas pueden coexistir diferentes
técnicas como la eléctrica o la electrónica.
Dentro de este grupo veremos algunos de los más importantes.
Válvulas distribuidoras
Son utilizadas para la puesta en marcha, paro, retroceso, avance rápido….,
se encargan de distribuir el aire comprimido, realizan por lo tanto funciones
de mando dentro del circuito.
Existen diferentes formas de construir las válvulas distribuidoras siendo una
de las más comunes las de corredera. En el siguiente esquema podemos ver
como puede ser una sección de una de estas válvulas.
Pero para poder estudiarlas adecuadamente vamos a verlas desde un punto
de vista tecnológico y funcional.
Pasaje A Pasaje B
Cuerpo de la
Válvula
Pasaje hacia la
bomba
Pasaje hacia el
tanque
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Representación de las válvulas distribuidoras.
Necesitamos emplear una representación simbólica en donde las posiciones
que adopta la válvula (abierta, cerrada, en reposo) se representan por
cuadrados, tantos como posiciones existan dibujados unos a continuación
de otros.
La posición de paso abierto para una válvula se representa por medio de una flecha de un extremo a otro del cuadrado.
La posición de bloqueo de flujo se muestra por una T, esto simboliza la interrupción de flujo.
Las conexiones o vías se agregan con pequeñas líneas en la parte superior
e inferior de la válvula.
La salida de aire del circuito se representa por un triangulo equilátero.
Veamos algunos de los símbolos más comunes.
Válvula 2 vías 2 posiciones (2/2) normalmente cerrada
Válvula 2 vías 2 posiciones (2/2) normalmente abierta
Válvula 3 vías 2 posiciones (3/2) normalmente cerrada
Válvula 3 vías 2 posiciones (3/2) normalmente abierta
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Válvula 3 vías 3 posiciones (3/3) con centro bloqueado
Válvula 4 vías 2 posiciones (4/2)
Válvula 4 vías 3 posiciones (3/3) con centro bloqueado
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Vamos a repasar nuevamente la designación de estas válvulas
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Válvula anti retorno.
Esta válvula tiene por misión dejar pasar el aire en un sentido
pero impedirlo en el contrario.
Válvulas reguladoras de caudal
Estas válvulas como su nombre indica están pensadas para reducir el caudal
y por tanto la velocidad de una parte del circuito o más
concretamente de un actuador (cilindro o motor). Pueden
estrangular el paso del aire en un sentido o en los dos. Suelen
venir acompañadas por una válvula anti retorno.
Válvula selectora
Estas válvulas permiten desde dos entradas la salida del aire hacia un
orificio común. El aire puede circular desde una de las
entradas hacia la salida pero no desde las dos entradas al
unísono. También se le llama función O o también modulo O.
Válvula de simultaneidad
En este caso es necesario que se produzca la entrada del aire
por las dos entradas al mismo tiempo para que se produzca la
salida del aire. Es muy utilizada como válvula de seguridad. También se le
conoce como módulo Y.
Válvula de escape rápido.
Tal como su nombre indica su misión es provocar la salida del
aire rápidamente y de esta forma conseguir un aumento de
velocidad de actuación.
Válvula reguladora de presión
Si bien tenemos distintas posibilidades con este tipo de
válvulas, uno de sus empleos más típicos consiste en hacer
que la presión en el circuito no sea superior a la que previamente se ha
fijado manualmente. Cuando la presión es superior a la presión máxima, la
válvula permite la salida del aire a la atmósfera, esto provoca la reducción
de la presión con lo cual se vuelve a cerrar la salida del aire a la atmósfera.
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Instalaciones Neumáticas
Veremos a continuación y con un grado de dificultad creciente algunos
circuitos.
Mando directo de un cilindro de simple efecto mediante
pulsador
Este es el circuito más sencillo,
se ha representado en dos imágenes, en donde como vemos en la primera
el cilindro está en reposo, el vástago se encuentra retraído, y en la segunda
imagen el vástago se ha desplazado al accionar la válvula 3/2.
Mando indirecto de un cilindro de simple efecto.
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Regulación de la velocidad de un cilindro de simple efecto
En este circuito al accionar el pulsador la válvula reguladora de caudal
restringe el caudal de aire que pasa a la entrada del cilindro de forma que
regulamos el avance del cilindro. En el escape el aire sale a través del
escape rápido con lo que conseguimos un aumento de velocidad en el
retroceso.
Mando de un cilindro de simple efecto desde dos puntos
distintos
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Mando condicional de un cilindro de simple efecto.
Este es un montaje que en ocasiones se utiliza como mando de seguridad,
puesto que es necesario accionar las válvulas 1.1 y la 1.2, al unísono para
que pueda llegar presión al cilindro, y el pistón pueda iniciar la carrera de
avance.
Accionamiento de un cilindro de doble efecto
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Vemos en este circuito implicada por primera vez una válvula con 4 vías y 2
posiciones (4/2), esta es una de las válvulas típicas que se utilizan en el
mando de un cilindro de doble efecto. En el montaje que estamos viendo
disponemos de dos válvulas para regular la velocidad del pistón, tanto en el
avance como en el retroceso. Fíjate en la disposición del anti retorno. En la
figura de abajo tenemos un montaje similar, pero la válvula 4/2 aparece
“pilotada”, por dos válvulas 3/2, que envían una línea de presión de aire
para hacerla cambiar de posición.
En el esquema que ves debajo se han recogido algunas de las válvulas que
en circuitos anteriores ya habías visto para desarrollarlo.
Se disponen dos pulsadores en válvulas 3/2 para iniciar la carrera de
avance que accionan, pilotándola, la válvula de simultaneidad o módulo Y,
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ésta a su vez pilota a la válvula 4/2 que gobierna el cilindro. Una vez que el
pistón ha realizado su recorrido, alcanza el final de carrera que enviará una
señal hacia la válvula 1.1 para que gobierne el cilindro de nuevo en su
carrera de retroceso.
Mando automático de un cilindro de doble efecto
El circuito una vez puesto en marcha continuaría de forma automática
realizando carreras de avance y retroceso, mientras que no se desenclavase
la válvula 3/2 de inicio.
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Mando de un cilindro de doble efecto con control de tiempo en
el retroceso.
Este circuito encierra alguna dificultad nueva además de la que su nombre
indica. Se trata de un cilindro de doble efecto que inicia su carrera de
retroceso al finalizar la carrera de avance y tras haber pasado un cierto
tiempo que podemos graduar. Para conseguir esto necesitamos que la
orden que tenga que llegar a la válvula 4/2 que gobierna el cilindro se
produzca con el retraso que queramos para ello hacemos circular el aire a
través de un temporizador que consiste en una reguladora de caudal, un
depósito y una válvula 3/2. Con este grupo retardamos la señal al hacer
que el depósito tarde más o menos en llenarse y que por tanto la válvula
3/2 tarde más en pilotarse.
Fíjate además que para que la carrera de avance se produzca tiene que
estar el pistón completamente retraído por que si no el final de carrera FC2
no quedará activado y no podrá ser pilotada la válvula 4/2.
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Mando de dos cilindros de doble efecto de manera coordinada.
En este caso disponemos de 4 finales de carrera que servirán para mandar
las señales que pilotaran las válvulas que gobiernan los cilindros de doble
efecto. El 2.2 enviará la señal al cilindro 2.0 para que inicie su carrera y el
1.3 al cilindro 1.0 para que retroceda.
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