1. SISTEMAS HIDRÁULICOS 1.1. Introducción a la hidráulica

La hidráulica es la ciencia que forma parte la física y comprende la transmisión y regulación de fuerzas y movimientos por medio de los líquidos. Cuando se escuche la palabra “hidráulica” hay que remarcar el concepto de que es la transformación de la energía, ya sea de mecánica ó eléctrica en hidráulica para obtener un beneficio en términos de energía mecánica al finalizar el proceso. Etimológicamente la palabra hidráulica se refiere al agua: Hidros - agua. Aulos - flauta. Algunos especialistas que no emplean el agua como medio transmisor de energía, sino que el aceite han establecido los siguientes términos para establecer la distinción: Oleodinámica, Oleohidráulica u Oleólica.

1.2. Producción de energía hidráulica

La ventaja que implica la utilización de la energía hidráulica es la posibilidad de transmitir grandes fuerzas, empleando para ello pequeños elementos y la facilidad de poder realizar maniobras de mandos y reglaje. A pesar de estas ventajas hay también ciertos inconvenientes debido al fluido empleado como medio para la transmisión. Esto debido a las grandes presiones que se manejan en el sistema las cuales posibilitan el peligro de accidentes, por esto es preciso cuidar que los empalmes se encuentren perfectamente apretados y estancos.

1.3 Componentes de un sistema hidráulico

1.- Bombas y motores. Nos proporcionan una presión y caudal adecuado de líquido a la instalación. Bomba hidráulica La bomba hidráulica convierte la energía mecánica en energía hidráulica. Es un dispositivo que toma energía de una fuente (por ejemplo, un motor, un motor eléctrico, etc.) y la convierte a una forma de energía hidráulica. La bomba toma aceite de un depósito de almacenamiento (por ejemplo, un tanque) y lo envía como un flujo al sistema hidráulico. Todas las bombas producen flujo de aceite de igual forma. Se crea un vacío a la entrada de la bomba. La presión atmosférica, más alta, empuja el aceite a través del conducto de entrada a las cámaras de entrada de la bomba. Los engranajes de la bomba llevan el aceite a la cámara de salida de la bomba. El volumen de la cámara disminuye a medida que se acerca a la salida. Esta reducción del tamaño de la cámara empuja el aceite a la salida. La bomba sólo produce flujo (por ejemplo, galones por minuto, litros por minuto, centímetros cúbicos por revolución, etc.), que luego es usado por el sistema hidráulico. La bomba NO produce “presión”. La presión se produce por acción de la resistencia al flujo. La resistencia puede producirse a medida que el flujo pasa por las mangueras, orificios, conexiones, cilindros, motores o cualquier elemento del sistema que impida el paso libre del flujo al tanque. Hay dos tipos de bombas: regulables y no regulables.

Bombas no regulables Las bombas no regulables tienen mayor espacio libre entre las piezas fijas y en movimiento que el espacio libre existente en las bombas regulables. El mayor espacio libre permite el empuje de más aceite entre las piezas a medida que la presión de salida (resistencia al flujo) aumenta. Las bombas no regulables son menos eficientes que las regulables, debido a que el flujo de salida de la bomba disminuye considerablemente a medida que aumenta la presión de salida. Las bombas no regulables generalmente son del tipo de rodete centrífugo o del tipo de hélice axial. Las bombas no regulables se usan en aplicaciones de presión baja, como bombas de agua para automóviles o bombas de carga para bombas de pistones de sistemas hidráulicos de presión alta. Bomba de rodete centrífuga La bomba de rodete centrífuga consiste de dos piezas básicas: el rodete (2), montado en un eje de salida (4) y la caja (3). El rodete tiene en la parte posterior un disco sólido con hojas curvadas (1), moldeadas en el lado de la entrada. El aceite entra por el centro de la caja (5), cerca del eje de entrada, y fluye al rodete. Las hojas curvadas del rodete impulsan el aceite hacia afuera contra la caja. La caja está diseñada de tal modo que dirige el aceite al orificio de salida.

Bombas regulables Hay tres tipos básicos de bombas regulables: de engranajes, de paletas y de pistones. Las bombas regulables tienen un espacio libre mucho más pequeño entre los componentes que las bombas no regulables. Esto reduce las fugas y produce una mayor eficiencia cuando se usan en sistemas hidráulicos de presión alta. En una bomba regulable el flujo de salida prácticamente es el mismo por cada revolución de la bomba. Las bombas regulables se clasifican de acuerdo con el control del flujo de salida y el diseño de la bomba. La capacidad nominal de las bombas regulables se expresa de dos formas.

Una forma es por la presión de operación máxima del sistema con la cual la bomba se diseña (por ejemplo, 21.000 kPa o 3.000 lb/pulg2). La otra forma es la salida específica suministrada, expresada bien sea en revoluciones o en la relación entre la velocidad y la presión específica. La capacidad nominal de las bombas se expresa ya sea en l/min-rpm-kPa o gal EE.UU./min-rpm-lb/pulg2 (por ejemplo, 380 l/min-2.000 rpm-690 kPa o 100 gal EE.UU./min-2.000 rpm-100 lb/pulg2). Cuando la salida de la bomba se da en revoluciones, el flujo nominal puede calcularse fácilmente multiplicando el flujo por la velocidad en rpm (por ejemplo, 2.000 rpm) y dividiendo por una constante. Bombas de Engranajes Las bombas son componentes del sistema hidráulico que convierten la energía mecánica transmitida desde un motor eléctrico a energía hidráulica. Las bombas de engranajes son compactas, relativamente económicas y tienen pocas piezas móviles. Las bombas de engranajes externas se componen de dos engranajes, generalmente del mismo tamaño, que se engranan entre si dentro de una carcasa. El engranaje impulsor es una extensión del eje impulsor. Cuando gira, impulsa al segundo engranaje. Cuando ambos engranajes giran, el fluido se introduce a través del orificio de entrada. Este fluido queda atrapado entre la carcasa y los dientes de rotación de los engranajes, se desplaza alrededor de la carcasa y se empuja a través del puerto de salida. La bomba genera flujo y, bajo presión, transfiere energía desde la fuente de entrada, que es mecánica, hasta un actuador de potencia hidráulica. Bombas de Paletas - No Balanceadas: La parte giratoria de la bomba, o el conjunto del rotor, se ubica fuera del centro del anillo de leva o carcasa. El rotor está conectado a un motor eléctrico mediante un eje. Cuando el rotor gira, las paletas se desplazan hacia afuera debido a la fuerza centrifuga y hacen contacto con el anillo, o la carcasa, formando un sello positivo. El fluido entra a la bomba y llena el área de volumen grande formada por el rotor descentrado. Cuando las paletas empujan el fluido alrededor de la leva, el volumen disminuye y el fluido se empuja hacia afuera a través del puerto de salida. - Balanceadas: En la bomba de paletas no balanceada, que se ha descrito anteriormente, una mitad del mecanismo de bombeo se encuentra a una presión inferior a la atmosférica, mientras que la otra mitad está sometida a la presión total del sistema. Esto da como resultado una carga en los costados sobre el eje mientras se encuentra bajo condiciones de alta presión. Para compensar esto, la forma del anillo en una bomba de paletas balanceada cambia de circular a forma de leva. Con este diseño, los dos cuadrantes de presión se oponen entre sí. Dos puertos se encargan de la entrada del fluido y otros dos bombean el fluido hacia afuera. Los dos puertos de entrada y los dos puertos de descarga están conectados dentro de la carcasa. Como se encuentran ubicados sobre lados opuestos de la carcasa, la fuerza excesiva o la acumulación de presión sobre uno de los lados es neutralizada por fuerzas equivalentes pero opuestas sobre el otro lado. Cuando las fuerzas se equilibran, se elimina la carga en los costados del eje.

Bombas de Pistón Las bombas de pistón axial convierten el movimiento giratorio de un eje de entrada en un movimiento axial de vaivén, que se produce en los pistones. Esto se logra por medio de una placa basculante que es fija o variable en su grado de ángulo. Cuando el conjunto del barril de pistón gira, los pistones giran alrededor del eje con las zapatas de los pistones haciendo contacto con y deslizándose sobre la superficie de la placa basculante. Con la placa basculante en posición vertical, no se produce ningún desplazamiento ya que no hay movimiento de vaivén. A medida que el ángulo de la placa basculante aumenta, el pistón se mueve hacia adentro y hacia fuera del barril siguiendo el ángulo de la placa basculante. En el diseño real, el barril del cilindro está equipado con varios pistones. Durante una mitad del círculo de rotación, el pistón se mueve hacia fuera del barril del cilindro y genera un aumento del volumen. En la otra mitad de la rotación, el pistón se mueve hacia adentro del barril del cilindro y genera una disminución del volumen. Este movimiento de vaivén succiona fluido y lo bombea hacia fuera. Motor hidráulico El motor hidráulico convierte la energía hidráulica en energía mecánica. El motor hidráulico usa el flujo de aceite enviado por la bomba y lo convierte en un movimiento rotatorio para impulsar otro dispositivo (por ejemplo, mandos finales, diferencial, transmisión, rueda, ventilador, otra bomba, etc.).

2.- Depósito Su misión es recuperar el fluido después de usarlo y mantener un nivel adecuado al uso de la instalación. Véase 1.3.3. 3.- Acondicionadores del aceite Son dispositivos que nos permiten mantener el aceite en unas condiciones de limpieza adecuadas al uso de los elementos de la instalación, de tal manera, que alarga la vida de ésta. Estos elementos son: Filtro: Es el encargado de retirar del aceite las partículas solidas en suspensión (trozos de metal, plásticos, etc.) El aceite puede filtrarse en cualquier punto del sistema. En muchos sistemas hidráulicos, el aceite es filtrado antes de que entre a la válvula de control. Para hacer esto se requiere un filtro más o menos grande que pueda soportar la presión total de la línea. Colocado el filtro en la línea de retorno tiene también sus ventajas. Unas de las mayores es su habilidad de atrapar materiales que entran al sistema desde los cilindros. El sistema impedirá

que entre suciedad a la bomba. Esto es verdad siempre que no se agreguen materias extrañas al tanque, Cualquiera de los dos tipos de filtro en las tuberías debe equiparse con una válvula de derivación. Manómetro: Se pone después de la bomba e indica la presión de trabajo. 4.- Red de distribución: Debe garantizar la presión y velocidad del aceite en todos los puntos de uso. En las instalaciones oleohidráulicas, al contrario de las neumáticas, es necesario un circuito de retomo de fluido, ya que este se vuelve a utilizar una y otra vez. El material utilizado suele ser acero o plástico reforzado y depende de su uso. 5.- Elementos de regulación y control: Son los encargados de regular el paso del aceite desde las bombas a los elementos actuadores. Estos elementos, que se denominan válvulas, pueden ser activados de diversas formas: manualmente, por circuitos eléctricos, neumáticos, hidráulicos o mecánicos. La clasificación de estas válvulas se puede hacer en tres grandes grupos: de dirección, antirretorno y de presión y caudal.

1.3.1. Fluidos de Potencia.

La vida útil del sistema hidráulico depende en gran medida de la selección y del cuidado que se tenga con los fluidos hidráulicos. Al igual que con los componentes metálicos de un sistema hidráulico, el fluido hidráulico debe seleccionarse con base en sus características y propiedades para cumplir con la función para la cual fue diseñado. Se usan líquidos en los sistemas hidráulicos porque tienen entre otras las siguientes ventajas: 1. Los líquidos toman la forma del recipiente que los contiene. 2. Los líquidos son prácticamente incompresibles. 3. Los líquidos ejercen igual presión en todas las direcciones. - Los líquidos toman la forma del recipiente que los contiene: Los líquidos toman la forma de cualquier recipiente que los contiene. Los líquidos también fluyen en cualquier dirección al pasar a través de tuberías y mangueras de cualquier forma y tamaño. - Los líquidos son prácticamente incompresibles: Un líquido es prácticamente incompresible. Cuando una sustancia se comprime, ocupa menos espacio. Un líquido ocupa el mismo espacio o volumen, aun si se aplica presión. El espacio o volumen ocupado por una sustancia se llama “desplazamiento”. De acuerdo con la Ley de Pascal, “la presión ejercida en un líquido, contenido en un recipiente cerrado, se transmite íntegramente en todas las direcciones y actúa con igual fuerza en todas las áreas”. Por tanto, en un sistema cerrado de aceite hidráulico, una fuerza aplicada en cualquier punto, transmite igual presión en todas las direcciones a través del sistema. Las principales funciones de los fluidos hidráulicos son: • Transmitir potencia

• Lubricar • Sellar • Refrigerar Transmisión de potencia Puesto que un fluido prácticamente es incompresible, un sistema hidráulico lleno de fluido puede producir potencia hidráulica instantánea de un área a otra. Sin embargo, esto no significa que todos los fluidos hidráulicos sean iguales y transmitan potencia con la misma eficiencia. Para escoger el fluido hidráulico correcto, se deben tener en cuenta el tipo de aplicación y las condiciones de operación en las que funcionará el sistema hidráulico. Lubricación Los fluidos hidráulicos deben lubricar las piezas en movimiento del sistema hidráulico. Los componentes que rotan o se deslizan deben poder trabajar sin entrar en contacto con otras superficies. El fluido hidráulico debe mantener una película delgada entre las dos superficies para evitar el calor, la fricción y el desgaste. Acción sellante Algunos componentes hidráulicos están diseñados para usar fluidos hidráulicos en lugar de sellos mecánicos entre los componentes. La propiedad del fluido de tener acción sellante depende de su viscosidad. Enfriamiento El funcionamiento del sistema hidráulico produce calor a medida que se transfiere energía mecánica a energía hidráulica y viceversa. La transferencia de calor en el sistema se realiza entre los componentes calientes y el fluido que circula a menor temperatura. El fluido a su vez transfiere el calor al tanque o a los enfriadores, diseñados para mantener la temperatura del fluido dentro de límites definidos. Otras propiedades que debe tener un fluido hidráulico son: evitar la oxidación y corrosión de las piezas metálicas; resistencia a la formación de espuma y a la oxidación; mantener separado el aire, el agua y otros contaminantes; y mantener su estabilidad en una amplia gama de temperaturas. Viscosidad La viscosidad es la medida de la resistencia de un fluido para fluir a una temperatura determinada. Un fluido que fluye fácilmente tiene una viscosidad baja. Un fluido que no fluye fácilmente tiene una viscosidad alta. La viscosidad de un fluido depende de la temperatura. Cuando la temperatura aumenta, la viscosidad del fluido disminuye. Cuando la temperatura disminuye, la viscosidad del fluido aumenta. El aceite vegetal es un buen ejemplo para mostrar el efecto de la viscosidad con los cambios de temperatura. Cuando el aceite vegetal está frío, se espesa y tiende a solidificarse. Si calentamos el aceite vegetal, se vuelve muy delgado y tiende a fluir fácilmente. Se pueden diferenciar tres clases básicas de fluidos hidráulicos, estos son los siguientes: a.- Líquidos de base acuosa: Aceite mineral en agua, Agua en aceite mineral, Agua con glicerina y Glicol – agua.

b.- Líquidos sintéticos: Esteres Fosfatados y Siliconas c.- Aceites minerales y vegetales En algunos textos se incluye una cuarta categoría que es la de los fluidos que no causan daño al medio ambiente, esto se refiere a que el daño será mínimo en caso de un derrame. Aceite lubricante Todos los aceites lubricantes se adelgazan cuando la temperatura aumenta y se espesan cuando la temperatura disminuye. Si la viscosidad de un aceite lubricante es muy baja, habrá un excesivo escape por las juntas y los sellos. Si la viscosidad del aceite lubricante es muy alta, el aceite tiende a “pegarse” y se necesitará mayor fuerza para bombearlo a través del sistema. La viscosidad del aceite lubricante se expresa con un número SAE, definido por la Society of Automotive Engineers. Los números SAE están definidos como: 5W, 10W, 20W, 30W, 40W, etc. Aceites sintéticos Los aceites sintéticos se producen por procesos químicos en los que materiales de composición específica reaccionan para producir un compuesto con propiedades únicas y predecibles. El aceite sintético se produce específicamente para cierto tipo de operaciones realizadas a temperaturas altas y bajas. Fluidos resistentes al fuego Hay tres tipos básicos de fluidos resistentes al fuego: mezclas de glicol-agua, emulsiones de aceite-agua-aceite y fluidos sintéticos. Los fluidos agua-glicol son una mezcla de 35% a 50% de agua (el agua inhibe el fuego), glicol (químico sintético o similar a algunos compuestos con propiedades anticongelantes) y espesantes del agua. Los aditivos se añaden para mejorar la lubricación y evitar la oxidación, la corrosión y la formación de espuma. Los fluidos a base de glicol son más pesados que el aceite y pueden causar cavitación de la bomba a altas velocidades. Estos fluidos pueden reaccionar con algunos metales y material de los sellos, y no se pueden usar con algunas clases de pintura. Las emulsiones de agua-aceite son los fluidos resistentes al fuego más económicos. Al igual que en los fluidos a base de glicol, un porcentaje similar de agua (40%), se usa como inhibidor al fuego. Las emulsiones agua-aceite se usan en sistemas hidráulicos típicos. Generalmente contienen aditivos para prevenir la oxidación y la formación de espuma. Los fluidos sintéticos se usan bajo ciertas condiciones para cumplir requerimientos específicos. Los fluidos sintéticos resistentes al fuego son menos inflamables que los aceites lubricantes y mejor adaptados para resistir presiones y temperaturas altas. Algunas veces los fluidos resistentes al fuego reaccionan con el material de los sellos de poliuretano y en estos casos puede requerirse el uso de sellos especiales. Vida útil del aceite hidráulico El aceite hidráulico no se desgasta. El uso de filtros para remover las partículas sólidas y contaminantes químicos alargan la vida útil del aceite. Sin embargo, eventualmente el aceite se contamina tanto que debe reemplazarse. En las máquinas de construcción, el aceite se debe cambiar a intervalos de

tiempos regulares. Los contaminantes del aceite pueden usarse como indicadores de desgaste no común y de posibles problemas del sistema.

1.3.2. Limitador de presión en sistemas hidráulicos

Son válvulas de seguridad que evitan la rotura de órganos mecánicos e hidráulicos. Estas válvulas se llaman “normalmente cerradas”. Son o bien de acción directa, o bien pilotadas y están siempre montadas en derivación. Su tubo de drenaje puede ser interno o externo. Por lo general son regulables. Válvulas de acción directa Estas válvulas son de muchos tipos. Las más sofisticadas, montadas en los circuitos de potencia, permiten un caudal máximo de salida de 150 litros / minuto, bajo una presión de apertura de 200 bar. Sin embargo, es aconsejable utilizarlas para aplicaciones de potencia más modestas para reducir el calentamiento del fluido. Estas válvulas aseguran igualmente y con muy buen rendimiento, la protección de los receptores. Las más sencillas de estas válvulas están constituidas por: - Una bola, un asiento y un resorte calibrado

- Una bola, un asiento, un resorte y un dispositivo de regulación del resorte - Una aguja o cono, un asiento y un resorte calibrado

- Una aguja o cono, un asiento y un dispositivo de regulación del resorte

- Una arandela de estanqueidad en elastómero o en plástico

- Un cojín de aceite o tubo amortiguador (para minimizar el movimiento

vibratorio perjudicial de las bolas, las agujas o conos y de los émbolos, producto de las altas presiones a que son sometidos

Válvulas de limitación de presión pilotadas Una válvula de limitación de presión pilotada puede estar constituida según se indica en la figura.

La cara derecha del pistón principal (5) está dirigida hacia el fluido del circuito de presión; un orificio (a) en el pistón (5) pone en comunicación la “presión del circuito” con la cámara posterior de éste. Detrás del pistón (5) está situado un resorte (4). En (R) figura el orificio de descarga: retorno al depósito (cuando funciona la válvula). La cámara posterior del pistón (5) está unida “al piloto” (3) por un orificio calibrado (b).El piloto no es más (que una válvula de limitación de presión de “acción directa”. El aceite que atraviesa el orificio (a) se encuentra tapado por el cono piloto (3) comprimido contra su asiento por el resorte (2). En este croquis figuran igualmente un dispositivo de regulación (1) del resorte (2) y un retorno al depósito (R’).Este retorno, de caudal extremadamente débil, es utilizado por el fluido, antes del desplazamiento del pistón principal (5) y durante su apertura (acción de descarga). La compresión del resorte (2) es quien determina el calibrado de la válvula y por tanto el desplazamiento del pistón (5) hacia la izquierda, mientras que el resorte (4) hace el papel de soporte y de acelerador de cierre. Las características de compresión de este último resorte son muy reducidas.

Debe tenerse en cuenta que, si el calibrado del resorte (2) determina la presión de apertura, no gobierna el funcionamiento global de la válvula, lo cual se explica de la forma siguiente: El fluido del circuito puede penetrar en la cámara posterior del pistón principal (5) por el orificio calibrado (a) y llegar frente al cono piloto (3) a través del orificio calibrado (b). En el momento exacto en el que la presión en el circuito va a alcanzar (pero aún no ha alcanzado) el valor de calibrado del resorte (2), la presión en el conjunto de la válvula “pilotada”, es decir, detrás de (A), es estática. En cuanto la presión ejerce sobre el cono piloto (3) un empuje preponderante sobre el empuje antagónico ocasionado por el resorte (2), el cono piloto (3) se desplaza hacia la izquierda y descubre el retorno (R’), por lo que el fluido circula hacia el depósito por este orificio. La sección del orificio (b) es muy superior a la del orificio (a); se comprende por lo tanto que la pérdida en fluido por (b) no puede ser compensada por el caudal que proviene de (a). Por lo tanto, de ello se deriva una pérdida de carga detrás del pistón principal (5) que se desplaza francamente hacia la izquierda, permitiendo un gran caudal de retorno hacia (R). Cuando la presión disminuye, el cono del piloto vuelve a apoyarse sobre su asiento y el pistón principal cierra el retorno hacia (R). Ventajas e inconvenientes de las válvulas de limitación de presión pilotadas Este tipo de válvulas tienen la ventaja de que prácticamente no vibran, además de que permiten una gama de regulación más amplia; sin embargo, tomando en cuenta que a partir del momento en que actúa la válvula, todo el fluido transportado por la bomba regresa al depósito, por las dimensiones de ésta, se da cierto calentamiento; así también, si no se tiene el cuidado suficiente para mantener limpio el aceite que es transportado, éste puede obstruir la sección del orificio del pistón principal.

1.3.3. Depósito hidráulico

Tanque hidráulico La principal función del tanque hidráulico es almacenar aceite, aunque no es la única. El tanque también debe eliminar el calor y separar el aire del aceite. Los tanques deben tener resistencia y capacidad adecuadas, y no deben dejar entrar la suciedad externa. Los tanques hidráulicos generalmente son herméticos. La figura muestra los siguientes componentes del tanque hidráulico:

Tapa de llenado - Mantiene los contaminantes fuera de la abertura usada para llenar y añadir aceite al tanque. En los tanques presurizados la tapa de llenado mantiene hermético el sistema. Mirilla - Permite revisar el nivel de aceite del tanque hidráulico. El nivel de aceite debe revisarse cuando el aceite está frío. Si el aceite está en un nivel a mitad de la mirilla, indica que el nivel de aceite es correcto. Tuberías de suministro y retorno - La tubería de suministro permite que el aceite fluya del tanque al sistema. La tubería de retorno permite que el aceite fluya del sistema al tanque. Drenaje - Ubicado en el punto más bajo del tanque, el drenaje permite sacar el aceite en la operación de cambio de aceite. El drenaje también permite retirar del aceite contaminantes como el agua y sedimentos Tanque presurizado Los dos tipos principales de tanques hidráulicos son: tanque presurizado y tanque no presurizado. El tanque presurizado está completamente sellado. La presión atmosférica no afecta la presión del tanque. Sin embargo, a medida que el aceite fluye por el sistema, absorbe calor y se expande. La expansión del aceite comprime el aire del tanque. El aire comprimido obliga al aceite a fluir del tanque al sistema. La válvula de alivio de vacío tiene dos propósitos: evita el vacío y limita la presión máxima del tanque. La válvula de alivio de vacío evita que se forme vacío en el tanque al abrirse y permite que entre aire al tanque cuando la presión del tanque cae a 3,45 kPa (0,5 lb/pulg2).Cuando la presión del tanque alcanza el ajuste de presión de la válvula de alivio de vacío, la válvula se abre y descarga el aire atrapado a la atmósfera. La válvula de alivio de vacío puede ajustarse a presiones de entre 70 kPa (10 lb/pulg2) y 207 kPa (30 lb/pulg2). Otros componentes del tanque hidráulico son:

Rejilla de llenado - Evita que entren contaminantes grandes al tanque cuando se quita la tapa de llenado. Tubo de llenado - Permite llenar el tanque al nivel correcto y evita el llenado en exceso. Deflectores - Evitan que el aceite de retorno fluya directamente a la salida del tanque, y dan tiempo para que las burbujas en el aceite de retorno lleguen a la superficie. También evita que el aceite salpique, lo que reduce la formación de espuma en el aceite. Drenaje ecológico - Se usa para evitar derrames accidentales de aceite cuando se retira agua y sedimento del tanque. Rejilla de retorno -Evita que entren partículas grandes al tanque, aunque no realiza un filtrado fino. Tanque no presurizado El tanque no presurizado tiene un respiradero que lo diferencia del tanque presurizado. El respiradero permite que el aire entre y salga libremente. La presión atmosférica que actúa en la superficie del aceite obliga al aceite a fluir del tanque al sistema. El respiradero tiene una rejilla que impide que la suciedad entre al tanque.

Símbolos ISO del tanque hidráulico La figura indica la representación de los símbolos ISO del tanque hidráulico presurizado y no presurizado. El símbolo ISO del tanque hidráulico no

presurizado es simplemente una caja o rectángulo abierto en la parte superior. El símbolo ISO del tanque presurizado se representa como una caja o rectángulo completamente cerrado. A los símbolos de los tanques hidráulicos se añaden los esquemas de la tubería hidráulica para una mejor representación de los símbolos.

1.4. Cálculo de cilindros hidráulicos Los cilindros hidráulicos de movimiento lineal son utilizados comúnmente en aplicaciones en donde la fuerza de empuje del pistón y su desplazamiento son elevados. Los cilindros hidráulicos de movimiento giratorio pueden ser de pistón-cremallera-piñón y de dos pistones con dos cremalleras en los que el movimiento lineal del pistón es transformado en un movimiento giratorio mediante un conjunto de piñón y cremallera y el cilindro de aletas giratorias de doble efecto para ángulos entre 0° y 270°.

Otras formulas: Fuerzas de extensión y retracción.

F extensión [N] = P [MPa] * 𝜋∗𝐷2

4*0.9 = P [bar] *

𝜋∗𝐷2

40*0.9

F retracción [N] = P [MPa] * 𝜋∗(𝐷2− 𝑑2)

4 * 0.9 = P [bar] *

𝜋∗(𝐷2− 𝑑2)

40 * 0.9

Siendo: P= Presión de operación D= Diámetro interior del cilindro [mm] d= Diámetro del vástago del pistón [mm] 0.9= Coeficiente de rozamiento de rodamientos, juntas y partes móviles del cilindro. Caudal de fluido hidráulico:

Q [l/min] = 𝜋∗𝐷2 [𝑚𝑚 2]

4 * V [mm/s] *

60

1000

Velocidad efectiva del fluido hidráulico dentro de una tubería de diámetro interior d.

V [m/s] = 𝑄

𝑙

𝑚𝑖𝑛 ∗4

𝜋∗ 𝑑2 𝑚𝑚 ∗60

1.5. Circuitos hidráulicos básicos

El esquema que sigue representa un circuito hidráulico de fuerza clásico, donde el elemento de trabajo es un cilindro de fuerza. Los elementos constitutivos del circuito hidráulico son:

- Un recipiente con aceite. - Un filtro - Una bomba para el aceite. - Una válvula de control que incluye una válvula de seguridad o sobre

presión y la respectiva palanca de mando. - El cilindro de fuerza. - Conductos de comunicación.

Mientras la palanca de accionamiento de la válvula de control está en su posición de reposo (centro) el aceite bombeado por la bomba retorna libremente al recipiente, de manera que el cilindro de fuerza se mantiene inmóvil.

Una vez que se acciona la palanca de control en cualquiera de las dos direcciones, se cierra la comunicación del retorno libre al recipiente y se conecta la salida de la bomba a uno de los lados del cilindro de fuerza mientras que el otro lado se conecta al retorno. De esta forma la elevada presión suministrada por la bomba actúa sobre el pistón interior del cilindro de fuerza desplazándolo en una dirección con elevada fuerza de empuje. El movimiento de la palanca de control en la otra dirección hace el efecto contrario.

1.6. Circuitos hidráulicos de dos presiones o acoplados

Si en algunos sistemas hidráulicos se dispusiese de tan solo una presión de trabajo, la desproporción entre determinados componentes de los mismos y la tarea que están llamados a realizar seria considerable. Por ejemplo, en una prensa hidráulica la pieza puede colocarse en posición o sujetarse mediante un cilindro hidráulico pequeño, pero el trabajo lo realiza otro de mayores dimensiones y capacidad. Si las presiones de trabajo de ambos cilindros son iguales, el de posicionamiento puede ser demasiado pequeño para realizar la función que se le confía o el de mecanización de la pieza demasiado grande para que quepa en el espacio que le corresponde. También cabe que no pueda suministrase el caudal de aceite que precisa un cilindro de diámetro muy grande, debido al coste tan elevado de las bombas. Estas dificultades pueden obviarse optando por que una parte del sistema funcione a una determinada presión y la otra a una más baja o más alta. Frecuentemente, en un circuito completo conviene emplear, escalonada o simultáneamente, varias presiones distintas. Con un sistema de dos presiones puede reducirse considerablemente la influencia que algunos factores, como el calor, el desgaste, las fugas y el consumo de energía, ejercen sobre el sistema. Los métodos que se emplean para obtener dos o más presiones en un sistema recurren a válvulas reductoras, unidades de bombeo combinadas, válvulas de seguridad mandadas por levas, bombas independientes e intensificadores. Ejemplo circuito de prensa:

1.7. Elementos de trabajo y control hidráulico

· Elementos actuadores. Son los elementos que permiten transformar la energía del fluido en movimiento, en trabajo útil. Son los elementos de trabajo del sistema y se pueden dividir en dos grandes grupos: cilindros, en los que se producen movimientos lineales y motores, en los que tienen lugar movimientos rotativos. · Elementos de mando y control. Tanto en sistemas neumáticos como en hidráulicos, se encargan de conducir de forma adecuada la energía comunicada al fluido en el compresor o en la bomba hacia los elementos actuadores.

1.7.1. Clasificación de los elementos hidráulicos y sus partes

En todo sistema neumático o hidráulico se pueden distinguir los siguientes elementos: · Elementos generadores de energía. Tanto si se trabaja con aire como con un líquido, se ha de conseguir que el fluido transmita la energía necesaria para el sistema. En los sistemas neumáticos se utiliza un compresor, mientras que en el caso de la hidráulica se recurre a una bomba. Tanto el compresor como la bomba han de ser accionados por medio de un motor eléctrico o de combustión interna. · Elemento de tratamiento de los fluidos. En el caso de los sistemas neumáticos, debido a la humedad existente en la atmósfera, es preciso proceder al secado del aire antes de su utilización; también será necesario filtrarlo y regular su presión, para que no se introduzcan impurezas en el sistema ni se produzcan sobrepresiones que pudieran perjudicar su funcionamiento. Los sistemas hidráulicos trabajan en circuito cerrado, y por ese motivo necesitan disponer de un depósito de aceite y también, al igual que en los sistemas neumáticos, deberán ir provistos de elementos de filtrado y regulación de presión. · Elementos de mando y control. Tanto en sistemas neumáticos como en hidráulicos, se encargan de conducir de forma adecuada la energía comunicada al fluido en el compresor o en la bomba hacia los elementos actuadores. · Elementos actuadores. Son los elementos que permiten transformar la energía del fluido en movimiento, en trabajo útil. Son los elementos de trabajo del sistema y se pueden dividir en dos grandes grupos: cilindros, en los que se producen movimientos lineales y motores, en los que tienen lugar movimientos rotativos.

1.7.2. Simbología

2- SISTEMAS NEUMÁTICOS 2.1. Introducción a la neumática

La neumática es la tecnología que emplea el aire comprimido como modo de transmisión de la energía necesaria para mover y hacer funcionar mecanismos. El aire es un material elástico y por tanto, al aplicarle una fuerza, se comprime, mantiene esta compresión y devolverá la energía acumulada cuando se le permita expandirse, según la los gases ideales.

2.2. Producción y tratamiento de aire comprimido

El aire comprimido, por el hecho de comprimirse, comprime también todas las impurezas que contiene, tales como polvo, hollín, suciedad, hidrocarburos, gérmenes y vapor de agua. A estas impurezas se suman las partículas que provienen del propio compresor, tales como polvo de abrasión por desgaste, aceites y aerosoles y los residuos y depósitos de la red de tuberías, tales como óxido, residuos de soldadura, y las substancias hermetizantes que pueden producirse durante el montaje de las tuberías y accesorios. Estas impurezas pueden crear partículas más grandes (polvo +aceite) por lo que dan origen muchas veces a averías y pueden conducir a la destrucción de los elementos neumáticos. Es vital eliminarlas en los procesos de producción de aire comprimido, en los compresores y en el de preparación para la alimentación directa de los dispositivos neumáticos. Por otro lado, desde el punto de vista de prevención de los riesgos laborales, el aire de escape que contiene aceite puede dañar la salud de los operarios y, además, es perjudicial para el medio ambiente.

2.2.1. Componentes de un sistema neumático

2.2.2. Preparación de aire comprimido El proceso puede clasificarse en tres fases. La eliminación de partículas gruesas, el secado y la preparación fina del aire. En el compresor, el aire se calienta, por lo que es necesario montar un equipo de refrigeración del aire inmediatamente detrás del compresor. El aumento de temperatura en el calentamiento viene dado por la siguiente fórmula:

T2=T1*(𝑃2

𝑃1)𝑘−1

𝑘

Siendo: T1 = temperatura del aire de entrada al compresor en grados kelvin. T2 = temperatura del aire a la salida del compresor en grados kelvin. P1 = presión del aire a la entrada del compresor en bar. P2 =presión del aire a la salida del compresor en bar. k = 1,38 a 1,4 La refrigeración de se consigue en compresores pequeños, con aletas de refrigeración montadas en los cilindros que se encargan de irradiar el calor y en los compresores mayores, un ventilador adicional, que es la cual el calor o bien en caso de potencias muy grandes con un sistema de refrigeración por circulación de agua en circuito cerrado o abierto. Si no se utiliza un compresor exento de aceite el aire contendrá una mezcla comprimida de aire y aceite y partículas gruesas que debe extraerse mediante un separador (deposito acumulador situado a la salida del compresor). A continuación, el aire de secarse para conseguir que su punto de rocío sea bastante inferior a la temperatura mínima que se va a tener a lo largo del año en el ambiente de trabajo donde están los equipos neumáticos. El secado tiene lugar en el filtro secador, siendo los procedimientos usuales el secado por frío, el de absorción, el de membrana y el de adsorción. En el método de secado por frío o de refrigeración, del aire disminuye por efecto de un agente refrigerante formándose condensado y disminuyendo así el contenido de agua del aire.

En el secado por adsorción, la humedad es absorbida y se disuelve en una sustancia química. La sustancia química es una solución salina a base de NaCl que se consume a razón de un kilogramo de sal por cada 13 kg de condensado, por lo que debe reponerse constantemente. Con este sistema, se alcanza un. De condensación máximo de -15 °C. Otros agentes refrigerantes son glicerina, ácido sulfúrico, tiza deshidratada y sal de magnesio y hiperacidificado.

Los secadores de membrana están compuestos por un haz de fibras huecas permeables al vapor y que está rodeada por aire seco derivado del aire que ya fue sometido al proceso de secado. El secado se produce por la diferencia parcial de presión entre el aire húmedo en el interior de las fibras huecas y el flujo en sentido contrario del aire seco. Con este método se alcanzan puntos de condensación de hasta -40 °C (punto de rocío del aire comprimido). Las fibras huecas son de material exento de silicona y están cubiertas de una ínfima capa que forma la superficie de la membrana. Las membranas pueden ser porosas que impiden el paso de agua y aceite y homogéneas que sólo permiten el paso del vapor de agua. El aire de enjuague al proceder del proceso de secado representa un consumo importante de aire que reduce el rendimiento del secador. Estos secadores se utilizan preferentemente en tramos parciales de la red o en sus puntos finales. En el proceso de secado por adsorción, las fuerzas moleculares induce el enlace de las moléculas del gas o del vapor. El agente secante es un gel que también se consume, aunque puede regenerarse. Según el tipo de agente secador que se utilice, se alcanzan puntos de condensación de hasta -70 °C.

2.2.3. Acumulador de aire comprimido

Tiene la finalidad de almacenar el aire comprimido que proporciona el compresor. Su fin principal consiste en adaptar el caudal del compresor al consumo de la red. Debe cumplir varios requisitos; entre ellos: una puerta para inspección interior, un grifo de purga, un manómetro, válvula de seguridad, válvula de cierre, e indicador de temperatura. Puede colocarse horizontal o verticalmente, pero a ser posible alejado de toda fuente calorífica, para facilitar la condensación del vapor de agua procedente del compresor.

Sus funciones en una instilación de aire comprimido son: • Amortiguar las pulsaciones del caudal de la salida de los compresores.

• Permitir que los motores de arrastre de los compresores no tengan que trabajar de manera continua, sino intermitente.

• Hacer frente a las demandas punta del caudal sin que se provoquen caídas de presión. Por lo general los depósitos son cilíndricos de chapa de acero. Los factores que influyen en el dimensionamiento de los depósitos son el caudal del compresor (mínimo debe tener 1/10 el volumen entregado en un minuto por el compresor, en hidráulica deben ser mínimo 3 veces mayor que el caudal), las variaciones de demanda, y la refrigeración. Símbolo de depósito:

2.3. Elementos de un sistema neumático

En todo sistema neumático se pueden distinguir los siguientes elementos: · Elementos generadores de energía. Tanto si se trabaja con aire como con un líquido, se ha de conseguir que el fluido transmita la energía necesaria para el sistema. En los sistemas neumáticos se utiliza un compresor, mientras que en el caso de la hidráulica se recurre a una bomba. Tanto el compresor como la bomba han de ser accionados por medio de un motor eléctrico o de combustión interna. · Elemento de tratamiento de los fluidos. En el caso de los sistemas neumáticos, debido a la humedad existente en la atmósfera, es preciso proceder al secado del aire antes de su utilización; también será necesario filtrarlo y regular su presión, para que no se introduzcan impurezas en el sistema ni se produzcan sobrepresiones que pudieran perjudicar su funcionamiento. Los sistemas hidráulicos trabajan en circuito cerrado, y por ese motivo necesitan disponer de un depósito de aceite y también, al igual que en los sistemas neumáticos, deberán ir provistos de elementos de filtrado y regulación de presión. · Elementos de mando y control. Tanto en sistemas neumáticos como en hidráulicos, se encargan de conducir de forma adecuada la energía comunicada al fluido en el compresor o en la bomba hacia los elementos actuadores. · Elementos actuadores. Son los elementos que permiten transformar la energía del fluido en movimiento, en trabajo útil. Son los elementos de trabajo del sistema y se pueden dividir en dos grandes grupos: cilindros, en los que se producen movimientos lineales y motores, en los que tienen lugar movimientos rotativos.

2.4. Introducción al mando neumático Los mandos neumáticos están constituidos por elementos de señalización, elementos de mando y elementos de trabajo.

2.5. Mandos elementales

Los mandos neumáticos están constituidos por elementos de señalización, elementos de mando y un aporte de trabajo. Los elementos de señalización y mando modulan las fases de trabajo de los elementos de trabajo y se denominan válvulas.

Para el tratamiento de la información de mando es preciso emplear aparatos que controlen y dirijan el fluido de forma preestablecida, lo que obliga a disponer de una serie de elementos que efectúen las funciones deseadas relativas al control y dirección del flujo del aire comprimido.

En los principios de la automatización, los elementos rediseñados se mandan manual o mecánicamente. Cuando por necesidades de trabajo se precisaba efectuar el mando a distancia, se utilizan elementos de comando por símbolo neumático (cuervo).

Actualmente, además de los mandos manuales para la actuación de estos elementos, se emplean para el comando procedimientos servo-neumáticos, electro-neumáticos y automáticos que efectúan en su totalidad el tratamiento de la información y de la amplificación de señales.

La gran evolución de la neumática y la hidráulica ha hecho, a su vez, evolucionar los procesos para el tratamiento y amplificación de señales, y por tanto, hoy en día se dispone de una gama muy extensa de válvulas y distribuidores que nos permiten elegir el sistema que mejor se adapte a las necesidades.

Hay veces que el comando se realiza manualmente, y otras nos obliga a recurrir a la electricidad (para automatizar) por razones diversas, sobre todo cuando las distancias son importantes y no existen circunstancias adversas.

2.6. Programación con PLC. Una instalación neumática o hidráulica puede controlarse desde un PLC (controladores lógicos programables) con la ventaja de ser modificable. De modo que la programación y el aspecto de las pantallas del monitor pueden cambiarse más adelante para una nueva instalación, o bien, diseñar simplemente una mejora en el circuito. Existe una norma de estandarización de programas para el PLC con cuatro lenguajes de programación que son los más utilizados.

- Lenguaje de contactos (ladder) Emula la estructura de los esquemas eléctricos. Representa una red de contactos y bobinas que el autómata ejecuta secuencialmente.

- Lenguaje lista de instrucciones. Está formado por una serie de instrucciones ejecutadas secuencialmente por el PLC y es parecido al lenguaje ensamblador, pero se estructura igual que el lenguaje de contactos porque las instrucciones se organizan en secuencia. Dispone de dos tipos de códigos de instrucción, el de prueba y el de acción.

- Lenguaje literal estructurado: al igual que el de lista de instrucciones es un lenguaje evolucionado. Se basa en el código C y resulta muy sencillo para gestionar tablas, funciones aritméticas, etc.

- Lenguaje Grafcet: permite representar gráficamente el funcionamiento de un automatismo secuencial. Su estructura está basada en etapas y transiciones y permite representar cualquier diagrama de estados.

2.7. Elementos de trabajo y control neumático

- Elementos de trabajo: De movimiento rectilíneo (Cilindros) De movimiento giratorio (Motores de aire comprimido) - Elemento de control: La función de las válvulas es controlar la presión o la rapidez del flujo de presión medio.

2.7.1. Clasificación de los elementos neumáticos y sus partes

Los elementos neumáticos se pueden dividir en elementos de trabajo y elementos de control, como se vio en el punto anterior. A continuación solamente veremos los tipos de los elementos de control y trabajo y los veremos más detalladamente en el capítulo 3 (elementos de control y mando) y capítulo 4 (actuadores).

- Elementos de trabajo. (Actuadores, véase capitulo 4) De movimiento rectilíneo, Cilindros neumáticos: Existen diferentes tipos: de simple efecto, de membrana y de doble efecto (doble vástago, tándem, giro, etc.). De Movimiento giratorio, motores:

Estos elementos transforman la energía neumática el movimiento de giro mecánico. En los motores de aire comprimido su ángulo de giro no está limitado, se dividen en tres tipos de motores de émbolo, aletas y engranajes. - Elementos de control (véase capitulo 3. Elementos de control y mando) Las válvulas son elementos que mandan o regulan la puesta en marcha, el paro y la dirección, así como, la presión o el caudal del fluido enviado por una bomba o que está almacenado en un depósito. - Elementos generadores de energía. En los sistemas neumáticos se utiliza un compresor, el cual es accionado por medio de un motor eléctrico o de combustión interna. Compresores: La presión atmosférica es una presión muy pequeña como para poder ser utilizada en los circuitos neumáticos. Por ello es necesario disponer de aire a presiones superiores, obteniendo de esta forma lo que se conoce como aire comprimido. El elemento cuya función es la de elevar la presión del aire se denomina compresor. De esta forma podemos definir como compresor a una máquina que toma el aire en unas determinadas condiciones y lo impulsa a una presión mayor a la de entrada. El compresor para poder realizar este trabajo de compresión debe tomar la energía de un motor eléctrico.

En los esquemas neumáticos cada uno de los elementos que lo forman son representados por símbolos. En la figura se representa el símbolo correspondiente al compresor.

Tipos de compresores:

Compresor de émbolo. Este compresor aspira el aire a la presión atmosférica y luego lo comprime. Se compone de las válvulas de admisión y escape, émbolo y biela-manivela. Admisión: El árbol gira en el sentido del reloj. La biela desciende el émbolo hacia abajo y la válvula de admisión deja entrar aire 10º después del punto muerto superior, hasta el punto muerto inferior. Escape: En el punto muerto inferior le válvula se cierra, y al ascender el émbolo se comprime el aire. Bajo el efecto de la presión, se abre y circula el aire comprimido hacia el consumidor.

Compresor de émbolo de dos etapas El movimiento molecular, provoca una elevación de la temperatura: Ley de transformación de la energía. Si se desean obtener presiones mayores es necesario disminuir la temperatura. En este tipo de compresores existe una cámara de enfriamiento del aire antes de pasar a la segunda compresión.

Compresor de émbolo, de dos etapas, doble acción. La compresión se efectúa por movimiento alternativo del émbolo. El aire es

aspirado, comprimido, enfriado y pasa a una nueva compresión para obtener una presión y rendimiento superior.

Compresor de émbolo con membrana. El funcionamiento es similar al del compresor de émbolo. La aspiración y comprensión la realiza la membrana, animada por un movimiento alternativo. El interés de este compresor radica en la ausencia de aceite en el aire impulsado por este tipo.

Compresor radial de paletas. Un rotor excéntrico, dotado de paletas gira en un alojamiento cilíndrico. La estanqueidad en rotación se asegura por la fuerza centrífuga que comprime las paletas sobre la pared. La aspiración se realiza cuando el volumen de la cámara es grande y resulta la compresión al disminuir el volumen progresivamente hacia la salida. Pueden obtenerse presiones desde 200 a 1000 kPa (2 a 10 bares), con caudales entre 4 y 15 m³/min.

Compresor de tornillo. La aspiración y la compresión se efectúan por dos tornillos, uno engrana en el otro. La compresión se realiza axialmente. Pueden obtenerse a presiones de 1000kPa (10 bares) caudales entre 30 a 170 m³/min.

Compresor Rooths. Dos llaves que giran en sentido inverso encierran cada vuelta un volumen de aire entre la pared y su perfil respectivo. Este volumen de aire es llevado al fin del giro a la presión deseada.

Turbo compresor. Este tipo de compresor es una turbina de tres etapas. El aire es aspirado, y su presión se eleva en cada etapa 1.3 veces aproximadamente.

Turbocompresor radial. El aire aspirado axialmente es introducido a una velocidad muy alta. La compresión tiene lugar radialmente. Este tipo de compresor es recomendable cuando se desean grandes caudales. Entre las diferentes etapas hay que tener previsto las cámaras de enfriamiento.

Turbocompresor axial. Este tipo de compresor funciona con el principio del ventilador. El aire es aspirado e impulsado simultáneamente. Las presiones son muy bajas, pero los caudales pueden ser muy elevados.

- Elemento de tratamiento de los fluidos. En el caso de los sistemas neumáticos, debido a la humedad existente en la atmósfera, es preciso proceder al secado del aire antes de su utilización; también será necesario filtrarlo y regular su presión, para que no se introduzcan impurezas en el sistema ni se produzcan sobrepresiones que pudieran perjudicar su funcionamiento. Los

procesos de secado ya se trataron en el punto 2.2.2, ahora veremos a otros elementos que son el filtro y el lubricador.

Filtro de aire comprimido con purga. Este filtro libera las impurezas, sobre todo agua condensada. El aire es conducido por una guía que la imprime un rápido movimiento circular, con lo cual las partículas más pesadas y las gotas de agua son proyectadas hacia fuera, a la pared de la cubeta del filtro, donde se precipitan. El condensado se recoge en la parte inferior y debe ser evacuado a través del tornillo de purga, cuando se haya alcanzado la cota del nivel máximo. 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 debe limpiarse o sustituirse periódicamente.

Lubricador de aire comprimido Con este elemento, 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. Funcionamiento: El aire atraviesa el lubricador, y una parte se conduce a través de una tobera. La caída de presión hace que, a través de un tubo de subida, se aspire aceite del depósito. En la tobera de aspiración el aire circulante arrastra las gotas de aceite, pulverizándolas.

2.7.2. Simbología

3. ELEMENTOS DE CONTROL Y MANDO3.1 Válvulas 3.1.1. Válvulas distribuidoras.

En el sistema neumático:Dirigen el aire comprimido hacia varias vías en el arranque, la parada y el cambio de sentido del movimiento del pistón dentro del cilindro.

- Válvula normal cerrada = no permite el paso del aire en posición de reposo. Si se acciona, permite circular el aire comprimido.

- Válvula normal abierta = en reposo el paso del aire está libre y al accionarla se cierra.

- Posición de partida = un movimiento de las partes móviles de una válvula al estar montada en un equipo y alimentarla a la presión de la red neumática.

Los cilindros accionados por las válvulas distribuidoras se representan con las letras A, B, C, etc. Los sensores asociados de posición inicial y final del vástago con un código alfa numérico. Ejemplo:

Cilindro aa0 = posición de inicial vástago con el pistón completamente retraído.a1 = la posición final vástago con el pistón completamente extendido.

Para representar a las funciones de las válvulas distribuidoras se utilizan símbolos que indican el número de posiciones y de vías de la válvula y su funcionamiento. El número de posiciones viene representado por el número de cuadrados yuxtapuestos en cuyo interior se dibuja el esquema de funcionamiento, siendo las líneas el número de tuberías o de conductos, cuya unión se representa mediante un punto.Las conexiones se representan por medio de trazos externos unidos al cuadrado. La casilla indica la posición de reposo de la válvula distribuidora, es decir, la posición que ocupa cuando la válvula no estar accionada. La posición inicial es la que toma la válvula cuando se establece la presión o bien la conexión de la tensión eléctrica y es la posición por medio de la cual comienza el programa preestablecido.

En el sistema hidráulicoLas válvulas distribuidoras o de control direccional se utilizan para cambiar el sentido del flujo de aceite dentro del cilindro y mover el pistón de un extremo al otro de su carrera.- Válvula 2/2: controla el paro, el arranque y la dirección del caudal. La posición inicial de la válvula puede ser normalmente abierta o normalmente cerrada, según sea la disposición del obturador y del resorte. Las entradas número uno y número dos admiten una presión máxima de 350 bar y el caudal puede pasar en ambas direcciones. Un botón lateral permite el mando manual sin necesitar la excitación del solenoide.- Válvula 3/2: es semejante a la válvula 2/2 con la diferencia de que tiene 3 vías que durante la conmutación se conectan brevemente (solape negativo).- Válvula 4/2: es semejante a la válvula 2/2 con la diferencia que tiene 4 entradas de las que la 1, la 2 y la 3 admiten simultáneamente la expresión de 350 bar. Típicamente la entrada 3 se conecta a la bomba, las entradas 2 y 4 a los actuadores y la 1 al tanque.

3.1.2. Válvulas de control de presión.Las válvulas de control de presión se usan para controlar la presión de un circuito o de un sistema. Aunque las válvulas de control tienen diferentes diseños, su función es la misma. Algunos tipos de válvulas de control de presión son: válvulas de alivio, válvulas de secuencia, válvulas reductoras de presión, válvulas de presión diferencial y válvulas de descarga.

- Válvulas de alivio Los sistemas hidráulicos se diseñan para operar dentro de cierta gama de presión. Exceder esta gama puede dañar los componentes del sistema o convertirse en un peligro potencial para el usuario. La válvula de alivio mantiene la presión dentro de límites específicos y, al abrirse, permite que el aceite en exceso fluya a otro circuito o regrese al tanque.- Válvula de alivio de presión simple, presión de apertura de la válvula: La válvula de alivio simple (también llamada válvula de accionamiento directo) se mantiene cerrada por acción de la fuerza del resorte. La tensión del resorte se ajusta a una “presión de alivio”. Sin embargo, el ajuste de la presión de alivio no es la presión a la que la válvula comienza a abrirse.Cuando ocurre una condición que causa resistencia en el circuito al flujo normal de aceite, el flujo de aceite en exceso hace que la presión de aceite aumente. El aumento de la presión de aceite produce una fuerza en la válvula de alivio. Cuando la fuerza de la presión de aceite, en aumento, sobrepasa la fuerza del resorte de la válvula de alivio, la válvula se mueve contra el resorte y la válvula comienza a abrirse. La presión requerida para comenzar a abrir la válvula se llama “presión de apertura”. La válvula se abre lo suficiente para permitir que sólo el aceite en exceso fluya a través de la válvula.

Válvula de alivio de presión simple, ajuste de la presión de alivio: Un aumento en la resistencia del flujo de aceite aumenta el volumen de aceite en exceso y por lo tanto la presión del circuito. El aumento de presión del circuito sobrepasa la nueva tensión del resorte y hace que se abra la válvula de alivio.El proceso se repite hasta que todo el flujo de la bomba esté fluyendo a través de la válvula de alivio. Este es el “ajuste de la presión de alivio”, como se muestra en la figura 3.4.2.La válvula de alivio simple se usa generalmente cuando el volumen del flujo de aceite en exceso es bajo o se necesita una respuesta rápida. Esto hace a la válvula de alivio simple, ideal para aliviar presiones por choque o como válvula de seguridad.

Válvula de alivio de operación piloto, posición CERRADA La válvula de alivio de operación piloto se usa con frecuencia en sistemas que requieren un gran volumen de aceite y donde hay una diferencia pequeña entre la presión de apertura de la válvula y la presión de flujo pleno.En la válvula de alivio de operación piloto, una válvula piloto (válvula de alivio simple) controla la válvula de descarga (válvula principal).La válvula piloto es mucho más pequeña y no maneja un volumen grande de flujo de aceite. Por tanto, el resorte de la válvula piloto es también más pequeño y permite un control de presión más preciso. La diferencia entre la presión de apertura de la válvula piloto y la presión máxima se mantiene al mínimo.La válvula de descarga es lo suficientemente grande para manejar el flujo completo de la bomba a la presión de alivio máxima determinada. La válvula de descarga usa la presión de aceite del sistema para mantener la válvula cerrada. Por tanto, el resorte de la válvula de descarga no necesita ser muy fuerte y pesado. Esto permite a la válvula de descarga tener una presión de apertura más precisa.

El aceite del sistema fluye a la caja de la válvula de alivio a través del orificio de la válvula de descarga y llena la cámara del resorte de la válvula de descarga. El aceite en la cámara del resorte de la válvula de descarga entra en contacto con una pequeña área de la válvula piloto. Esto permite que la válvula piloto use un resorte pequeño para controlar una presión alta. Cuando la presión de aceite aumenta en el sistema, la presión será la misma en la cámara del resorte de la válvula de escape. Por tanto, la presión de aceite será igual en ambos lados de la válvula de descarga. La fuerza combinada de la presión de aceite del sistema en la cámara del resorte de la válvula de descarga y la fuerza del resorte en la parte

superior de la válvula de descarga, es mayor que la fuerza de la presión de aceite del sistema contra la parte inferior de la válvula. La fuerza combinada en la cámara del resorte mantiene la válvula de descarga cerrada.

Válvula de alivio de operación piloto en posición ABIERTA Cuando la presión de aceite del sistema excede el valor del resorte de la válvula piloto (figura 3.4.4), se abre la válvula piloto y permite que el aceite de la cámara del resorte de la válvula de descarga fluya al tanque. El orificio de la válvula piloto es más grande que el orificio de la válvula de descarga. Por tanto, el flujo de aceite pasará por la válvula piloto más rápido que a través del orificio de la válvula de descarga. Esto hará que la presión disminuya en la cámara del resorte de la válvula de descarga. La fuerza debido a la presión más alta del aceite del sistema, mueve la válvula de descarga contra el resorte. El flujo de aceite en exceso de la bomba fluye a través de los orificios de estrangulamiento en la válvula de descarga al tanque. Los orificios de estrangulamiento, al descargar el volumen de aceite necesario, mantienen la presión de alivio deseado en la válvula de descarga.

- Válvula de secuencia en posición CERRADA: La válvula de secuencia es simplemente una válvula de alivio de operación piloto en serie con un segundo circuito. La válvula de secuencia se usa cuando una bomba suministra aceite a dos circuitos y uno de los circuitos tiene prioridad sobre el otro.

La válvula de secuencia bloquea el flujo de aceite al circuito 2, hasta que el circuito 1 esté lleno. Cuando el aceite de la bomba llena el circuito 1, comienza a aumentar la presión de aceite. El aumento produce una fuerza a través del circuito, así como

en la parte inferior de la válvula de descarga y en la cámara del resorte de la válvula de descarga de la válvula de secuencia.

Válvula de secuencia en posición ABIERTA Cuando la presión en la cámara del resorte de la válvula de descarga excede el valor del ajuste de la válvula piloto, la válvula piloto se abre. La válvula piloto abierta permite que el aceite pase de la cámara del resorte de la válvula de descarga al tanque y que la presión disminuya en la cámara del resorte de la válvula de descarga. La fuerza de la presión más alta del sistema de aceite mueve la válvula de descarga contra el resorte de la válvula de descarga y abre el conducto al circuito 2. El flujo de aceite de la bomba pasa a través de la válvula de secuencia al circuito 2. La válvula de secuencia permanece abierta hasta que la presión del circuito 1 disminuya a un valor menor que la presión de control de la válvula de secuencia.

- Válvula reductora de presión: La válvula reductora de presión permite que dos circuitos con diferente presión obtengan suministro de la misma bomba. La válvula de alivio del sistema controla la presión máxima de aceite de suministro. La válvula reductora de presión controla la presión máxima del circuito de aceite controlado.

Válvula reductora de presión en condición normal de operación: Cuando la presión aumenta en el circuito de aceite controlado, el aumento produce una fuerza en la cámara del pistón. El aumento de presión mueve a la izquierda el pistón contra el carrete de la válvula y la fuerza del resorte. Cuando el carrete de la válvula se mueve a la izquierda, el carrete restringe el suministro de aceite que fluye a través de la válvula y reduce la presión del circuito del aceite controlado. El movimiento del carrete de la válvula crea un orificio variable entre el suministro de aceite y el circuito de aceite controlado. El orificio variable permite que aumente o disminuya la presión en el circuito de aceite controlado, variando el flujo de aceite, como sea necesario.

El aceite de la cámara del resorte debe drenar al tanque. Cualquier aumento en la presión del aceite de la cámara del resorte produce un aumento en el ajuste de control de presión de la válvula.

- Válvula de presión diferencial, condición de operación normal Cuando el circuito primario se llena de aceite, la presión comienza a aumentar. Cuando la presión del circuito primario alcanza más de 345 kPa (50 lb/pulg2), la presión del circuito primario sobrepasa la fuerza del resorte de la válvula de presión diferencial de 345 kPa y mueve la válvula de presión diferencial hacia la izquierda. El suministro de aceite fluye al circuito secundario y a través del conducto a la cámara del resorte de la válvula de presión diferencial.Cuando el circuito secundario se llena de aceite, la presión comienza a aumentar. El aumento de presión ejerce fuerza en la cámara del resorte de la válvula depresión diferencial. La fuerza combinada del resorte y la presión de aceite mueven el carrete de la válvula a la derecha intentando cortar el flujo de aceite al circuito secundario. Sin embargo, el aumento de presión del circuito primario mantiene la válvula abierta. La presión aumenta tanto en el circuito primario como en el secundario hasta cuando la válvula de alivio se abre y envía el flujo de la bomba de regreso al tanque.La válvula de presión diferencial establece una posición que constantemente mantiene a 345 kPa la diferencia de presión entre los circuitos primario y secundario para todas las presiones mayores de 345 kPa.

3.1.3. Válvulas de control de flujo.El control de flujo tiene como objetivo controlar el volumen de flujo de aceite que entra o sale de un circuito. El control de flujo de un circuito hidráulico puede realizarse de varias maneras.El modo más común es colocando un orificio en el sistema. Al poner un orificio se produce una restricción mayor de la normal al flujo de la bomba. Una mayor restricción produce un aumento de la presión de aceite. El aumento de la presión del aceite hace que parte del aceite vaya por otro camino. El camino puede ser a través de otro circuito o a través de una válvula de alivio.

Orificio: Un orificio es una abertura pequeña en el paso del flujo de aceite. El flujo que pasa por un orificio se ve afectado por diferentes factores. Tres de los factores más comunes son:

1. La temperatura del aceite. 2. El tamaño del orificio. 3. La presión diferencial a través del orificio.

Temperatura: La viscosidad del aceite varía con los cambios de temperatura. La viscosidad es una medida de la resistencia del aceite a fluir a una temperatura determinada. El aceite hidráulico es más delgado y fluye más fácilmente cuando la temperatura aumenta.Tamaño del orificio: El tamaño del orificio controla el régimen de flujo a través del orificio. Un ejemplo común es un hueco en una manguera de jardín. Un hueco del tamaño de una cabeza de alfiler producirá un escape de agua muy fina. Un hueco más grande producirá un escape en forma de un chorro de agua. El hueco, pequeño o grande, produce un flujo de agua que escapa de la manguera. La cantidad de agua que escapa depende del tamaño del hueco (orificio).El tamaño del orificio puede ser fijo o variable.

- Válvula de retención con orificio fijo: generalmente usada en equipos de construcción. El orificio fijo es un hueco que va por el centro de una válvula de retención. Cuando el flujo de aceite está en el sentido normal, la válvula se abre y permite que el aceite fluya alrededor de la válvula y a través del orificio. Cuando el aceite intenta fluir en el sentido contrario, la válvula se cierra. Todo el aceite que fluye en el sentido contrario va a través del orificio y controla así el régimen de flujo.

Orificio variable: La figura muestra un orificio variable en forma de válvula de aguja. En la válvula de aguja, el tamaño del orificio cambia dependiendo de la posición de la punta de la válvula en relación con el asiento de la válvula.

El aceite que fluye a través de la válvula de aguja debe hacer un giro de 90° y pasar entre la punta de la válvula y el asiento de la válvula. La válvula de aguja es el dispositivo más frecuentemente usado cuando se necesita tener un orificio variable.Cuando el tornillo de la válvula se gira a la izquierda, el orificio aumenta de tamaño y aumenta el flujo a través de la válvula.Cuando el tornillo de la válvula se gira a la derecha, el orificio disminuye de tamaño y disminuye el flujo a través de la válvula.

- Válvula de control de flujo sin compensación de presión El diagrama de la figura consta de una bomba regulable, una válvula de alivio, un cilindro, una válvula de

control de flujo sin compensación de presión, dos manómetros y una válvula de control direccional accionada por palanca en tándem centrado, de tres posiciones y cuatro funciones.

La válvula de control de flujo sin compensación de presión tiene un orificio variable y una válvula de retención. Cuando el aceite fluye por el extremo de la cabeza del cilindro, la válvula de retención se asienta. El orificio variable controla el flujo de aceite en el extremo de la cabeza. Cuando el flujo de aceite sale por el extremo de la cabeza del cilindro, la válvula de retención se abre, el aceite sigue el paso de menor resistencia y fluye sin restricción a través de la válvula de retención.En un circuito de control de flujo sin compensación de presión, cualquier cambio de la presión diferencial a través del orificio producirá un cambio correspondiente en el flujo.La válvula de alivio se ajusta a 3.445 kPa. El orificio se ajusta a un flujo de 5 gal EE.UU/min a 3.445 kPa sin carga en el cilindro. La presión diferencial a través del orificio es de 3.445 kPa. Todo el aceite de la bomba fluye al cilindro a través del orificio.Cualquier intento de aumentar el flujo a través del orificio hará que la presión del sistema aumente por encima de la presión máxima ajustada en la válvula de alivio.Una disminución del flujo a través del orificio produce una disminución proporcional en la velocidad del cilindro.Un aumento del flujo produce un aumento proporcional de la velocidad del cilindro.

- Válvula de control de flujo con compensación de presión y de derivaciónEsta válvula automáticamente se ajusta a los cambios de flujo y de carga.Cambio de flujo: El flujo a través de la válvula depende del tamaño del orificio.Cualquier cambio del flujo de aceite a través del orificio produce un cambio de la presión en el lado corriente arriba del orificio. El mismo cambio de presión actúa contra el resorte y la válvula de descarga.Cuando el flujo de la bomba está entre los valores de flujo específico del orificio, la fuerza de la presión de aceite corriente arriba, actuando en la válvula de descarga, es menor que la fuerza combinada de la presión del aceite corriente abajo y la fuerza del resorte. La válvula de descarga permanece cerrada y todo el aceite de la bomba fluye a través del orificio.Cuando el flujo de la bomba es mayor que el flujo específico del orificio, la fuerza de la presión del aceite corriente arriba que actúa en la válvula de descarga, es mayor que la fuerza combinada de la presión de aceite corriente abajo y la fuerza del resorte. La válvula de descarga se abre y el aceite en exceso fluye a través de la válvula de descarga al tanque.

3.1.4. Válvulas de bloqueo.Estas válvulas sirven para bloquear el paso del fluido, se pueden distinguir 4 tipos de válvulas de bloqueo: antirretorno, simultaneas, selectivas y de escape.

- Válvulas antirretorno: bloquea el caudal del flujo en un solo sentido de paso dejando libre la circulación del fluido en sentido contrario.

- La válvula antirretorno operada por piloto, actúa al aplicar presión piloto levantando la bola para dejar paso al fluido en un solo sentido. Si no se aplica la presión piloto, la válvula se comporta como una válvula antirretorno normal.

- Válvula de simultaneidad: La válvula de simultaneidad abre el paso (función de Y o AND) hacia la salida 2 al aplicar presión en las entradas 1 y 1/3. Si se aplican presiones diferentes en las dos entradas, la señal que tiene la mayor presión llega a la salida. Se utiliza principalmente en mandos de enclavamiento, funciones, de control y operaciones lógicas.

- Válvulas selectivas: También se llama válvula antirretorno. de doble mando o antirretorno doble.

Esta válvula tiene dos entradas X y Y y una salida A. Cuando el aire comprimido entra por la entrada X, la bola obtura la entrada Y y el aire circula de X a A. Inversamente, el aire pasa de Y a A cuando la entrada X está cerrada. Cuando el flujo cesa en un cilindro o una válvula, la bola, por la relación de presiones, permanece en la posición en que se encuentra momentáneamente.

Esta válvula se denomina también «elemento 0 (OR)»; aísla las señales emitidas por válvulas de señalización desde diversos lugares e impide que el aire escape por una segunda válvula de señalización.

Si se desea mandar un cilindro o una válvula de mando desde dos o más puntos, será necesario montar esta válvula. Este tipo de válvula se utiliza cuando deseamos accionar una máquina desde más de un sitio de mando. El funcionamiento es sencillo de entender, si entra aire por una entrada, la bola se desplazará obturando la otra entrada y dejando salir el fluido por la salida. Si se da el evento de que entre fluido por ambas entradas, se cerrara la entrada que tenga una menor presión.

- Válvula de escape: Este tipo de válvulas tiene dos funciones que desempeñar. Una para liberar el aire lo antes posible, pues sí el aire tiene que pasar por gran cantidad de tubería, tardaría mucho en salir al exterior. La otra función, es que a veces quedan restos de presión en las tuberías, lo cual facilita que se den errores de funcionalidad en el circuito, con este tipo de válvula se previenen estos errores.

3.1.5. Servoválvulas.La servoválvula consiste en una bobina que recibe la señal eléctrica de control y en cuyo interior se encuentra una armadura flotante que en su centro recibe el chorro de aceite de dos toberas y por el extremo está unida al embolo de una válvula proporcional. La señal de control establece la posición del embolo y por lo tanto, gracias al diferente chorro de las toberas se establecen las presiones de salida de A y B que van a cada lado del cilindro. El conducto T comunica con el tanque de fluido hidráulico.

Las servoválvulas se aplican en el control de posición, la velocidad o la fuerza de un actuador hidráulico. Su principio de funcionamiento es parecido en los tres casos. El punto de consigna de posición, velocidad o fuerza actúa sobre el controlador quien envía una señal a la servoválvula para posicionar el actuador. El actuador envía una señal de realimentación al controlador que la compara con el punto de consigna. Y la señal de error correspondiente provoca que el controlador vuelva a emitir una señal de corrección al actuador hasta que la señal de error es nula.

3.2 Tipos de accionamientos de válvulas.La clase de accionamiento de una válvula no depende de función ni de su forma constructiva, sino que el dispositivo de accionamiento se agrega a la válvula básica. El medio de accionamiento se puede clasificar en accionamiento directo y a distancia. En el accionamiento directo, el órgano de mando esta directamente sobre la válvula, por ejemplo todas las clases de accionamiento manual y mecánico El accionamiento a distancia se divide en accionamiento neumático y accionamiento eléctrico. Como una particularidad de accionamiento de válvulas, se debe presentar una válvula accionada neumáticamente cuyo órgano de accionamiento permite simultáneamente una función de tiempo (temporizador). En la línea Z de mando entra aire comprimido a través de una válvula de estrangulación en un acumulador. De acuerdo con el ajuste del aire fluye más o menos aire en un intervalo de tiempo al acumulador en el que, al cabo de cierto tiempo alcanza determinada presión. La intervención de la válvula solo se efectúa si se ha alcanzado la presión de aire necesaria.

3.2.1. Accionamientos musculares.Accionamiento que requiere de un operador para accionar la válvula. Tipos: Pulsador, pulsador tipo hongo, palanca y pedal.

3.2.2. Accionamientos mecánicos.Accionamiento que por medio mecánico logra que la válvula cambie el flujo de aire entre sus puertos. Ejemplo: resorte, leva.

3.2.3. Accionamientos hidráulicos.Accionamiento que por medio de la presión de aceite cambia el flujo del mismo entre sus puertos, es un tipo de accionamiento fluídico.

3.2.4. Accionamientos neumáticos.Accionamiento que por medio de presión de aire la válvula cambia el flujo de aire entre sus puertos. Este tipo de accionamiento recibe el nombre de pilotaje. Pueden ser de acción directa (por presión o depresión), acción indirecta (servopilotaje, por presión o depresión en la válvula de mando principal, a través de la válvula de servopilotaje) o accionamiento combinado.

3.2.5. Accionamientos eléctricos.Accionamiento que a través de componentes eléctricos acciona la válvula. Ejemplo: solenoide.

3.3 Elementos de control eléctrico.Estos elementos tienen la tarea de transmitir las señales eléctricas de los más variados puntos de un mando (instalación) con diversos accionamientos y tiempos de función, al sector de procesamiento de señales. Si el mando de tales aparatos se hace a través de contactos eléctricos, se habla de mando de contacto, en vez de mando de sin contacto o electrónico. Se distinguen, por su función, los elementos de apertura, de cierre y alternos.

El accionamiento de estos elementos pueden ser manual, mecánico o por control remoto (energía eléctrica o neumática de mando). Otra distinción existe entre un pulsador (de palanca, de botón) toma al ser accionado, una posición de contacto, que dura tanto como el accionamiento sobre él. Al soltarlo regresa a su posición de reposo.

3.3.1. PulsadoresEntre los elementos de control se utilizan pulsadores, que cuentan con contactos que se cierran únicamente cuando están presionados, y, selectores, que cuentan con contactos que pueden tener posiciones fijas.

3.3.2. InterruptoresEstos interruptores son enclavados mecánicamente al primer accionamiento. En el segundo accionamiento se libera el enclavamiento y el interruptor regresa a la posición de reposo. El interruptor de botón, así como el pulsador ya descrito, están normalizados por la norma DIN 43 605 y tiene una construcción específica.Accionamiento:ENCENDIDO (línea)APAGADO (Circulo)O con las palabras encendido, apagado / On, Off /. Esta marca puede encontrarse cerca o directamente sobre el botón. Para botones ubicados uno bajo el otro, el botón de apagado esta siempre abajo. La distinción por colores de los botones no está prescrita. Si se toma alguna, el botón de peligro, generalmente es rojo.

3.3.3. SensoresEn la práctica se deben requerir materiales móviles (piezas, etc.) en maquinas e instalaciones para ser contadas. Casi siempre se opta por no utilizar finales de carrera mecánicos o magnéticos. En el primer caso no alcanza la fuerza de accionamiento de la pieza para accionar al interruptor, mientras en el segundo caso, la conducción del elemento no se hace ya por cilindros, como para poder pulsar magnéticamente.

Construcción: Los sensores inductivos constan de un oscilador, un paso de aumento y un amplificador.

Función: El oscilador genera con ayuda de su bobina oscilante, un campo alterno de alta frecuencia en forma de casquete que se desborda de la cara frontal del sensor.

Formas de trabajo: Según sea las necesidades, se pueden emplear sensores inductivos para sistemas con corriente alterna o corriente continua.

Empleo con corriente alterna: estos interruptores por proximidad trabajan en rangos de 20 V a 250 V. La frecuencia de conexión alcanza cerca de 50 impulsos por segundo.

3.3.4. Finales de carrera de contactoCon estos interruptores son detectadas posiciones finales muy específicas de partes mecánicas u otros elementos mecánicos. El punto de vista que rige la elección de dichos elementos de entrada de señal reside en el esfuerzo mecánico, la seguridad de contacto y la exactitud del punto de contacto. También se distinguen los finales de carrera por la forma de contacto: Gradual o repentino. En el primero la apertura o el cierre de los contactos se hacen a la misma velocidad que el accionamiento (propio para velocidades de arranque pequeñas). En el repentino, la velocidad de arranque no es significativa, pues en un cierto punto se da el contacto del pulsador de go'. El accionamiento de pulsador de límite puede ser por medio de una pieza constitutiva, como un botón o una palanca de rodillo.

3.3.5. SolenoidesEn un accionador de solenoide un campo electromagnético mueve un inducido que a su vez mueve un pasador de empuje. El pasador de empuje mueve finalmente el carrete de la válvula.Los dos accionadores más comunes de solenoide son el de solenoide de espacio de aire y el de solenoide húmedo.

- Solenoide de espacio de aire: Cuando se activa la bobina, se crea un campo electromagnético. Como todo campo, produce electricidad que fluye a través de un cable. Cuando el cable es recto, el campo es relativamente débil. Cuando el cable está enrollado en una bobina, el campo electromagnético es mucho más fuerte. El campo toma una forma circular alrededor de la bobina. Mientras mayor sea el número de vueltas en la bobina, mayor fuerza tendrá el campo.Cuando el flujo de electricidad a través de la bobina permanece constante, el campo electromagnético actúa como un campo de una barra de imán permanente. El campo electromagnético atrae el inducido. El inducido mueve un pasador de empuje y éste mueve el carrete en la válvula de control.El solenoide de espacio de aire está protegido por una cubierta. El solenoide de espacio de aire también tiene un “accionador manual”. El accionador manual permite que la válvula pueda activarse cuando el solenoide está averiado o se encuentra desarmado. Un pasador pequeño de metal se ubica en la cubierta. El pasador está directamente en línea con el inducido. Cuando se empuja el pasador dentro de la cubierta, mecánicamente mueve el inducido. El inducido mueve el pasador de empuje que a su vez desplaza el carrete.

- Solenoide de inducido húmedo El solenoide de inducido húmedo es un dispositivo prácticamente nuevo en los sistemas hidráulicos. El solenoide de inducido húmedo consta de un bastidor rectangular, una bobina, tubo, un inducido, un pasador de empuje y un accionador manual. El bastidor rectangular y la bobina están encapsulados en resina plástica. El tubo se ajusta dentro de un

orificio que va por el centro de la bobina y los dos lados del bastidor. El inducido está contenido en el tubo y está bañado con fluido hidráulico que proviene de la válvula direccional. El fluido hidráulico es mejor conductor del campo electromagnético que el aire. Por tanto, el solenoide de inducido húmedo trabaja con mayor fuerza que el solenoide de inducido de espacio de aire. Cuando la bobina se energiza, se crea un campo electromagnético. El campo electromagnético mueve el inducido. El inducido mueve un pasador de empuje y éste a su vez mueve el carrete en la válvula de control.En el solenoide de inducido húmedo, el accionador manual está en el extremo del tubo que contiene el inducido y el pistón de empuje. El accionador manual se usa para verificar el movimiento del carrete de la válvula direccional. Si el solenoide falla debido a que el carrete se atora, puede revisarse el movimiento del carrete oprimiendo el accionador manual. También puede usarse el accionador manual para verificar el ciclo del accionador, sin necesidad de energizar todo el sistema de control eléctrico.

3.3.6. RelevadoresLos relevadores son elementos constructivos que hacen contactos y controles con cierto gasto de energía. Con los relevadores se puede controlar una potencia mucho mayor con un consumo en potencia muy reducido. Los relevadores son empleados para procesar señales. Se pueden utilizar como interruptores electromagnéticos para rendimiento específico del contacto.Al inducir una tensión en la bobina fluye corriente eléctrica por el devanado, se genera un campo magnético, por el que la armadura es atraída hacia el núcleo de la bobina. La armadura misma esta unida mecánicamente a contactos que son abiertos o cerrados. Esta condición de contactó dura tanto como la tensión dura. Al quitar la tensión la armadura es llevada a su posición original con ayuda de un resorte.

3.3.7. ContactoresLos elementos más utilizados en los controles eléctricos son los contactores y los relevadores. Se dice que en su construcción son la misma cosa, aunque los contactores se utilizan para conectar cargas eléctricas, y, los relevadores para conectar partes de un control eléctrico.Los contactores tienen contactos principales del tipo normalmente abiertos y, los relevadores no tienen unos contactos que puedan decirse principales.Un contactor pequeño puede ser del mismo tamaño que un relevador, pero los contactos de un relevador nunca son para corrientes mayores a 15 amperes.Los relevadores y los contactores para usos específicos de hasta unos 50 amperes están siendo reemplazados por componentes de estado sólido, los cuales siempre y cuando son utilizados dentro de sus rangos de operación, tienen una vida útil muy grande. Otra ventaja es su rapidez de operación y su rigidez dieléctrica.

4. ACTUADORES 4.1. Actuadores neumáticos e hidráulicos.

Los actuadores son dispositivos capaces de generar una fuerza a partir de líquidos, de energía eléctrica y gaseosa. El actuador recibe la orden de un regulador o controlador y da una salida necesaria para activar a un elemento final de control como lo son las válvulas. Pueden ser hidráulicos, neumáticos o eléctricos. Los actuadores hidráulicos se emplean cuando lo que se necesita es potencia, y los neumáticos son simples posicionamientos. Sin embargo, los hidráulicos requieren demasiado equipo para suministro de energía, así como de mantenimiento periódico. Por otro lado, las aplicaciones de los modelos neumáticos también son limitadas desde el punto de vista de precisión y mantenimiento. El trabajo realizado por un actuador neumático puede ser lineal o rotativo. El movimiento lineal se obtiene por cilindros de émbolo (éstos también proporcionan movimiento rotativo con variedad de ángulos por medio de actuadores del tipo piñón-cremallera). También encontramos actuadores neumáticos de rotación continua (motores neumáticos), movimientos combinados e incluso alguna transformación mecánica de movimiento que lo hace parecer de un tipo especial. Los actuadores eléctricos también son muy utilizados en los aparatos mecatrónicos, como por ejemplo, en los robots. Los servomotores CA sin escobillas se utilizaran en el futuro como actuadores de posicionamiento preciso debido a la demanda de funcionamiento sin tantas horas de mantenimiento Los actuadores se dividen en 2 grande grupos: cilindros y motores.

4.1.1. Clasificación

Aunque en esencia los actuadores neumáticos e hidráulicos son idénticos, los neumáticos tienen un mayor rango de compresión y además existen diferencias en cuanto al uso y estructura.

Se clasifican en actuadores lineales y giratorios.

ACTUADORES NEUMÁTICOS LINEALES El cilindro neumático consiste en un cilindro cerrado con un pistón en su interior que desliza y que transmite su movimiento al exterior mediante un vástago. Se compone de las tapas trasera y delantera, de la camisa donde se mueve el pistón, del propio pistón, de las juntas estáticas y dinámicas del pistón y del anillo rascador que limpia el vástago de la suciedad. Los cilindros neumáticos independientemente de su forma constructiva, representan los actuadores más comunes que se utilizan en los circuitos neumáticos. Existen dos tipos fundamentales de los cuales derivan construcciones especiales.

- Cilindros de simple efecto, con una entrada de aire para producir una carrera de trabajo en un sentido.

- Cilindros de doble efecto, con dos entradas de aire para producir carreras de trabajo de salida y retroceso. Cilindros de simple efecto Un cilindro de simple efecto desarrolla un trabajo sólo en un sentido. El émbolo se hace retornar por medio de un resorte interno o por algún otro medio externo como cargas, movimientos mecánicos, etc. Puede ser de tipo “normalmente dentro” o “normalmente fuera”. Los cilindros de simple efecto se utilizan para sujetar, marcar, expulsar, etc. Tienen un consumo de aire algo más bajo que un cilindro de doble efecto de igual tamaño. Sin embargo, hay una reducción de impulso debida a la fuerza contraria del resorte, así que puede ser necesario un diámetro interno algo más grande para conseguir una misma fuerza. También la adecuación del resorte tiene como consecuencia una longitud global más larga y una longitud de carrera limitada, debido a un espacio muerto. Tipos de cilindros de simple efecto: Cilindros de émbolo, cilindros de membrana, cilindros de membrana enrollable. Cilindros de émbolo:

Cilindros de doble efecto Los cilindros de doble efecto son aquellos que realizan tanto su carrera de avance como la de retroceso por acción del aire comprimido. Su denominación se debe a que emplean las dos caras del émbolo (aire en ambas cámaras), por lo que estos componentes sí pueden realizar trabajo en ambos sentidos. Sus componentes internos son prácticamente iguales a los de simple efecto, con pequeñas variaciones en su construcción. Algunas de las más notables las encontramos en la culata anterior, que ahora ha de tener un orificio roscado para poder realizar la inyección de aire comprimido (en la disposición de simple efecto este orificio no suele prestarse a ser conexionado, siendo su función la comunicación con la atmósfera con el fin de que no se produzcan contrapresiones en el interior de la cámara).

El campo de aplicación de los cilindros de doble efecto es mucho más extenso que el de los de simple, incluso cuando no es necesaria la realización de esfuerzo en ambos sentidos. Esto es debido a que, por norma general (en función del tipo de válvula empleada para el control), los cilindros de doble efecto siempre contienen aire en una de sus dos cámaras, por lo que se asegura el posicionamiento. Para poder realizar un determinado movimiento (avance o retroceso) en un actuador de doble efecto, es preciso que entre las cámaras exista una diferencia de presión. Por norma general, cuando una de las cámaras recibe aire a presión, la otra está comunicada con la atmósfera, y viceversa. Este proceso de conmutación de aire entre cámaras nos ha de preocupar poco, puesto que es realizado automáticamente por la válvula de control asociada. En definitiva, podemos afirmar que los actuadores lineales de doble efecto son los componentes más habituales en el control neumático. Esto es debido a que: - Se tiene la posibilidad de realizar trabajo en ambos sentidos (carreras de avance y retroceso). - No se pierde fuerza en el accionamiento debido a la inexistencia de muelle en oposición. - Para una misma longitud de cilindro, la carrera en doble efecto es mayor que en disposición de simple, al no existir volumen de alojamiento. Otros tipos de cilindros: Cilindro neumático de fuelle. También conocido como motor neumático de fuelle, incorpora un cilindro de doble efecto, un sistema de accionamiento de válvula de control direccional y dos tornillos de regulación de velocidad de avance y retroceso. Cilindro neumático de impacto El vástago de este cilindro se mueve a una velocidad elevada del orden de los 10 m/s y esta energía se emplea para realizar trabajos de marcado de bancadas del motor, de perfiles de madera, de componentes electromecánicos y trabajos en presas de tiempo embutición, estampado, remachado, doblado, etc. Cilindro neumático sin vástago

Cuando el espacio disponible para el cilindro es limitado, el cilindro neumático sin vástago es la elección. Puede tener una carrera relativamente larga de unos 800 mm y mayor. Cilindro neumático guiado Uno de los problemas que presentan los cilindros convencionales es el movimiento de giro que puede sufrir el vástago, ya que el pistón, el vástago y la camisa del cilindro son de sección circular, por lo que ninguno de ellos evita la rotación. En algunas aplicaciones la rotación libre no es tolerable por lo que es necesario algún sistema anti giro. Uno de los sistemas que aparte de la función anti giro tiene otras ventajas es el cilindro neumático guiado que contiene dos o más pistones con sus vástagos, lo que da lugar a una fuerza doble de la de los cilindros convencionales. Cilindros de doble efecto multiposición. Consisten en dos o más cilindros de doble efecto acoplados en serie. Dos cilindros con carreras diferentes permiten obtener cuatro posiciones diferentes del vástago. Cilindros tándem Está constituido por dos cilindros de doble efecto que forman una unidad. Gracias a esta disposición, al aplicar simultáneamente presión sobre los dos émbolos se obtiene en el vástago una fuerza de casi el doble de la de un cilindro normal para el mismo diámetro.

ACTUADORES NEUMÁTICOS GIRATORIOS. Los actuadores rotativos o giratorios son los encargados de transformar la energía neumática en energía mecánica de rotación. Dependiendo de si el móvil de giro tiene un ángulo limitado o no, se forman los dos grandes grupos a analizar: Actuadores de giro limitado Son aquellos que proporcionan movimiento de giro pero no llegan a producir una revolución (exceptuando alguna mecánica particular como por ejemplo piñón – cremallera). Existen disposiciones de simple y doble efecto para ángulos de giro de 90º, 180º..., hasta un valor máximo de unos 300º (aproximadamente). Motores neumáticos Proporcionan un movimiento rotatorio constante. Se caracterizan por proporcionar un elevado número de revoluciones por minuto. ACTUADORES DE GIRO LIMITADO Actuador de paleta: El actuador de giro de tipo paleta quizá sea el más representativo dentro del grupo que forman los actuadores de giro limitado. Estos actuadores realizan un movimiento de giro que rara vez supera los 270º, incorporando unos topes mecánicos que permiten la regulación de este giro. Están compuestos por una carcasa, en cuyo interior se encuentra una paleta que delimita las dos cámaras. Solidario a esta paleta, se encuentra el eje, que atraviesa la carcasa exterior. Es precisamente en este eje donde obtenemos el trabajo, en este caso en forma de

movimiento angular limitado. Tal y como podemos apreciar en la figura, el funcionamiento es similar al de los actuadores lineales de doble efecto. Al aplicar aire comprimido a una de sus cámaras, la paleta tiende a girar sobre el eje, siempre y cuando exista diferencia de presión con respecto a la cámara contraria (generalmente comunicada con la atmósfera). Si la posición es inversa, se consigue un movimiento de giro en sentido contrario. Estos componentes presentan ventajas propias de los componentes de última generación, tal y como amortiguación en final de recorrido, posibilidad de detección magnética de la posición (mecánica o magnética), etc. La detección mecánica se ejecuta mediante elementos móviles exteriores ajustables en grado mediante nonio graduado.

Los cilindros que funcionan como actuadores giratorios, de giro limitado, son el cilindro giratorio de pistón-cremallera-piñón en el que el movimiento lineal des pistón es transformado en un movimiento giratorio mediante un conjunto de piñón y cremallera y el Cilindro de aletas giratorias de doble efecto para ángulos entre 0° y 270°. En la siguiente figura el cilindro pistón-cremallera-piñón:

Motores de aire comprimido Su ángulo de giro no está limitado, hoy es uno de los elementos de trabajo más empleados que trabajan con aire comprimido. Tipos de motores -embolo -aletas -engranajes Motores de émbolo Su accionamiento se realiza por medio de cilindros de movimiento alternativo, el aire comprimido acciona a través de una biela el cigüeñal del motor. La potencia de estos motores depende: a.- de la presión de entrada b.- del número de émbolos c.- de la superficie y velocidad de los émbolos. Existen dos tipos de motores de émbolos a.- Motor de émbolo axial b.- Motor de émbolo radial El funcionamiento de ambos es idéntico. Constan de cinco cilindros dispuestos axialmente, la fuerza se transforma por

medio de un plato oscilante en un movimiento rotativo. El aire lo reciben dos

cilindros simultáneamente al objeto de equilibrar el par y obtener un

funcionamiento normal. Estos motores se ofrecen para giro a derechas y a

izquierdas.

Motores de aletas Son de construcción sencilla y por tanto de reducido peso, constan de un rotor excéntrico dotado de ranuras, el cual gira en una cámara cilíndrica. En las ranuras se deslizan unas aletas, que son empujadas contra la pared interior del cilindro por el efecto de la fuerza centrífuga, y en otros casos por medio de resortes o muelles, garantizándose así la estanqueidad de las diversas cámaras. Es suficiente una pequeña cantidad de aire para empujar las aletas, y se va dilatando a medida que el volumen de la cámara aumenta

Motor de engranajes En estos motores, el par de rotación es generado por la presión que ejerce el aire sobre los flancos de los dientes de los piñones engranados, uno de los piñones es solidario con el eje del motor. Estos motores se utilizan generalmente en máquinas propulsores de gran potencia, su sentido de rotación es reversible.

ACTUADORES HIDRÁULICOS LINEALES Los cilindros hidráulicos de movimiento lineal son utilizados comúnmente en aplicaciones donde la fuerza de empuje del pistón y su desplazamiento son elevados. Los cilindros hidráulicos pueden ser de simple efecto, de doble efecto y telescópicos.

- En el primer tipo, el fluido hidráulico empuja en un sentido el pistón del cilindro y una fuerza externa (resorte o gravedad) lo retrae en sentido contrario. El cuerpo del cilindro es la caja externa tubular y contiene el pistón, el sello del pistón y el vástago. “Calibre” es el término usado para indicar el diámetro del pistón. El extremo del pistón del cilindro (algunas veces llamado “extremo ciego”) se conoce como el extremo de la cabeza. El extremo desde el cual el vástago se extiende y se retrae se conoce como el extremo del vástago.

- El cilindro de acción doble utiliza la fuerza generada por el fluido hidráulico para mover el pistón en los dos sentidos, mediante una válvula de solenoide. El cilindro de acción doble es el accionador hidráulico más común utilizado actualmente y se usa en los sistemas del implemento, la dirección y otros sistemas donde se requiera que el cilindro funcione en ambas direcciones. Puesto que los cilindros con vástago de acoplamiento son los cilindros de acción doble más comunes, se tiene en cuenta las pautas de la National Fluid Power Association (NFPA) para fijar las normas de calibre, tipo de montaje y dimensiones generales del cilindro. Esto permite usar los cilindros con vástago de acoplamiento de diferentes fabricantes, si tienen la misma descripción de diseño. Sin embargo, recuerde que aunque los cilindros pueden tener el mismo calibre, su calidad puede ser diferente. El calibre del cilindro es el término que indica el diámetro interno del cilindro. Un cilindro de calibre grande produce un mayor volumen por unidad de longitud que un cilindro de calibre pequeño. Para mover un pistón la misma distancia, un cilindro de calibre grande necesita más aceite que un cilindro de calibre menor. Por tanto, para un régimen de flujo dado, un cilindro de calibre grande se mueve más lentamente que un cilindro de calibre pequeño. El área efectiva de un cilindro es el área del pistón y de sello de pistón sobre la cual actúa el aceite. Debido a que uno de los extremos del vástago está unido al pistón y el extremo opuesto se extiende fuera del cilindro, el área efectiva del extremo del vástago es menor que el área efectiva del extremo de la cabeza. El aceite no actúa contra el área del pistón cubierta por la unión del vástago. El volumen de aceite necesario para llenar el extremo del vástago del cilindro es menor que el volumen de aceite necesario para cubrir el extremo de la cabeza del cilindro. Por tanto, para un régimen de flujo dado, el vástago del cilindro se retrae más rápido que el tiempo que tarda en extenderse.

- El cilindro telescópico contiene otros de menos diámetro en su interior y se expanden en etapas, son muy utilizados en grúas. Está constituido por los tubos cilíndricos y vástago de émbolo. En el avance sale primero el émbolo interior, siguiendo desde dentro hacia fuera los siguientes vástagos o tubos. La reposición de las barras telescópicas se realiza por fuerzas externas. La fuerza de aplicación está determinada por la superficie del émbolo menor.

- Otros elementos en los cilindros son: Sellos Los sellos se usan en diferentes partes del cilindro, como se muestra en la figura. El sello del pistón se usa entre el pistón y la pared del cilindro.

Su diseño permite que la presión de aceite extienda el sello contra la pared del cilindro, de manera que, a mayor presión, mayor fuerza sellante. El sello del extremo de la cabeza (sello anular) evita que el aceite escape por entre el cuello del vástago y la pared del cilindro. El sello de vástago es un sello en forma de “U” que limpia el aceite del vástago a medida que el vástago se extiende por el cilindro. El sello de labio se ajusta al cilindro e impide que la suciedad o el polvo entren al cilindro cuando se retrae el vástago del cilindro. Los sellos se fabrican en poliuretano, nitrilo o vitón. El material debe ser compatible con los fluidos usados y las condiciones de operación. Amortiguadores La figura muestra un cilindro con amortiguadores.

Cuando un cilindro en movimiento llega a un extremo muerto (como sucede al final de la carrera del cilindro), la acción que experimenta se conoce como “carga de choque”. Cuando un cilindro está sujeto a una carga de choque, se usan amortiguadores para minimizar el efecto. Cuando el pistón se aproxima al final de la carrera, el amortiguador se mueve dentro del conducto de aceite de retorno y restringe el flujo de aceite de retorno del cilindro. La restricción produce un aumento de la presión de aceite de retorno entre el conducto del aceite de retorno y el pistón. El aumento de la presión de aceite produce un “efecto de amortiguación” que reduce el movimiento del pistón y minimiza el choque que ocurre al final de la carrera. Algunos cilindros pueden requerir un amortiguador en el extremo de la cabeza, mientras otros pueden requerir amortiguadores tanto en el extremo de la cabeza como en el extremo del vástago.

ACTUADORES HIDRÁULICOS ROTATIVOS

Motor hidráulico El motor hidráulico convierte la energía hidráulica en energía mecánica. El motor hidráulico usa el flujo de aceite enviado por la bomba y lo convierte en un movimiento rotatorio para impulsar otro dispositivo (por ejemplo, mandos finales, diferencial, transmisión, rueda, ventilador, otra bomba, etc.). Varios tipos de motores hidráulicos se usan en la industria. Proporcionan una velocidad determinada relativamente constante a través de su variada gama de presiones. Cuando alcanzan su máximo par, su velocidad cae rápidamente debido a que el fluido hidráulico se escapa a través de una válvula de alivio dejando el motor sin alimentar. Entre los tipos de motores hidráulicos se encuentran: los motores de paletas, de pistón axial o radial, de engranajes y gerotor.

4.1.2. Partes principales

El cilindro actuador se compone de las tapas trasera y delantera, de la camisa donde se mueve el pistón, del propio pistón, de las juntas estáticas y dinámicas del pistón y del anillo rascador que limpia el vástago de la suciedad.

4.1.3. Materiales de construcción. Cilindros: 1.- Tubo: se fabrica de tubo de acero embutido sin costuras. 2 y 3.- Tapa anterior y/o posterior: en ambas para su fabricación se emplea preferentemente material de fundición o maleables, como por ejemplo el aluminio. 4.- Vástago: se fabrica preferentemente de acero bonificado, conteniendo un determinado porcentaje de cromo, para protegerlo de la corrosión. 5.- Collarín obturador: se emplea para hermetizar el vástago 6.- Casquillo de cojinete: puede ser de bronce o metálico revestido. Su misión es servir de guía al vástago de plástico. 7.- Anillo rascador: impide que entren partículas de polvo y suciedad en el interior del cilindro se encuentra situado delante del casquillo (6). 8.- Mango doble de copa: su misión es hermetizar la cámara del cilindro, se fabrican de diferentes materiales dependiendo de la temperatura. (Vitón para temperaturas de -20 c y +80 c, teflón para temperaturas de -80 c y +200c)

4.2. Cálculo de de las dimensiones principales del cilindro. Las principales dimensiones de un cilindro son:

- El diámetro - La carrera

4.2 1. Cálculo del diámetro del cilindro y su carrera.

Diámetro interno La selección del área interior o diámetro interno del cilindro depende de:

a) La fuerza requerida del cilindro b) La presión suministrada al cilindro

Sabemos que:

𝑝[𝑏𝑎𝑟] ∙ 𝐴[𝑚𝑚]2 = 𝐹𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑡𝑒 [𝑁] De donde:

𝐴[𝑚𝑚]2 = 𝐹𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑡𝑒 [𝑁]

𝑝[𝑏𝑎𝑟]

Además:

𝐴[𝑚𝑚]2 = 𝜋

4𝐷2

Por lo tanto:

𝐷[𝑚𝑚] = 4

𝜋 ∙

𝐹𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑡𝑒 [𝑁]

𝑝[𝑏𝑎𝑟]

2

El diámetro del cilindro hidráulico se calcula con la siguiente fórmula:

𝐷 [𝑚𝑚] = 4 ∙ 𝐹𝑒𝑥𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖 ó𝑛 [𝑁]

0,9 ∙ 𝜋 ∙ 𝑃 [𝑀𝑃𝑎]

2

Donde: P = presión de operación. Carrera Existen algunas desventajas en el uso del muelle interno:

a) En la posición comprimida, el muelle ocupa una parte de la longitud del cilindro por lo que este ha de construirse más largo de lo que sería necesario por su carrera real.

b) Cuanto más larga es la carrera, más largo debe de ser el muelle, con lo que se aumenta la probabilidad de que este se hunda enganchándose alrededor del vástago. Mientras que la longitud de otras partes (cilindro, vástago y tirantes) puede adecuarse fácilmente a la longitud deseada, la desventaja del muelle mencionada en b limita grandemente la carrera. En términos generales, puede decirse que lo que fija el límite de la longitud del muelle es la proporción entre su longitud y el diámetro de sus espiras. La carrera máxima de los cilindros con muelle interior varia de 60 [mm] para cilindros con un diámetro de hasta 20 [mm], a 300 [mm] para cilindros con un diámetro de hasta unos 300 [mm]. Si la acción del muelle interior puede sustituirse por ejemplo:

a) muelles externo, o

b) una carga externa sobre el vástago, La máxima longitud del cilindro viene determinada por factores similares a aquellos que se aplicaran a los cilindros de doble efecto. 4.2.2 Cálculo del diámetro del vástago El diámetro del vástago hidráulico se puede calcular de la siguiente manera:

𝑑 [𝑚𝑚] = 𝐷2 −4 ∙ 𝐹𝑟𝑒𝑡𝑟𝑎𝑐𝑐𝑖 ó𝑛 [𝑁]

0,9 ∙ 𝜋 ∙ 𝑃 [𝑀𝑃𝑎]

2

Donde: D = diámetro del cilindro.

4.3. Determinación de la potencia y rendimiento en motores hidráulicos y neumáticos.

SELECCIÓN DEL MOTOR NEUMÁTICO Para calcular un motor de aire se precisan dos datos de los tres siguientes:

1- Potencia requerida 2- Velocidad en RPM necesaria para arrastrar la carga determinada 3- Par de trabajo expresado en Newton metro [Nm]

Asimismo, deben considerarse los siguientes factores:

1- Presión del aire en bar (o psig). Como la presión del sistema de alimentación de aire puede variar durante el día debido a consumos intermitentes de otros puntos, los cálculos deben hacerse con la presión más baja prevista y asegurar la alimentación del motor con un regulador de presión, cuya presión de salida es la presión que se tomara.

2- Alimentación de aire suficiente para el motor, es decir, mínima pérdida de carga en la tubería de alimentación. La potencia requerida viene determinada por la formula:

𝑃 𝐾𝑤 = 𝜋 ∙ 𝑃𝑎𝑟 𝑁 ∙ 𝑚 ∙ 𝑅𝑃𝑀

30=

0,1046 ∙ 𝑃𝑎𝑟 𝑁 ∙ 𝑚 ∙ 𝑅𝑃𝑀

1.000

Una vez calculada la potencia, se consultan las curvas de rendimiento de cada motor y se selecciona el motor cuya potencia de salida esta próxima al punto de trabajo. CALCULO DE LA POTENCIA DE LOS MOTORES HIDRÁULICOS

Las variables que permiten calcular cuales han de ser las características del motor son:

- Par. Par de rotación generado por el motor para convertir la potencia del motor en fuerza mecánica por medio de la rotación del eje.

- Desplazamiento. Caudal del fluido necesario para alcanzar una determinada velocidad de rotación.

- Presión de operación. Presión a la que trabaja el motor. - Velocidad de operación. Velocidad a la que giran los componentes del motor. - Temperatura de operación. Temperatura a la cual el motor trabaja en forma segura y

eficiente. - Viscosidad del fluido. Viscosidad del fluido de trabajo utilizado en el motor.

El volumen del fluido que es bombeado en cada revolución viene calculado por la geometría de las cámaras que transportan el aceite. Una bomba nunca desarrolla el volumen calculado o teórico del fluido. De modo que se usa un factor llamado rendimiento volumétrico que es la relación entre el caudal calculado con relación al real. Este rendimiento varía con la velocidad, la presión y la forma de construcción de la bomba. Asimismo, el rendimiento mecánico tampoco es del 100% debido básicamente a la energía gastada en los rozamientos. De modo que se considera que el rendimiento global de una bomba hidráulica es el producto de su rendimiento volumétrico y el rendimiento mecánico. Formulas:

𝑃 𝐻𝑃 = 𝐶𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙 𝑔𝑝𝑚 ∙ 𝐴𝑙𝑡𝑎 𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 − 𝐵𝑎𝑗𝑎 𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 𝑏𝑎𝑟 ∙ 𝑅𝑒𝑛𝑑𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑔𝑙𝑜𝑏𝑎𝑙

1.714

𝑃 𝑘𝑊 = 𝑄 𝑙/𝑚𝑖𝑛 ∙ 𝐴𝑙𝑡𝑎 𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 − 𝐵𝑎𝑗𝑎 𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 𝑏𝑎𝑟 ∙ 𝑅𝑒𝑛𝑑𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑔𝑙𝑜𝑏𝑎𝑙

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5. APLICACIONES 5.1. Aplicaciones neumáticas Un número creciente de empresas industriales están aplicando la automatización de su maquinaria mediante equipos neumáticos, lo que, en muchos casos, implica una inversión de capital relativamente baja. Los elementos neumáticos pueden aplicarse de manera racional para la manipulación de piezas, incluso puede decirse que este es el campo de mayor aplicación. Tomando como base la función de movimiento, hay que resaltar la extensa gama de elementos sencillos para la obtención de movimientos lineales y rotativos. 5.1.1. Aplicaciones de la neumática en distintos procesos industriales.

Para dar una idea general de las posibilidades de aplicación de la neumática se puede hablar de varios procesos industriales. La cantidad de aplicaciones se ve aumentada constantemente debido a la investigación y desarrollo de nuevas tecnologías. La constante evolución de la electrónica e informática favorece la ampliación de las posibilidades de aplicación de la neumática. Un criterio muy importante es la existencia de compresor, si este existe la elección del sistema neumático tiene muchas más posibilidades. Esto es especialmente importante para procesos de especialización no técnicos tales como la agricultura, jardinería, etc. A continuación una lista de algunos sectores industriales donde se aplica la neumática:

- Agricultura y explotación forestal - Producción de energía - Química y petrolífera - Plástico - Metalúrgica - Madera - Aviación

5.1.1.1. Aplicaciones en manipulación

Al hablar de manipulación, se hace referencia a las diferentes acciones a que está sometido un elemento para que adopte unas determinadas posiciones dentro de un proceso de producción. La palabra manipulación proviene de “accionar con la mano”, pero en los procesos de producción se sigue utilizando aunque la acción se produzca mecánicamente. La mano humana es un elemento muy complejo que puede realizar funciones diversas. Un elemento mecánico de trabajo solo puede realizar algunas funciones que realiza la mano, esto da como consecuencia de que, para obtener un proceso de trabajo automático, son necesarios varios elementos mecánicos de manipulación. En un dispositivo cualquiera deben montarse tantos elementos de trabajo como operaciones individuales deba realizar dicho dispositivo. Esta es una de las razones por la cual se utilizan mucho los sistemas neumáticos para la

manipulación. Un cilindro neumático, y con él el elemento de trabajo, pueden montarse directamente donde se precise la fuerza y el movimiento. El cilindro neumático se transforma así en un musculo de la mano mecánica. Con tres cilindros de dimensiones adecuadas puede llegarse, teóricamente, hasta cualquier punto del espacio. Si añadimos un accionamiento giratorio, funcionalmente el conjunto se acerca más al ideal de la mano humana. Gracias a su sistema modular los manipuladores aportan una solución muy flexible para la solución de problemas. Ya que permiten:

- Elegir los módulos únicamente necesarios a las carreras y los grados de libertad requeridos.

- Una fácil adaptación de la capacidad de la unidad a las necesidades reales. Estos manipuladores pueden ser asociados a controles electrónicos y a autómatas programables.

5.1.1.2. Procedimientos de fabricación

La clásica máquina-herramienta y de conformación está diseñada para una amplia variedad de posibilidades dentro de las funciones de producción. Su potencia, capacidad, dimensionado y realización técnica no se ajustan a una determinada pieza. La construcción de una pieza sencilla mediante una maquina universal puede producir un costo muy elevado ya que solo se utilizan algunas partes de la misma. Por esta razón, la producción en serie tiende al estudio de maquinas especiales, según cada caso, para obtener resultados óptimos y económicos. Esto conduce a la construcción de maquinas especiales adaptadas a una pieza determinada respecto a su forma, tamaño, material y proceso de trabajo, permitiendo una producción racional. La neumática simplifica en muchos casos el esfuerzo técnico que implica la realización de maquinas especiales y sistemas auxiliares. Los costes de inversión, relativamente reducidos, son los motivos principales para construir una maquina especial, un dispositivo auxiliar, etc. La mecanización y manipulación de las piezas, así como la automatización en relación con las funciones de un mando común, producen un gran número de estaciones de trabajo completa o parcialmente automáticas, pudiéndose llegar a sistemas de producción completamente neumáticos. También se pueden utilizar otros tipos de energía, ya que las señales de mando pueden ser tratadas por convertidores. El accionamiento neumático es aplicable a todas las partes de la producción que se caracterizan por sus movimientos lineales. Estos movimientos lineales, sobre todo movimientos de alimentación, avances de piezas o d herramientas, los pue3de realizar un cilindro neumático, solo o en unión de un circuito cerrado hidráulico, o una unidad de avance hidroneumática, mediante una aplicación sencilla. La fuerza necesaria, la velocidad de avance y la exactitud de un movimiento son decisivos para elegir entre la aplicación de un cilindro neumático o de una unidad de avance hidroneumática bajo una forma de ejecución determinada.

En la aplicación de sistemas neumáticos para el trabajo de madera, del plástico y en la técnica de conformación en general, se utiliza predominantemente el cilindro neumático como el elemento de accionamiento. Las unidades de trabajo con elementos de accionamiento neumáticos pueden integrarse fácilmente en un proceso de trabajo mediante mando neumático. También los accionamientos rotativos eléctricos pueden incluirse en un proceso automático con mando neumático. Esto ha conducido a la utilización de maquinas de producción automáticas, pudiendo realizarse varias funciones de montaje y diferentes funciones de mecanizado. También se pueden construir elementos de trabajo neumáticos especiales para un uso especifico, incluyéndolos en maquinas automáticas. Quitando a añadiendo diferentes unidades de mecanizado o mediante una modificación en la sucesión de las operaciones de trabajo, se obtiene cierta flexibilidad en el sistema de producción. Estas posibilidades son validas sobre todo para el diseño de nuevos sistemas de producción. Sin embargo, los mismos principios pueden aplicarse al automatizar unidades de trabajo y maquinas ya existentes. El grado de automatización dependerá en muchos casos del presupuesto previsto para la adquisición de material para automatización.

5.1.2. Diseño automatizado de circuitos

El diseño de circuitos complejos requiere de métodos que faciliten su implementación. Generalmente los pasos necesarios son: Paso 1: funciones necesarias y requisitos a cumplir. Paso 2: componentes requeridos para realizar las funciones. Paso 3: sistema de control de los actuadores. Paso 4: forma de conexión entre los cilindros y las válvulas. Paso 5: generación del aire comprimido / presión hidráulica y las unidades de mantenimiento, filtros, secadores, lubricadores, reguladores de presión, etc. Paso 6: secuencias de los movimientos y transmisión de las señales. Los actuadores neumáticos cubren una gama muy amplia de aplicaciones mientras que los hidráulicos son los de elección sí se precisa de grandes esfuerzos para ejecutar las maniobras. Y los actuadores eléctricos son más económicos pero presentan movimientos lentos debido a su pequeño par. El planteamiento del grado de automatización de las instalaciones en neumáticas, hidráulicas, electro neumáticas y electro hidráulicas tiene que ser formulado con el objetivo de conseguir el máximo grado de automatización a un precio razonable. No obstante, los productos son cada vez más complejos, y su ciclo de vida disminuye constantemente. Además, resulta imperativo reducir constantemente los costos de fabricación, lo que implica reducir el trabajo manual relacionado directamente con el producto. De aquí que se utilizan varias herramientas de diseño de los circuitos.

Diagrama de movimientos Los movimientos de los actuadores se representan con más detalle en estos diagramas. Estos movimientos pueden reflejarse en función de la fase de trabajo para los circuitos secuenciales y en función del tiempo para los circuitos programables. Esto se reduce en dos tipos de diagramas espacio-fase y espacio-tiempo.

5.1.2.1. Diagrama espacio – fase

El diagrama espacio-fase es adecuado para representar ciclos secuenciales en los que el tiempo no interviene o no tiene prácticamente importancia. Se trata de la representación gráfica del ciclo mediante un sistema de ejes cartesianos debidamente acotado para las necesidades del técnico en auto-matismos. En esta representación, el funcionamiento de cada elemento de automatismos queda representado por una banda horizontal. El borde inferior corresponde a la posición que en el ejemplo anterior hemos llamado (-) (vástago de cilindro retraído) y el borde superior corresponde a la posición que hemos llamado (+). En ordenadas se representan las posiciones del cilindro y en abscisas las diferentes fases en que se descompone el ciclo.

5.1.2.2. Diagrama espacio – tiempo

El diagrama espacio-tiempo aplica el tiempo a escala, representando las uniones entre las distintas actividades de la secuencia. Es de utilidad cuando la secuencia de varios cilindros o actuadores es en general mas aleatoria o bien se fijan los tiempos de actuación de cada elemento.

En el diagrama espacio-tiempo el espacio que recorre el elemento de trabajo es representado en función del tiempo que se indica en el eje de abscisas, por lo que de hecho el diagrama está facilitando la velocidad del elemento de trabajo. El trazado es muy similar al del diagrama espacio-fase. Únicamente las líneas verticales ya no serán equidistantes entre sí al tener que considerar ahora el tiempo que tarda por ejemplo el cilindro en hacer su recorrido de avance o de retroceso. Además de todo lo expuesto para el diagrama espacio-fase, en la parte inferior del diagrama espacio-tiempo debe figurar la escala del tiempo. Con ello se podrán considerar las distintas velocidades de actuación que tendrán los elementos de trabajo en el ciclo.

5.1.3. Solución de problemas 5.1.3.1. Método intuitivo.

En los circuitos de mando, las válvulas distribuidoras de dos posiciones reciben señales de pilotaje que las sitúan en una posición o la otra para así accionar los cilindros con el vástago saliendo o bien retrayéndose. El diagrama de mando de la figura representa el estado de conmutación de las válvulas distribuidoras visualizando los instantes en que llega la señal de pilotaje a cada lado de la válvula.

De este modo, se evita el error de la presencia de señal neumática en un lado de la válvula cuando se quiere pilotar la por el otro lado y se comprueba que no hay señales permanentes. Es decir, el diagrama ayuda al diseñador a trabajar de forma intuitiva en el desarrollo del circuito con la precaución de asegurarse de que no existen señales permanentes que entren en conflicto con las señales de mando. En otras que en un momento determinado del ciclo no existan señales neumáticas de la misma presión a ambos lados del pistón del cilindro, con lo cual éste quedaría inmovilizador y la secuencia de trabajo se interrumpiría. Para evitarlo, se aplica la regla “la señal procedente del final de cada movimiento se aplica al siguiente movimiento”. El circuito de la figuran en funcionan correctamente en ya que las válvulas al final de carrera se des-excitan en el mismo orden que se excitan.

5.1.3.2. Método de cascada.

Como se ha visto el método intuitivo puede dar lugar a señales opuestas en la misma válvula distribuidora, para evitar esto en el método de cascada se usan dos conjuntos de válvulas direccionales, uno trabajando sobre los actuadores, formado por tantas válvulas como cilindros y el otro sobre un banco de memoria formado por un grupo de válvulas cascada que suministran aire a presión a las líneas de los grupos que pueden estar con presión o sin ella. El papel que juegan las válvulas cascada es eliminar presión en una línea y dar presión a otra línea al pasar de un grupo de secuencia de movimientos a otro y como en cada grupo no hay ninguna letra repetida es imposible que se presenten interferencias en las señales que van a las válvulas de accionamiento de los cilindros.

5.2. Aplicaciones electro neumático. El circuito electro neumático consta de un circuito neumático más un circuito eléctrico. La parte de fuerza del circuito sigue siendo neumática y la única diferencia con los circuitos neumáticos son los pilotajes eléctricos de las electro válvulas que son biestables, y los detectores finales de carrera que son detectores magnéticos o de palanca y rodillo. 5.2.1.1. Solución de problemas. 5.2.1.1.1. Método intuitivo.

Los métodos de diseño que se les pueden aplicar en su construcción son los ya vistos de intuitivo y cascada. Ejemplo del método intuitivo Una estación de taladrar dispone de un sensor o fotoeléctrico que es activado por la llegada de una pieza a la estación. Se inicia así la extensión del vástago de un cilindro que sujeta la pieza. Un segundo cilindro extiende el vástago y práctica uno orificio en la pieza y se retrae, seguido por la retracción del primer cilindro. La velocidad de extensión de ambos cilindros debe controlarse pero la retracción debe ser lo más rápida posible. El primer cilindro dispone de interruptores de proximidad y el segundo de interruptores de fin de carrera de palanca que sirven para confirmar las maniobras de retracción. Se usan relés con contactos normalmente abiertos y normalmente cerrados para transmitir las señales en la secuencia correcta y evitar así el solape de las mismas. El circuito electromecánico sea de poseído por el método intuitivo y su funcionamiento es el siguiente: Inicialmente los cilindros A y B están retraídos con el interruptor de proximidad a0 y el de palanca b0 cerrados. En el circuito 1, el a0 cerrado excita el relé R1, con lo que se cierra el contacto CR1 del circuito 3 y al estar cerrado el interruptor de palanca b1, el circuito 3 está preparado para que al pulsar el botón PB de puesta en marcha se excite el relé R3 y el contacto CR3 de auto retención cierre, manteniendo el relé excitado. En el circuito 5, al estar cerrado CR3 se excita la bobina A+ de la válvula AV (5/2) y el cilindro A se extiende. Cuando llega al final de su extensión el interruptor de proximidad a1 se cierra, con lo que se excita el relé R2 y se cierra el contacto CR2 del circuito 6, excitándose la bobina B+ de la válvula BV (5/2), extendiéndose el cilindro B. Al llegar al cilindro B al final de su extensión, se abre el interruptor de palanca b1, con lo que se des excita el relé R3 y el contacto CR3 queda abierto, des excitándose la bonina A+ de la válvula AV (5/2). En el circuito 7 al estar cerrado el contacto CR3 se escita la bobina B- de la válvula BV (5/2), y se retrae el cilindro B cerrándose el interruptor de palanca b0, con lo que se escita la bobina A- y se retrae el cilindro A. En la fase 6 los cilindros están retraídos en A- y B-.

5.2.1.1.2. Método de cascada.

Ejemplo del método de cascada Sean los cilindros A y B. se considera un relé único K con dos grupos I y II que se excitaran, el I cuando el relé esta activo y el II cuando está inactivo. Los dos grupos son: I (A+ B+) y II (B- A-) Al inicio de la secuencia el cilindro B esta en retracción (b0 cerrado) que es el final de la secuencia anterior y que, como el contacto k1 está cerrado (ya que el relé K1 está desexcitado inicialmente) excita los pilotos A- y B- de las válvulas de accionamiento de los cilindros A y B (circuitos 4 y 5). Por lo tanto, los pistones de los dos cilindros están inicialmente en la posición de retracción. Activación Relé K1 Al pulsar PB (puesta en marcha) se escita el relé K y queda alimentado por el contacto de retención K1 (circuito 2). El contacto K1 del circuito 3 cierra y excita el piloto A+ de la válvula A, lo que extiende el pistón del cilindro A, abriendo a0 y cerrando a1. Se excita el piloto B+ de la válvula B y se extiende el pistón del cilindro B. abriendo b0 y cerrando b1. Desactivación Relé K1 El final de carrera b1 abre el contacto b1 del circuito 1 y el relé K1 se des excita. Los circuitos 3 y 4 se abren y en el circuito 4 se excita el piloto B-, retrayéndose el cilindro B. El interruptor b0 se cierra con lo que vuelve a excitarse el piloto A- y el pistón del cilindro A se retrae.

5.3. Aplicaciones hidráulicas. 5.3.1.1. Circuito de la unidad de potencia.

El corazón de la unidad de potencia es la bomba hidráulica, de la que existen muchos tipos normalizados que, en líneas generales, pueden clasificarse en los tres siguientes: la de engranajes, la de paletas y la de embolo o pistón. El principio de funcionamiento de estas bombas es el de formación de un vacio parcial a medida que las piezas internas efectúan su parte del ciclo; el aceite se introduce en la bomba debido a presión atmosférica ejercida sobre él y a continuación la bomba lo elimina a presión a medida que el ciclo prosigue. Cuando se va a proceder a la selección de una bomba hidráulica hay que estudiar con cuidado la aplicación a la que se va a destinar. Otro factor que debe tenerse en cuenta es la frecuencia de funcionamiento. Una aplicación en la que la bomba solo funciona un número reducido de minutos no precisa el mismo tipo de

bomba que otra en la que ésta ha de estar sometido casi constantemente a plena carga. Otras condiciones de funcionamiento, tales como la temperatura, la condición del aceite y las cargas instantáneas son también factores que han de considerarse en la selección de la bomba.

5.3.1.2. Circuito de prensa.

La prensa hidráulica sirve para multiplicar fuerzas. Nos permite que al aplicar fuerzas pequeñas, obtengamos fuerzas grandes; Se utiliza tanto para prensar como para levantar objetos pesados la cual cumple con el principio de pascal que nos plantea que ´´la presión depende únicamente de la profundidad y nos afirma que cualquier aumento de presión en la superficie de un fluido se transmite a cualquier punto del fluido´´ En los sistemas hidráulicos y en particular en las prensas hidráulicas debe tenerse en cuenta la compresibilidad del fluido hidráulico, aunque este será idealmente incompresible. En las prensas hidráulicas pueden presentarse golpes de ariete dependiendo de la relación entre el volumen y la presión del circuito hidráulico. Si hay posibilidad de que se presente este tipo de golpe, la solución es aumentar el tiempo de descompresión mediante una válvula de aguja lo que aumenta la resistencia del

circuito y por lo tanto el tiempo el tiempo de descompresión, o bien a una válvula de alivio proporcionar.

5.3.1.3. Circuito acumulador. En algunos casos, un circuito acumulador puede ser usado para acelerar la extensión y/o la retracción del cilindro sin tener que sobrepasar la presión de trabajo. Normalmente en este tipo de circuitos la válvula de alivio es configurada para trabajar con la mayor presión que pueda. Cuando comienza el ciclo, el aceite del acumulador y bomba mueven el actuador rápidamente, pero la presión del circuito cae poco a poco. Si la presión cae por debajo de la que necesita el actuador, la bomba debe volver a llenar el acumulador antes de que el ciclo termine. Para evitar este problema se necesitan una bomba más grande y un mayor número de acumuladores.

5.3.1.4. Circuito regenerativo. Este circuito se usa cuando se desea simplificar el uso de válvulas para retraer o extender el cilindro. El circuito regenerativo puede ser usado para operar cualquier número de cilindros en el mismo circuito. Este circuito le permite al sistema ser operado con una simple presión de entrada empleando solo dos válvulas solenoides y una válvula antirretorno. El circuito regenerativo solo es una forma diferente de operar un cilindro de doble acción. En un circuito regenerativo, cuando se extiende el cilindro, hay una presión en ambos lados del cilindro. El fluido fluye desde la bomba hasta el cap end del cilindro. El pistón empuja el fluido fuera del rod end del cilindro el cual luego se combina con el fluido de la bomba yendo al cap end del cilindro, regenerando así el movimiento.

5.4. Aplicaciones electro hidráulicas

El circuito electro hidráulico consta de un circuito hidráulico más un circuito eléctrico. La parte de la fuerza del circuito es hidráulica y la única diferencia con los circuitos hidráulicos son los pilotajes eléctricos de las electro válvulas. Éstas suelen ser 5/2 que son di biestables, y los detectores finales de carrera que son detectores magnéticos o de palanca o rodillo.

Los métodos de diseño que se les pueden aplicar en su construcción son semejantes a los examinados para las válvulas electroneumáticas intuitivo y cascada.

5.4.1. Mando de servoválvulas.

Las servoválvulas se aplican en el control de la posición, la velocidad o la fuerza de un actuador hidráulico. Su principio de funcionamiento es parecido en los tres casos. El punto de consigna de posición, velocidad o fuerza actuar sobre el controlador quien envía una señal a la servoválvula para posicionar el actuador. El actuador envía una señal de realimentación al controlador que la compara con del punto de consigna. Y la señal de error correspondiente provoca que el controlador vuelva a emitir una señal de corrección al actuador hasta que la señal de error es nula.