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MANUAL DE HIDRLICA Y NEUMTICA

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Derechos Reservados Titular del Derecho: INACAP N de inscripcin en el Registro de Propiedad Intelectual # 145.999 de fecha 28-02-2002. INACAP 2002.

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NDICE 1. Unidad I Generalidades de Hidrulica y Neumtica 1.1. Introduccin 1.2. Campos de aplicacin de la Hidrulica y Neumtica 1.3. Ventajas y desventajas de la Hidrulica y Neumtica 2. Unidad II Principios bsicos que rigen la Hidrulica y Neumtica 2.1. Definiciones Fsicas 2.1.1. Fuerza 2.1.2. Masa 2.1.3. Volumen 2.1.4. Presin 2.1.5. Peso especfico 2.1.6. Densidad relativa 2.1.7. Temperatura 2.1.8. Viscosidad 2.1.9. Trabajo 2.1.10. Potencia 2.1.11. Caudal 2.1.12. Definicin de fluido 2.2. Principio de Pascal 2.3. Principio de continuidad 2.4. Ecuacin de la Energa (Teorema de Bernoulli) 2.5. Ecuacin de estado 2.6. Ley de Boyle - Mariotte 2.7. Ley de Gay - Lussac 2.8. Ley de Charles 3. Unidad III Elementos y accesorios Hidrulicos y Neumticos 3.1. Bombas 3.1.1. Bombas de desplazamiento positivo 3.1.2. Bombas de engranajes de dientes externos 3.1.3. Bombas de engranajes de dientes internos 3.1.4. Bomba de lbulo 3.1.5. Bomba de paletas desequilibradas 3.1.6. Bomba de paletas equilibradas 3.1.7. Bomba de pistones 3.1.8. Bomba de pistones axiales 3.1.9. Bomba de pistones radiales 3.2. Tipos de compresores 3.2.1. Compresor de pistn 3.2.2. Compresor de diafragma 3.2.3. Compresor multicelular (aletas) Pgina 3 de 115 6 6 7 9 12 12 12 12 12 13 15 15 16 16 17 17 18 18 20 22 23 26 27 28 28 30 30 32 33 35 35 36 37 37 38 39 39 41 42 42

3.2.4. Compresor de tornillo 3.2.5. Compresor roots 3.2.6. Compresor axial 3.2.7. Compresor radial 3.2.8. Accionamiento del compresor 3.2.9. Ubicacin de la estacin compresora 3.3. Tratamiento del aire 3.3.1. Unidad preparadora de aire 3.3.2. Filtrado de aire 3.3.3. Regulacin de la presin 3.3.4. Lubricadores de aire comprimido 3.4. Acumuladores 3.4.1. Acumulador de contrapeso 3.4.2. Acumulador cargado por muelle 3.4.3. Acumulador de pistn 3.4.4. Acumulador de gas no separado 3.4.5. Acumulador de diafragma 3.4.6. Acumulador de vejiga 3.5. Depsito o tanque 3.5.1. Tipos de tanque 3.6. Vlvulas 3.6.1. Vlvulas distribuidoras 3.6.2. Vlvula de asiento esfrico y disco plano 3.6.3. Vlvula de corredera 3.6.4. Vlvula de corredera y cursor 3.6.5. Vlvula giratoria o rotativa 3.6.6. Centros de las vlvulas direccionales 3.6.7. Accionamiento de las vlvulas 3.6.8. Vlvula reguladora de caudal 3.6.9. Vlvula de retencin 3.6.10. Vlvula de compuerta 3.6.11. Vlvula de esfera 3.6.12. Vlvula de aguja 3.6.13. Vlvulas de presin 3.6.13.1. Vlvula reguladora de presin 3.6.13.2. Vlvula de secuencia 3.6.13.3. Vlvula de seguridad 3.7. Temporizador 3.8. Flujmetro o caudalmetro 3.9. Manmetros 3.9.1. Manmetro de Bourdn 3.9.2. Manmetro de pistn 3.9.3. Manmetro de diafragma 3.9.4. Manmetro de fuelle 3.9.5. Vacumetro 3.10. Filtros 3.11. Actuadores Pgina 4 de 115

43 44 44 45 45 46 46 47 47 48 49 50 50 51 52 52 53 53 54 55 56 56 57 58 59 59 60 61 61 61 62 62 63 63 63 64 64 65 66 66 67 67 67 68 68 68 70

3.11.1 Cilindros 3.11.1.1. Partes de un cilindro 3.11.1.2. Caractersticas tcnicas de un cilindro 3.11.1.3. Cilindro simple efecto 3.11.1.4. Cilindro buzo 3.11.1.5. Cilindro telescpico 3.11.1.6. Cilindros de doble efecto 3.11.1.7. Cilindro oscilante 3.11.1.8. Montaje de los cilindros 3.11.1.9. Consumo de aire en cilindros neumticos 3.11.2. Motores hidrulicos 3.11.2.1. Caractersticas de los motores hidrulicos 3.11.2.2. Motor de engranajes externos 3.11.2.3. Motor de pistones 3.11.2.4. Motor de pistones axiales 3.11.2.5. Motor de paletas 3.12. Sensores 3.12.1. Captador de presin 3.12.1.1. Presostato 3.12.1.2. Captador de umbral de presin 3.12.2. Captador de posicin 3.12.2.1. Captador de fuga 3.12.2.2. Captador de proximidad 3.12.3. Amplificadores de seal 3.12.4. Controladores neumticos 3.13. Simbologa normalizada 3.13.1. Lneas 3.13.2. Motor elctrico 3.13.3. Bombas 3.13.4. Motores hidrulicos 3.13.5. Compresores 3.13.6. Motores neumticos 3.13.7. Filtros 3.13.8. Lubricador 3.13.9. FRL 3.13.10. Acumuladores 3.13.11. Estanques 3.13.12. Vlvulas 3.13.13. Vlvulas direccionales 3.13.14. Accionamientos de vlvulas direccionales 3.13.14.1. Manuales 3.13.14.2. Mecnicos 3.13.14.3. Elctrico 3.13.14.4. Neumtico 3.13.14.5. Hidrulico 3.13.15. Otras vlvulas 3.13.16. Instrumentos y accesorios Pgina 5 de 115

70 70 71 74 75 75 76 77 77 78 79 80 82 82 83 83 84 84 84 84 85 85 85 85 85 86 87 87 88 88 88 88 89 89 89 89 90 90 90 91 91 91 92 92 92 92 93

3.13.17. Cilindros 4. Unidad IV ANLISIS Y DISEO DE CIRCUITOS HIDRULICOS Y NEUMTICOS 4.1. Anlisis del funcionamiento de circuitos 4.2. Tcnicas de enumeracin de las cadenas de mando 4.3. Diagramas 4.3.1. Diagrama espacio - fase 4.3.2. Diagrama espacio - tiempo 5. Unidad V Fallas mas comunes en Hidrulica y Neumtica 5.1. Fallas en bombas y motores 5.2. Fallas en vlvulas 5.3. Fallas en filtros 5.4. Fallas en conectores y tuberas 6. Unidad VI Automatizacin de un sistema Hidrulico y Neumtico 6.1. Vlvula selectora de circuito 6.2. Vlvula de simultaneidad 6.3. Ciclo semiautomtico 6.4. Ciclo automtico 7. Bibliografa

93 94 94 107 107 107 108 110 111 113 116 116 117 117 119 120 120 121

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1. UNIDAD I : GENERALIDADES DE HIDRAULICA Y NEUMATICA1.1. INTRODUCCIN La automatizacin en los mecanismos de manufactura, aparece de la relacin entre las fuerzas econmicas y las innovaciones tcnicas como la transferencia de energa, la mecanizacin de las fbricas, y el desarrollo de las mquinas de transferencia. La mecanizacin de los procesos fue el primer paso para evolucionar posteriormente hacia la automatizacin, lo que traera consigo, el incremento de los niveles de produccin (productividad) en las fbricas. Este deseo de aumentar las producciones, incentiv el diseo y construccin de mquinas que emulaban los movimientos y tareas del trabajador, de esta forma entonces, la Revolucin Industrial hace surgir la automatizacin en las grandes industrias textiles. Conforme avanzaba la tecnologa y los mtodos de transferencia de energa, las mquinas especializadas se motorizaron, lo que acarre consigo un notable aumento en la eficiencia de stas. La automatizacin actual, cuenta con dispositivos especializados, conocidos como mquinas de transferencia, que permiten tomar las piezas que se estn trabajando y moverlas hacia otra etapa del proceso, colocndolas de manera adecuada. Existen por otro lado los robots industriales, que son poseedores de una habilidad extremadamente fina, utilizndose para trasladar, manipular y situar piezas ligeras y pesadas con gran precisin. La hidrulica y la neumtica son parte de la Mecnica de Fluidos, que se encargan del diseo y mantencin de los sistemas hidrulicos y/o neumticos empleados por la industria en general, con el fin de automatizar los procesos productivos, crear nuevos elementos o mejorar los ya existentes. La hidrulica y la neumtica son sistemas de transmisin de energa a travs de un fluido (aceite, oleohidrulica y aire, neumtica). Pgina 7 de 115

La palabra Hidrulica proviene del griego hydor que significa agua. Hoy el trmino hidrulica se emplea para referirse a la transmisin y control de fuerzas y movimientos por medio de lquidos, es decir, se utilizan los lquidos para la transmisin de energa, en la mayora de los casos se trata de aceites minerales pero tambin pueden emplearse otros fluidos, como lquidos sintticos, agua o una emulsin agua aceite. La palabra neumtica proviene del griego pneuma que significa aliento o soplo. Aunque el trmino debe aplicarse en general al estudio del comportamiento de los gases, este trmino se ha adecuado para comprender casi exclusivamente los fenmenos de aire comprimido o sobre presin (presin por encima de una atmsfera) para producir un trabajo. Existen variados sistemas de transmisin de energa para generar y controlar un movimiento, entre otros se encuentran los sistemas mecnico, que emplean elementos tales como engranajes, palancas, transmisiones por correas, cadenas, etc. Sistemas elctricos que utilizan motores, alternadores, transformadores, conmutadores, etc., oleohidrulicos donde se usan bombas, motores, cilindros, vlvulas, etc., y neumticos compresores, actuadores lineales y rotativos, vlvulas, etc. Los sistemas de transmisin de energa oleohidrulicos y neumticos proporcionan la energa necesaria para controlar una amplia gama de maquinaria y equipamiento industrial. Los sistemas oleohidrulicos funcionan con aceite a presin y los sistemas neumticos lo hacen con aire comprimido.

1.2. CAMPOS DE APLICACIN DE LA HIDRALICA Y NEUMTICA En la actualidad las aplicaciones de la oleohidrulica y neumtica son muy variadas, esta amplitud en los usos se debe principalmente al diseo y fabricacin de elementos de mayor precisin y con materiales de mejor calidad, acompaado adems de estudios mas acabados de las materias y principios que rigen la hidrulica y neumtica. Todo lo anterior se ha visto reflejado en equipos que permiten trabajos cada vez con mayor precisin y con mayores niveles de energa, lo que sin duda ha permitido un creciente desarrollo de la industria en general. Dentro de las aplicaciones se pueden distinguir dos, mviles e industriales: Aplicaciones Mviles El empleo de la energa proporcionada por el aire y aceite a presin, puede aplicarse para transportar, excavar, levantar, perforar, manipular materiales, controlar e impulsar vehculos mviles tales como: Pgina 8 de 115

Tractores Gras Retroexcavadoras Camiones recolectores de basura Cargadores frontales Frenos y suspensiones de camiones Vehculos para la construccin y mantencin de carreteras Etc.

Aplicaciones Industriales En la industria, es de primera importancia contar con maquinaria especializada para controlar, impulsar, posicionar y mecanizar elementos o materiales propios de la lnea de produccin, para estos efectos se utiliza con regularidad la energa proporcionada por fluidos comprimidos. Se tiene entre otros:

Maquinaria para la industria plstica Mquinas herramientas Maquinaria para la elaboracin de alimentos Equipamiento para robtica y manipulacin automatizada Equipo para montaje industrial Maquinaria para la minera Maquinaria para la industria siderrgica Etc.

Otras aplicaciones se pueden dar en sistemas propios de vehculos automotores, como automviles, aplicaciones aerospaciales y aplicaciones navales, por otro lado se pueden tener aplicaciones en el campo de la medicina y en general en todas aquellas reas en que se requiere movimientos muy controlados y de alta precisin, as se tiene: Aplicacin automotriz: suspensin, frenos, direccin, refrigeracin, etc. Aplicacin Aeronutica: timones, alerones, trenes de aterrizaje, frenos, simuladores, equipos de mantenimiento aeronutico, etc. Aplicacin Naval: timn, mecanismos de transmisin, sistemas de mandos, sistemas especializados de embarcaciones o buques militares Medicina: Instrumental quirrgico, mesas de operaciones, camas de hospital, sillas e instrumental odontolgico, etc. La hidrulica y neumtica tienen aplicaciones tan variadas, que pueden ser empleadas incluso en controles escnicos (teatro), cinematografa, parques de Pgina 9 de 115

entretenciones, represas, puentes levadizos, plataformas de perforacin submarina, ascensores, mesas de levante de automviles, etc. Algunas Aplicaciones:

Camin recolector de basura

Cargador Frontal

Parques de entretenciones

Simuladores de vuelo

1.3. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LA HIDRAULICA Y NEUMATICA Los sistemas de transmisin de energa oleohidrulicos y neumticos son una garanta de seguridad, calidad y fiabilidad a la vez que reducen costos. La Seguridad es de vital importancia en la navegacin area y espacial, en la produccin y funcionamiento de vehculos, en la minera y en la fabricacin de productos frgiles. Por ejemplo, los sistemas oleohidrulicos y neumticos se utilizan para asistir la direccin y el frenado de coches, camiones y autobuses. Los sistemas de control oleohidrulico y el tren de aterrizaje son los responsables de la seguridad en el despegue, aterrizaje y vuelo de aviones y naves espaciales. Los rpidos avances realizados por la minera y construccin de tneles son el resultado de la aplicacin de modernos sistemas oleohidrulicos y neumticos. La Fiabilidad y la Precisin son necesarias en una amplia gama de aplicaciones industriales en las que los usuarios exigen cada vez ms una mayor calidad. Los sistemas oleohidrulicos y neumticos utilizados en la manipulacin, Pgina 10 de 115

sistemas de fijacin y robots de soldadura aseguran un rendimiento y una productividad elevados, por ejemplo, en la fabricacin de automviles.

En relacin con la industria del plstico, la combinacin de la oleohidrulica, la neumtica y la electrnica hacen posible que la produccin est completamente automatizada, ofreciendo un nivel de calidad constante con un elevado grado de precisin. Los sistemas neumticos juegan un papel clave en aquellos procesos en los que la higiene y la precisin son de suma importancia, como es el caso de las instalaciones de la industria farmacutica y alimenticia, entre otras. La Reduccin en el costo es un factor vital a la hora de asegurar la competitividad de un pas industrial. La tecnologa moderna debe ser rentable y la respuesta se encuentra en los sistemas oleohidrulicos y neumticos. Entre otros ejemplos, cabe citar el uso generalizado de estos sistemas en la industria de carretillas elevadoras controladas hidrulicamente, las mquinas herramientas de alta tecnologa, as como los equipos de fabricacin para procesos de produccin automatizada, las modernas excavadoras, las mquinas de construccin y obras pblicas y la maquinaria agrcola. Con respecto a la manipulacin de materiales y para citar unos ejemplos, los sistemas oleohidrulicos permiten que una sola persona pueda trasladar, fcil y rpidamente, grandes cantidades de arena o de carbn. Ventajas de la Neumtica El aire es de fcil captacin y abunda en la tierra El aire no posee propiedades explosivas, por lo que no existen riesgos de chispas. Los actuadores pueden trabajar a velocidades razonablemente altas y fcilmente regulables El trabajo con aire no daa los componentes de un circuito por efecto de golpes de ariete. Las sobrecargas no constituyen situaciones peligrosas o que daen los equipos en forma permanente. Los cambios de temperatura no afectan en forma significativa. Energa limpia Cambios instantneos de sentido Desventajas de la neumtica En circuitos muy extensos se producen prdidas de cargas considerables Requiere de instalaciones especiales para recuperar el aire previamente empleado Las presiones a las que trabajan normalmente, no permiten aplicar grandes fuerzas Altos niveles de ruido generados por la descarga del aire hacia la atmsfera Pgina 11 de 115

Ventajas de la Oleohidrulica Permite trabajar con elevados niveles de fuerza o mementos de giro El aceite empleado en el sistema es fcilmente recuperable Velocidad de actuacin fcilmente controlable Instalaciones compactas Proteccin simple contra sobrecargas Cambios rpidos de sentido

Desventajas de la Oleohidrulica El fluido es mas caro Perdidas de carga Personal especializado para la mantencin Fluido muy sensible a la contaminacin.

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2. UNIDAD II: PRINCIPIOS BASICOS QUE RIGEN LA HIDRAULICA Y NEUMATICA2.1. DEFINICIONES 2.1.1. Fuerza Es una accin que permite modificar el estado de movimiento o de reposo de un cuerpo. Unidades: Sist. Internacional : Sist. Tcnico : Sist. Ingls : 1N 1N = = 1 Kg * m/s2 0,22481 lbf Newton (N) Kgf lbf

Equivalencias:

1 N equivale a la fuerza que proporciona un cuerpo de 1 Kg de masa a una aceleracin de 1 m/ s2 2.1.2. Masa Es una de las propiedades intrnsecas de la materia, se dice que esta mide la resistencia de un cuerpo a cambiar su movimiento (desplazamiento o reposo) es decir; su inercia. La masa es independiente al medio que rodea el cuerpo. En palabras muy sencillas se puede expresar como la cantidad de materia que forma un cuerpo. Unidades: Equivalencias: 2.1.3. Volumen Se dice de forma simple; que el volumen representa el espacio que ocupa un cuerpo, en un ejemplo se podra simplificar diciendo que un cuerpo de dimensiones 1 metro de alto, 1 metro de ancho y 1 metro de espesor tendr en consecuencia 1 m 3 de volumen. Sist. Internacional : Sist. Ingls : 1 Kg = 2,2046 lb Kilogramo (Kg) Libra (lb)

1m

Volumen = 1 m3

1m 1m

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Equivalencias:

1m3 1 litro 1 galn 1 litro

= = = =

35,315 ft 10-3 m3 3,7854 x 10-3 m3 0,2642 galones

2.1.4. Presin La presin se define como la distribucin de una fuerza en una superficie o rea determinada.

P=

F A

Unidades:

Sist. Internacional : Sist. Tcnico : Sist. Ingls : 1 bar 1 bar 1 bar = = =

N/m2 Pascal (Pa) Kg/cm2 lb/pulg2 PSI

Equivalencias:

105 Pa 14,5 lb/pulg2 1,02 Kg/cm2

Presin atmosfrica = 1,013 bar = 1,033 Kg/cm2 = 14,7 PSI = 1 atm = 760 mm Hg Presin en lquidos Presin Hidrosttica Una columna de lquido, ejerce por su propio peso, una presin sobre la superficie en que acta. La presin por lo tanto, estar en funcin de la altura de la columna (h), de la densidad y de la gravedad.

h

P = h* *g

Donde: P h g

= = = =

Presin (Pascal = 1 N/m2) Altura (m) Densidad Gravedad (m/s2) Pgina 14 de 115

Presin por fuerzas externas Se produce al actuar una fuerza externa sobre un lquido confinado. La presin se distribuye uniformementeen todos los sentidos y es igual en todos lados. Esto ocurre despreciando la presin que genera el propio peso del lquido (hidrosttica), que en teora debe adicionarse en funcin de la altura, sin embargo se desprecia puesto que los valores de presin con que se trabaja en hidrulica son muy superiores.F

P=Fluido

F A

Se distinguen adems dos presiones dependiendo de s se considera o no la presin atmosfrica; estas son: Presin absoluta Esta es considerando la presin atmosfrica

PABSOLUTA = PATMOSFERICA + PRELATIVA

Presin relativa o manomtrica Presin interna de un sistema propiamente tal, es decir, la presin que indica el manmetro del sistema. Presin de vaco Se considera como presin de vaco, a aquellas presiones negativas, que son las que se pueden leer en el vacumetro.

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2.1.5. Peso especfico El peso especfico de un fluido, corresponde al peso por unidad de volumen. El peso especfico est en funcin de la temperatura y de la presin.

=Donde: W V

W V

= * g

= = = =

Peso especfico Peso (p = m * g) Volumen del fluido Densidad

2.1.6. Densidad relativa Es la relacin entre la masa de un cuerpo a la masa de un mismo volumen de agua a la presin atmosfrica y a una temperatura de 4C. Esta relacin equivale a la de los pesos especficos del cuerpo en estudio y del agua en iguales condiciones.

S=

s Au ga

S=

s Au ga

[Adimensional]

Ejemplo:

Sagua = 1000 kg/m3 1000 kg/m3 Sagua = 1

Fluido Agua dulce Agua de mar Petrleo bruto ligero Kerosene Aceite Lubricante Glicerina Mercurio

TC 4 4 15 15 15 0 0

Densidad Relativa 1 1,02 1,03 0,86 0,88 0,79 0,82 0,89 0,92 1,26 13,6 Pgina 16 de 115

2.1.7. Temperatura Al tocar un objeto, utilizamos nuestro sentido trmico para atribuirle una propiedad denominada temperatura, que determina si sentimos calor o fro. Observamos tambin que los cambios de temperatura en los objetos van acompaados por otros cambios fsicos que se pueden medir cuantitativamente, por ejemplo

Un cambio de longitud o de volumen Un cambio de presin Un cambio de resistencia elctrica Un cambio de color Etc.

Todos estos cambios de las propiedades fsicas, debidos a las temperaturas se usan para medir temperatura.

En la prctica y para temperaturas usuales, se utiliza el cambio de volumen del mercurio en un tubo de vidrio. Se marca 0C en el punto de fusin del hielo o punto de congelamiento del agua y 100C en el punto de ebullicin del agua a presin atmosfrica. La distancia entre estos dos puntos se divide en 100 partes iguales, la escala as definida se llama Escala Centgrada o Escala Celcius. En la escala Fahrenheit 0C y 100C corresponden a 32F y 212F respectivamente. En la escala Kelvin, se empieza desde 0 (cero) absoluto y a 0C y 100C le corresponde 273K y 373K respectivamente. 2.1.8. Viscosidad Es la resistencia que opone un fluido al movimiento o a escurrir. Esta propiedad fsica est relacionada en forma directa con la temperatura. Si la temperatura aumenta, la viscosidad de un fluido lquido disminuye y al revs, si la temperatura disminuye la viscosidad aumenta. Viscosidad dinmica o absoluta Entre las molculas de un fluido se presentan fuerzas que mantienen unido al lquido, denominadas de cohesin. Al desplazarse o moverse las molculas con respecto a otras, entonces se produce friccin. El coeficiente de friccin interna de un fluido se denomina viscosidad y se designa con la letra griega . Pgina 17 de 115

Unidades:

Kg * s m2

Viscosidad Cinemtica densidad . Corresponde a la relacin que existe entre la viscosidad dinmica y la

Unidades: 2.1.9. Trabajo m2/s

=

Se puede definir como la aplicacin de una fuerza para causar el movimiento de un cuerpo a travs de una distancia o en otras palabras es el efecto de una fuerza sobre un cuerpo que se refleja en el movimiento de ste.

Tr = F * d

Donde: Tr = Trabajo F = Fuerza d = Distancia Unidades: Sist. Internacional : Sist. Tcnico : Sist. Ingls : N * m Joule (J) Kg * m lb/pie

2.1.10. Potencia Casi todo trabajo se realiza durante un cierto tiempo finito. La potencia es la rapidez o tasa con la que el trabajo es realizado

Pot =

F * d t

Pot =

Tr tPgina 18 de 115

Unidades:

Sist. Internacional : Sist. Tcnico : Sist. Ingls : = = = =

J/s Watt (W) Kg * m s lb/pie s

Equivalencias:

1 HP 1 CV 1 HP 1 CV

76 Kg * m s 75 Kg * m s 745 Watt 736 Watt

2.1.11. Caudal Se define como el volumen de fluido que atraviesa una determinada seccin transversal de un conducto por unidad de tiempo

Q =

V t

Donde: Q = Caudal V = Volumen t = Tiempo Unidades: lt/min m3/h Gal/min 1 litro = 0,2642 galones

Equivalencias:

2.1.12. DEFINICIN DE FLUIDOS Es aquella sustancia que por efecto de su poca cohesin intermolecular, no posee forma propia y adopta la forma del envase que lo contiene. Los fluidos pueden clasificarse en gases y lquidos.

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Gases El aire que se emplea en las instalaciones neumticas tiene una composicin por unidad de volumen de 78% de nitrgeno, 20% de oxgeno, 1,3% de gases nobles (helio, nen, argn, etc.) y en menores proporciones anhdrido carbnico, vapor de agua y partculas slidas. La densidad de este aire es de 1,293 Kg/m 3 aproximadamente. Sin embargo este aire sigue una serie de leyes y tiene propiedades muy interesantes para las aplicaciones neumticas El aire como todos los gases, es capaz de reducir su volumen cuando se le aplica una fuerza externa. Otro fenmeno en los gases es que al introducirlos en un recipiente elstico, tienden a repartirse por igual en el interior del mismo, ya que en todos los puntos presentan igual resistencia ante una accin exterior tendiente a disminuir su volumen. Tambin es comn a todos los gases su reducida viscosidad, que es lo que le permite a stos fluir por las conducciones; as mismo los gases presentan variaciones de la densidad al variar la temperatura, debido a que su masa permanece constante al calentarlos, pero su volumen vara mucho. Fluidos Hidrulicos Misin de un fluido en oleohidrulica 1. 2. 3. 4. Transmitir potencia Lubricar Minimizar fugas Minimizar prdidas de carga

Fluidos empleados Aceites minerales procedentes de la destilacin del petrleo Agua glicol Fluidos sintticos Emulsiones agua aceite

Generalidades El aceite en sistemas hidrulicos desempea la doble funcin de lubricar y transmitir potencia. Constituye un factor vital en un sistema hidrulico, y por lo tanto, debe hacerse una seleccin cuidadosa del aceite con la asistencia de un proveedor tcnicamente bien capacitado. Pgina 20 de 115

Una seleccin adecuada del aceite asegura una vida y funcionamiento satisfactorios de los componentes del sistema, principalmente de las bombas y motores hidrulicos y en general de los actuadores. Algunos de los factores especialmente importantes en la seleccin del aceite para el uso en un sistema hidrulico industrial, son los siguientes: 1. El aceite debe contener aditivos que permitan asegurar una buena caracterstica anti desgaste. No todos los aceites presentan estas caractersticas de manera notoria. 2. El aceite debe tener una viscosidad adecuada para mantener las caractersticas de lubricante y limitante de fugas a la temperatura esperada de trabajo del sistema hidrulico. 3. El aceite debe ser inhibidor de oxidacin y corrosin. 4. El aceite debe presentar caractersticas antiespumantes. Para obtener una ptima vida de funcionamiento, tanto del aceite como del sistema hidrulico; se recomienda una temperatura mxima de trabajo de 65C.

2.2. PRINCIPIO DE PASCAL La ley de Pascal, enunciada en palabras simples indica que: Si un fluido confinado se le aplican fuerzas externas, la presin generada se transmite ntegramente hacia todas las direcciones y sentidos y ejerce adems fuerzas iguales sobre reas iguales, actuando estas fuerzas normalmente en las paredes del recipienteF

Fluido

Aplicacin de la Ley de Pascal por Bramah En los primeros aos de la Revolucin Industrial, un mecnico de origen britnico llamado Joseph Bramah, utiliz el descubrimiento de Pascal y por ende el llamado Principio de Pascal para fabricar una prensa hidrulica. Pgina 21 de 115

Bramah pens que si una pequea fuerza, actuaba sobre un rea pequea, sta creara una fuerza proporcionalmente mas grande sobre una superficie mayor, el nico lmite a la fuerza que puede ejercer una mquina, es el rea a la cual se aplica la presin. Esto se puede apreciar en el siguiente ejemplo Qu fuerza F1 se requiere para mover una carga K de 10.000 kg? Considerar los datos del dibujo. F1

A1 = 5 cm

A2 = 10 cm

Como: A2 = 10 cm K = 10.000 kgf

p= F A p2 = 10.000 kgf 10 cm => p2 = 1.000 kgf/cm

Como en un circuito cerrado, de acuerdo al principio de Pascal, la presin es igual en todas direcciones normales a las superficies de medicin, se puede decir que la presin aplicada al rea 2 es igual que la aplicada al rea 1 p1 = p2 F1 = 1.000 kgf/cm x 5 cm F=pxA De esto se concluye que el rea es inversamente proporcional a la presin y directamente proporcional a la fuerza. Para el ejemplo se tiene que el equilibrio se logra aplicando una fuerza menor que el peso ya que el rea es menor que la que soporta el peso. Un claro ejemplo de esto son las gatas hidrulicas. => F1 = 5.000 kgf

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2.3. PRINCIPIO DE CONTINUIDAD La ley de continuidad est referida a lquidos, que como ya se sabe, son incompresibles, y por lo tanto poseen una densidad constante, esto implica que si por un conducto que posee variadas secciones, circula en forma continua un lquido, por cada tramo de conduccin o por cada seccin pasarn los mismos volmenes por unidad de tiempo, es decir el caudal se mantendr constante; entendiendo por caudal la cantidad de lquido que circula en un tiempo determinado. (Q= V/t)Q1, A1 Q2, A2 Q3, A3

Q=AxV1s 1s 1s

A1 x v1 = A2 x v2 = A3 x v3 = Constante; sta representa la expresin matemtica de la Ley o principio de continuidad: las velocidades y las secciones o reas son inversamente proporcionales entre s. Como habitualmente las secciones son circulares, podemos traducir la expresin: ( Ejemplo: Si se tiene que una bomba de una hidrolavadora entrega a una manguera de 5 cm de dimetro un caudal tal que la velocidad del flujo es de 76,3 m/min, al llegar a la boquilla de salida sufre una reduccin brusca a 1 mm de dimetro. Cul es la velocidad de salida del agua? Usando la ecuacin anterior, se tiene: V2 = ( ( (x r12

x r1

2

) x v1 = (

x

r22) x v2

)2

x

V1

x r2

)2

V2 = Vf =?

x 2,5

cm2 ) x 76,3 m/min ( x 0,052 cm2 )

V2 = 190.750,0 m/min

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2.4. ECUACIN DE LA ENERGA (TEOREMA DE BERNOULLI) El fluido hidrulico, en un sistema que trabaja contiene energa bajo tres formas: Energa potencial: que depende de la altura de la columna sobre el nivel de referencia y por ende de la masa del lquido. Energa hidrosttica: debida a la presin. Energa cintica: o hidrodinmica debida a la velocidad

El principio de Bernoulli establece que la suma de estas tres energas debe ser constante en los distintos puntos del sistema, esto implica por ejemplo, que si el dimetro de la tubera vara, entonces la velocidad del lquido cambia. As pues, la energa cintica aumenta o disminuye; como ya es sabido, la energa no puede crearse ni destruirse, en consecuencia esta variacin de energa cintica ser compensada por un aumento o disminucin de la energa de presin. Lo antes mencionado, se encuentra resumido en la siguiente ecuacin:

h

+

P v2 + = Constante 2g

Donde: h P v g y: h = Energa potencial = Energa de presin P/ 2 v /2g = Energa cintica o de velocidad = = = = = Altura Presin Peso especfico del lquido Velocidad Aceleracin gravitatoria

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Por lo tanto si se consideran dos puntos de un sistema, la sumatoria de energa debe ser constante en condiciones ideales; as se tiene que:

h1

+

P1 v12 + = 2g

h2 + P2 + v22 2g

En tuberas horizontales, se considera h1 = h2; por lo tanto:0 0

h1

P v2 + 1 + 1 = 2g

h2 + P2 + v22 2g

E presin1 + E velocidad1 = E presin2 + E velocidad2 En la realidad, los accesorios, la longitud de la tubera, la rugosidad de la tubera, la seccin de las tuberas y la velocidad del flujo provocan prdidas o cadas de presin que son necesarias considerar a la hora de realizar balances energticos, por lo tanto la ecuacin se traduce en:

P1 v12 + = 2g

P2 + v22 + Prdidas re u re ys g la s g la s in u re 2g

Condicin real y con altura cero, o sistema en posicin horizontal. Prdidas regulares: estn relacionadas con las caractersticas propias de la tubera Perdidas singulares: se refiere a las prdidas o cadas de presin que provocan los accesorios. (Vlvulas, codos, reguladoras de presin, etc.)

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Ejemplo: Para ilustrar esta ecuacin lo haremos con el siguiente esquema Cul es la presin en el punto 2?

1

2

Se tienen los siguientes datos: V1 = 67,3 m/min p1 = 3 bar V2 = 683 m/min = 1 kgf/ cm Como ya vimos, en una disminucin de seccin de una caera la velocidad aumenta, pero Qu sucede con las presiones asociadas? Comparemos los puntos 1 y 2 a travs de la ecuacin de balance de energa.2 p1 v1 p v2 h1 + + = h2 + 2 + 2 2g 2g

Como la altura se puede despreciar, la ecuacin queda2 2 p1 v1 p2 v2 + = + 2g 2g

Despejando p2, queda: Pgina 26 de 115

p v2 v2 p2 = 1 + 1 2 2g 2g

Reemplazando 3kgf / cm 2 67,32 m 2 / min 2 683 2 m 2 / min 2 3 p2 = 1kgf / cm 3 + 2 9,8m / s 2 2 9,8m / s 2 1kgf / cm

p2 = ( 3cm + 6cm 660 cm ) 1kgf / cm 3 p2 = 659 kgf / cm 2

Por lo tanto, al aumentar la energa cintica (de movimiento) disminuyen el resto de las energas, en este caso la energa de presin, a tal grado que provoca un vaco facilitando la succin de otro elemento por el tubo dispuesto al centro de la garganta, este fenmeno se puede apreciar en los carburadores de automviles y en pistolas para pintar, entre otros ejemplos. 2.5. ECUACIN DE ESTADO El estado de un sistema queda definido por el conjunto de valores que adquieren aquellas propiedades del sistema que pueden variar; por ejemplo, el estado de un automvil se define (entre otras) por su posicin geogrfica, velocidad, aceleracin, potencia del motor, cantidad de combustible en el estanque, nmero de ocupantes, masa de la carga, etc. Para un sistema complejo como el anterior, existir una gran cantidad de variables de estado. Por otro lado, sistemas ms simples tendrn por consiguiente mucho menos variables de estado. Ecuacin de estado de gases ideales Las hiptesis bsicas para modelar el comportamiento del gas ideal son: El gas est compuesto por una cantidad muy grande de molculas, que adems tienen energa cintica. No existen fuerzas de atraccin entre las molculas, esto por que se encuentran relativamente alejados entre s. Los choques entre molculas y las paredes del recipiente son perfectamente elsticos.

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De lo recin sealado, la ms elemental de las hiptesis es que no existen fuerzas intermoleculares; por lo tanto, se est en presencia de una sustancia simple y pura. La forma normal de la ecuacin de estado de un gas ideal es:

p*v=R*TDonde: p v R T = = = =

Con R= 8,314 [J/ mol K]

Presin (Pascal = 1 N/m2) Volumen especfico (m3/mol) Constante universal de los gases ideales Temperatura (K)

La misma ecuacin se puede expresar en forma alternativa como:

p*V=n*R*TDonde: V n = Volumen total del sistema (m3) = Nmero de moles en el sistema

2.6. LEY DE BOYLE MARIOTTE Esta establece que si la temperatura y el nmero de moles de una muestra de gas permanecen constantes, entonces el volumen de esta muestra ser inversamente proporcional a la presin ejercida sobre l. Esto es:

P1 * V1 = P2 * V2F1 F2 F2

V1

V2

V3 P2 P3

P1Proceso a temperatura constante

2.7. LEY DE GAY - LUSSAC Pgina 28 de 115

A presin constante, el volumen ocupado por una determinada masa de gas es directamente proporcional a su temperatura absoluta. En trminos matemticos, podemos expresarla como:

V2 V12.8. LEY DE CHARLES

=

T2 T1

A volumen constante la presin absoluta de una masa de gas es directamente proporcional a la temperatura absoluta, de esta forma se tiene:

P1Ejercicios

T1

=

P2 T2

Un recipiente tiene un volumen V1 = 0,3 m3 de aire a una presin de P1=2,2 bar. Calcule la presin, suponiendo que el volumen se reduce a la mitad y a la cuarta parte.

a)

P1 * V1 = P2 * V22,2 bar * 0,3 m3 = P2 * 0,3 m32

P2 = 2,2 bar * 0,3 m3 * 2 = 4,4 bar 0,3 m3 b)

P1 * V1 = P2 * V2

2,2 bar * 0,3 m3 = P2 3 0,3 m3 * P2 = 2,2 bar * 0,3 m * 4 = 8,8 bar 4 Un recipiente que contiene un volumen V1 = 2 m3 de aire a una presin de 0,3 m3 300000 Pa se ha reducido en un 20%, permaneciendo constante su temperatura. Calcule en bar cunto ha aumentado la presin.

P1 * V1 = P2 * V2V2 = 80% de V1 = 0.8 * 2 m3 = 1,6 m3 300000 Pa * 2 m3 = P2 * 1,6 m3 Pgina 29 de 115

P2 = 300000 Pa * 2 m3 = 375000 Pa 1,6 m3 P2 = 3,75 bar Un recipiente tiene un volumen V1 = 0,92 m3, se encuentra a una temperatura d 32C y una presin P1 = 3 atm. Calcule el volumen cuando la temperatura es de 40C, sabiendo que su presin sigue siendo de 3 atm.

T1= 32C

T2= 40C

V2 V1V2

=

T2 T1= 3 40C 32C 40C * 0,92 m3 32C

0,92 m V2 =

V2 = 1,15 m3

3. UNIDAD III: ELEMENTOS Y ACCESORIOS HIDRAULICOS Y NEUMATICOS3.1. BOMBAS

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Las bombas hidrulicas son los elementos encargados de impulsar el aceite o lquido hidrulico, transformando la energa mecnica rotatoria en energa hidrulica. El proceso de transformacin de energa se efecta en dos etapas: aspiracin y descarga. Aspiracin Al comunicarse energa mecnica a la bomba, sta comienza a girar y con esto se genera una disminucin de la presin en la entrada de la bomba, como el depsito de aceite se encuentra sometido a presin atmosfrica, se genera entonces una diferencia de presiones lo que provoca la succin y con ello el impulso del aceite hacia la entrada de la bomba. Descarga Al entrar aceite, la bomba lo toma y lo traslada hasta la salida y se asegura por la forma constructiva que el fluido no retroceda. Dado esto, el fluido no encontrar mas alternativa que ingresar al sistema que es donde se encuentra espacio disponible, consiguindose as la descarga. Clasificacin de las Bombas

Constante (cilindrada constante) 1 Caudal Variable (Cilindrada variable)

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Engranajes

Dientes externos Dientes internos Lbulos Rotor

2 Construccin

Paletas

Desequilibradas Equilibradas

Pistones

Axiales Radiales

Cilindrada Se refiere al volumen de aceite que la bomba puede entregar en cada revolucin.

C =

* (D2 - d2) * l 4

Donde: D = Dimetro mayor del engranaje d = Dimetro menor del engranaje l = Ancho del engranaje Unidades: Caudal Terico Es el caudal que de acuerdo al diseo, debiera entregar la bomba (caudal Ideal) cm3/rev

QT = C * NDonde: C = Cilindrada (cm3/rev) N = Rpm (1/rev) Pgina 32 de 115

Rendimiento Volumtrico

Q V = R * QT 100Donde: QR = Caudal Real QT = Caudal Terico 3.1.1. Bombas de desplazamiento positivo Gracias al movimiento cclico constante de su parte mvil, una bomba de desplazamiento positivo es capaz de entregar un caudal constante de lquido y soportar (dentro de sus lmites) cualquier presin que se requiera. En otras palabras, una bomba de desplazamiento positivo genera caudal, pero a alta presin. Una bomba de desplazamiento positivo consiste bsicamente de una parte mvil alojada dentro de una carcasa. La bomba mostrada en la figura tiene un mbolo como parte mvil. El eje del mbolo est conectado a una mquina de potencia motriz capaz de producir un movimiento alternativo constante del mbolo. El puerto de entrada est conectado al depsito, en los puertos de entrada y salida, una bola permite que el lquido fluya en un solo sentido a travs de la carcasa.Salida

Bola

Pistn Carcasa Entrada

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Estas bombas las constituyen las del tipo oleohidrulico, es decir, bombas que adems de generar el caudal, lo desplazan al sistema obligndolo a trabajar, este fenmeno se mantiene an a elevadas presiones de funcionamiento. Las bombas pueden clasificarse adems dependiendo de la forma en que se desplaza la parte mvil de stas; si el desplazamiento es rectilneo y alternado, entonces se llamarn oscilantes, y si el elemento mvil gira se llamarn rotativas.

3.1.2. Bomba de engranajes de dientes externos

A consecuencia del movimiento de rotacin que el motor le provoca al eje motriz, ste arrastra al engranaje respectivo el que a su vez provoca el giro del engranaje conducido (segundo engranaje). Los engranajes son iguales en dimensiones y tienen sentido de giro inverso. Con el movimiento de los engranajes, en la entrada de la bomba se originan presiones negativas; como el aceite que se encuentra en el depsito est a presin atmosfrica, se produce una diferencia de presin, la que permite el traslado de fluido desde el depsito hacia la entrada de la bomba (movimiento del fluido). As los engranajes comienzan a tomar aceite entre los dientes y a trasladarlo hacia la salida o zona de descarga. Por efecto del hermetismo de algunas zonas, el aceite queda impedido de retroceder y es obligado a circular en el sistema

Ejercicio Pgina 34 de 115

Se tiene una bomba de engranajes de dientes externos cuyo dimetro exterior es de 27 mm y dimetro interior 20 mm y tiene un ancho de 12 mm. La bomba funciona a 1450 rpm. Determine el Caudal terico y el rendimiento volumtrico, si al medir el caudal real se obtiene un valor de 3,8 lt/min. C = * (D2 d2) * l 4 C = * (2,72 22) * 1,2 cm 4 C = 3,10075 cm3/rev

QT = C * N QT = 3,10075 cm3/rev * 1450 rev/min QT = 4496,09 cm3/min QT = 4,496 lt/min

V

= QR * 100 QT = 3,8 lt/min * 100 4,496 lt/min = 84,63%

V

V

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3.1.3. Bomba de engranajes de dientes internos

Esta bomba la constituyen elementos como, engranajes de dientes externos (motriz), engranajes de dientes internos (conducido) y una placa en forma de media luna. Existe una zona donde los dientes engranan completamente en la cual no es posible alojar aceite entre los dientes. Al estar los engranajes ubicados excntricamente comienzan a separarse generando un aumento del espacio con lo cual se provoca una disminucin de presin lo que asegura la aspiracin de fluido. Logrado esto, el aceite es trasladado hacia la salida, la accin de la placa con forma de media luna y el engrane total, impiden el retrocesos del aceite. 3.1.4. Bomba de lbulo

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Esta bomba funciona siguiendo el principio de la bomba de engranajes de dientes externos, es decir, ambos elementos giran en sentidos opuestos, con lo que se logra aumentar el volumen y disminuir la presin y por ello conseguir la aspiracin del fluido. Por la forma constructiva de los engranajes el caudal desplazado puede ser mayor. Se genera una sola zona de presin, por lo cual esta bomba constituye una del tipo desequilibrada, y al no podrsele variar la cilindrada, se dice entonces que la bomba es de caudal constante. 3.1.5. Bomba de paletas desequilibradas

Al girar el rotor dentro del anillo volumtrico y ubicado en forma excntrica a ste, se genera por lo tanto una cierta diferencia que permite en algunos casos controlar la cilindrada. Gracias a la excentricidad se genera una zona que hace las veces de cierre hermtico que impide que el aceite retroceda. A partir de esta zona y producto de la fuerza centrfuga, las paletas salen de las ranuras del rotor, ajustndose a la superficie interna del anillo, as entre cada par de paletas se crean cmaras que hacen aumentar el volumen y disminuir la presin, con lo que es posible asegurar el continuo suministro de aceite. El aceite es tomado en estas cmaras y trasladado a la zona de descarga. Al tener la bomba una sola zona de alta presin se originan fuerzas que no son compensadas, lo que indica que la bomba se trata de una bomba desequilibrada.

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3.1.6. Bomba de paletas equilibradas

Se distingue en este tipo de bomba las siguientes situaciones: Anillo volumtrico El rotor y el anillo estn ubicados concntricamente Posee dos zonas de aspiracin y dos de descarga, por lo tanto la aspiracin y descarga se realiza dos veces en cada revolucin Su caudal es fijo Las fuerzas resultantes se anulan, por lo tanto la bomba es equilibrada 3.1.7. Bombas de Pistones l

V = A *l

C = V *n

QT = C * N

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Donde: n = nmero de cilindros Si podemos actuar sobre la carrera del pistn podremos variar la cilindrada y como consecuencia, variar el caudal. Ejercicio Se tiene una bomba de pistones cuyos cilindros tiene un dimetro de 12 mm y una carrera de 50 mm, la bomba gira a 1450 rpm y entrega un caudal de 68 lt/min. Determine la cilindrara, el caudal terico, el rendimiento volumtrico y el largo de la carrera, si disminuye el caudal terico en un 10%; la bomba la conforman 9 cilindros. Definicin Estas bombas se emplean en gran cantidad dada la gran capacidad de otorgar trabajo y caudal con altos niveles de presiones. Existen dos tipos, y su diferencia est dada por la posicin de los mbolos o pistones Bomba de pistones axiales Bomba de pistones radiales 3.1.8. Bomba de pistones axiales

Al girar el eje, comunica un movimiento circular al bloque de cilindros. Este movimiento en conjunto con la inclinacin de la placa, determina que el pistn desarrolle internamente en el cilindro un movimiento alternativo que permite el desarrollo de los procesos de aspiracin y descarga.

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En la primera parte del proceso, los pistones se retraen provocando un aumento de volumen y una disminucin de la presin con lo que se genera la aspiracin. En la segunda etapa, los pistones comienzan a entrar y con esto se disminuye el volumen y como consecuencia se produce la descarga. Si fuera posible variar la inclinacin de la placa, la bomba ser de caudal variable. 3.1.9. Bomba de pistones radiales

El mecanismo de bombeo de la bomba de pistones radiales consiste en un barril de cilindros, pistones, un anillo y una vlvula de bloqueo. Este mecanismo es muy similar al de una bomba de paletas, slo que en vez de usar paletas deslizantes se usan pistones. El barril de cilindros que aloja los pistones est excntrico al anillo. Conforme el barril de cilindros gira, se forma un volumen creciente dentro del barril durante la mitad de la revolucin, en la otra mitad, se forma un volumen decreciente. El fluido entra y sale de la bomba a travs de la vlvula de bloqueo que est en el centro de la bomba.

3.2. TIPOS DE COMPRESORES El compresor es una mquina cuyo objetivo es lograr que el aire a la salida de sta tenga un nivel de presin mayor, este propsito lo lograr el compresor al absorber una determinada cantidad de energa la que finalmente se transformar mediante algn mecanismo en energa de presin o energa neumtica.

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El principio mediante el cual se logra el aumento de presin puede ser de dos tipos. 1. principio de desplazamiento 2. principio dinmico Principio de desplazamiento Se refiere en este caso al hecho de que el aumento de presin se logra por compresin, es decir, el compresor admite una cantidad de aire atmosfrico y posteriormente reduce su volumen, a causa de la reduccin del volumen necesariamente se eleva la presin. Principio dinmico En este caso el aumento de presin se logra de una manera diferente al ingresar el aire al compresor, este le comunica una gran cantidad de energa cintica con lo cual aumenta la velocidad del aire. A la salida del compresor por la construccin interna de ste, la velocidad disminuye, disminuyendo tambin la energa cintica. Esta disminucin permite que una parte de la energa se transforme en energa de presin o neumtica.

Compresores de desplazamiento

Compresores alternativos

Compresores rotativos

De pistn

De diafragma

Multicelular

De tornillo

Roots

Compresores dinmicos

Axial

Radial

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3.2.1. Compresor de Pistn

Este compresor funciona en base a un mecanismo de excntrica que controla el movimiento alternativo de los pistones en el cilindro. Cuando el pistn hace la carrera de retroceso aumenta el volumen de la cmara por lo que aumenta el volumen de la cmara, por lo que disminuye la presin interna, esto a su vez provoca la apertura de la vlvula de admisin permitiendo la entrada de aire al cilindro. Una vez que el pistn ha llegado al punto muerto inferior inicia su carrera ascendente, cerrndose la vlvula de aspiracin y disminuyendo el volumen disponible para el aire, esta situacin origina un aumento de presin que finalmente abre la vlvula de descarga permitiendo la salida del aire comprimido ya sea a una segunda etapa o bien al acumulador. Es el compresor mas difundido a nivel industrial, dada su capacidad de trabajar en cualquier rango de presin. Normalmente, se fabrican de una etapa hasta presiones de 5 bar, de dos etapas para presiones de 5 a 10 bar y para presiones mayores, 3 o mas etapas. Algunos fabricantes ya estn usando tecnologa denominada libre de aceite, vale decir, sus compresores no utilizan aceite lo que los hace muy apetecibles para la industria qumico farmacutica y hospitales

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3.2.2. Compresor de Diafragma (Membrana)

El movimiento obtenido del motor, acciona una excntrica y por su intermedio el conjunto biela pistn. Esta accin somete a la membrana a un vaivn de desplazamientos cortos e intermitentes que desarrolla el principio de aspiracin y compresin. Debido a que el aire no entra en contacto con elementos lubricados, el aire comprimido resulta de una mayor pureza, por lo que lo hace especialmente aplicable en industrias alimenticias, farmacuticas , qumicas y hospitales.

3.2.3. Compresor Multicelular (Aletas)

El rotor gira accionado por el eje del motor ubicado en forma excntrica en el interior de una carcasa. Este rotor es provisto de un cierto nmero de aletas que se ajustan a la superficie interior de la carcasa por accin de la fuerza centrfuga, formando verdaderas clulas o cmaras que aumentan el volumen en una primera etapa. Este aumento de volumen conlleva una disminucin de la presin por lo cual se produce la aspiracin de aire desde la atmsfera. Pgina 43 de 115

En la otra parte del ciclo las cmaras comienzan a reducir paulatinamente su volumen con lo cual se logra el aumento de presin. Tiene la ventaja de generar grandes cantidades de aire pero con vestigios de aceite, por lo que en aquellas empresas en que no es indispensable la esterilidad presta un gran servicio, al mismo tiempo el aceite pulverizado en el aire lubrica las vlvulas y elementos de control y potencia. 3.2.4. Compresor de Tornillo

Los tornillos del tipo helicoidal engranan con sus perfiles y de ese modo se logra reducir el espacio de que dispone el aire. Esta situacin genera un aumento de la presin interna del aire y adems por la rotacin y el sentido de las hlices es impulsado hacia el extremo opuesto. Los ciclos se traslapan, con lo cual se logra un flujo continuo. A fin de evitar el desgaste de los tornillos, estos no se tocan entre si, ni tampoco con la carcasa, lo cual obliga a utilizar un mecanismo de transmisin externo que permita sincronizar el movimiento de ambos elementos. Entrega caudales y presiones medios altos (600 a 40000m/h y 25 bar) pero menos presencia de aceite que el de paletas. Ampliamente utilizado en la industria de la madera, por su limpieza y capacidad.

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3.2.5. Compresor Roots

En este tipo de compresores el aire es tomado en la entrada por los denominados mbolos rotativos y trasladado hasta la descarga, modificando ligeramente el volumen y por lo tanto el nivel de presiones que se alcanza es relativamente bajo entre 1 y 2 bar. Como ventaja presenta el hecho que puede proporcionar un gran caudal, lo que lo hace especial para empresas que requieren soplar, mover gran cantidad de aire, su uso es muy limitado. El accionamiento tambin se asegura exteriormente, ya que por la forma de los elementos y la accin del roce no es conveniente que los mbolos entren en contacto. 3.2.6. Compresor Axial

El proceso de obtener un aumento de la energa de presin a la salida del compresor se logra de la siguiente manera. La rotacin acelera el fluido en el sentido axial comunicndole de esta forma una gran cantidad de energa cintica a la salida del compresor, y por la forma constructiva, se le ofrece al aire un mayor espacio de modo que obligan a una reduccin de la velocidad. Esta reduccin se traduce en una disminucin de la energa cintica, lo que se justifica por haberse transformado en energa de presin. Con este tipo de compresor se pueden lograr grandes caudales (200.000 a 500.000 m/h) con flujo uniforme pero a presiones relativamente bajas (5 bar). Pgina 45 de 115

3.2.7. Compresor Radial

En este caso, el aumento de presin del aire se obtiene utilizando el mismo principio anterior, con la diferencia de que en este caso el fluido es impulsado una o ms veces en el sentido radial. Por efecto de la rotacin, los labes comunican energa cintica y lo dirigen radialmente hacia fuera, hasta encontrarse con la pared o carcasa que lo retorna al centro, cambiando su direccin. En esta parte del proceso el aire dispone de un mayor espacio disminuyendo por tanto la velocidad y la energa cintica, lo que se traduce en la transformacin de presin. Este proceso se realiza tres veces en el caso de la figura, por lo cual el compresor es de tres etapas. Se logran grandes caudales pero a presiones tambin bajas. El flujo obtenido es uniforme. 3.2.8. Accionamiento del compresor Normalmente la energa mecnica que requiere el compresor se obtiene de un motor elctrico dadas las ventajas que presenta utilizar este tipo de energa. Generalmente el motor gira un nmero de rpm fijo por lo cual se hace necesario regular el movimiento a travs de un sistema de transmisin compuesto en la mayora de los casos por un sistema de poleas y correas.. Aunque la aplicacin anterior es la mas difundida y utilizada industrialmente, el elemento de accionamiento tambin puede ser un motor de combustin interna. Este tipo de energa es especialmente til para trabajos en terreno en que no se cuenta con electricidad.

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3.2.9. Ubicacin de la estacin compresora

Esta debe ubicarse en un lugar cerrado, a fin de minimizar el factor ruido. El recinto adems debe contar con ventilacin adecuada y el aire aspirado debe ser lo mas fresco, limpio y seco posible. 3.3. TRATAMIENTO DE AIRE Deben eliminarse todas las impurezas del aire, ya se antes de su introduccin en la red distribuidora o antes de su utilizacin. Las impurezas que contiene el aire pueden ser: Slidas. Polvo atmosfrico y partculas del interior de las instalaciones Lquidas. Agua y niebla de aceite Gaseosas. Vapor de agua y aceite Los inconvenientes que estas partculas pueden generar son: Slidas. Desgaste y abrasiones, obstrucciones en los conductos pequeos. Lquidas y gaseosas. El aceite que proviene de la lubricacin de los compresores provoca: formacin de partculas carbonases y depsitos gomosos por oxidacin y contaminacin del ambiente al descargar las vlvulas. Por otro lado el agua en forma de vapor provoca: oxidacin de tuberas y elementos, disminucin de los pasos efectivos de las tuberas y elementos al acumularse las condensaciones, mal acabado en operaciones de pintura. En la actualidad se ha desarrollado y se est difundiendo cada vez con mayor velocidad los compresores libre de aceite, especialmente desarrollado para la industria alimenticia y farmacutica, estos pueden ser del tipo pistn o tornillo, la gran ventaja de estos equipos es la entrega de un aire limpio, de alta pureza, pero siempre necesita un sistema de filtracin posterior. Pgina 47 de 115

3.3.1. Unidad preparadora de aire (UPA o FRL) Es una unidad que acondiciona el aire para su utilizacin en los elementos de trabajo, es decir, realzale filtrado, drenajes de lquido, reduce la presin al nivel requerido y lubrican el aire. Consta de tres elementos bsicos que son: 1. Filtro con purga 2. Vlvula reductora de presin 3. Lubricador

3.3.2. Filtrado del aire comprimido En los procesos de automatizacin neumtica se tiende cada vez a miniaturizar los elementos (problemas de espacio), fabricarlos con materiales y procedimientos con los que se pretende el empleo cada vez menor de los lubricadores. Consecuencia de esto es que cada vez tenga mas importancia el conseguir un mayor grado de pureza en el aire comprimido, para lo cual se crea la necesidad de realizar un filtraje que garantice su utilizacin. El filtro tiene por misin:

Detener las partculas slidas Eliminar el agua condensada en el aire

Filtros de aire

Los filtros se fabrican en diferentes modelos y deben tener drenajes accionados manualmente, semiautomtica o automticamente. Los depsitos deben construirse de material irrompible y transparente. Generalmente pueden limpiarse con cualquier detergente. Generalmente trabajan siguiendo el siguiente proceso: El aire entra en el depsito a travs de un deflector direccional, que le obliga a fluir en forma de remolino. Consecuentemente, la fuerza centrfuga creada arroja las partculas lquidas contra la Pgina 48 de 115

pared del vaso y stas se deslizan hacia la parte inferior del mismo, depositndose en la zona de calma. La pantalla separadora evita que con las turbulencias del aire retornen las condensaciones. El aire contina su trayecto hacia la lnea pasando a travs del elemento filtrante que retiene las impurezas slidas. Al abrir el grifo son expulsadas al exterior las partculas lquidas y slidas en suspensin. El agua no debe pasar del nivel marcado que normalmente traen los elementos, puesto que en la zona turbulenta el agua sera de nuevo arrastrada por el aire. 3.3.3. Regulacin de la Presin Los reguladores de presin son aparatos de gran importancia en aplicaciones neumticas. Normalmente son llamados mano reductores, que son en realidad reguladores de presin. Para su aplicacin en neumtica debemos entender su funcionamiento y comportamiento ante las variaciones bruscas de presin de salida o frente a demandas altas de caudal. Reguladores de presin

Al ingresar el aire a la vlvula, su paso es restringido por el disco en la parte superior. La estrangulacin se regula por accin del resorte inferior. El pasaje de aire reducido determina que la presin en la salida o secundario tenga un valor inferior. La presin secundaria a su vez acta sobre la membrana de manera tal que cuando excede la presin del resorte se flecta y el disco superior baja hasta cerrar totalmente el paso de aire desde el primario. Si el aumento de presin es suficientemente alto, la flexin de la membrana permitir destapar la perforacin central con lo cual el aire tendr la posibilidad de escapar a la atmsfera aliviando la presin secundaria. Cuando la presin vuelve a su nivel normal la accin del resorte nuevamente abre la vlvula y la deja en posicin normal. Pgina 49 de 115

3.3.4. Lubricadores de aire comprimido Son aparatos que regulan y controlan la mezcla de aire aceite. Los aceites que se emplean deben:

Muy fluidos Contener aditivos antioxidantes Contener aditivos antiespumantes No perjudicar los materiales de las juntas Tener una viscosidad poco variable trabajando entre 20 y 50 C No pueden emplearse aceites vegetales ( Forman espuma)

Este lubricador acta de la forma siguiente: el aire, previa filtracin y regulacin, entra en el aparato y pasa por la estrangulacin que le hace adquirir gran velocidad. Cuando se produce un consumo en la salida (S), el aire comprimido se pone en movimiento y como en el interior del depsito de aceite existe una presin (Pa), el aceite sube por el tubo y la cmara lo deposita (la vlvula de retencin cierra el paso del aceite de la cmara al depsito) El consumo hace que en P exista una presin esttica, y por lo tanto el aceite cae hacia el estrangulamiento, donde la corriente de aire comprimido lo arrastra (en partculas pequeas, tanto mas pequeas cuanto mayor sea la velocidad de aire comprimido) en forma de niebla hacia la salida y las utilizaciones. Pgina 50 de 115

3.4. ACUMULADORES Los fluidos usados en los sistemas hidrulicos no pueden ser comprimidos como los gases y as almacenarse para ser usados en diferentes lugares o a tiempos distintos. Un acumulador consiste en un depsito destinado a almacenar una cantidad de fluido incompresible y conservarlo a una cierta presin mediante una fuerza externa. El fluido hidrulico bajo presin entra a las cmaras del acumulador y hace una de estas tres funciones: comprime un resorte, comprime un gas o levanta un peso, y posteriormente cualquier cada de presin en el sistema provoca que el elemento reaccione y fuerce al fluido hacia fuera otra vez. Los acumuladores, en los cilindros hidrulicos se pueden aplicar como: Acumulador de energa Antigolpe de ariete Antipulsaciones Compensador de fugas Fuerza auxiliar de emergencias Amortiguador de vibraciones Transmisor de energa de un fluido a otro

3.4.1. Acumulador de contrapeso

Pesos

Pistn

Aceite

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El acumulador cargado por peso, ejerce una fuerza sobre el lquido almacenado, por medio de grandes pesos que actan sobre el pistn o mbolo. Los pesos pueden fabricarse de cualquier material pesado, como hierro, concreto e incluso agua. Generalmente los acumuladores cargados por peso son de gran tamao; en algunos casos su capacidad es de varios cientos de litros. Pueden prestar servicio a varios sistemas hidrulicos al mismo tiempo y usualmente son utilizados en fbricas y sistemas hidrulicos centrales. Su capacidad para almacenar fluidos a presin relativamente constante, tanto si se encuentran llenos como casi vacos, representa una ventaja con respecto a otros tipos de acumuladores que no poseen esta caracterstica. La fuerza aplicada por el peso sobre el lquido es siempre la misma independiente de la cantidad de fluido contenido en el acumulador. Una circunstancia desventajosa de los acumuladores cargados por peso es que generan sobrepresiones. Cuando se encuentran descargando con rapidez y se detienen repentinamente, la inercia del peso podra ocasionar variaciones de presin excesivas en el sistema. Esto puede producir fugas en las tuberas y accesorios, adems de causar la fatiga del metal, lo cual acorta la vida til de los componentes. 3.4.2. Acumulador cargado por muelle

Orifico de respiracin

Muelle

Pistn

Aceite

En los acumuladores cargados por resorte, la fuerza se aplica al lquido almacenado por medio de un pistn sobre el cual acta un resorte. Suelen ser ms pequeos que los cargados por peso y su capacidad es de slo algunos litros. Usualmente dan servicio a sistemas hidrulicos individuales y operan a baja presin en la mayora de los casos.

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Mientras el lquido se bombea al interior del acumulador, la presin del fluido almacenado se determina por la compresin del resorte. Si el pistn se moviese hacia arriba y comprimiera diez pulgadas al resorte, la presin almacenada sera mayor que en el caso de un resorte comprimido tan slo cuatro pulgadas. A pesar de los sellos del pistn, cierta cantidad de fluido almacenado podra infiltrarse al interior de la cmara del resorte del acumulador. Para evitar la acumulacin de fluido, un orificio de respiracin practicado en la cmara permitir la descarga del fluido cuando sea necesario. 3.4.3. Acumulador de PistnNitrgeno Pistn Aceite

Un acumulador de tipo pistn consiste en un cuerpo cilndrico y un pistn mvil con sellos elsticos. El gas ocupa el volumen por encima del pistn y se comprime cuando el fluido entra al interior del cuerpo cilndrico. Al salir el fluido del acumulador la presin del gas desciende. Una vez que todo el lquido ha sido descargado, el pistn alcanza el final de su carrera y cubre la salida manteniendo el gas dentro del acumulador. 3.4.4. Acumulador de gas no separado

N2 Aceite Gas

Los acumuladores de gas no separado consisten en un depsito en el que se coloca un volumen de fluido y a continuacin se le da la presin al gas. Normalmente se instalan Pgina 53 de 115

en circuitos donde el volumen de aceite tiene un mximo y un mnimo dentro del acumulador. Este acumulador es sencillo de construccin, econmico y se puede realizar para caudales medianos. Tiene el inconveniente de que existe el peligro de que el gas se mezcle con el aceite. 3.4.5. Acumulador de DiafragmaGas Gas Aceite

Diafragma

El acumulador de tipo diafragma se compone de dos hemisferios metlicos atornillados juntos, pero cuyo volumen interior se halla separado por un diafragma de hule sinttico, el gas ocupa el hemisferio superior. Cuando el fluido entra en el espacio inferior, el gas se comprime. Al descargar todo el lquido, el diafragma desciende hasta la salida y mantiene el gas dentro del acumulador. Este tipo de acumuladores son para caudales relativamente pequeos y presiones medias. 3.4.6. Acumulador de vejiga

Gas Aceite

Vejiga

El acumulador de tipo vejiga se compone de un casco de metal en cuyo interior se encuentra una vejiga de hule sinttico que contiene al gas. Cuando el fluido entra al interior del casco, el gas en la vejiga se comprime. Pgina 54 de 115

La presin disminuye conforme el fluido sale del casco, una vez que todo el lquido ha sido descargado, la presin del gas intenta empujar la vejiga a travs de la salida del acumulador. Sin embargo, una vlvula colocada encima del puerto de salida, interrumpe automticamente el flujo cuando la vejiga presiona el tapn de la misma. Observaciones No cargar nunca un acumulador con oxgeno o con aire. Descargar la presin hidrulica antes de quitar el acumulador. Antes de despiezar el acumulador quitar presin hidrulica y presin de gas 3.5. DEPSITO O TANQUEAspiracin Retorno

Tapa limpieza

Cmara de aspiracin

Tabique separador

Cmara de retorno

La funcin natural de un tanque hidrulico es contener o almacenar el fluido de un sistema hidrulico. En qu consiste un tanque hidrulico En un sistema hidrulico industrial, en donde no hay problemas de espacio y puede considerarse la obtencin de un buen diseo, los tanques hidrulicos consisten de cuatro paredes (normalmente de acero), un fondo con desnivel, una tapa plana con una placa para montaje, cuatro patas, lneas de succin, retorno y drenaje; tapn de drenaje, indicador de nivel de aceite; tapn para llenado y respiracin; una cubierta de registro para limpieza y un tabique separador o placa deflectora. Adems de funcionar como un contenedor de fluido, un tanque tambin sirve para enfriar el fluido, permitir asentarse a los contaminantes y el escape del aire retenido. Pgina 55 de 115

Cuando el fluido regresa al tanque, una placa deflectora bloquea el fluido de retorno para impedir su llegada directamente a la lnea de succin. As se produce una zona tranquila, la cual permite sedimentarse a las partculas grandes de suciedad, que el aire alcance la superficie del fluido y da oportunidad de que el calor se disipe hacia las paredes del tanque. La desviacin del fluido es un aspecto muy importante en la adecuada operacin del tanque. Por esta razn, todas las lneas que regresan fluido al tanque deben colocarse por debajo del nivel del fluido y en el lado de la placa deflectora opuesto al de la lnea de succin. 3.5.1. Tipos de tanques Los tanques industriales vienen en una amplia variedad de estilos entre los cuales est el tanque con arreglo en L, el superior y el convencional. El tanque convencional es el que se usa ms frecuentemente en la industria. Los tanques superiores y con arreglo en L, ejercen una carga positiva de fluido sobre la bomba.

Tanque Bomba

Arreglo en L

Bomb a

Superior

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3.6. VALVULAS Los sistemas neumticos e hidrulicos lo constituyen:

Elementos de informacin rganos de mando Elementos de trabajo

Para el tratamiento de la informacin y rganos de mando es preciso emplear aparatos que controlen y dirijan el flujo de forma preestablecida, lo que obliga a disponer de una serie de elementos que efecten las funciones deseadas relativas al control y direccin del flujo del aire comprimido o aceite. En los principios del automatismo, los elementos reseados se mandan manual o mecnicamente. Cuando por necesidades de trabajo se precisaba efectuar el mando a distancia, se utilizaban elementos de comando por mbolo neumtico (servo). Actualmente, adems de los mandos manuales para la actuacin de estos elementos, se emplean para el comando procedimientos servo-neumticos y electroneumticos que efectan en casi su totalidad el tratamiento de la informacin y de la amplificacin de seales. La gran evolucin de la neumtica y la hidrulica ha hecho, a su vez, evolucionar los procesos para el tratamiento y amplificacin de seales, y por tanto, hoy en da se dispone de una gama muy extensa de vlvulas y distribuidores que nos permiten elegir el sistema que mejor se adapte a las necesidades. Hay veces que el comando se realiza neumticamente o hidrulicamente y otras nos obliga a recurrir a la electricidad por razones diversas, sobre todo cuando las distancias son importantes y no existen circunstancias adversas. Las vlvulas en trminos generales, tienen las siguientes misiones:

Distribuir el fluido Regular caudal Regular presin

3.6.1. Vlvulas distribuidoras Son vlvulas de varios orificios (vas) los cuales determinan el camino el camino que debe seguir el fluido bajo presin para efectuar operaciones tales como puesta en marcha, paro, direccin, etc.

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Pueden ser de dos, tres, cuatro y cinco vas correspondiente a las zonas de trabajo y, a la aplicacin de cada una de ellas, estar en funcin de las operaciones a realizar. Representacin esquemtica Hay que distinguir, principalmente: 1. Las vas, nmero de orificios correspondientes a la parte de trabajo. 2. Las posiciones, las que puede adoptar el distribuidor para dirigir el flujo por una u otra va, segn necesidades de trabajo. Clasificacin de las vlvulas direccionales Esfrico VALV. DE ASIENTO Disco Plano Longitudinal VALV. DE CORREDERA Corredera y Cursor Giratoria 3.6.2. Vlvula de asiento esfrico y de Disco plano Las vlvulas de asiento presentan el problema de que el accionamiento en una de las posiciones de la vlvula debe vencer la fuerza ejercida por el resorte y aquella producto de la presin. Esto hace necesario una fuerza de accionamiento relativamente alta. En general presentan un tipo de respuesta pequea, ya que un corto desplazamiento determina que pase un gran caudal. Vlvula 3/2 de asiento esfrico

T

A

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3.6.3. Vlvula de CorrederaPasaje A Pasaje B

Cuerpo de la Vlvula

Pasaje hacia la bomba

Pasaje hacia el tanque

Una vlvula de corredera consiste en un cuerpo que en su interior contiene una parte mvil y una serie de pasajes internos. La parte mvil puede (al adoptar diversas posiciones) desconectar o comunicar entre si, de diversas formas, a estos pasajes internos. La parte mvil la constituye una pieza torneada que puede deslizarse (como si fuera un pistn) dentro de una cavidad cilndrica que tiene el cuerpo de la vlvula. La forma de esta parte mvil en el caso de las vlvulas direccional se asemeja a un grupo de varios mbolos pequeos, unidos a un eje que los atraviesa por el centro y que los mantiene separado entre s. En ingls este tipo de obturador recibe el nombre de spool. Funcionamiento de la vlvula La vlvula en estudio, corresponde a una vlvula distribuidora de corredera 4/2, lo que significa que posee 4 vas (A, B, P y T) y 2 posiciones (con el conmutador hacia la derecha y con el conmutador hacia la izquierda). En la primera posicin (figura 1) el conmutador comunica la lnea de presin P con la lnea de trabajo A y la lnea de trabajo B queda comunicada con tanque T, por lo tanto el fluido que proviene de la bomba se dirige hacia A y el fluido de B retorna al tanque o depsito del sistema. En la segunda posicin (figura 2) ocurre exactamente lo contrario, la lnea de presin P queda comunicada con la lnea de trabajo B y la lnea de trabajo A se comunica con tanque T.A B A B

PFigura 1

TFigura 2

P

T

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3.6.4. Vlvula de corredera y cursorA R B

Z

P

Y

En este tipo de vlvula, la comunicacin entre las distintas conexiones se realiza gracias a la accin de un cursor. La ventaja en la utilizacin de este elemento, radica en el hecho de que el resorte lo apoya continuamente, supliendo el desgaste natural del cursor por efecto del rozamiento interno, en la vlvula vista anteriormente, el rozamiento no es compensado de manera que el desgaste de la corredera puede permitir la filtracin a otras conexiones. En este tipo de vlvulas, las fuerzas de accionamiento comparativamente pequeas, comparadas con las vlvulas de asiento. 3.6.5. Vlvula giratoria o rotativa Las vlvulas distribuidoras hasta ahora vistas son de inversin axial. Existe otra configuracin, que es la inversin rotativa. La figura siguiente, muestra una vlvula de tres vas y dos posiciones. El rotor gira 180 para carga o descarga delaceite. son

A

T

P

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3.6.6. Centros de las vlvulas direccionales Centro cerrado En este tipo de centro, todas las vas permanecen cerradas, lo que impide, por ejemplo, mover el vstago del cilindro manualmente. Adems ya que la lnea de presin est cerrada el fluido no encuentra ms alternativa que seguir al estanque o a la atmsfera en caso del aire a travs de la vlvula de seguridad. Esta situacin origina lo siguiente: el aceite debe vencer la resistencia que opone el resorte de dicha vlvula por lo cual se eleva la presin hasta el nivel mximo, punto en el cual la vlvula se abre y permite la descarga de la bomba a alta presin. Centro Tandem Aqu, en la posicin central de la vlvula direccional, se bloquean las conexiones de trabajo, por lo tanto el sistema no puede ser movido manualmente. Por otro lado, las conexiones de presin y tanque, estn comunicadas, lo que permite que la bomba en esta posicin descargue directamente al depsito y a baja presin. La reaccin del sistema, cuando se ubica en una posicin de trabajo es por lo tanto mas lenta que en el caso anterior. Centro Semiabierto La posicin central de la vlvula direccional, mantiene comunicadas las lneas de trabajo con la lnea de tanque, por lo que se encuentran a baja presin, el vstago puede ser movilizado manualmente. La conexin de presin se encuentra bloqueado por lo que el aceite no tiene mas alternativa que seguir hacia el depsito a travs de la vlvula de seguridad, elevndose por lo tanto la presin y se dice entonces que la bomba descarga a alta presin. Centro Abierto En este caso todas las vas estn comunicadas, lo que significa en otras palabras, comunicadas con la lnea de tanque, es decir, a baja presin. Dada esta situacin, la bomba descarga tambin a baja presin. La reaccin del sistema es ms lenta que en todos los casos anteriores.

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3.6.7. Accionamiento de las vlvulas Estos estn referidos a la forma o el medio que se utiliza para desplazar el conmutador dentro de la vlvula o el elemento de cierre. Pueden ser mecnicos (como muelles, rodillos, rodillos abatibles), manuales (pulsadores, palancas, pedales) y adems accionados neumtica e hidrulicamente. En los accionamientos del tipo mecnico y manual, es necesario aplicar una fuerza directamente sobre el conmutador ya sea con palancas resortes o pedales, entre otros, en cambio en los accionamientos neumticos y/o hidrulicos es la presin de un fluido que acta sobre el conmutador la que genera la fuerza necesaria para provocar el desplazamiento, por otro lado puede generar tambin fuerza, la depresin del fluido para desplazar el conmutador. 3.6.8. Vlvulas Reguladoras de Caudal Las aplicaciones de los reguladores de caudal (tambin reguladores de flujo) no estn limitadas a la reduccin de la velocidad de los cilindros o actuadores en general, pues adems tienen gran aplicacin en accionamientos retardados, temporizaciones, impulsos, etc. Los reguladores de caudal pueden se unidireccionales y bidireccionales. En los reguladores bidireccionales el flujo es regulado en cualquiera de las dos direcciones. Tienen su principal aplicacin cuando se precisa idntica velocidad en uno y otro sentido del fluido. Hay otros casos en los que se precisa que la vena fluida sea susceptible de regularse en una direccin, pero que quede libre de regulacin en la direccin contraria. En estos casos se recurre al empleo de reguladores de caudal unidireccionales. Las vlvulas reguladoras bidireccionales, representan en palabras simples, una estrangulacin en el conducto por el cual fluye el fluido, con lo cual se le restringe el paso, sin embargo la vlvula de regulacin unidireccional, est constituida a su vez, por otras dos vlvulas; una de retencin y otra que permite regular el caudal. 3.6.9. Vlvula de retencin (check, clapet, de bloqueo o antirretorno) Es una vlvula que permite la circulacin del fluido en un solo sentido, en la direccin contraria se cierra impidiendo el paso. La obturacin del paso puede lograrse con una bola, disco, cono, etc., impulsada por la propia presin de trabajo o bien con la ayuda complementaria de un muelle.

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Esquena de vlvula antirretorno

Algunas vlvulas reguladoras de caudal, se pueden diferenciar dependiendo de la forma que tenga el elemento de cierre o de regulacin del fluido. As se tiene, entre otras: 3.9.10. Vlvula de compuerta

La trayectoria que sigue el flujo cuando atraviesa por una vlvula de compuerta siempre es recta y pasa justo por el centro de sta. El tamao del orificio se modifica haciendo girar el vstago de la vlvula, accin que mueve una compuerta o cua que se interpone en la trayectoria del flujo. Las vlvulas de compuerta no estn diseadas para regular caudal, pero se les usa con este fin cuando slo se requiere una regulacin gruesa del caudal. 3.6.11. Vlvula de esfera

La trayectoria a travs de una vlvula de esfera no es recta; despus de entrar en el cuerpo de la vlvula, el flujo gira 90 y pasa a travs de una abertura, en la que se asienta un tapn o una esfera. La distancia entre tapn (o esfera) y asiento se puede variar a voluntad, lo que permite regular el tamao del orificio. Pgina 63 de 115

3.6.12. Vlvula de aguja

Despus de entrar en el cuerpo de una vlvula de aguja, el flujo gira 90 y pasa a travs de una abertura que es el asiento de la punta cnica de una barra cilndrica. En este caso el tamao del orificio se regula variando la posicin relativa de la punta cnica respecto a su asiento. El tamao del agujero se puede variar de manera muy gradual gracias a un tornillo de paso muy pequeo que tiene el vstago de la vlvula, y a la forma de cono que tiene la punta de la barra cilndrica. La vlvula de aguja es el orificio variable que se usa con mayor frecuencia en los sistemas industriales. 3.6.13. Vlvulas de presin Las vlvulas de presin ejercen influencia sobre la presin del fluido o bien reacciona frente a valores de presin determinados. Las principales vlvulas de presin son: 1. Vlvula reguladora de presin (reductora de presin) 2. Vlvula de secuencia (control de presin) 3. Vlvula de sobrepresin (de seguridad) 3.6.13.1. Vlvula reguladora de presin Una vlvula reguladora de presin tiene por misin mantener en lnea sistema un valor de presin constante an si la red de alimentacin tiene presiones de valor oscilante y consumos variables.

P

T A

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Campo de aplicacin

Alimentacin centralizada de instalaciones de aire comprimido Unidad de mantenimiento de un sistema Regulacin de fuerzas en cilindros Regulacin de los torques en motores En todos los lugares donde se requiera una presin constante para realizar un trabajo seguro y confiable

Un regulador de presin funciona en un solo sentido, debe prestarse atencin a una conexin correcta. 3.6.13.2. Vlvula de secuencia

Una vlvula de secuencia tiene por funcin, luego de alcanzar cierta presin entregar una seal de salida. Esta seal de salida puede estar dentro del campo de las presiones bajas o normales, y tambin puede ser elctrica. La presin de respuesta de una vlvula de secuencia, generalmente es regulable. 3.6.13.3. Vlvula de seguridad

T

Existe una verdadera confusin con la vlvula de seguridad, de descarga, de alivio, limitadora, sobrepresin, etc. Esto es debido a que cada fabricante las nombra de una manera y, aunque en realidad las vlvulas tienen diferente nombre, stas son las mismas. Pgina 65 de 115

La vlvula de seguridad es el elemento indispensable en las instalaciones hidrulicas y es el aparato que ms cerca debe ponerse de la bomba, su misin es limitar la presin mxima del circuito para proteger a los elementos de la instalacin. Esta vlvula, tambin conocida como VLP, acta cuando se alcanza el valor de la presin regulada en el resorte. 3.7. TEMPORIZADOR

A

P

R

Z

El temporizador neumtico, es una unidad formada por tres elementos bsicos: Una vlvula direccional Una vlvula reguladora de caudal unidireccional Un acumulador La regulacin del tiempo se logra estrangulando el paso del fluido que llaga por la lnea Z al acumulador. Cuando la cantidad de aire que ha ingresado al acumulador genera una presin suficiente para vencer el resorte se acciona la vlvula direccional para bloquear la seal de presin y establecer comunicacin entre A y R. Cuando la lnea Z se pone en descarga, el fluido sale del acumulador a travs del conducto que en primera instancia cerraba la membrana flexible (antirretorno) en lugar de seguir por la estrangulacin ya que esto significa un mayor esfuerzo. El temporizador de la figura es normalmente abierto y cuando acta, corta la seal de presin. El temporizador normalmente cerrado, cuando acta comunica seal de presin a la lnea A.

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3.8. FLUJOMETROS O CAUDALIMETROS Los medidores de caudal en lnea han sido diseados para realizar comprobaciones del caudal circulante en los circuitos hidrulicos. Pueden ser instalados en forma fija o ser utilizados como aparato de control porttil, dentro del servicio de mantenimiento, para realizar comprobaciones y detectar las posibles fallas existentes en el circuito. No deben instalarse en lneas donde el caudal de aceite puede ser reversible. Proporciona una lectura directa del caudal, sin necesidad de conexiones elctricas o dispositivos especiales. Se puede montar en cualquier posicin, aunque es preferible montarlos horizontalmente. El caudalmetro tipo rotmetro lleva un peso (indicador) que al ser arrastrado por el fluido, marca en una escala en lt/min o gal/min. No deben colocarse en lugares donde el aceite circule en ambos sentidos. Para facilitar su montaje, llevan una flecha indicando el sentido en que circula el fluido. Un tipo de caudalmetro ms preciso es el de tipo de turbina; en stos, el paso del aceite hace girar una turbina que manda una seal elctrica a un sensor y un convertidor transforma la seal en lt/min o gal/min, ejemplo de este tipo de medidor es el de la red pblica de agua potable. 3.9. MANOMETROS Un manmetro es un dispositivo que mide la intensidad de una fuerza aplicada (presin) a un lquido o gas. Estos pueden ser de dos clases: 1. Los que equilibran la presin desconocida con otra que se conoce. A este tipo pertenece el manmetro de vidrio en U, en el que la presin se determina midiendo la diferencia en el nivel del lquido de las dos ramas. 2. Los que la presin desconocida acta sobre un material elstico que produce el movimiento utilizado para poder medir la presin. A este tipo de manmetro pertenece el manmetro de tubo de Bourdon, el de pistn, el de diafragma, etc.

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3.9.1. Manmetro de Bourdon

Este manmetro consiste de una cartula calibrada en unidades PSI o Kpa y una aguja indicadora conectada a travs de una articulacin a un tubo curvado de metal flexible llamado tubo de bourdon. El tubo de bourdon se encuentra conectado a la presin del sistema. Conforme se eleva la presin en un sistema, el tubo de bourdon tiende a enderezarse debido a la diferencia en reas entre sus dimetros interior y exterior. Esta accin ocasiona que la aguja se mueva e indique la presin apropiada en la cartula. El manmetro de tubo de bourdon, es por lo general, un instrumento de precisin cuya exactitud varia entre 0,1% y 3% de su escala completa. Son empleados frecuentemente para fines de experimentacin y en sistemas donde es importante determinar la presin. 3.9.2. Manmetro de Pistn Este manmetro consiste de un pistn conectado a la presin del sistema, un resorte desbalanceador, una aguja y una cartula calibrada en unidades apropiadas, PSI o Kpa. Conforme la presin se eleva en un sistema, el pistn se mueve por esta presin, la que acta en contra de la fuerza del resorte desbalanceador. Este movimiento ocasiona que la aguja indique en la escala la presin apropiada. 3.9.3. Manmetro de diafragma Este manmetro posee una lmina ondulada o diafragma que transmite la deformacin producida por las variaciones de presin Pgina 68 de 115

3.9.4. Manmetro de Fuelle Este manmetro utiliza como elemento elstico un fuelle de tipo metlico el cual al recibir la fuerza proveniente del lquido, tiende a estirarse, con lo cual transmite a la aguja el movimiento para indicar en la cartula el valor de presin. 3.9.5. Vacumetro Los manmetros, como hemos visto, marcan presiones superiores a la atmosfrica, que son las empleadas en hidrulica, pero tambin es necesario medir presiones inferiores a la atmosfrica por ejemplo, a la entrada de la bomba donde la presin es inferior a la atmosfrica y la depresin debe ser mnima. Los aparatos que miden este vaco se llaman vacumetros. Estn calibrados en milmetro de mercurio. 30 pulgadas de mercurio (Hg) = 760 mm de Hg. 30 pulgadas de mercurio es el vaco perfecto. 3.10. FILTROS Para prolongar la vida til de los aparatos hidrulicos es de vital importancia emplear aceites limpios, de buena calidad y no contaminado. La limpieza de los aceites se puede lograr reteniendo las partculas nocivas o dainas y efectuando los cambios de aceite en las fechas y periodos que establecen los fabricantes o que determinan las especificaciones tcnicas del aceite y/o elementos del circuito. Los elementos que constituyen contaminantes para el aceite pueden ser entre otros: Agua cidos Hilos y fibras Polvo, partculas de junta y pintura

y el elemento que debe retener estos contaminantes es el filtro. Para evitar que los aceites entren en contacto con elementos contaminantes; puede procurarse lo siguiente: 1. 2. 3. 4. 5. En reparaciones, limpiar profusamente limpiar el aceite antes de hacerlo ingresar al sistema cambiar el aceite contaminado peridicamente contar con un programa de mantencin del sistema hidrulico cambiar o limpiar los filtros cuando sea necesario

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Elementos filtrantes La funcin de un filtro mecnico es remover la suciedad de un fluido hidrulico. Esto se hace al forzar la corriente fluida a pasar a travs de un elemento filtrante poroso que captura la suciedad. Los elementos filtrantes se dividen en dos tipos: de profundidad y de superficie. Elementos tipo profundidad Los elementos tipo profundidad obligan al fluido a pasar a travs de muchas capas de un material de espesor considerable. La suciedad es atrapada a causa de la trayectoria sinuosa que adopta el fluido. El papel tratado y los materiales sintticos son medios porosos comnmente usados en elementos de profundidad.1.

Papel micronic. Son de hoja de celulosa tratada y grado de filtracin de 5 a 160 . Los que son de hoja plisada aumenta la superficie filtrante.

2. Filtros de malla de alambre. El elemento filtrante es de malla de un tamiz ms o menos grande, normalmente de bronce fosforoso. 3. Filtros de absorcin. As como el agua es retenida por una esponja, el aceite atraviesa el filtro. Son de algodn, papel y lana de vidrio. 4. Filtros magnticos. Son filtros caros y no muy empleados; deben ser estos dimensionados convenientemente para que el aceite circule por ellos lo mas lentamente posible y cuanto mas cerca de los elementos magnticos mejor, para que atraigan las partculas ferrosas Elementos de tipo superficie En un elemento filtrante tipo superficie la corriente de fluido tiene una trayectoria de flujo recta, a travs de una capa de material. La suciedad es atrapada en la superficie del elemento que est orientada hacia el flujo del fluido. La tela de alambre y el metal perforado son tipos comunes de materiales usados en los elementos de superficie.

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3.11. ACTUADORES Los actuadores son aquellos que tienen a cargo la conversin de energa hidrulica y/o neumtica disponible en energa mecnica disponible. Toda actividad visible en una mquina es realizada por estos elementos, los que deben figurara entre las primeras cosas que deben ser consideradas en el diseo de una mquina. Los actuadores en general pueden ser clasificados en dos tipos; actuadores lineales y rotatorios.

3.11.1. Cilindros y/o neumtica

Energa hidrulica

Estos son actuadores del tipo lineal, y constan de: un cabezal posterior y otro anterior que presenta un agujero para permitir que el vstago se deslice a travs del cabezal anterior. La parte mvil del cilindro esta conformado por el mbolo o pistn y el vstago, que es la parte visible del elemento mvil. La cmara posterior no presenta problemas, pero en la anterior existe el agujero de salida del vstago, por lo que es necesario equipar esta zona con los respectivos y adecuados sellos o juntas. En palabras simples los cilindros constituyen los brazos de los sistemas neumticos y/o hidrulicos. 3.11.1.1. Partes de un cilindro 1. Camisa o tubo; es de acero estirado sin soldaduras o costuras y adems rectificada. 2. Vstagos; pueden ser normales o reforzados, son de acero cromado y rectificado de gran precisin, normalmente roscado en el extremo. 3. Tapas; son de acero soldadas, atornilladas o roscadas. 4. Pistn o mbolo; son de aleacin de aluminio, acero o fundicin al cromo nquel. 5. Entradas del fluido. 6. Amortiguacin fin de carrera; para frenar el pistn y que no golpee en las tapas 7. Empaquetaduras y retenes; para estanqueidad de los vstagos. Pgina 71 de 115

A CT U A D O REnerga Mecnica lineal o rotatoria

CONEXION NEUMATICA DE ACUERDO A NORMA ISO GUARNICION DE ESTANQUESIDAD CON LABIO LIMPIADOR DE VASTAGO VALVULA DE CONTROL DE AMORTIGUACION

PESTAA PARA CENTRAR LOS MONTAJES

BUJE DE GUIAS EN BRONCE SINTETIZADO CON GRAM CAPACIDAD AUTOLUBRICANTE

VALVULA DE DISCO FLOTANTE PARA AMORTIGUACION

3.11.1.2. Caractersticas Tcnicas Carrera del Cilindro

Carrera

La distancia a travs de la cual se aplica energa disponible determina la magnitud del trabajo. Esta distancia es la carrera de trabajo del cilindro. Pgina 72 de 115

Volumen del cilindro Cada cilindro tiene un volumen que se calcula multiplicando la carrera por el rea del mbolo o pistn

rea

Carrera

Fuerza en un cilindro La fuerza ejercida por un pistn depende de la presin de trabajo, el rea de aplicacin de la presin y del roce de las juntas o sellos. La fuerza terica se obtiene:

F = P * AEn la carrera positiva del cilindro (salida del vstago) sa considera como rea de trabajo la del pistn, es decir:

rea

pero en la carrera negativa, es necesario no considerar el rea del vstago, pues sobre esta porsin no actua la presin, esto es:rea

En la prctica, adems, se debe tener en cuenta el roce a que est sometido el elemento