| Unidad didáctica: "Neumática e hidráulica" |
| 1.- Introducción | |
Los sistemas neumáticos e hidráulicos se encuentran difundidos por todos los ámbitos, riego de campos, instalaciones de agua potable y de desechos, en los vehículos autopropulsados utilizados en el transporte, aire acondicionado, etc. Sin embargo es en la industria donde nos interesa conocer cual ha sido su implantación.
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| 2.- Historia. |
El fluido que utiliza la neumática es el aire comprimido, y es una de las formas de energía más antiguas utilizadas por el hombre.
Su utilización se remonta al Neolítico, cuando aparecieron los primeros fuelles de mano, para avivar el fuego de fundiciones o para airear minas de extracción de minerales.
Catapulta de aire comprimido
Hasta el siglo XVII, la utilización del aire a presión como energía, se realiza en algunas máquinas y mecanismos, como la catapulta de aire comprimido del griego KTESIBIOS, o la descripción en el siglo I de diversos mecanismos que son accionados por aire caliente.
A partir del siglo XVII, se comienza el estudio sistemático de los gases, y con ello, comienza el desarrollo tecnológico de las diferentes aplicaciones del aire comprimido.
Primera máquina neumática de Robert Boyle
En el siglo XVIII se construye el primer compresor alternativo, en el XIX, se utiliza como fuente energética para perforadoras de percusión, sistemas de correos, frenos de trenes, ascensores, etc.
A finales del siglo XIX, se deja de desarrollar debido a la competencia de otros tipos de energía (máquinas de vapor, motores y electricidad).
A finales de la Segunda Guerra Mundial, reaparece de nuevo la utilización a gran escala del aire comprimido como fuente de energía, debido, sobre todo, a las nuevas exigencias de automatización y racionalización del trabajo en las industrias.
Estando hoy en día ampliamente implantado en todo tipo de industrias.
Por otra parte el fluido que se utiliza en la hidráulica es el agua.
La utilización del agua data de muy antiguo. Se conocen obras riego que ya existían en la antigua Mesopotámica. En Nipur (Babilonia) existían colectores de agua negras, desde 3751 AC.
Rueda hidráulica
En Egipto también se realizaron grandes obras de riego, 25 siglos AC.
El primer sistema de abastecimiento de agua estaba en Asiría año 691 AC.
El tratado sobre el cuerpo flotante de Arquímedes y algunos principios de Hidrostática datan de 250 AC.
La bomba de Pitón fue concebida 200 AC.
Los grandes acueductos romanos empiezan a construirse por todo el imperio a partir del 312 AC.
En el siglo XVI, la atención de los filósofos se centra en los proyectos de fuentes de agua monumentales. Contribuyen en este sentido Leonardo Da vinci, Galileo, Torricelles, y Bernoulli.
Hidráulica ilustrada
A Euler se deben las primeras ecuaciones para el movimiento de fluidos.
En el siglo XIX, con el desarrollo de tubos de hierro fundido, capaces de resistir presiones internas elevadas, la hidráulica tuvo un desarrollo rápido y acentuado.
Sin embargo hoy en día se utiliza el aceite en buena parte de aplicaciones industriales, ya que produce menor corrosión sobre los conductos y además se puede utilizar como refrigerante. Las aplicaciones son muy variadas.
En el transporte: excavadoras, tractores, grúas, en frenos, suspensiones, etc.
En la industria, para controlar, impulsar, posicionar, y mecanizar elementos propios de la línea de producción.
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| 3.- Propiedades de los fluidos, principios básicos. |
Algunas magnitudes que definen a los fluidos son la presión, el caudal y la potencia.
Presión: se define como la relación entre la fuerza ejercida sobre la superficie de un cuerpo.
Presión = Fuerza / Superficie
Las unidades que se utilizan para la presión son:
1 atmósfera ≈ 1 bar = 1 kg/cm2 = 105 pascal
Caudal: es la cantidad de fluido que atraviesa la unidad de superficie en la unidad de tiempo.
Caudal = Volumen / tiempo
Potencia: es la presión que ejercemos multiplicada por el caudal.
W(potencia) = Presión * Caudal
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| 3.1.- El aire comprimido. |
El aire comprimido que se emplea en la industria procede del exterior. Se comprime hasta alcanzar una presión de unos 6 bares de presión, con respecto a la atmosférica (presión relativa).
Presión absoluta = P. atmosférica + P. relativa
Presión absoluta, relativa y atmosférica
Los manómetros indican el valor de presión relativa que estamos utilizando.
Para su estudio se considera como un gas perfecto.
Las ventajas que podemos destacar del aire comprimido son:
- Es abundante (disponible de manera ilimitada).- Transportable (fácilmente transportable, además los conductos de retorno son innecesarios). - Se puede almacenar (permite el almacenamiento en depósitos). - Resistente a las variaciones de temperatura. - Es seguro, antideflagrante (no existe peligro de explosión ni incendio). - Limpio (lo que es importante para industrias como las químicas, alimentarias, textiles, etc.). - Los elementos que constituyen un sistema neumático, son simples y de fácil comprensión). - La velocidad de trabajo es alta. - Tanto la velocidad como las fuerzas son regulables de una manera continua. - Aguanta bien las sobrecargas (no existen riesgos de sobrecarga, ya que cuando ésta existe, el elemento de trabajo simplemente para sin daño alguno).
Las mayores desventajas que posee frente a otros tipos de fuente de energía, son:
- Necesita de preparación antes de su utilización (eliminación de impurezas y humedad).- Debido a la compresibilidad del aire, no permite velocidades de los elementos de trabajo regulares y constantes. - Los esfuerzos de trabajo son limitados (de 20 a 30000 N). - Es ruidoso, debido a los escapes de aire después de su utilización. - Es costoso. Es una energía cara, que en cierto punto es compensada por el buen rendimiento y la facilidad de implantación.
La composición aproximada en volumen es:
N2=> 78,084%; O2=> 20,9476%; CO2 => 0,0314%; Ne => 0,00181%; He => 0,000524%; CH4 => 0,0002%; SH4 => de 0 a 0,0001%; H2 => 0,00005% y una serie de componentes minoritarios (Kr, Xe, O3) => 0,0002%.
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| 3.1.1.- Fundamentos físicos. | |
Las relaciones matemáticas utilizadas para presiones del aire inferior a los 12 bares, son las correspondientes a las de los gases perfectos.
La ley de los gases perfectos relaciona tres magnitudes, presión (P), volumen (V) y temperatura (T), mediante la siguiente fórmula:
P * V =m * R * T
Donde :P = presión (N/m2). V = volumen especifico (m3/kg) . m = masa (kg). R = constante del aire (R = 286,9 J/kg*ºk). T = temperatura (ºk)
Las tres magnitudes pueden variar.
- Si mantenemos constante la temperatura tenemos:
P * V = cte.
Luego en dos estados distintos tendremos:
P1 * V1 = P2 * V2
P1 / P2 = V2 /V1
De manera que cuando modificamos la presión de un recipiente que contiene aire comprimido, se ve modificado el volumen y a la inversa si modificamos su volumen se ve modificada la presión a la que se encuentra, a esta ley se la conoce como ley de Boyle-Mariotte.
Ley de Boyle-Mariotte
- Si ahora mantenemos la presión constante tenemos.
V/T = cte.
Luego en dos estados distintos tendremos:
V1/T1 = V2/T2
Ahora cuando modificamos el volumen se ve modificada la temperatura y a la inversa una variación de la temperatura hace que varíe el volumen, a esta ley se la conoce como ley de Gay-Lussac.
- Si ahora mantenemos el volumen constante tenemos.
P/T = cte.
Luego en dos estados distintos tendremos:
P1/T1 = P2/T2
En este caso cuando modificamos la presión se ve modificada la temperatura y a la inversa una variación de la temperatura hace que varíe la presión, y esta es la ley de Charles.
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| 3.2.- Fluidos hidráulicos. | |
Cuando el fluido que utilizamos no es el aire, si no un líquido que no se puede comprimir, agua, aceite, u otro. Los fundamentos físicos de los gases se cumplen considerando el volumen constante.
Una consecuencia directa de estos fundamentos es el Principio de Pascal, que dice así: Cuando se aplica presión a un fluido encerrado en un recipiente, esta presión se transmite instantáneamente y por igual en todas direcciones del fluido.
Principio de Pascal
Como aplicación podemos ver como dos pistones unidos mediante un fluido encerrado, si le aplicamos una fuerza (F1) a uno de ellos, se transmite la presión hasta el otro, y produce una fuerza (F2) en el segundo. Las ecuaciones que rigen este principio son:
P = F1/S1 y P = F2/S2
Donde: P = presión, F = fuerza, S = superficie.
Por lo que podemos poner
F1/S1 = F2/S2
otra forma de expresarlo es:
F1*S2 = F2 * S1
Nos dice que en un pistón de superficie pequeña cuando aplicamos fuerza, esta se transmite al pistón de superficie grande amplificada o a la inversa.
El fluido que normalmente se utiliza es aceite y los sistemas se llaman oleohidráulicos.
Las ventajas de la oleohidráulica son:
- Permite trabajar con elevados niveles de fuerza o momentos de giro.- El aceite empleado en el sistema es fácilmente recuperable. - La velocidad de actuación es fácilmente controlable. - Las instalaciones son compactas. - Protección simple contra sobrecargas. - Pueden realizarse cambios rápidos de sentido.
Desventajas de la oleohidráulica
- El fluido es más caro.- Se producen perdidas de carga. - Es necesario personal especializado para la manutención. - El fluido es muy sensible a la contaminación. | |
| 4.- Símbolos básicos. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
La norma UNE-101 149 86, se encarga de representar los símbolos que se deben utilizar en los esquemas neumáticos e hidráulicos.
La norma establece las reglas de representación de las válvulas así como su designación.
Los símbolos más utilizados son los siguientes:
Un ejemplo de circuito completo con los símbolos normalizados es el siguiente.
Circuito neumático
Contiene una toma de presión, unidad de mantenimiento, escape con rosca, válvula 3/2 activa de forma manual con bloqueo y retorno por muelle, cilindro de simple efecto con retorno por muelle y todos ellos unidos por tuberías.
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| 5.- Elementos básicos de un circuito neumático. |
Los circuitos oleohidráulicos necesitan de un tanque donde retornar el fluido. Con el objeto de simplificar el estudio nos ceñiremos a los elementos neumáticos.
Los elementos básicos de un circuito neumático son:
· El generador de aire comprimido, es el dispositivo que comprime el aire de la atmósfera hasta que alcanza la presión de funcionamiento de la instalación. Generalmente se asocia con un tanque donde se almacena el aire para su posterior utilización.
· Las tuberías y los conductos, a través de los que se canaliza el aire para que llegue a todos los elementos.
· Los actuadores, como cilindros y motores, que son los encargados de transformar la presión del aire en trabajo útil.
· Los elementos de mando y control, como las válvulas distribuidoras, se encargan de permitir o no el paso del aire según las condiciones preestablecidas.
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| 5.1.- Producción y distribución del aire comprimido. |
Para la producción se utilizan los compresores. Estos se pueden clasificar en dos tipos, de émbolo o rotativos.
· Compresores de émbolo, son los más utilizados debido a su flexibilidad de funcionamiento.
Compresor de émbolo
El funcionamiento de este tipo de compresores es muy parecido al del motor de un automóvil. Un eje, mediante una biela y una manivela produce el movimiento alternativo de un pistón. Al bajar el pistón se introduce el aire. Cuando ha bajado totalmente se cierra la válvula de admisión y comienza a subir el pistón y con ello la compresión del aire. Cuando este aire se ha comprimido hasta el máximo, la válvula de escape se abre y sale el aire a presión.
Generalmente con una sola etapa se obtiene poca presión por lo que suelen concatenarse varias etapas para obtener mayores presiones.
· Compresores rotativos, consiguen aumentar la presión mediante el giro de un rotor. El aire se aspira y se comprime en la cámara de compresión gracias a la disminución del volumen que ocupa el aire. Los hay de paletas, de tornillo y el turbocompresor.
Compresor de paletas:
Son muy silenciosos y proporcionan un nivel de caudal prácticamente constante.
Compresor de paletas
La compresión se efectúa como consecuencia de la disminución del volumen provocada por el giro de una excéntrica provista de paletas radiales extensibles que ajustan sobre el cuerpo del compresor.
Compresor de husillo o Roots:
Son caros aunque pueden suministrar aire a mayor presión que los anteriores.
Compresor de husillo o Roots
Emplea un doble husillo de forma que toma el aire de la zona de aspiración y lo comprime al reducirse el volumen en la cámara creada entre ellos y el cuerpo del compresor.
Compresor de tornillo:
Son caros, silenciosos y tienen un desgaste muy bajo.
Compresor de tornillo
Se basa en el giro de dos tornillos helicoidales que comprimen el aire que ha entrado en su interior.
Turbocompresor:
Proporciona una presión reducida pero un caudal muy elevado. No suelen utilizarse en aplicaciones neumáticas industriales.
Turbocompresor axial
Las álabes recogen el aire de entrada y lo impulsan hacia la salida aumentando su presión.
Símbolo del compresor
La mayor parte de los compresores suministran un caudal discontinuo de aire, de manera que se debe almacenar en un depósito. El depósito a demás sirve para evitar que los compresores estén en funcionamiento constantemente, incluso cuando no se necesita gran caudal de aire, también ayudan a enfriar el aire. Los depósitos generalmente disponen de manómetro que indica la presión interior, una válvula de seguridad que se dispara en caso de sobrepresiones y una espita para el desagüe de las condensaciones que se producen en el interior del depósito.
Símbolo del depósito
Compresor con su depósito
Para transportar el aire es necesario utilizar conductores. Los conductores utilizados son tuberías metálicas o de polietileno de presión. El diámetro de las tuberías depende de las necesidades de caudal que requiere la instalación, teniendo en cuenta la caída de presión producida por las pérdidas y la longitud de las tuberías.
Tubo de polietileno de presión
Generalmente entre el depósito y el circuito se suele incluir una unidad de mantenimiento que cuenta con un regulador de presión, un filtro y un lubricador de aire.
Símbolo de la unidad de mantenimiento
Foto de la unidad de mantenimiento
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| 5.2.- Elementos de trabajo: actuadores. | |
Los actuadores se pueden clasificar en dos tipos lineales y rotativos.
Entre los actuadores lineales destacan los cilindros.
Los cilindros se emplean cuando se desea un movimiento rectilíneo alternativo. Pueden utilizarse para desplazar objetos, para mover brazos de robots, etc. Los más conocidos son los de simple efecto y los de doble efecto.
Cilindro de simple efecto: se trata de un tubo cilíndrico cerrado dentro del cual hay un émbolo unido a un vástago que se desplaza unido a él. Por un extremo hay un orificio para entrar o salir el aire y en el otro está albergado un muelle que facilita el retorno del vástago.
Este tipo de cilindro trabaja en un solo sentido, cuando el aire entra en él. El retroceso y desalojo del aire se produce por la fuerza del melle que está albergado en el interior del cilindro.
La fuerza de empuje que realiza hacia fuera el vástago corresponde con la fórmula.
Fuerza = Presión del aire * Superficie del émbolo - Fuerza del muelle
Cilindro de simple efecto retorno por muelle
Símbolo del cilindro de simple efecto retorno por muelle
Foto de un cilindro de simple efecto retorno por muelle
Cilindro de doble efecto: se trata de un tubo cilíndrico cerrado con un diseño muy parecido al cilindro de simple efecto, pero sin el muelle de retorno, el retorno se hace por medio de otra entrada de aire.
Este tipo de cilindro trabaja en los dos sentidos, cuando el aire entra en él produce fuerza y desaloja el aire que está en el otro compartimento. El retroceso y desalojo del aire se produce cuando el aire entra por el otro orificio.
Cilindro de doble efecto
Símbolo del cilindro de doble efecto
Foto de un cilindro de doble efecto
La fuerza de empuje que realiza hacia fuera el vástago corresponde con la fórmula.
Fuerza = Presión del aire * Superficie del émbolo
La fuerza de empuje de retroceso que realiza hacia dentro el vástago corresponde con la fórmula.
Fuerza = Presión del aire * (Superficie del émbolo - Superficie del vástago)
De manera que la fuerza que podemos obtener de retorno es menor que la de empuje hacia fuera.
Los actuadores rotativos se utilizan para hacer girar objetos o máquinas herramientas, motor de una taladradora, atornillar y destornillar, etc. También se utilizan los cilindros basculantes para producir movimientos circulares alternativos.
Motor de paletas: genera movimiento rotativo continuo. El aire entra por una parte y hace que giren las paletas, la herramienta se encuentra sujeta sobre el eje de giro. Se trata del motor neumático más utilizado, puede dar una potencia de hasta 20 CV y velocidades desde 3000 a 25000 rpm.
Motor de paletas
Símbolo del motor de un sentido de giro
Motor de paletas de dos sentidos de giro
Símbolo del motor de dos sentidos de giro
Cilindro basculante: genera movimiento alternativo en una dirección u otra. Se trata de un cilindro con dos entradas de aire que hacen mover una paleta que contiene un eje de giro al cual está sujeto el objeto que queremos mover, por ejemplo un limpia parabrisas.
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