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Circuitos neumáticos y oleohidráulicos

Tecnología IndustrialCircuitos: Circuitos neumáticos y oleohidráulicos

1. Características de los fluidos (aire, agua, aceite)

Neumática es una palabra de origen griego pneuma , que significa respiración o soplo. En Tecnología, es la parte de la ciencia que seencarga del estudio del aire, su comprensión y su empleo para transmitir energía. El uso del aire y otros fluidos se remonta miles de añosatras, ya que hacia el año 2000 a. c. hay constancia del uso de fuelles, que utilizaban vejigas de carneros, para avivar el fuego yenriquecer la combustión.

Imagen en Flickr de Jaramberri bajo CC

Desde entonces hasta que el año 1776 en el que John Wilkinson construyó la primera máquina sopladora, su posterior desarrollo hagenerado el despegue de una tecnología profusamente empleada y con enormes expectativas de desarrollo, al fusionarse con otras comola microelectrónica y la informática, dando lugar a la llamada tecnología electroneumática y electrohidráulica.

¿Qué son los fluidos?

Un fluido es cualquier cosa que se derrama si no está en un recipiente.

Aunque el agua, el aire y el aceite sean tan diferentes, las partículas que los constituyen no mantienen la suficienteatracción entre ellas y cuando se les aplica una fuerza se deslizan y fluyen . Por eso se les llama fluidos.

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No obstante, se puede establecer una diferencia clara entre los fluidos:

Algunos fluidos como el agua, el alcohol y el aceite mantienen un volumen constante a pesar de fluir, se adaptan al recipienteque los contiene y los identificamos como líquidos .

Importante

Otros fluidos tienden a expandirse y ocupar el mayor espacio posible, como le ocurre al aire que respiras o al butano de labombona. Se trata de gases .

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Algunas propiedades de los fluidos

Ahora, veremos con más detalle algunas propiedades de los fluidos para que puedas comprender cómo se utilizan para realizar untrabajo . Fíjate en esta tabla, en ella se resume el comportamiento de los dos tipos de fluidos.

PROPIEDADES LÍQUIDOS GASES

¿Cómo es la fuerza deatracción entre partículas?

Es muy débil. Es tan débil que laspartículas tienden asepararse entre sí.

¿Mantienen la forma? No, mantienen el volumenpero cambian de forma paraadaptarse al recipiente.

No, se expanden hastaocupar todo el espaciodisponible.

¿Se comprimen? No, son prácticamenteincompresibles.

Sí, pueden comprimirse deforma significativa.

¿Qué efectos produce elaumento de temperatura?

Provoca una mayoragitación de las partículas,dilatándose

Genera un aumento devolumen o de presión.

Autoevaluación

Elige la opción correcta a las siguientes preguntas:

1. Podemos reconocer que una sustancia es un fluido por...

a. Cuando les aplicamos una fuerza, se comprimen, reduciendo su volumen de forma significativa.

b. Mantienen el mismo volumen aunque les aplicamos una fuerza.

c. No mantienen una forma concreta. Se adaptan al recipiente en el que se alojan o tienden a ocuparlototalmente.

2. La principal diferencia entre los líquidos y los gases es:

a. Cuando aplicamos fuerzas sobre los líquidos se deforman de manera frágil y los gases lo hacen de formaplástica.

b. Mientras que los líquidos tienden a adaptarse al recipiente sin variar su volumen, los gases ocupan todo elespacio disponible.

c. Los gases son como los líquidos pero a una mayor temperatura.

Pregunta de Elección Múltiple

2. Magnitudes, unidades y leyes fundamentales.

El aire tiene una serie de propiedades y características que se deben analizar para su correcta aplicación eninstalaciones neumáticas:

Es capaz de reducir su volumen cuando es sometido a esfuerzos externos de compresión.

Cuando ocupa un recipiente elástico, se reparte uniformemente dentro de él.

Presenta un coeficiente de viscosidad muy reducido por lo que tiene una gran facilidad de fluir por lasconducciones adecuadas.

No obstante, también el uso del aire comprimido presenta una serie de inconvenientes:

El aire comprimido debe ser procesado para poder ser utilizado, por lo que hay que filtrarlo, deshumedecerlo ylubricarlo.

Es imposible conseguir velocidades uniformes y constantes de trabajo.

Los máximos esfuerzos que se pueden desarrollar están limitados por la presión de trabajo y el tamaño de loscomponentes.

A pesar de que el aire sea abundante y gratuito, su tratamiento y compresión tiene un coste económico.

Importante

2.1. Magnitudes y unidades

Caudal , es la cantidad de aire comprimido ( V olumen), que atraviesa una sección de la conducción en la unidad det iempo. O S ección de una conducción por la v elocidad del fluido que lo atraviesa

donde las unidades en el sistema internacional serán:

Q = caudal (m 3 /s) S = sección (m 2 ) t = tiempo (s)

V = volumen (m 3 ) l = longitud (m) v = velocidad (m/s)

Presión , se define como el cociente entre una fuerza aplicad a perpendicularmente a una superficie y el valor de lasuperficie.

La presión se expresa de distinto modo, según el sistema de unidades utilizado:

En el Sistema Internacional la unidad es el Pascal

1 Pascal = 1 N/m 2

En el Sistema Cegesimal la unidad es la baria

1 baria = 1 dina/cm 2

Esta es una unidad muy pequeña por lo que se emplea un múltiplo que resulta ser 1 bar = 10 6 barias.

En el Sistema Técnico la unidad es kp/cm 2 .

En las aplicaciones neumáticas, según sean los autores de los textos, se emplean indistintamente cualquiera de lasunidades, admitiéndose las siguientes equivalencias:

1 bar = 1 atm = 1 kp/cm 2 = 100 kPa = 10 5 Pa

La presión atmosférica, es el valor de la presión en la superficie de la Tierra. Este valor suele tomarse como referencia denominarsepresión relativa . Por ejemplo, si el aire comprimido de una instalación neumática está a 6 bares, esto quiere decir que tiene una

presión superior a la atmosférica en 6 bares.

El instrumento de medida utilizado para observar la presión, se llama manómetro .

Imagen de elaboración propia Imagen en Wikimedia Commons de Romary bajo CC

Importante

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2.2. Leyes fundamentales

Leyes de los gases perfectos

A continuación haremos mención a las leyes que tienen más aplicación para el campo de la neumática. En este estudio consideraremos ael aire, como un gas perfecto. Vamos a ver entonces:

Principio de Pascal

Ley de Boyle-Mariott

Ley de Gay-Lussac

Ley de Charles

Y todas ellas se resumen en la Ecuación general de los gases perfectos .

Principio de Pascal , según el cual la presión ejercida en un punto cualquiera de una masa gaseosa, se transmitepor igual y en todas las direcciones. Es decir, en dos puntos distintos de un circuito neumático se debe cumplir:

En esta ley se basa el principio de las prensas hidráulicas.

Imagen en Wikipedia de Kogo bajo Dominio Público Imagen Elaboración propia

Ley de Boyle-Mariotte , a temperatura constante, el volumen de un gas confinado en el interior de un recipienterígido, es inversamente proporcional a la presión absoluta.

Es decir, para una determinada cantidad de gas, el producto de la presión absoluta y el volumen, es una cantidadconstante.

Ley de Gay-Lussac , si se mantiene la presión constante, el volumen ocupado por una determinada cantidad de gases directamente proporcional a su temperatura absoluta, expresada en grados Kelvin, lo que se representa por laexpresión:

Importante

Importante

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Ley de Charles , a volumen constante, la presión de una determinada cantidad de masa gaseosa es directamenteproporcional a su temperatura absoluta, expresada en grados Kelvin, lo que se representa por la expresión:

Ecuación general de los gases perfectos

Dado una cantidad de gas ( n.R ) en dos situaciones (uno y dos) de presión, volumen y temperaturas diferentes secumple:

Si igualamos el producto de n.R en ambas ecuaciones, obtenermos que las leyes anteriores se pueden resumir en laecuación:

Ejercicio

¿Qué fuerza se debe aplicar sobre un émbolo de 10 cm 2 de superficie, de un circuito hidráulico, con el que se

pretende elevar un automóvil de 1200 kg de masa, que se apoya sobre un émbolo de una superficie de 100 cm 2 ?

Ejercicio

En un taller se dispone de dos cilindros unidos mediante una tubería, las secciones de los pistones son: S1= 10

mm 2 y S2 = 40 mm 2 . Si para levantar un objeto se le tiene que aplicar una fuerza F2 = 40 N sobre el pistón delsegundo cilindro, ¿cuál será la fuerza F1, que se tiene que realizar sobre el primer pistón?

Ejercicio

En una prensa hidráulica, podemos realizar una fuerza máxima de 80 N sobre el primer pistón, las secciones de los

émbolos son de 40 cm 2 y 200 cm 2 . ¿Cuál es la fuerza máxima que podrá desarrollar el segundo pistón?

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3. Elementos de un circuito neumático

Desde un punto de vista amplio del circuito neumático podemos clasificar los elementos que lo componen en:

Grupo de presión (generan la presión que se necesita en el circuito y se ha estudiado en el tema pasado).

Elementos conductores del fluido (redes de tuberías).

Elementos de control (controlan, regulan y distribuyen el fluido neumático).

Elementos actuadores o receptores de la energía neumática.

Podemos representar en forma de diagrama de bloques, nuestro elementos del circuito así:

Imagen de elaboración propia

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3.1. Grupo de presión. Producción y tratamiento

Dentro del grupo de presión nos vamos a encontrar con los siguientes subelementos:

El compresor (producción de aire comprimido).

Unidad de tratamiento del aire comprido:

Filtro.

Regulador de presión.

Lubricador.

El compresor

Los compresores son máquinas rotativas, movidas por motores, generalmente eléctricos, aunque también pueden sertérmicos (de gasolina o diésel), destinadas a captar aire atmosférico y elevar su presión.

Existen dos tipos básicos de compresores:

Volumétricos . En estos, el aire se introduce en una cámara y su volumen se reduce aumentando la presión,es el mismo principio en que se basan los compresores de émbolo.

Dinámicos . En estos, el aire aspirado va aumentando la velocidad de trasiego según avanza a través dedistintas cámaras, transformando su energía cinética en energía de presión.

Los compresores más comúnmente empleados son:

Compresor de émbolo.

Compresor de émbolo de dos etapas.

Compresor radial de paletas.

Vamos a realizar una breve descripción de cada uno de ellos.

Compresor de émbolo

Aspira el aire a la presión atmosférica y lo comprime mediante un sistema pistón-émbolo, con válvulas de admisión y escape.

Durante el tiempo de admisión, la biela-manivela gira arrastrando el émbolo hacia abajo y la válvula de admisión deja entrar aire exterior.En el tiempo de escape la válvula de admisión se cierra, y al ascender el émbolo comprime el aire. En este momento se abre la válvula deescape y se provoca la circulación del aire comprimido.

Imagen en Flickr de vjbp56 bajo CC

Compresor de émbolo de dos etapas

Si con una sola etapa de compresión no se alcanza la presión necesaria se recurre a una segunda etapa. El aumento de presión provocauna elevación de la temperatura, por lo que debe intercalarse entre las dos etapas de compresión un cambiador de calor que reduzca latemperatura del aire para que esta no sea peligrosa para los equipos.

Importante


Compresor radial de paletas

Un rotor excéntrico, provisto de paletas gira en un hueco cilíndrico, la fuerza centrífuga comprime las paletas contra la pared.

La aspiración se realiza cuando el volumen de la cámara es grande y provoca la compresión al disminuir el volumen progresivamentehacia la salida.

Se obtienen presiones de hasta 1000 kPa (10 bar), con caudales de hasta 15 m 3 /minuto .


Las instalaciones de aire comprimido aspiran suciedad, aceite, agua,… Un mal acondicionamiento del aire provoca en las instalacionesfallos del tipo: Válvulas agarrotadas por el aceite depositado. Silenciadores taponados. Exceso de agua condensada en el filtro de aire.Desgaste rápido de juntas. Envejecimiento prematuro de los equipos.

Unidad de tratamiento del aire comprimido

Las instalaciones de aire comprimido aspiran suciedad, aceite, agua,... Un mal acondicionamiento del aire provoca enlas instalaciones fallos del tipo: válvulas agarrotadas por el aceite depositado, silenciadores taponados, exceso de aguacondensada en el filtro de aire, desgaste rápido de juntas y envejecimiento prematuro de los equipos.

Para que el aire comprimido llegue en condiciones óptimas de limpieza, presión y lubricación al circuito. Este se hacepasar por una serie de elementos que constituyen el equipo de acondicionamiento del aire, formado por:

Filtro

Regulador de presión

Lubricador

El símbolo que representa la unidad de acondicionamiento o mantenimiento de aire es cualquiera de los mostrados a continuación. En elprimero se observan claramente cada uno de los elementos del equipo, aunque por simplicidad se suele emplear el segundo símbolo.

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Imagen de elaboración propia Imagen de elaboración propia

Filtro

Impide que el polvo y las partículas más pesadas, provenientes de restos sólidos arrancados de las conducciones, circulen por lainstalación. También condensa el vapor de agua existente en el aire, q ue es recogido en la parte inferior y debe ser evacuado a través deltornillo de purga, cuando se haya alcanzado la cota del nivel adecuado.

Las partículas más finas son retenidas por el cartucho filtrante, por el cual debe circular el aire comprimido en su fluir hacia la utilización.El cartucho de filtro se debe limpiar o sustituir con la frecuencia necesaria.


Regulador de presión

Ajusta la presión en el circuito a un valor deseado. Cuando el aire comprimido supera la presión establecida se produce un escape de airea la atmósfera para limitarla.


Lubricador

El aire es dotado de una fina neblina de aceite, de este modo las piezas móviles de los elementos neumáticos se proveen de lubricante,disminuyéndose el rozamiento y el desgaste.

3.2. Distribución, regulación y control

El caudal y presión del aire comprimido que circula por nuestro circuito neumático debe ser controlado para el funcionamiento correcto delsistema. Vamos a poder poner en marcha o parar el sistema, variar el sentido del flujo, la presión o el caudal del fluido procedente delgrupo compresor.

Según su función las válvulas se clasifican en las siguientes categorías:

Válvulas distribuidoras.

Válvulas de regulación.

Válvulas de control.

Válvulas distribuidoras

Estas válvulas son los componentes que determinan el camino que seguirá el aire en un circuito neumático. Trabajanen dos o más posiciones fijas determinadas.

Para representar las válvulas distribuidoras en los esquemas neumáticos se emplean símbolos, que solamente indicanla función que cumplen las válvulas, sin informar acerca de sus aspectos constructivos.

En ellas se distinguen:

Las vías , que son el número total de orificios de entrada y salida del aire a través de la válvula.

Las posiciones , son las que puede adoptar la válvula distribuidora para dirigir el flujo por una u otra vía,según necesidades de trabajo.

Los accionamientos , son los métodos por los que provocamos que la válvula esté en una u otra posición.

Las posiciones de las válvulas distribuidoras se representan por medio de cuadrados . Definen el estado o estados de reposoy de trabajo. El número de cuadrados adyacentes indica la cantidad de posiciones de la válvula distribuidora.

Las vías (entradas y salidas) se representan por medio de trazos unidos al cuadro que representa la posición de reposo oinicial.

Imagen en Flickr de IedaTecnología bajo CC


Para identificar a una válvula se emplea el método de indicar: n.º vías/n.º posiciones. En el caso de la figura sería: 3/2


El funcionamiento se representa esquemáticamente en el interior de los cuadros. Los conductos que unen las distintas vías se representanmediante líneas rectas. Las flechas indican el sentido de circulación del fluido.

Importante


Los conductos obturados se representan mediante líneas transversales y la unión de conductos se representa mediante un puntorellenado.


La otra posición se obtiene desplazando lateralmente los cuadrados, hasta que las conexiones coincidan.


La posición de reposo es aquella que corresponde a cuando la válvula no está excitada, por ejemplo la determinada por un muelle.

La posición inicial es la que tienen las piezas móviles de la válvula después del montaje de esta. Es la posición a partir de la que comienzael programa preestablecido.

Conductos de escape sin empalme de tubo (cuando el aire es evacuado a la atmósfera), se representa por un triángulo directamenteunido al símbolo. Conductos de escape con empalme de tubo (cuando el aire es evacuado a un punto), por un triángulo ligeramenteseparado del símbolo.


Para facilitar las conexiones durante el montaje de los circuitos, los empalmes y racores se identifican, según el tipo de normas que sesigan se emplean los siguientes códigos:

ISO Tipo de vía CETOP

A,B,C,… Conducto de trabajo 2, 4, 6,…

P Alimentación depresión

1

R,S,T Escapes 3, 5, 7,…

L Fuga 9

Z,Y,X,… Conductos de pilotaje 12, 14, 16,…

Según el accionamiento o elemento de pilotaje, las válvulas se pueden gobernar por:

Medios manuales : por pulsador, por palanca o por pedal.

Medios mecánicos : por palpador o leva, por rodillo o final de carrera, o por rodillo escamoteable.

Medios eléctricos : por un electroimán.

Medios neumáticos : por pilotaje neumático con presión, o con depresión.

Representamos algunos de los accionamientos típicos en las válvulas neumáticas, tanto para el mando como para el retorno.

Importante


En esta tabla resumen puedes ver otros tipos de accionamientos.

Igualmente, tienes un resumen de cómo se representan otro tipo de válvulas (no se visualizan los accionamientos y retornos).

Válvulas de regulación

Este grupo de válvulas van a impedir o dificultar el paso del flujo en uno u otro sentido por el circuito.

Las válvulas antirretorno obturan el paso de aire en una dirección, permitiendo la circulación libre en ladirección contraria. En la figura siguiente hay representadas dos válvulas antirretorno, la superior permite lacirculación del aire en el sentido de derecha a izquierda y lo bloquea al contrario. La inferior funciona de formacontraria.

Las válvulas reguladoras permiten regular la cantidad de aire que circula por ellas, desde un valor cerohasta el máximo de la red. En la figura siguiente se representa con una regulación del 50 %.

Las válvulas antirretorno y reguladoras a la vez, están compuestas por dos ramas en paralelo. En unadirección del fluido se regula el caudal, y si el aire circula en sentido contrario se bloquea o permite el pasosegún esté orientada. En la figura siguiente regula el caudal al 70% en el sentido del caudal de izquierda aderecha y lo deja pasar completamente en el sentido del caudal de derecha a izquierda.

Vávula antirretonoImagen en Flickr de IedaTecnología bajo CC

Vávula antirretono y reguladoraImagen en Flickr de IedaTecnología bajo CC

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Vávula antirretonoImagen en Flickr de IedaTecnología bajo CC

Vávula reguladoraImagen en Flickr de IedaTecnología bajo CC

Válvulas de control

En este grupo de válvulas condicionan el flujo del aire, entre ellas tenemos:

Válvula selectora de circuito (Válvula "o"; función lógica "OR")

Este tipo de válvulas tiene dos entradas y una salida. Cuando el aire comprimido llega a a algunas de las entradas(1), entoces la salida (2) tendrá presión. Desde el punto de vista lógico se comporta como una función OR o sumalógica.

Válvula de simultaneidad (Válvula "Y"; función lógica "and")

Este tipo de válvulas tiene dos entradas y una salida. Para que la salida (2) tenga presión el aire debe llegar a lasdos entradas (1) simultaneamente. Desde el punto de vista lógico se comporta como una función AND o productológico.

Imagen en Flickr de IedaTecnología bajo CC Imagen en Flickr de IedaTecnología bajo CC

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3.3. Efectos finales. Actuadores

Actuadores

Se denominan actuadores a aquellos elementos que convierten la energía neumática en mecánica. Se clasifican segúncual sea su clase de movimiento que producen en dos tipos de actuadores: los que producen movimiento lineal( cilindros ) y los que producen movimiento rotativo ( motores ).

En los Actuadores lineales encontramos dos tipos fundamentales:

Cilindro de simple efecto: sólo pueden efectuar trabajo en una dirección.

Cilindro de doble efecto: efectúan trabajo en ambas direcciones.

La energía inherente al aire comprimido alimenta a los actuadores neumáticos donde se transforma en movimientos de vaivén, en loscilindros, o en movimiento de giro en los motores.

Cilindro de simple efecto de émbolo

El vástago puede estar replegado o extendido inicialmente, tienen un resorte de recuperación de posición, al suministrarle airecomprimido el émbolo modifica su posición y cuando se purga el aire, el muelle recupera la posición inicial del émbolo. Debido a lalongitud del muelle se utilizan cilindros de simple efecto con carreras de hasta 100 mm.


Estos cilindros solo pueden efectuar trabajo en una dirección, el que realiza el aire comprimido, mientras que el movimiento debido almuelle solamente sirve para recuperar la posición inicial, por ello es apropiado para tensar, expulsar, introducir, sujetar, etc.

Importante

Importante

Recibe aire comprimido por una cámara, purgándose el lado contrario, con lo que el vástago cambia de posición. Cuando el aire cambia dedirección y se intercambian las cámaras de llenado y de evacuación el vástago recupera la posición primitiva.


La fuerza del émbolo es mayor en el avance que en el retroceso debido a la mayor sección sobre la que presiona el aire, ya que en la otracámara se tiene que descontar la superficie del vástago.

Estos cilindros pueden desarrollar trabajo en las dos direcciones y además pueden presentar carreras significativamente mayores a las delos cilindros de simple efecto.

Cálculo de la fuerza en el vástago de un cilindro simple efecto o doble efecto

Para calcular la fuerza que ejerce el vástago de un cilindro en sus carreras de avance o retroceso se debe partir de la presión de trabajodel aire comprimido. La fuerza desarrollada depende de la superficie útil del actuador, que será diferente según se trate de cilindros desimple o de doble efecto.

Cilindros de simple efecto

En este tipo de cilindros la presión del aire se ejerce sobre toda la superficie del émbolo. Al determinar la fuerza que realiza el cilindro,hemos de tener en cuenta que el aire debe vencer la fuerza de empuje en sentido opuesto que realiza el muelle.

En estos cilindros solamente se ejerce fuerza en el sentido de avance, es decir, la fuerza que realiza el aire comprimido, cuando el cilindroregresa a su posición estable lo hace por medio de la fuerza de empuje del resorte, que exclusivamente sirve para recuperar la posicióndel vástago, pero es incapaz de desarrollar ningún tipo de trabajo mecánico.

A efectos de cálculo se interpreta que la fuerza del resorte es del orden del 10 % de la fuerza neumática.

Sección (S) y volumen (V) del émbolo:

donde

Φe

= Diámetro del émbolo.

e = Carrera del vástago (longitud).

Cálculo de la fuerza del émbolo en avance (en retroceso es debida al resorte).

La fuerza teórica del émbolo se calcula con la siguiente fórmula:

donde

S = Superficie útil.

p = Presión del aire.

Para los cálculos neumáticos se admiten las siguientes equivalencias:

1 bar = 10 5 Pa = 1 Atm = 1 kp/cm 2

La anterior podríamos llamarla fuerza teórica o ideal, en la práctica es necesario conocer la fuerza real que realiza el émbolo. Paracalcularla hay que tener en cuenta los rozamientos que existen, lo que provoca unas pérdidas sobre la fuerza teórica. En condicionesnormales de servicio (presiones de 4 a 8 bar) se puede considerar que las fuerzas de rozamiento suponen entre un 5 a un 15% de lafuerza teórica calculada.

Cilindros de doble efecto

Estos cilindros desarrollan trabajo neumático tanto en la carrera de avance como en la de retroceso. Lo que sucede es que la fuerza esdistinta en cada uno de los movimientos, porque el aire comprimido en el movimiento de avance actúa sobre toda la superficie delémbolo, mientras que en el retroceso solamente lo hace sobre la superficie útil, que resulta de restar a la superficie del émbolo la delvástago.

Sección del émbolo en el avance (Savance

), sección del émbolo en el retroceso (Sretroceso

) , (disminuida la sección en el

avance por la sección del vástago) y volumen (V) :

donde:

Φe

= Diámetro del émbolo.

Φv

= Diámetro del vástago.

e = Carrera del vástago.

Cálculo de la fuerza del émbolo doble efecto, en avance y retroceso.

La fuerza teórica al igual que para el cilindro simple efecto en el avance, se calcula con la siguiente fórmula:

donde:

S = Superficie útil.

p = Presión del aire.

La fuerza real, teniendo en cuenta las pérdidas por rozamiento, quedaría así:

Actuadores de movimiento rotativo

Los actuadores de movimiento rotativo (motores), se usan menos que los lineales ya que en general los motoreseléctricos hacen esta función de forma más eficaz. A pesar de esto en determinadas situaciones (de exigencia de máslimpieza o de peligrosidad por peligro de explosión, etc.) también son utilizados en muchos procesos productivos.

Motor de émbolo radial

Por medio de cilindros de movimiento alternativo, el aire comprimido acciona a través de una excéntrica o de una biela el cigüeñal delmotor, su potencia depende de la presión de alimentación, del número de émbolos y de la superficie y la velocidad de movimiento deestos.

Importante


Motor de aletas

Consta de un rotor excéntrico provisto de unas ranuras homogéneamente repartidas, en ellas se deslizan unas aletas abatibles que sonempujadas contra la pared interior del motor. Estos motores tienen una gama de velocidad de entre 3000 y 9000 r.p.m. para potencias dehasta 25 CV .


Turbomotores

Son los que arrastran los tornos de los dentistas, tiene una gama de velocidad muy fácilmente regulable de hasta 500000 r.p.m.



Un cilindro de simple efecto es alimentado por aire comprimido a una presión de 8 bar, elmuelle ejerce una fuerza de 50 N, el diámetro del émbolo es de fe = 30 mm y realizauna carrera e = 50 mm.

En el desarrollo de su actividad repite 8 ciclos cada minuto, y presenta un rendimiento η= 85 %.

Calcula la fuerza que ejerce el cilindro para el caso teórico y el real.

4. Montaje y experimentación con circuitos neumáticos.

Un circuito neumático es un conjunto de actuadores, válvulas y conductos que combinados de una forma determinadason capaces de cumplir una misión específica.

Importante

4.1. Normas básicas de diseño

Emplearemos esquemas neumáticos para representar todos los elementos que forman parte de los circuitos neumáticos, actuadores,válvulas, sensores, detectores, conductos, elementos de conexión, componentes auxiliares,...

Los esquemas neumáticos deben ser lo más claro y sencillos posibles para facilitar su comprensión e interpretación, tratando de evitarprovocar errores. Si el circuito no es muy complejo se pueden dibujar los componentes en su posición real, respetando la posición detrabajo en que se encuentren y situando los finales de carrera en los lugares que ocupan.

Por lo tanto, te recomiendo que en primer lugar veas el vídeo siguiente:

En el vídeo se ha tratado de explicar lo siguiente:

Cuando los circuitos neumáticos aumentan de tamaño y tienen muchos componentes y conexiones, si continuásemos empleando este tipode representación esquemática se perdería claridad expositiva y se incrementarían las posibilidades de error en la interpretación de loscircuitos, por este motivo se emplea la representación esquemática, en la que se recomienda seguir una serie de pautas:

1. Los actuadores se representan en posición horizontal.

2. Los finales de carrera no se dibujan en su posición real, sino que se representan debajo de los órganos de gobierno, indicándoseen el circuito la posición real que ocupan mediante un trazo y una flecha que representa la posición del actuador que detectan.

3. Los circuitos se representan en su posición inicial, es decir, los componentes no están activados. Si algún elemento estuvieraactivado se señalaría claramente visible mediante una flecha.

4. Todos los conductos se representan mediante líneas horizontales y verticales, tratando de evitar cruces entre ellas, para evitarconfusiones, en caso de producirse empalmes o conexiones en nudos, se representaría mediante puntos rellenados, de no existirestos puntos rellenos quiere decir que se producen cruces de conductores sin que haya conexión entre ellos.

5. Para identificar los componentes y facilitar la labor de los instaladores de circuitos, se enumeran los elementos, según un ordenpredeterminado, dependiendo de a que grupo correspondan, según un el siguiente CRITERIO:


Los actuadores se numeran siguiendo un orden: 1.0, 2.0, 3.0, 4.0,...

Las válvulas que actúan como elementos de gobierno de los actuadores se indican: 1.1, 2.1, 3.1, 4.1,… La primera cifraindica a que actuador pertenece y la segunda (1) indica que se trata de un órgano de gobierno o distribuidor de mando.

Los elementos captadores de información se identifican 1.2, 1.4, 2.2, 2.4,… o bien 1.3, 1.5, 2.3, 2.5,… La primera cifraindica a que actuador pertenece, y la segunda, si es par indica generalmente que influye en la salida del vástago, y si es imparque afecta al retroceso del vástago.

Con las cifras 0.1, 0.2, 0.3,…se identifican los elementos auxiliares , que afectan a todos los componentes del circuito.

Con las cifras 1.02, 1.03, 2.02, 2.03,…se representan los elementos de regulación , siguiendo el mismo criterio anterior,es decir la primera cifra indica a que actuador afecta, la segunda (0) indica que es un elemento de regulación, y la tercerasegún sea par o impar que afecta a la salida del vástago o a su entrada.

4.2. Circuitos básicos

Mando de un cilindro de simple efecto mediante un pulsador.

Descarga, pulsando aquí , la explicación en pdf. En la explicación del vídeo utilizamos simbología CETOP (con números en la vías de laválvulas) mientras que en el texto la simbología es ISO (con letras en las vías de las válvulas).

Mando de un cilindro de doble efecto mediante un pulsador.

Descarga, pulsando aquí , la explicación en pdf. En la explicación del vídeo utilizamos simbología CETOP (con números en la vías de laválvulas) mientras que en el texto la simbología es ISO (con letras en las vías de las válvulas).

Mando de un cilindro de simple efecto desde dos puntos simultáneamente.

Descarga, pulsando aquí , la explicación en pdf. En la explicación del vídeo utilizamos simbología CETOP mientras que en el texto la

simbología es ISO.

Mando de un cilindro de simple efecto desde dos puntos indistintamente.

Descarga, pulsando aquí , la explicación en pdf. En la explicación del vídeo utilizamos simbología CETOP mientras que en el texto lasimbología es ISO.

Regulación de la velocidad en cilindro de simple efecto.

Descarga, pulsando aquí , la explicación en pdf. En la explicación del vídeo utilizamos simbología CETOP mientras que en el texto lasimbología es ISO.

5. Circuitos oleohidráulicos

En los circuitos hidráulicos el fluido es un aceite, que se considera incompresible como norma general. Además de estacaracterística vamos a tener la necesidad de tener un sistema de retorno del fluido y así recoger el aceite una vez hasido utilizado.


En función del contexto en que se utilice, el concepto de "hidráulica" puede definirse devarias maneras. En nuestro caso, dentro del contexto de la mecánica de los fluidos,entenderemos la hidráulica como la parte de la física que estudia el comportamiento de losfluidos.

La palabra hidráulica proviene del griego, hydor , y trata de las leyes que están en relacióncon el agua. En rigor pues, cuando el fluido empleado sea aceite (derivado del petróleo)deberíamos de hablar de oleohidráulica. El vocablo hidráulica se utiliza para definir a unatecnología de ámbito industrial que emplea el aceite como fluido y energía, y que estáíntimamente relacionada con las leyes de la mecánica de los fluidos.

Por si fuera poca la confusión, además, tenemos dos vocablos más, hidrostática ehidrodinámica. La hidrostática trata sobre las leyes que rigen a los fluidos en reposo,mientras que la hidrodinámica trata sobre las leyes que rigen sobre los fluidos enmovimiento, englobándose ambos vocablos dentro de la mecánica de fluidos.

Algunos ejemplos, de los muchos en que la tecnología hidráulica está presente son:

Máquinas herramientas, sujeción de piezas, movimientos de avance de lasherramientas de mecanización, desplazamiento de la mesa de trabajo enrectificadoras, fresadoras,...

Prensas, compresión y sujeción de piezas, movimientos de separación,...

Maquinaria de obras públicas, sistemas de prensado, sujeción, elevación ymanipulación de cargas,...

Vehículos, cambios automáticos, elevación y traslación de cargas, frenos,...

Aeronáutica, trenes de aterrizajes retráctiles, movimiento de alerones, flaps,timones,...

Grúas y robots, elevación, traslado y manipulación de cargas,...

Importante

5.1. Principios y parámetros básicos

Densidad.

Cociente entre la masa de una determinada sustancia y el volumen que ésta ocupa.

Imagen en Flickr de jeffcarson bajo CC

La unidad de densidad en el Sistema Internacional de Unidades (S.I.) es el kg/m 3 .

También son muy empleadas otras unidades como el g/cm 3 o el kg/l.

A lo largo del tema consideraremos que los fluidos hidráulicos sonincompresibles . Es decir, su volumen no variará con los cambios de presión y por lotanto su densidad será constante . Esta suposición no tendría sentido en el caso delos gases, sin embargo es de aplicación general cuando se estudian líquidos.

En ocasiones el valor de la densidad de un fluido no se indica como un valor absoluto,sino que se compara con el valor de la densidad del agua. En ese caso hablaremos dela densidad relativa . Densidad relativa será el cociente entre la densidad del líquidoconsiderado y la del agua, es por lo tanto una magnitud adimensional.

Otra variante de la densidad es el volumen específico . La densidad representa lacantidad de masa de una sustancia que hay en cada unidad de volumen. Si hacemos el cálculo al revés y dividimos el volumen de unsistema por su masa lo que obtendremos será un número que nos indica la cantidad de volumen que es necesario coger para tener en élla unidad de masa del sistema. Este valor es el volumen específico. Se calculará:

Las unidades de esta magnitud en el S.I. serán pues m 3 /kg.

Viscosidad

Oposición de un fluido a las deformaciones tangenciales.

En el caso que nos ocupa, la viscosidad se pone de manifiesto por la fricción y el rozamiento que se produce entre lasmoléculas de un fluido al circular por una conducción y entre las moléculas del fluido y las paredes interiores de losconductos del circuito.

Se dice que la viscosidad de un fluido es baja cuando este circula con facilidad por una conducción. La viscosidad se suele medir en

grados Engler , que indican la velocidad de trasiego de 200 cm 3 de fluido a través de un conducto cilíndrico de platino con undiámetro de 2,8 mm

Importante

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Animación en Wikimedia Commons

de Anynobody bajo CC

La viscosidad es inversamente proporcional a la temperatura. La relación entre estas dos magnitudes se mide a través del Índice deviscosidad .

Se dice que un fluido posee un índice de viscosidad muy bajo cuando es muy viscoso a bajas temperaturas y muy fluido aaltas temperaturas.

Un fluido que presente un elevado índice de viscosidad es aquel que prácticamente se mantiene inalterado desde el punto devista de la viscosidad, sin que prácticamente le afecte la temperatura del fluido.

En los circuitos hidráulicos, los aceites minerales utilizados deben tener un índice de viscosidad no inferior a 75. Es importante conocer latemperatura mínima a la que un fluido puede circular por un circuito hidráulico.

Principio de Pascal

La presión aplicada sobre un fluido confinado en un recipiente, se transmite íntegramente en todas las direcciones yejerce fuerzas iguales sobre áreas iguales, actuando estas fuerzas perpendicularmente sobre las paredes del recipientecontenedor.

En la imagen inferior puedes ver un ejemplo práctico del Principio de Pascal. Al ejercer una presión con un pistón sobre un fluidoconfinado en un depósito esférico, esta presión se transmite idénticamente en cada uno de los puntos de las paredes del contenedor.

Imagen en Wikimedia Commons de 4.F bajo dominio público

Importante

pistón pequeño. Halla la fuerza que actúa sobre el mayor cuando se ejerce sobre el pequeño una fuerza de 50N.

Recuerda que la superficie de un círculo viene dada por:

Donde A es la superficie y D el diámetro.

Ecuación de continuidad

Cuando un fluido fluye por un conducto de diámetro variable, su velocidad cambia debido a que la sección transversalvaría de una sección del conducto a otra.

En todo fluido incompresible, con flujo estacionario (en régimen laminar), la velocidad de un punto cualquiera de unconducto es inversamente proporcional a la superficie, en ese punto, de la sección transversal de la misma.


La ecuación de continuidad no es más que un caso particular del principio de conservaciónde la masa. Se basa en que el caudal (Q) del fluido ha de permanecer constante a lo largode toda la conducción.

Dado que el caudal es el producto de la superficie de una sección del conducto por lavelocidad con que fluye el fluido, tendremos que en dos puntos de una misma tubería sedebe cumplir que, el caudal en el punto 1 (Q

1) es igual que el caudal en el punto 2 (Q

2).

Que es la ecuación de continuidad y donde:

S es la superficie de las secciones transversales de los puntos 1 y 2 del conducto.

v es la velocidad del fluido en los puntos 1 y 2 de la tubería.

Se puede concluir que puesto que el caudal debe mantenerse constante a lo largo de todoel conducto, cuando la sección disminuye, la velocidad del flujo aumenta en la mismaproporción y viceversa.

En la imagen de la derecha puedes ver como la sección se reduce de A1

a A2

. Teniendo en cuenta la ecuación anterior:

Es decir la velocidad en el estrechamiento aumenta de forma proporcional a lo que se reduce la sección.

Un caudal de agua circula por una tubería de 1 cm de sección interior a una velocidad de 0,5 m/s. Si deseamos que lavelocidad de circulación aumente hasta los 1,5 m/s, ¿qué sección ha de tener tubería que conectemos a la anterior?

Teorema de Bernoulli

En todo fluido ideal (sin viscosidad ni rozamiento), incomprensible, en régimen laminar de circulación por un conductocerrado, la energía que posee el fluido permanece constante a lo largo de todo su recorrido.

El teorema de Bernoulli es una aplicación directa del principio de conservación de energía. Con otras palabras está diciendo que si el fluidono intercambia energía con el exterior (por medio de motores, rozamiento, térmica...) esta ha de permanecer constante.

El teorema considera los tres unicos tipos de energía que posee el fluido que pueden cambiar de un punto a otro de la conducción. Estos

Importante

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tipos son; energía cinética, energía potencial gravitatoria y la energía debida a la presión de flujo (hidroestática). Veamos cada una deellas por separado:


Energía cinética (hidrodinámica) Debida a la velocidad de flujo

Energía potencial gravitatoria Debida a la altitud del fluido

Energía de flujo (hidroestática) Debida a la presión a la que está sometido el fluido

Por lo tanto el teorema de Bernoulli se expresa de la siguiente forma:

donde:

m es la masa.

v es la velocidad de flujo del fluido en la sección considerada.

V es el volumen.

g es la constante de gravedad.

h es la altura desde una cota de referencia.

p es la presión a lo largo de la línea de corriente del fluido (p minúscula).

ρ es la densidad del fluido ( ρ=m/V que se utilizará más adelante).

Si consideramos dos puntos de la misma conducción (1 y 2) la ecuación queda:

donde m es constante por ser un sistema cerrado y V también lo es por ser un fluido incompresible.

Dividiendo todos los términos por V, se obtiene la forma más común de la ecuación de Bernoulli, en función de la densidad del fluido:

Una simplificación que en muchos casos es aceptable es considerar el caso en que la altura es constante, entonces la expresión de laecuación de Bernoulli, se convierte en:

Una aplicación muy extendida del sistema anterior es el tubo de Venturi. Este sistema permite medir la velocidad deflujo de un fluido a través de una tubería utilizando un sistema como el de la figura:

Imagen en Wikimedia Commons de Joanna Kośmider bajo Domino Público

Obtén la expresión teórica que permite calcular la velocidad de circulación en la tubería 1 en función de su diámetro,

Como punto de partida toma:

La ecuación de continuidad

El teorema de Bernoulli simplificado para altura constante

5.2. Ventajas e inconvenientes frente a la neumática

Ventajas e inconvenientes frente a la neumática

La utilización de instalaciones hidráulicas lleva asociada una serie de ventajas muy significativas:

Fácil regulación de la velocidad, dado que el aceite es un fluido incompresible, no se producen lo cambios de presión que se danen los circuitos neumáticos, por lo que se pueden conseguir cambios muy sensibles en la modificación de velocidad de losactuadores hidráulicos, tanto modificando el caudal de suministro de la bomba, como utilizando válvulas de control de caudal, loque es más habitual.

Reversibilidad de los accionamientos, en los circuitos neumáticos se puede invertir el sentido del movimiento de los actuadoresinstantáneamente, sin necesidad de pasar por puntos muertos como ocurre con los sistemas neumáticos.

Protección contra sobrecargas de presión, con el uso de válvulas limitadoras de presión, se protegen a las instalaciones decualquier sobrepresión. En caso de que el par o la fuerza sobrepasen valores permisibles, entra en acción la limitadora de presión,reduciendo la presión del circuito.

Desarrollo de grandes fuerzas, al poder utilizar sistemas de elevada presión (más de 150 kp/cm 2 ), y al ser la fuerza el productode la presión por la superficie, con componentes de tamaño reducido se pueden desarrollar elevadas fuerzas y pares.

Paradas intermedias exactas, debido a la incompresibilidad del fluido los actuadores pueden detenerse en cualquier punto de latrayectoria sin que se produzcan vibraciones ni oscilaciones alrededor del punto de parada deseado.

Imagen en Intef bajo CC

Respecto a los inconvenientes más significativos tenemos:

Los circuitos hidráulicos son mucho más sucios debido a la propia naturaleza del fluido.

Se precisan depósitos de recogida del fluido en los escapes de los componentes.

Tanto los equipos como el aceite empleado en los circuitos hidráulicos son significativamente más caros que el airecomprimido.

El aceite es inflamable y puede llegar a explotar, y mucho más sensible a la contaminación que el aire.

6. Elementos y circuitos

Al igual que en los circuitos neumáticos, nos vamos a encontrar con elementos que desempeñan funciones similares enel que se han tenido en cuenta para su diseño las características diferentes del fluido.

Elementos generadores de presión o bombas.

Elementos conductores del fluido (redes de tuberías)

Elementos de control y regulación.

Elementos actuadores (cilindros y motores).

Importante

circuitos neumáticos y oleohidráulicos -...

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