neumatica y oleohidraulica...

Universidad Técnica de Ambato

Facultad de Ingeniería Civil y Mecánica

Carrera de Ingeniería Mecánica

GUIA DE MÓDULO

NEUMATICA Y OLEOHIDRAULICA

(IM-07-E04)

CIRCUITOS DE APLICACION

Preparado por: Ing. Santiago Cabrera Anda

Area Académica: Energía

Periodo Académico: Marzo – Agosto 2010

Neumática y Oleohidráulica Santiago Cabrera Anda - 1 -

CAPÍTULO 1

FLUIDOS NEUMÁTICOS Y OLEOHIDRÁULICOS. APLICACIONES 1.1 OBJETIVOS DE APRENDIZAJE: Analizar procesos en sistemas abiertos, con diversos fluidos: aire atmosférico, aire tratado, y aceite hidráulico, con la finalidad de determinar sus diversas propiedades y aplicaciones mecánicas, cumpliendo las leyes y principios de la Termodinámica e Hidrodinámica. 1.2 MARCO TEORICO: 1.2.1 FLUIDOS NEUMÁTICOS: AIRE ATMOSFÉRICO Es el gas que conforma la atmósfera terrestre y está constituido por una serie de gases, algunos muy predominantes sobre el resto 1.2.1.1 Composición: Nitrógeno 78,03% de su volumen; 75,46% de su peso Oxígeno 20,99% de su volumen; 23,20% de su peso Argón 0,94% de su volumen; 1,28% de su peso Gases nobles y otros 0,04% Gases nobles y otros: Neón(Ne) 1 en 65.000 Helio (He) 1 en 200.000 Kriptón (Kr) 1 en 1.000.000 Xenón(Xe) 1 en 11.000.000 Agua(H2O) Variable Dióxido de carbono Variable 1.2.1.2 Características. Es un gas incoloro, inodoro e insípido. Es indispensable para la vida sobre la tierra. Necesario para la combustión. Los gases que contiene el aire pueden separarse por medios físicos, como es la destilación fraccionada. Un litro de aire en condiciones normales pesa 1,293 gramos. 1.2.2 AIRE NEUMÁTICO El aire neumático debe ser eminentemente seco y sin agentes agresivos y contaminantes. En el proceso de compresión, el aire genera condensados de agua y más cuando las temperaturas son bajas. El aire debe ser limpio, lo que se consigue filtrándolo con filtros de unas 40 micras.


El aire comprimido no sobrepasa en su utilización los 10 bar (145 psi) y en su uso generalizado está entre 6 y 8 bar (87 y 116 psi). El aire debe ser seco, sin humedad, lo que se consigue con separadores de agua o secadores de aire instalados en la red de distribución. El aire puede ser utilizado seco o engrasado. Existen aparatos de instrumentación que requieren aire seco, mientras que a otros, como cilindros, distribuidores y reguladores se les alimenta con aire engrasado, que cumple dos objetivos: evitar la oxidación por efecto de la humedad contenida en el aire y engrasar los elementos móviles de los aparatos neumáticos. Los aceites utilizados para engrases son de base mineral y con grados de viscosidad entre 22 y 37 centistokes. Los aceites contenidos en el aire neumático no deben atacar a las juntas y otros elementos con los que están construidos los aparatos neumáticos. El aire neumático, una vez que ha realizado su función, debe ser evacuado al ambiente donde la instalación esté ubicada. Si hay gran cantidad de aparatos neumáticos, el aire evacuado puede tener un gran volumen, o que unido a que va acompañado de aceite de engrase puede contaminar el medio, donde trabajan personas. Debe cuidarse mucho el control de la contaminación y sus riesgos, para que no suponga un riesgo para las personas, y evacuando el aire al exterior de los ambientes cerrados. 1.2.3 FLUIDOS OLEOHIDRÁULICOS 1.2.3.1 Objetivos

• Transmitir potencia: El fluido debe presentar baja resistencia al flujo y debe ser lo más incompresible posible.

• Lubricar partes móviles: El fluido debe presentar buena demulsibilidad y protección contra la oxidación.

• Minimizar fugas: Muchas veces, el fluido es el único cierre contra la presión dentro de un componente hidráulico. El ajuste mecánico y viscosidad del fluido evitan las fugas. Su viscosidad varía entre 15 a 120 cSt (2,5 a 16°E). Los valores normales están entre 35 y 70 cSt.

• Enfriar o disipar el calor: La circulación del fluido alrededor de las paredes, permite enfriar el sistema.

1.2.3.2 Tipos de fluidos oleohidráulicos

a) Líquidos de base acuosa • Aceite mineral en agua. Mezcla: hasta 15% de aceite, el resto agua. Temperatura de

trabajo: entre 10 y 70 °C • Agua en aceite mineral. Mezcla: entre 50 y 60% de aceite, el resto agua.

Temperatura de trabajo: entre 10 y 70 °C


• Agua con glicerina. Mezcla: hasta 50% de glicerina, el resto agua. Temperatura de trabajo: entre -45 y 65 °C

• Glicol-agua. Mezcla: entre 35 y 60% de agua, el resto alcohol. Temperatura de trabajo: entre -15 y 60 °C

b) Líquidos sintéticos: • Esteres fosfatados. Temperatura de trabajo: entre -55 y 150 °C • Siliconas. Temperatura de trabajo: entre -70 y 300 °C c) Aceites minerales y vegetales

• Se degradan fácilmente a alta temperatura. Temperatura de trabajo: 10 a 100 °C

d) Aditivos. Conservan y mejoran las propiedades de los líquidos oleohidráulicos:

• Viscosos: Aumentan la viscosidad del fluido oleohidraúlico • Anticongelantes: Mejoran la fluidez a bajas temperaturas • Adherentes: Mejoran adherencia a las paredes de elementos metálicos del circuito • Antiespumantes (siliconas): Reducen la formación de espumas • Antioxidantes (Amina fenoles para trabajo entre 100 y 130 °C, Productos con

azufre y fósforo para trabajo entre 150 y 200 °C.

Cuadro 1.1: Clasificación por viscosidad para aceites industriales


1.2.4 APLICACIONES DE LA NEUMÁTICA Y OLEOHIDRÁULICA 1.2.4.1 Aplicaciones Móviles:

• Tractores y Retroexcavadoras • Grúas • Montacargas • Volquetes y cargadores • Camiones recolectores de basura • Frenos, suspensión y dirección de automotores • Vehículos pesados para construcción y mantenimiento de carreteras • Timones, alerones, trenes de aterrizaje y frenos para aeronáutica • Timones, mecanismos de transmisión y sistemas de mando para embarcaciones o

buques militares 1.2.4.2 Aplicaciones Industriales y Tecnológicas:

• Máquinas herramientas • Maquinas para la industria: plástica, alimentos, petrolera, textil, bebidas, agrícola,

minera, siderúrgica, etc. • Equipamiento para robótica y manipulación automatizada • Accionamiento de válvulas y control de compuertas • Equipo para montaje industrial • Equipos para Medicina: Instrumental quirúrgico, mesas de operaciones, camas de

hospital, sillas e instrumental odontológico 1.2.4.3 Principales diferencias entre Sistemas Neumáticos y Oleohidráulicos

• Los accionamientos neumáticos son más sencillos, rápidos, limpios y de menor costo.

• En neumática las fuerzas obtenidas se limitan a unas 3 Ton, mientras que en oleohidráulica no existe límite apreciable.

• Los sistemas oleohidráulicos permiten la transmisión de mayores potencias y facilidad de regulación de caudal.

• La energía neumática puede almacenarse. • El aire luego de utilizado es evacuado hacia el ambiente sin ser reutilizado. • La energía neumática tiene aproximadamente el doble de costo que la

oleohidráulica. Las siguientes figuras 1.1 y 1.2, muestran algunas características específicas de los sistemas neumáticos y oleohidráulicos.


Fig. 1.1: Diagrama de bloques transformación de energía

BOMBA HIDRÁULICA

FLUIDO HIDRÁULICO

ENERGIA HIDRÁULICA

FLUIDO NEUMÁTICO

ENERGIA NEUMÁTICA

NEUMÁTICOS

SISTEMAS

ENERGIA ELÉCTRICA

TRATAMIENTO

COMPRESOR

ENERGIA MECÁNICA

ENERGIA ELÉCTRICA

OLEOHIDRÁULICOS

SISTEMAS

MOTOR ELÉCTRICO

Fig. 1.2: Componentes de circuitos neumáticos1

1 Festo Didactics. Principios de Neumática


1.2.5 SISTEMAS OLEONEUMÁTICOS • Generalmente, muchas instalaciones se adaptan en forma adecuada a la neumática,

pero pueden existir operaciones particulares que pueden ser resueltas en mejor forma con la oleohidráulica (regulación de velocidad, obtención de fuerzas importantes con secciones pequeñas o detección de cilindros en posiciones intermedias).

• En situaciones como la anterior no se justifica la instalación de un sistema oleohidráulico, sino que resulta más conveniente la conversión de la energía neumática en oleohidráulica, esto se logra con los sistemas oleoneumáticos (convertidores de presión).

• Al combinar de forma simultánea ambos fluidos, el aire actúa como elemento motriz

(origina la fuerza), mientras que el aceite permite mejorar el control de velocidad. 1.2.6 LEYES FÍSICAS APLICADAS A LA NEUMÁTICA 1.2.6.1 Ley de Boyle-Mariotte. En procesos a temperatura constante, el volumen que ocupa una masa de gas será inversamente proporcional a la presión a la cual se lo somete.

cteVPVPVP === *2*21*1 1.2.6.2 Leyes de Gay-Lussac a) En procesos a presión constante, el volumen que ocupa una masa de gas será directamente proporcional a su temperatura absoluta.

cteTVTVTV === /2/21/1 b) En procesos a volumen constante, la presión a la cual está sometida una masa de gas será directamente proporcional a su temperatura absoluta.

cteTPTPTP === /2/21/1

1.2.6.3 Ecuación de estado de gas ideal

TRNVP

TRvPTRmVP

***

*****

___=

==

1.2.6.4 Humedad específica y Humedad relativa

G

V

G

V

A

V

A

V

PP

mm

PP

mm

w

==

==

φ

622,0


1.2.7 LEYES FÍSICAS APLICADAS A LA HIDRÁULICA 1.2.7.1 Ecuación de la continuidad. Es la expresión matemática del hecho de que el ritmo neto de flujo de masa hacia el interior, a través de cualquier superficie cerrada, es igual al ritmo al que aumenta la masa dentro de la superficie. Para un fluido incompresible en flujo estacionario:

cteVelAVelA == 22!! **.

1.2.7.2 Ecuación de Bernoulli. En un sistema con caudal constante, la energía se transforma de una forma a otra cada vez que se modifica el área de la sección transversal de la tubería. Es decir, la suma de las energías cinética, potencial y de presión, en distintos puntos de un sistema debe ser constante.

)(**)(*2

)(

22

*)(

122

12221

22

22

21

11

21

yygVelVelPP

gVelyP

gVelyP

VPPWneto

−+−=−

++=++

∆−=

ρργγ

1.2.7.3 Número de Reynolds. Cuando la velocidad de un fluido que circula por una tubería excede cierto valor crítico, la naturaleza del fluido se vuelve muy complicada. Existe una combinación de 4 factores (densidad, velocidad, diámetro y viscosidad), que determina si el flujo de un fluido a través de una tubería es laminar o turbulento, denominado número de Reynolds.

νρ DVel

uDVel ***Re ==

1.2.7.4 Ley de Poiseuille. La velocidad de un fluido viscoso que circula por un tubo no es la misma en todos los puntos de una sección transversal. La capa externa se adhiere a las paredes del tubo, y su velocidad es nula. Siempre que el movimiento no sea tan rápido y el flujo sea laminar, la velocidad será máxima en el centro del tubo y disminuirá hasta anularse en las paredes del tubo.

LuRPP

Vel

rRLu

PPVel

rPPFneta

MAX **4*)(

)(***4

)(**)(

221

2221

221

−=

−−

=

−= π

1.2.7.5 Pérdidas primarias en tuberías. Son pérdidas de superficie en el contacto del fluido con la tubería (capa límite), rozamiento de unas capas de fluido con otras (régimen laminar) o de las partículas de fluido entre sí (régimen turbulento).


Para tuberías horizontales, con variación de velocidad despreciable (sección transversal constante):

21:2121 −=

−− tramoprimariaspérdidasdeSumaHrPP

γ

1.2.7.6 Pérdidas secundarias en tuberías. Son pérdidas de forma, que ocurren en las transiciones (estrechamientos o expansiones), codos, válvulas y en toda clase de accesorios de tubería. 1.2.7.7 Ecuación general de las pérdidas primarias: Ecuación de Darci-Weisbach

Para tuberías de diámetro constante:

gV

DLfHrp

2**

2

=

El coeficiente de pérdida de carga f depende de: la velocidad, diámetro de tubería, densidad, viscosidad y de la rugosidad k. 1.2.7.8 Coeficiente f en régimen laminar. Fórmula de Poiseuille La teoría predice y la experiencia confirma que para Re<2.300 siempre es válida, mientras que si Re>2.300 sólo es válida si el flujo sigue siendo laminar.

Re64

=f

1.2.7.9 Coeficiente f en régimen turbulento y tuberías lisas, 2.300<Re<100.000. Fórmula de Blasius Para tuberías lisas f no es función de la rugosidad relativa k/D, ya que esta es nula (k=0).

4/1Re316,0

=f

1.2.7.10 Coeficiente f en régimen turbulento y tuberías lisas, Re>100.000. Fórmula primera de Karman-Prandtl

8,0)log(Re21−= f

f

1.2.7.11 Coeficiente f en régimen turbulento y tuberías comerciales o de rugosidad natural. Fórmula segunda de Karman-Prandtl o de Colebrook Para Re>4000, es la fórmula universal de pérdidas en conductos industriales.

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+−=

frk

f Re*51.2

4,7/log21

donde: r = D/2


1.2.8 FACTORES DE CONVERSIÓN - SOFTWARE UCONEER 1.2.8.1 Equivalencias para unidades de presión: 1 atm = 101,325 kPa = 1,01325 bar = 1,03323 kgf/cm² = 14,6959 PSI (=lbf/in²)

= 760,002 mm Hg (=torr)

1.2.8.2 Equivalencias para unidades de temperatura:

25 °C = 77 Fahrenheit = 298,150 Kelvin = 536,670 Rankine = 20 Réaumur

1.2.8.3 Equivalencias para unidades de diferencias de temperatura: 1 Celsius = 1 Kelvin = 1,80 Fahrenheit = 1,80 Rankine = 0,80 Réaumur

1.2.8.4 Equivalencias para unidades de densidad:

1 kg/m3 = 1e-3 g/cm³ (=kg/L) = 1 g/liter = 62,428e-3 lb/ft³ = 36,1273e-6 lb/in³

= 141,233e+3 °API

1.2.8.5 Equivalencias para unidades de viscosidad dinámica:

1 Pa. s = 1e+3 centipoise = 1 kg/m.s = 2,41909e+3 lb/ft.h = 55,9974e-3 lb/in.s = 10e+6 micropoise = 1 N.s/m² = 10 poise (=g/cm.s) = 145,038e-6 reyn 1.2.8.6 Equivalencias para unidades de viscosidad cinemática: 1 m2/s = 1e+6 centistokes = 10e+3 cm²/s (=stokes) = 38,7501e+3 ft²/h = 10,7639 ft²/s = 5,58001e+6 in²/h = 1,55000e+3 in²/s = 3,6e+3 m²/h = 1e+6 mm²/s

1.2.8.7 Equivalencias para unidades de caudal: 1 m³/s = 22,6433e+3 barrel (oil)/h = 543,440e+3 barrel(oil)/day = 2,11888e+3 ft³/min = 35,3147 ft³/s = 791,889e+3 gallon (UK)/h = 951,019e+3 gallon (US)/h

= 3,6e+6 liter/h = 1,00000e+3 liter/s = 86,4 Megaliter/day = 3,6e+3 m³/h


1.2.8.8 Equivalencias para unidades de volumen:

1 m3 = 6,28981 barrel (oil) = 1e+6 cm³ (=ml) = 1e+3 dm³ (=liter) = 35,3147 ft³ = 219,969 gal (UK) = 264,172 gal (US) = 61,0237e+3 in³ = 2,11338e+3 pint (US)

1.2.8.9 Equivalencias para unidades de área:

1 m2 = 10e+3 centimeter² = 10,7639 foot² = 1,55e+3 inch² = 1e+6 millimeter²

1.2.8.10 Equivalencias para factor de fricción en tuberías: 1 Darcy-Weisbach = 125e-3 Stanton = 1 Moody = 250e-3 Fanning 1.2.8.11 Equivalencias para unidades de fuerza: 1 newton = 100e+3 dyne = 101,972 gram force = 101,972e-3 kg force = 1e-3 kilonewton = 101,972e-3 kilopond = 224,809e-6 kip = 7,23301 poundal = 101,972e-6 ton force 1.2.8.12 Equivalencias para unidades de energía (calor, trabajo, entalpía, energía interna): 1 KJ = 0,947 Btu = 238,846 cal = 737,562 ft.lbf = 372,506e-6 hp.h = 9,47817e-6 therm

1.2.8.13 Equivalencias para unidades de potencia: 1 KW = 3,41214e+3 Btu/h = 737,562 ft.lbf/s = 1,34102 hp (British) = 1,35962 hp (metric) = 859,845 kcal/h = 284,345e-3 ton refrigeration 1.2.8.14 Equivalencias para unidades de torque: 1 N.m = 1e+7 dyne.cm = 10 kgf.cm = 0,74 lbf.ft = 8,9 lbf.in = 1e+2 N.cm = 24 poundal.ft 1.2.8.15 Equivalencias para coeficiente de dimensionamiento de válvulas: 1 Kv (m³/h bar) = 1,2 Cv (USgpm PSI) = 0,96 Cv (UKgpm PSI) 1.2.8.16 Equivalencias para unidades de velocidad angular: 1 degree/s = 0,017 radian/s = 0,0028 rev/s = 0,17 rev/min (=rpm) = 10 rev/hour


1.2.9 PROPIEDADES TERMODINÁMICAS DE GASES - SOFTWARE EES

Cuadro 1.2: PROPIEDADES PARA AIRE SECO A PRESIÓN ATMOSFÉRICA

Cuadro 1.3: CALOR ESPECÍFICO PARA DIVERSOS GASES A P. ATMOSFÉRICA

Cuadro 1.4 CONDUCTIVIDAD PARA DIVERSOS GASES A P. ATMOSFÉRICA


1.2.10 DIAGRAMAS TERMODINÁMICOS AIRE SECO - SOFTWARE EES

Fig. 1.3: DIAGRAMA TEMPERATURA VS. VOLUMEN PARA AIRE

Fig. 1.4: DIAGRAMA PRESIÓN VS. VOLUMEN PARA AIRE


1.2.11 CARTA PSICROMÉTRICA AIRE ATMOSFÉRICO - SOFTWARE EES

Fig. 1.5: MEZCLA A PRESIÓN ATMOSFÉRICA, NIVEL DEL MAR

Fig. 1.6: MEZCLA A PRESIÓN ATMOSFÉRICA, ALTURA 3000 msnm


1.3 TERMINOS Y CONCEPTOS CLAVE

Aire estándar. Aire a 68°F, 14,7 psi y 36% humedad relativa. Caudal y caída de presión. Cantidad de líquido que pasa por un punto, por unidad de tiempo. Cuando un líquido fluye por una tubería de diámetro constante, la presión será siempre inferior en un punto más abajo de la corriente, ésta caída de presión se requiere para vencer el rozamiento en la línea.

Gases reales e ideales. Los gases ideales son sustancias imaginarias que en teoría cumplen la ecuación de estado de gas ideal (Pv = RT), es decir su presión es inversamente proporcional a su volumen. Los gases reales tienden a comportarse como ideales a bajas densidades (bajas presiones y temperaturas altas). Hidráulico. Sistema, dispositivo o equipo que funciona con el uso de fluidos hidráulicos. Neumático. Sistema, dispositivo o equipo que funciona con el uso de aire comprimido atmosférico o tratado. Oleohidráulico. Sistema, dispositivo o equipo que funciona con el uso de aceites hidráulicos. Oleoneumático. Sistema, dispositivo o equipo, de tipo híbrido que funciona en ciertos tramos con el uso de aire comprimido atmosférico o tratado, mientras que en otros utiliza un aceite hidráulico. Presión atmosférica. Para un sitio dado, es simplemente el peso del aire que se halla arriba de ese lugar por área superficial unitaria. Presión manométrica. Aquella medida en dispositivos llamados manómetros, y se calcula como la diferencia entre la presión absoluta y la atmosférica local. Son presiones mayores que la atmosférica. Presión vacuométrica o de vacío. Aquella medida en dispositivos llamados vacuómetros o medidores de vacío, y se calcula como la diferencia entre la presión atmosférica local y la absoluta. También se la conoce como presión manométrica negativa. Son presiones menores que la atmosférica. Presión absoluta. Es la presión real en una determinada posición, y se calcula como la fuerza normal que ejerce un fluido por unidad de área. Régimen laminar. Idealmente cuando las partículas de un fluido circulan por una tubería se mueven según trayectorias rectas y paralelas, esto se llama régimen laminar, éste se produce a baja velocidad en tuberías rectas y el rozamiento es menor.


Régimen turbulento. Cuando las trayectorias de las partículas no son paralelas y se cruzan, se llama régimen turbulento, se origina por cambios bruscos en dirección o sección, o altas velocidades. Esto provoca alto rozamiento que produce calentamiento. Temperatura de Punto de rocío. Temperatura a la que se inicia la condensación si el aire se enfría a presión constante. Se lee en tablas como la temperatura de saturación del agua correspondiente a la presión de vapor.

1.4 PREGUNTAS Y PROBLEMAS 1.4.1 PROBLEMAS RESUELTOS 1) Un cilindro-pistón de laboratorio a nivel del mar, contiene aire a una presión relativa de

2 bar y ocupa un volumen de 5 litros. Si el volumen se reduce hasta 1,5 litros, cuál será la presión absoluta y relativa del gas para la misma temperatura?

Según Boyle-Mariotte, para procesos a temperatura constante:

cteVPVPVP === *2*21*1

A nivel del mar, Patm = 1,013 bar

P1 = P1g + Patm = 2 + 1,013 =3,013 bar

barPVVP 04,10013,3*

5,151*

212 =⎟

⎠

⎞⎜⎝

⎛=⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛=

P2 g=10,04-1,013 =9,03 bar

2) Por una tubería vertical diámetro interior 50 mm y longitud 2 m, desciende 1 lt/seg de aceite cuya viscosidad cinemática es 20 cst (0,2x10e-4 m²/seg) y su densidad relativa es 0,92. Determinar las pérdidas primarias en dicha tubería.

segmDQVel /50,0

05,0*001,0*4

**4

22 ===ππ

20001250102,0

05,0*50,0*Re 4 <=== −xDVel

ν

Por tanto el flujo es laminar: 051,01250

64==λ

mg

VelDLHrp 026,0

8,9*25,0*

05,02*051,0

2**

22

21 ===− λ


3) Calcular la presión que debe desarrollar una bomba para combustible (980 kg/m3 y 4 cm²/seg), por un conducto cuyo diámetro interno es 305 mm, con un caudal de 60 lt/seg. El conducto tiene una longitud de 1800 m, la cota al inicio del conducto es 85 m y al final 105 m.

segmDQVel /82,0

305,0*06,0*4

**4

22 ===ππ

2000625104

305,0*82,0*Re 4 <=== −xDVel

ν

Por tanto el flujo es laminar: 102,062564

==λ

mg

VelDLHrp 7,20

8,9*282,0*

305,01800*102,0

2**

22

21 ===− λ

²/4)851057,20(*980)(* 122121 cmkgfzzHrpPP =−+=−+=− −γ

4) Se transporta aire caliente a 1 atm y 35 °C en un ducto plástico circular de 150m de longitud con un caudal de 0,35 m3/seg, Si la pérdida de carga en la tubería no debe superar 20m, determine el diámetro mínimo del ducto.

Nota: Una alternativa de solución sería plantear un sistema de 4 ecuaciones con 4 incógnitas, el cual puede resolverse utilizando el software EES, para tuberías plásticas la rugosidad es casi cero, y considerando flujo turbulento se tiene:

"DATOS" caudal=0,35 [m3/s] T1=35 [°C] P1 = 101,3 [KPa] L = 150 [m] H = 20 [m] "PROPIEDADES DE AIRE" dens = DENSITY(Air;T=T1;P=P1) visc_din = VISCOSITY(Air;T=T1)

visc_cin = visc_din/dens "CALCULOS" Vel = 4*caudal/(pi*(D^2)) Re = Vel*D/visc_cin

1/sqrt(f)=(-2)*log10(2,51/(Re*sqrt(f))) H=f*L/D*(Vel^2)/(2*g#)

“RESULTADOS” D=0,2673 [m]

dens=1,145 [kg/m^3] f=0,01796 Re=100761 Vel=6,238 [m/s] visc_cin=0,00001655 [m2/s] visc_din=0,00001895 [kg/m-s]

Se confirma que Re > 4000, por tanto se tiene flujo turbulento


1.4.2 PREGUNTAS 1) Que diferencia básica existe entre aire atmosférico y aire neumático

2) Prepare diagramas termodinámicos T vs. s, para aire y argón considerándolos como

gases ideales

3) Escriba tres características que debe poseer un fluido oleohidráulico

4) Que ventajas presentan los aditivos adherentes y anticongelantes?

5) Cite los nombres de tres fluidos oleohidráulicos

6) Escriba tres diferencias clave entre las aplicaciones neumáticas y oleohidráulicas

7) Que ventaja principal presentan los convertidores oleoneumáticos?

8) Que diferencia básica existe entre elementos de entrada y elementos de control final,

para cierto sistema neumático?

9) Investigue 5 aplicaciones neumáticas para el campo de la medicina.

10) Investigue 5 aplicaciones óleo hidráulicas para el campo de la industria automotríz.

11) Investigue en que consiste la aplicación pneumatic mail.

1.4.3 PROBLEMAS PROPUESTOS 1) Prepare diagramas termodinámicos T vs. s, para aire y argón considerándolos como

gases ideales. 2) Prepare diagramas termodinámicos T vs. v, para aire y argón considerándolos como

gases ideales

3) Explique que representa cada término de la ecuación de estado de gas ideal, y sus unidades

4) Escriba 3 modelos experimentales de Ecuaciones de estado. Represente en diagramas P vs. v y T vs. v

5) Que líneas de proceso tipo pueden representarse en una carta psicrométrica? 6) Escriba un procedimiento resumido para el cálculo de las pérdidas primarias 7) Investigue el Diagrama de Moody y escriba un procedimiento de aplicación 8) Por una tubería horizontal de fundición de 250 mm circulan 4 kg/seg de aire a una

presión absoluta de 20 atm y a una temperatura de 40°C. Suponiendo el aire incompresible, determine la pérdida de presión por cada 100 m de tubería.

9) Calcule el diámetro necesario de una conducción de aceite si las pérdidas de presión no

deben exceder 1 m de columna de aceite en una longitud de 4,5 m, con un caudal de 1 lt/seg. La viscosidad del aceite a 50°C es de 1,6 cm²/seg.


1.5 BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTARIA

• ROLDAN, J., (2001). PRONTUARIO DE NEUMATICA INDUSTRIAL,

Paraninfo S.A.

• ROLDAN, J. PRONTUARIO DE HIDRAULICA INDUSTRIAL, Paraninfo S.A.

• ROCA, F., (1999). OLEOHIDRAULICA BASICA DISEÑO DE CIRCUITOS,

AlfaOmega.

• SERRANO, A., (1996). NEUMATICA, Paraninfo S.A.

• SPERRY-VICKERS, MANUAL DE OLEOHIDRAULICA INDUSTIRAL,

935100-A, Editorial Blume.

• DANFOSS HYDRAULICS, FACTS WORTH KNOWING ABOUT

HYDRAULICS

• CENGEL,Y., y BOLES, M., (2006). TERMODINAMICA, Quinta Edición,

McGraw Hill Interamericana.

• CENGEL,Y., y CIMBALA, J., (2006). MECANICA DE FLUIDOS. Fundamentos

y Aplicaciones, McGraw Hill Interamericana.

Software de evaluación y demos:

• Katmar Software, UCONEER: Conversión de unidades en Ingeniería

• Cengel, Yunus. EES: Engineering Equation Solver


CAPÍTULO II

GENERACIÓN, TRATAMIENTO Y DISTRIBUCIÓN DE AIRE COMPRIMIDO Y ACEITE OLEOHIDRAULICO

2.1 OBJETIVOS DE APRENDIZAJE: Manejar procesos de compresión, tratamiento y conducción en sistemas abiertos (compresores y bombas, filtros y tuberías), con diversos fluidos: aire atmosférico, aire tratado, y aceite hidráulico con la finalidad de definir su aplicación industrial. 2.2 MARCO TEÓRICO: 2.2.1 GENERACIÓN DE AIRE COMPRIMIDO Y ALIMENTACIÓN DE FLUIDOS OLEOHIDRÁULICOS 2.2.1.1. Generalidades de compresores. Son máquinas que aspiran el aire ambiente a presión atmosférica para entregarlo a mayor presión, pueden clasificarse como se muestra:

Cuadro 2.1: Clasificación de compresores Clase de compresor Características Embolo De una etapa: pequeños con regular

rendimiento De dos etapas: grandes con mejor rendimiento, requieren refrigeración

Paletas Tornillo Membrana Centrífugo a) Compresor alternativo a pistón. Se comprime mediante el movimiento alternativo de un pistón accionado por un mecanismo biela-manivela. Las válvulas de admisión y escape se abren respectivamente en las carreras de descenso y ascenso del pistón, permitiendo el ingreso y salida del aire. Pueden aplicarse varias etapas de compresión para mejorar el rendimiento. b) Compresor rotativo a tornillo. La compresión se efectúa por dos rotores helicoidales engranados contenidos en una carcaza. Durante la rotación, los lóbulos del rotor se engranan en los del otro, desplazando el aire axialmente y disminuyendo su volumen. El aire ingresa por un extremo y es evacuado por el otro en sentido axial. c) Compresor rotativo a paletas. Consta de una carcaza cilíndrica en cuyo interior se monta un rotor excéntrico, formando una cámara de trabajo en forma de media luna. Esta cámara se divide en secciones por paletas deslizantes en ranuras radiales del rotor. Cada división disminuye su volumen durante el giro, desde un máximo en la sección de aspiración hasta un mínimo en el escape.


Fig. 2.1: Tipos de compresores

2.2.1.2 Compresores centrífugos exentos de aceite

a) Características: Seguro: Proceso, productos y medioambiente libres de contaminación Simple: Aire 100% exento de aceite = no se necesitan filtros Eficiente: Sin caída de presión en los filtros = menos energía

Fig. 2.2: Circuito de aire/aceite/refrigerante de 2 etapas


Fig. 2.3: Circuito de aire/aceite/refrigerante de 3 etapas

Fig.2.4: Circuito de aire/aceite/refrigerante de 3 etapas

Cuadro 2.2: Datos técnicos2

2 Catálogo Atlas Copco


2.2.1.3 Compresores de tornillo rotativos con inyección de aceite

Fig. 2.5: Compresor de tornillo rotativo

a) Características incluidas en modelos de serie Filtro de aspiración de aire Arrancadores eléctricos integrados Válvula de aspiración de aire Amortiguadores flexibles de vibraciones Refrigerador posterior de aceite Separador de aire/aceite Sistema de control Sistema de regulación Separadores de agua Carrocería insonorizada Filtros de aceite Conexiones de entrada y salida en único punto Circuito completo de aire/aceite/agua Patín de acero estructural – sin fundaciones Motor de accionamiento IP 55, clase F Ventiladores (tanto para unidades refrigeradas por aire como por agua)


3 Catálogo Atlas Copco


2.2.1.4 Sistemas para alimentación de fluido oleohidráulico a) Hidrodinámicas o de desplazamiento no positivo. Como las centrífugas o de turbina, permiten transferir fluidos donde la única resistencia a vencer es la debida al peso del fluido y rozamiento. Aunque suministran un caudal uniforme y continuo, su desplazamiento disminuye cuando aumenta la resistencia, incluso hasta bloquear su salida en pleno funcionamiento, por esto tienen un uso reducido en sistemas hidráulicos modernos. b) Hidrostáticas o de desplazamiento positivo. Suministran una cantidad determinada de fluido en cada carrera, revolución o ciclo. Su desplazamiento exceptuando las pérdidas por fugas, no depende de la presión de salida, lo que las hace muy adecuadas para la transmisión de potencia. 2.2.1.5 Bomba de engranajes. Suministra un caudal, transportando el fluido entre los dientes de dos engranajes acoplados. Pueden manejar presiones de hasta 250 bar, las fugas internas aceleran su desgaste, no obstante tienen una duración razonable y poseen mayor tolerancia a la suciedad que otros tipos.

Fig. 2.6: Bomba de engranajes

2.2.1.6 Bomba de paletas. Contiene un rotor ranurado (que aloja las paletas) acoplado al eje de accionamiento, el cual gira dentro de un anillo ovalado. Las cámaras de bombeo se forman entre las paletas, rotor y anillo. Puede ser de caudal fijo o variable, con capacidades entre 2,5 y 300 lt/min. Trabaja a presiones bajas menores a 140 bar, y velocidades entre 500 y 3000 rpm.

Fig. 2.7: Bomba de paletas


2.2.1.7 Bomba de pistones. Funcionan según el principio de que un pistón en movimiento alternativo dentro de un cilindro, aspirará fluido al retraerse y lo expulsará en su carrera hacia adelante. Sus diseños básicos son: radial y axial; ambos disponibles con desplazamiento fijo o variable. Se utilizan para presiones altas, entre 150 y 700 bar, con caudales entre 0,3 y 250 lt/min, y velocidades de hasta 7000 rpm.

Fig. 2.8: Bomba de pistones

2.2.1.8 Conparación entre diversos tipos de bombas oleohidráulicas

Cuadro 2.4: Eficiencia y trabajo de diversos tipos de bombas

Cuadro 2.5: Viscosidades máximas admisibles para funcionamiento de bombas

SilenciosaMedianoMuy ruidosaNivel de ruido

700 bar175 bar275 barPresión máxima

Fluidos muy limpios

Fluidos calidad media

Fluidos alta suciedad

Condición de trabajo

Mayor a 98%95 a 97%89 a 91%Eficiencia

Bomba de pistones

Bomba de paletas

Bomba de engranajes

Parámetro

SilenciosaMedianoMuy ruidosaNivel de ruido

700 bar175 bar275 barPresión máxima

Fluidos muy limpios

Fluidos calidad media

Fluidos alta suciedad

Condición de trabajo

Mayor a 98%95 a 97%89 a 91%Eficiencia

Bomba de pistones

Bomba de paletas

Bomba de engranajes

Parámetro

6000Engranajes

1300Pistones axiales

860Pistones radiales

860Paletas

Viscosidad máxima(cSt)

Tipo de bomba

6000Engranajes

1300Pistones axiales

860Pistones radiales

860Paletas

Viscosidad máxima(cSt)

Tipo de bomba


2.2.1.9 Dimensionamiento de bombas oleohidráulicas

400min)/(*)()( galQpsiPHpN =

totgalQpsiPHpPnecη*400

min)/(*)()( =

P: Presión máxima de operación Q: Caudal simultáneo necesario de fluido h: Eficiencia total de la bomba N: Potencia del motor de la bomba Pnec: Potencia de salida necesaria de la bomba

2.2.1.10 Tanque reservorio para recirculación del fluido oleohidráulico4 a) Objetivos: Reservorio del sistema oleohidráulico Enfriador del aceite que retorna antes de su recirculación Filtro para sedimentos e impurezas Separador de aire y agua Basamento para bombas b) Capacidad: El dimensionamiento del tanque se limita a aproximadamente 3 a 4 veces la capacidad de la bomba por minuto. A continuación se muestran dos arreglos recomendados, la alternativa 1 se prefiere para incrementar en lo posible la tasa de enfriamiento.

Fig. 2.9: Esquemas tanques reservorios de aceite hidráulico5

4 DANFOSS Hydraulics 5 Catálogo Micro Air


c) Características Técnicas:6 Incorporan una tubería de aceite alrededor del filtro de retorno y una placa deflectora de probado diseño que reducen considerablemente la mezcla de aire en el aceite hidráulico. Llevan un filtro de aspiración externo montado en una zona protegida para reducir el riesgo de obstrucción Materiales: aluminio y acero inoxidable

Fig. 2.10: Modelos de tanques reservorio de aceite hidráulico

6 Catálogo Sunfab ST 250


2.2.2 TRATAMIENTO DEL AIRE COMPRIMIDO

2.2.2.1 Problemas provocados al no tratar el aire a) La fuente principal de deterioro de los componentes neumáticos es la utilización de aire comprimido no acondicionado adecuadamente. b) Las impurezas más comunes son: condensados producto de la humedad ambiente, condensados de aceites degradados del compresor, partículas y óxidos metálicos desprendidos de tuberías y polvo atmosférico. Dichas impurezas serán arrastradas por el flujo de aire hacia los puntos de aplicación provocando: errores de medición y control, destrucción de materiales transportados, obturación de orificios, oxidación de partes internas, atascamientos o desgaste prematuro en elementos móviles, en definitiva, disminución de eficiencia y vida útil de la instalación. c) Es decir, no se aconseja utilizar en equipos neumáticos el aire comprimido tal como sale del compresor, siendo necesario un tratamiento previo. 2.2.2.2 Tipos de tratamiento a) A la salida del compresor: a.1) Depósito de acumulación. Almacena aire, compensa las oscilaciones de presión en la red de tuberías a medida que se consume aire, y regula carga y descarga del compresor. Por su gran superficie exterior, el aire se refrigera adicionalmente. a.2) Refrigeradores. Consisten en general de un serpentín por el cual circula el aire comprimido, mientras que por el exterior circula el fluido refrigerante (aire o agua) en contraflujo. Al final se ubica un colector donde se recogen los condensados (entre un 70 y 80%). a.3) Separador. Libera el agua que ha condensado al enfriar el aire. b) A la salida del depósito: b.1) Secadores. Se requieren cuando la necesidad de extraer agua y aceite en una red de aire comprimido llega a ser entre 90 y 98%. Los de mayor rendimiento incluyen un circuito de frío (por medio de refrigerante) que en contracorriente con el aire que sale del refrigerador, baja el punto de rocío del mismo, con lo cual es prácticamente nula la condensación del agua. b.1.1) Secado por absorción. Procedimiento químico, en el cual el aire comprimido pasa a través de un lecho de sustancias secantes. En cuanto el agua o vapor de agua entra en contacto con dicha sustancia, se combina químicamente con ésta y se desprende como mezcla de agua y sustancia secante. Esta mezcla debe eliminarse regularmente del absorbedor, de forma manual o automática. Con el tiempo se consume la sustancia secante, y debe suplirse en intervalos regulares (2 a 4 veces al año). Así, se separan vapores y partículas de aceite. No obstante, grandes cantidades de aceite si influyen en el funcionamiento, por tanto conviene montar un filtro


fino delante de éste. Es decir, la absorción se produce al extraer aceite empapándolo como un líquido (de igual manera que una esponja absorbe agua liquida en sus poros interiores).


Aplicaciones típicas de un secador por absorción:

• Aire para laboratorios, sector agro-alimentario, robótica, telecomunicaciones, láser. • Instrumentación y regulación electrónica • Instalaciones de aire comprimido sometidas a temperaturas inferiores a + 3° C • Centrales de hormigón, canteras, empresas químicas y farmacéuticas

Fig. 2.11: Secador por absorción

b.1.2.) Secado por adsorción. Ocurre en la parte externa de elementos sólidos (fenómeno molecular). Se atraen átomos gaseosos y líquidos móviles o moléculas hacia la superficie del mismo debido a fuerzas desequilibradas. 7 Catálogo Prevost


c) En los puntos de aplicación: Filtros, Reguladores de presión, Lubricadores, Unidades de mantenimiento (FRL) c.1) Filtros. Son necesarios, aún si existe tratamiento del aire a la salida del compresor o depósito, para evitar la presencia en los puntos de aplicación de partículas y condensados. Combinan un elemento filtrante y un separador centrífugo, un deflector imprime al aire un movimiento ciclónico que hace adherir a las paredes, las gotas y partículas, que se recogen en la parte interior para luego ser purgadas.

Cuadro 2.7: Clasificación de la calidad del aire según ISO 75738

El elemento filtrante puede construirse en bronce sinterizado, malla metálica o cerámicos. La capacidad de filtrado se expresa en micrones, e indica el tamaño de la mínima partícula capaz de retener y su elección dependerá de la calidad de aire requerido (5, 30, 50 µm, etc.). El drenaje de condensados podrá realizarse en forma manual o automática (flotador, descenso de presión, servocomando por piloto).

Fig. 2.12: Filtro con purga

8 NORGREN. Guía para el tratamiento del aire


Cuadro 2.8: Tamaños de algunas partículas de la naturaleza9

Cuadro 2.9: Niveles de filtración recomendados para diversas aplicaciones industriales

9 NORGREN. Guía para el tratamiento del aire


Cuadro 2.9: Niveles de filtración recomendados para diversas aplicaciones industriales (continuación)

c.2) Reguladores. Mantienen una presión de trabajo constante en los equipos, independientemente del consumo y de la presión de la línea. Evitan consumos inútiles por exceso de presión en los equipos.


Fig. 2.13: Regulador de presión y Lubricador

c.3) Lubricadores. Permiten engrasar o lubricar los elementos neumáticos móviles (para garantizar su rendimiento y vida útil), mezclando el aire comprimido con una tenue neblina de aceite que es arrastrada por todo el circuito neumático.

c.4) Unidades de mantenimiento (Grupos de accionamiento de aire). Combinan elementos para filtrado, regulación de presión y lubricación.

Fig. 2.14: Unidad de mantenimiento FRL, c/manómetro y descarga manual de condensados


Fig. 2.15: Instalación típica tratamiento de aire10

10 Catálogo Micro Air


2.2.3 TRATAMIENTO DEL FLUIDO OLEOHIDRAULICO

2.2.3.1 Filtrado

En sistemas oleohidráulicoas, el filtro puede situarse en: línea de aspiración, en la de presión o en retorno. Con frecuencia se instalan en la de aspiración, fuera del depósito cerca de la entrada de la bomba. Los filtros en la línea de presión pueden captar partículas más pequeñas que los de aspiración, pueden instalarse en las válvulas. Los de retorno, también retienen partículas muy finas antes de que el fluido regrese al depósito. Son obligatorios en sistemas con bombas de alto rendimiento con holguras finas.

Cuadro 2.10: Tamaños de algunas partículas11

Tamaño(micras)

Límite de la visibilidad para la vista humana 40Células blancas de la sangre 25Células rojas de la sangre 8Bacterias 2

Partículas

Una malla filtrante tiene un valor nominal según su finura, establecida por su número de malla. Un valor alto de número de malla o su equivalente ASTM se referirá siempre a una malla fina.

Cuadro 2.11: Tamaños de malla para filtrado oleohidráulico

# Abertura

ASTM (micras)50 29770 210

100 149140 105200 74270 53325 44

10

Mallas por cm

78,74106,4127,16

20,6128,5239,7656,24

11 SPERRY-VICKERS, Manual de de Oleohidráulica industrial


2.2.4 DISTRIBUCION DEL AIRE COMPRIMIDO

El trazado de redes de distribución debe corresponder a la ubicación de los puntos de aplicación, y puede realizarse según dos disposiciones: en circuito cerrado y en circuito abierto. En toda red de distribución se pueden diferenciar tres tipos de tubería: a) Principal: Aquella que parte del compresor y/o depósito y conduce la totalidad del caudal de aire comprimido. b) Secundarias: Aquellas que se derivan de la principal y se distribuyen sobre las áreas de trabajo. c) De servicio: Se desprenden de las secundarias y son las que alimentan a los equipos neumáticos.

Cuadro 2.12: Velocidad recomendada para aire en tuberías12

Tramo/tipo de tubería Velocidad permisible (m/s) Principales y secundarias (pequeña y mediana extensión) 2,3 a 10 Principales para larga distancia 5 a 6 Alimentación a máquina 25 Tuberías que unen diversos aparatos (pequeña distancia) 50 Mangueras de toma de aire 15 a 20 Mangueras largas utilizadas en obra 5 a 6

Fig. 2.16: Trazado de redes de distribución 12 Roldán J., Prontuario de Neumática Industrial

CIRCUITO ABIERTO CIRCUITO CERRADO


Cuadro 2.13: Pérdida de carga admisibles en tuberías para una presión inicial de 7 bar13

Porcentaje admitido (%)

Longitud distribución (m)

DP máx por cada m de tubería (mbar)

1 a 1,5 Hasta 50 2,4 a 2 1,5 a 2.5 50 a 100 2 a 1,75 2,5 a 4 100 a 250 1,75 a 1,12 4 a 6 250 a 500 1,12 a 0,84 6 a 10 500 a 1.000 0,84 a 0,70 10 a 13 1.000 a 2.000 0,70 a 0,45 13 a 14 2.000 a 3.000 0,45 a 0,33 14 a 15 3.000 a 4.000 0,33 a 0,26

2.2.4.1 Fórmulas para cálculo de diámetros de tubería Para aplicaciones neumáticas típicas: Para aplicaciones de gran caudal: Q: Caudal (lt/min)

S: Sección equivalente (mm²) P1: Presión de alimentación (bar) P2: Presión de salida (bar)

DP: (P1-P2) (bar) Q: Temperatura del fluido (°C)

Cuadro 2.14: Velocidades recomendadas para conducción de diversos fluidos en tuberías14 13 Roldán J., Prontuario de Neumática Industrial 14 Rosaler, R., Manual del Ingeniero de Planta. Tomo III.

300100Vapor sobrecalentado por arriba de los 15° C (25 °F)

20065Vapor a presión mayor de 2 bar (25 psi)

15050Vapor húmedo a baja presión

155Aire y otros gases de una sola fase

124Líquidos

Vel. máx. (pie/s)Vel. máx. (m/s)Fluido a conducir

300100Vapor sobrecalentado por arriba de los 15° C (25 °F)

20065Vapor a presión mayor de 2 bar (25 psi)

15050Vapor húmedo a baja presión

155Aire y otros gases de una sola fase

124Líquidos

Vel. máx. (pie/s)Vel. máx. (m/s)Fluido a conducir

))273/(273(*)))(2(*)((*)(*2,2min)/( 2 Θ++∆= barPatmPbarPmmSltQ

))273/(273(*))(1(*)(*1,11min)/( 2 Θ++= barPatmPmmSltQ


2.2.4.2 Algunas recomendaciones para el montaje de tuberías de aire comprimido • Elegir los recorridos más cortos, evitando en lo posible cambios bruscos de dirección y

reducciones de sección, para tener mínimas pérdidas de carga.

• Tratar que la tubería circule en forma aérea; para facilitar tareas de inspección y mantenimiento. Evitar tuberías subterráneas, pues la dificultad de evacuar condensados, podría facilitar la corrosión.

• Considerar que puedan ocurrir posibles variaciones de longitud producidas por dilatación térmica, sin tensiones ni deformaciones.

• Evitar que las tuberías estén en contacto con conducciones eléctricas.

• Dimensionar las tuberías para que puedan soportar futuras ampliaciones sin excesivas pérdidas de carga. El costo adicional de tubería algo sobredimensionada puede resultar insignificante frente a un gasto de renovación de tubería.

• Inclinar las tuberías con una pendiente de 3%, en el sentido del flujo de aire y colocar

en su extremo más bajo una purga, para evitar la acumulación de condensado.

• Colocar válvulas de corte en los ramales principales y secundarlos, así como en los puntos de aplicación, para facilitar reparaciones y mantenimiento, sin paralizar toda la instalación.

• Las tomas de aire de servicio o deben realizarse siempre por la parte superior de la tubería de la red, para evitar que los condensados puedan fluir hacia los equipos neumáticos.

• Instalar tomas y conexiones en las bajantes lateralmente, colocando purgas en la parte inferior.

• Instalar filtros, reguladores y lubricadores (FRL) en los puntos de aplicación.

1.4. PREGUNTAS Y PROBLEMAS

Fig. 2.17: Purgas y tomas de servicio


2.2.5 DISTRIBUCION DE FLUIDOS OLEOHIDRAULICOS

2.2.5.1. Fórmulas para cálculo de diámetros de tubería para fluidos oleohidraúlicos El trazado de redes de distribución debe corresponder a la ubicación de los puntos de aplicación, y puede realizarse según dos disposiciones: en circuito cerrado y en circuito abierto. Se recomienda velocidad muy baja para la línea de succión o aspiración porque allí la caída de presión admisible es muy pequeña, así:

• Línea de succión: Velocidad máxima admisible: 0,5 a 1,6 m/seg. • Línea de presión: Velocidad máxima admisible: 3 a 11 m/seg. • Línea de retorno: Velocidad máxima admisible: 2 a 5 m/seg.

Q: Caudal (lt/min) S: Sección equivalente (cm²) V: Velocidad de flujo (m/s)

2.2.5.2 Clasificación de tuberías por su número de cédula15

Cuadro 2.15: Dimensiones de tuberías comerciales

Tamaño Diámetronominal externo SCH 40 SCH 80

(plg) (plg) Estándar Extragrueso1/8 0,405 0,269 0,2151/4 0,540 0,364 0,3023/8 0,675 0,493 0,4231/2 0,840 0,622 0,546 0,4663/4 1,050 0,824 0,742 0,6141 1,315 1,049 0,957 0,815

1 1/4 1,660 1,38 1,278 1,161 1/2 1,900 1,61 1,500 1,338

2 2,375 2,067 1,939 1,6893 3,500 3,068 2,900 2,6244 4,500 4,026 3,826 3,624 3,4385 5,563 5,047 4,813 4,563 4,3136 6,625 6,065 5,761 5,501 5,1898 8,625 8,125 7,981 7,813 7,625 7,189 6,81310 10,750 10,250 10,020 9,750 9,564 9,064 8,50012 12,750 12,250 11,934 11,626 11,376 10,750 10,126

Diámetro interno (plg)

SCH 20 SCH 60 SCH 120 SCH 160


)/(*6min)/()( 2

smVelltQcmS =


2.2.5.3 Selección de mangueras flexibles16 Estas se utilizan cuando las líneas hidráulicas están sometidas a movimiento o vibraciones. Se fabrican con capas de caucho sintético y trenzado de tejido o alambre, lo cual permite soportar presiones más altas. Su capa interna debe ser compatible con el fluido utilizado. Las normas industriales recomiendan factores de seguridad de entre 4 y 8, en función de la presión a soportar.

Cuadro 2.16: Factores de seguridad

Factor de seguridad Presión de funcionamiento (Kgf/cm²)

8 Menos de 70 6 70 a 175 4 Más de 175

Cuadro 2.17: Dimensionamiento de mangueras para presión de trabajo 80 a 70 Kgf/cm²)

Caudal (lt/min)

Tamaño nominal (plg)

SCH Diámetro externo (plg)

Espesor de la pared (mm)

4 1/8 80 ¼ 0,9 5,5 1/8 80 5/16 0,9 12 ¼ 80 3/8 0,9 24 3/8 80 ½ 1,0 49 ½ 80 5/8 1,25 80 ¾ 80 7/8 1,8 136 1 80 1 ¼ 2,75 232 1 ¼ 80 1 ½ 3,0

Cuadro 2.18: Dimensionamiento de mangueras para presión de trabajo 80 a 70 Kgf/cm²)

Caudal (lt/min)

Tamaño nominal (plg)

SCH Diámetro externo (plg)

Espesor de la pared (mm)

10 ¼ 80 3/8 1,5 24 3/8 80 5/8 2,4 40 ½ 80 ¾ 3,0 72 ¾ 80 1 3,75 120 1 80 1 ¼ 4,6 168 1 ¼ 160 1 ½ 5,6


entofuncionamideesiónrupturadeesiónseguridaddeFactor

PrPr

=


2.2.6 REGLAMENTOS PARA EL DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE SISTEMAS DE TUBERÍA Los sistemas de tubería deben diseñarse y construirse de acuerdo con una sección del Code for Pressure Piping B31 de la American Society of Mechanical Engineers (ASME). Este reglamento especifica: materiales cuyo servicio se ha probado durante mucho tiempo; niveles permisibles de esfuerzo para todos los materiales, incluyendo factores de seguridad; métodos de fabricación e instalación, así como requisitos de inspección, examen y prueba. El reglamento puede servir como base para llegar a un acuerdo entre diseñador e instalador, en relación con los detalles técnicos del trabajo de instalación. El reglamento se reconoce como una norma industrial que proporciona una base de protección contra la responsabilidad legal en relación con diseño e instalación.

Cuadro 2.19: Secciones del Código ASME para diseño e instalación de tuberías para diversas aplicaciones

Sección Tuberías para diversas aplicaciones ASME B31.1 Tubería para líneas de energía ASME B31.3 Tubería para procesos químicos y refinerías de petróleo ASME B31.4 Sistemas de transportación de líquidos para hidrocarburos,

gas líquido derivado del petróleo, amoniaco anhidro y alcoholes

ASME B31.5 Tubería para refrigeración ASME B31.8 Sistemas de tuberías para transmisión y distribución de gas ASME B31.9 Tubería para servicios en edificios ASME B31.11 Sistemas de tubería para transportación de pastas aguadas

La mayoría de tuberías para procesos deben construirse de acuerdo con B31.3. Líneas de aire de hasta 10 bar (150 psi) y 93"C (200°F), de vapor de hasta 8.5 bar (125 psi) y líquidos de hasta 20 bar (300 psi) y a temperaturas desde -18°C (0°F) hasta 177°C (350°F) deben construirse de acuerdo con B31.9 para tamaños de tubo de hasta DN600 y de hasta 12.5 cm (0.5 in) de espesor de pared cuando se empleen como tubería para servicios en edificios. Cuando la tubería opera dentro de estos parámetros y se encuentra ubicada en una refinería o planta química, podrá diseñarse e instalarse como una tubería B31.3 categoría D. Las tuberías de vapor y agua que operen arriba de estas temperaturas deben construirse de acuerdo con la norma B31.1 cuando su vida de diseño sea mayor a 25 años; de otra forma, tales tuberías en plantas de proceso deben construirse de acuerdo con la norma B31.3. Las tuberías para otros líquidos no inflamables y no tóxicos, así como para gases con presiones de hasta 20 bar (300 psig) y 121°C (250°F) deben construirse según B31.3 categoría D.


2.2.7 COLORES DE SEÑALIZACIÓN DE CONDUCCIONES DE FLUIDOS SEGÚN DIN 2403 17

Cuadro 2.20: Colores de seguridad para tuberías con diversos fluidos

Fluido conducido Grupo Color

Agua 1 Verde Vapor 2 Rojo Aire 3 Azul Gas combustible 4 Amarillo Gas no combustible 5 Amarillo Acidos 6 Naranja Sosas 7 Violeta Líquidos combustibles 8 Marrón Líquidos no combustibles 9 Marrón Vacío 0 Gris

2.2.8 COLORES DE SEÑALIZACIÓN PARA RECIPIENTES CON DIVERSOS GASES 18

Cuadro 2.21: Colores de seguridad para recipientes de gases a presión

Gas almacenado Símbolo Color Oxígeno industrial O2 Verde Acetileno C2H2 Rojo Argón Ar Negro Dióxido de carbono CO2 Gris Helio He Marrón Nitrógeno N2 Amarillo

17 Roldán J., Prontuario de Neumática Industrial 18 AGA, Catálogo de electrodos y gases


2.3 TÉRMINOS Y CONCEPTOS CLAVE Bomba hidráulica. Equipo que convierte el movimiento mecánico en energía hidráulica y se la entrega al fluido de trabajo. Cartucho. Válvula o filtro que puede ser instalada al interior de un bloque. Circuito. Recorrido completo que realiza un fluido en un sistema neumático o hidráulico. Compresor de varias etapas. Equipo con dos o más fases de compresión en el cual la descarga de cada una alimenta a la siguiente etapa. Filtro. Dispositivo que permite retener en un medio poroso los contaminantes insolubles de un fluido. Línea de aspiración. Línea hidráulica que conecta el depósito o reservorio con la entrada de la bomba. Línea de presión. Línea hidráulica que conecta la salida de la bomba con las entradas de presión de los actuadores. Línea de retorno. Línea hidráulica que conecta la salida del actuador con el depósito. Manifold. Dispositivo conductor que presenta muchos orificios internos para conexión. Purga. Dispositivo para extraer el fluido presurizado, y así eliminar impurezas retenidas. Restricción. Reducción de la sección transversal de una línea que produce caída de presión o reducción de caudal. SCFM. Unidad de medición para caudales de aire (Standard cubic feet per minute). Vacío. Presión inferior a la atmosférica. Válvula. Aparato que sirve para controlar dirección, presión o caudal para cierto fluido. Válvula de cierre. Válvula que funciona completamente abierta o cerrada. Sirve para interrumpir la circulación de fluido. Válvula de cuatro vías. Válvula direccional de control que permite conectar alternativamente con la entrada de presión o hacia la salida del depósito, las conexiones de cierto componente. Válvula de regulación. Válvula accionada por presión que sirve para controlar y limitar la presión del sistema, independientemente de la presión de entrada. Válvula de seguridad. Válvula accionada por presión que sirve para eliminar excesos de presión hacia la atmósfera.


2.4 PREGUNTAS Y PROBLEMAS 2.4.1 PROBLEMAS RESUELTOS 1) Determine la potencia de salida en una bomba que debe impulsar aceite a una presión

máxima de 400 psi, con un caudal total de 50 GPM, y eficiencia de 0,8. Cuál será la

potencia requerida en el motor?.

Hptot

galQpsiPHpPnec 5,628.0*400

50*400*400

min)/(*)()( ===η

HpgalQpsiPHpN 50400

50*400400

min)/(*)()( ===

2) Usando el software EES, investigue si es posible conducir aire neumático a presión de

100 psig, y temperatura de 18°C, con un caudal de 1045 GPM, al interior de una tubería de

acero negro sin costura, ASTM A53, cédula 40, diámetro 2 plg, con rugosidad de fábrica,

con un recorrido de 1100 m de longitud sin elevaciones considerables.

Datos de entrada:

En este caso, no se especifica velocidades permisibles, y se intenta analizar si es posible conducir a 100 psig, 1045 GPM de aire.


Resultados: Usando el método Darcy Weisbach, se observa que para un flujo de 1045 GPM, la caída de presión es muy alta 228 psi, mucho mayor que la presión de suministro, por tanto es imposible, esto se confirma al comparar la velocidad de conducción que en este caso es de 30 m/seg, que es mucho mayor que la permisible.

Si el flujo a conducir fuese de 188 GPM, la caída de presión sería de 8 psi (alrededor de un 8% de caída de presión), lo cual es aceptable, y se puede comprobar al comparar la velocidad de conducción que para estas condiciones es de 5,5 m/seg, que está en el rango de las permisibles.


2.4.2 PREGUNTAS 1) En que consiste la configuración interna de un compresor de tornillo? 2) Que bombas se recomiendan para usarse en oleohidráulica, las hidrostáticas o las hidrodinámicas. Porque? 3) Que bombas se recomiendan para usarse en oleohidráulica, las hidrostáticas o las hidrodinámicas. Porque? 4) Porqué a las bombas hidrostáticas, se las conoce como de desplazamiento positivo? 5) Que ventajas presenta la bomba de pistones sobre una de engranajes ?. 6) Con que parámetros se especifica un filtro de aire comprimido?. Cite un ejemplo. 7) Que problemas podrían ocurrir si no se hace un adecuado tratamiento al aire comprimido?. 8) Que es una unidad FRL?. Realice un diagrama real y otro con símbolos normalizados. 9) Mencione 3 recomendaciones para el montaje de tuberías de aire comprimido 10) Porqué las velocidades máximas permisibles son mayores en vapores sobrecalentados que en líquidos. 11) Porqué las velocidades permisibles para aceites hidráulicos son mayores en línea de presión que en línea de succión?. 2.4.3 PROBLEMAS PROPUESTOS 1) Investigue usando catálogos de Internet, acerca de los rangos de capacidad que tienen

los diversos tipos de compresores de aire.

2) Investigue usando internet acerca del uso de aletas en tanques para aceite hidráulico.

3) Con ayuda de un gráfico, explique el funcionamiento de un regulador de presión, pilotado por aire. 4) Escriba 3 diferencias entre circuitos de tubería cerrados y abiertos. 5) Determine el diámetro mínimo requerido para una línea de presión para aceite hidráulico, considerando una velocidad máxima admisible de 6 m/seg y un caudal de 75 GPM. Verifique su respuesta usando nomogramas. 6) Usando software Pipeflo, determine Reynolds, pérdidas de presión y diámetro, para una línea de tubería de presión de gran longitud, que conduce aceite hidráulico, a partir del dato de caudal y de cierta velocidad permisible.




Paraninfo S.A.




HYDRAULICS

• ATLAS COPCO, Compresores de aire: Serie GA 11 a 37 – 60 Hz. Compresores

rotativos de tornillo 21 – 107 l/s.

• ATLAS COPCO, Compresores de aire: Serie GA 200 – 50 Hz. Compresores

rotativos de tornillo 53 – 97 l/s.

• ATLAS COPCO, Compresores de aire: Serie GA–Pack. Compresores de tornillo

con inyección de aceite, silenciados, totalmente automáticos

• ATLAS COPCO, Libro de instrucciones para compresores estacionarios: GA 30 y

GA 37 Pack.

• ATLAS COPCO, Catálogo: Refrigeradores posteriores por aire y agua. Modelos

TD y HD

• FESTO. Programa básico, Edición 01-03

• FESTO PNEUMATIC. Programa de Fabricación, 050377E

• AUTOMACIÓN MICROMECÁNICA S.A.I.C., Catálogo general: MICRO

• FPC: Fluid Power Components S.r.l., Pneumatic Automation Product Range

• HSC: Hydraulic Supply Company. Stock Products. Catalog SPC-09-2006

• PREVOST, Secadores por absorción Alaska

• SPERRY-VICKERS, MANUAL DE OLEOHIDRAULICA INDUSTRIAL,

935100-A, Editorial Blume


• Katmar Software, UCONEER: Conversión de unidades en Ingeniería

• Cengel, Yunus. EES: Engineering Equation Solver


CAPITULO III

DISPOSITIVOS ACTUADORES NEUMÁTICOS Y OLEOHIDRÁULICOS 3.1 OBJETIVOS DE APRENDIZAJE: Reconocer y seleccionar técnicamente diversos tipos de actuadores tanto lineales como rotantes con diversos fluidos: aire y aceite hidráulico, con la finalidad de evaluar fuerzas ejercidas, para aprovecharlas en aplicaciones industriales. 3.2 MARCO TEÓRICO: 3.2.1 ACTUADORES NEUMATICOS LINEALES 3.2.1.1 Cilindros de simple efecto. Permiten realizar trabajo mecánico en un sólo sentido de movimiento, su retorno lo alcanza por una fuerza externa o por la reacción de un resorte opuesto a la dirección del movimiento instalado al interior del cilindro. Posee una sola entrada de aire comprimido.

Fig. 3.1. Cilindros de simple efecto

a) Fuerza ( F ) desarrollada por un cilindro simple efecto con retorno por muelle:

D: Diámetro del émbolo

d: Diámetro del vástago S: Sección del émbolo s: Sección del vástago P: Presión de funcionamiento L: Longitud de carrera efectiva

R: Rendimiento del cilindro, para cilindros con D < 40 mm , R = 0,85 para cilindros con D > 40 mm , R = 0,95 n: Número de ciclos por minuto

Fm: Fuerza de resorte en (Kgf) t: Tiempo que tarda el cilindro en efectuar su carrera

FmRcmKgPcmSFmRcmKgPcmDKgF −=−= *)/(*)(*4

)/(*)(*)( 22222π


b) Consumo de aire ( C ) en un cilindro simple efecto: 3.2.1.2 Cilindros de doble efecto. Permiten realizar trabajo mecánico en sus dos sentidos de movimiento, para lo cual poseen dos entradas para aire comprimido ubicadas en los dos extremos del cilindro, por tanto se obtiene fuerza útil en sus dos recorridos. Estas fuerzas no son iguales, puesto que sus áreas efectivas a ambos costados del pistón, tampoco lo son.

Fig. 3.2. Cilindros de doble efecto a) Fuerza ( F ) desarrollada por un cilindro doble efecto: Fuerza de avance. Cuando el aire actúa sobre la cara del émbolo opuesta al vástago:: Fuerza de retroceso. Cuando el aire actúa sobre la cara del émbolo que contiene el vástago:

b) Consumo de aire ( C ) en un cilindro doble efecto: Permiten calcular el caudal consumido por cilindros, sin considerar consumos de tuberías y otros elementos neumáticos, estos consumos adicionales se estiman entre 20% y 30% del consumo de los cilindros.

RcmKgPcmSRcmKgPcmDKgF *)/(*)(*4

)/(*)(*)( 22222

==π

[ ] [ ] RcmKgPcmsSRcmKgPcmdDKgF *)/(*)(*4

)/(*)(²*)( 22222

−=−

=π

[ ]

[ ]4000

*)/()(*)(*)(2*min)/(

)()/()(*)(*)(*0471,0min)/(

2222

2222

ncmKgPatmPcmLcmdDltC

segtcmKgPatmPcmLcmdDltC

+−=

+−=

π

)()/()(*)(*)(*0471,0min)/(

222

segtcmKgPatmPcmLcmDltC +

=

4000*)()(*)(*)(*min)/(

22 nbarPatmPcmLcmDltC +=π


Cuadro 3.1: Fuerza de avance y fuerza a restar para retroceso en cilindros de diversos tamaños

Diámetro Diámetrocilindro vástago

(mm) 1 5 7 10 (mm) 1 5 7 106 2,8 14,1 19,8 28,3 4 1,3 6,3 8,8 12,68 5,0 25,1 35,2 50,3 6 2,8 14,1 19,8 28,3

10 7,9 39,3 55,0 78,5 8 5,0 25,1 35,2 50,312 11,3 56,5 79,2 113,1 10 7,9 39,3 55,0 78,514 15,4 77,0 107,8 153,9 12 11,3 56,5 79,2 113,116 20,1 100,5 140,7 201,1 16 20,1 100,5 140,7 201,120 31,4 157,1 219,9 314,2 20 31,4 157,1 219,9 314,225 49,1 245,4 343,6 490,9 25 49,1 245,4 343,6 490,932 80,4 402,1 563,0 804,2 32 80,4 402,1 563,0 804,240 126 628 880 1257 40 125,7 628,3 879,6 125750 196 982 1374 196363 312 1559 2182 311780 503 2513 3519 5027

100 785 3927 5498 7854125 1227 6136 8590 12272160 2011 10053 14074 20106200 3142 15708 21991 31416

Fuerza a restar para

A diversas presiones (bar) A diversas presiones (bar)

Fuerza de avance (N) retroceso (N)

La velocidad media del émbolo en los cilindros estándar se recomienda entre 0,1 y 1,5 m/s. 3.2.1.3 Sensores de proximidad para cilindros doble efecto. Para su función el detector de proximidad necesita un imán permanente en el émbolo del actuador. El sensor sin contacto está compuesto por resistencias dependientes de un campo magnético y genera una tensión cuando se acerca el imán del émbolo. Un sistema lógico acoplado a él evalúa el suceso y emite una señal de salida.

Fig. 3.3. Sensores de proximidad


3.2.1.4. Músculo neumático. Estos dispositivos mecánicos intentan parecerse al músculo biológico del hombre, el cual posee una alta relación masa/rendimiento, lo cual el permite realizar una gran variedad de movimientos, con mucha agilidad y suavidad.

Fig. 3.4. Músculo neumático Un músculo neumático es esencialmente un tubo flexible de goma (u otro tipo de material elástico) que al aplicar presión aumenta de volumen y ejerce una gran fuerza lo cual permite utilizarlo en: sujeción de piezas, prensas, pinzas, entre otros. La longitud nominal del músculo neumático se define sin presión y sin carga. La longitud corresponde al largo de la membrana visible entre las sujeciones. El músculo se expande si se aplica una fuerza exterior. Al aplicar presión, el músculo se contrae (lo que significa que la longitud útil se reduce). a) Características técnicas:19 • Fuerza inicial hasta 10 veces superior a la de un cilindro convencional del mismo

diámetro • Gran dinamismo, incluso con grandes cargas • Sin partes mecánicas móviles en sentidos opuestos • Sin tirones, también al ejecutar movimientos muy lentos • Accionamiento sencillo mediante presión, sin detector de recorrido • Separación entre el fluido de funcionamiento y la atmósfera • Ideal para aplicaciones expuestas a polvo y suciedad • Estructura robusta • Liviano • Hermético b) Fuerza ( F ) desarrollada por un músculo neumático:

pPfF ** =

donde:

F: Fuerza desarrollada por el músculo f: Brazo de la fuerza P: Carga P: Brazo de la carga

Esta relación muestra como es posible obtener grandes fuerzas con carreras cortas.

19 Festo Didactics


3.2.2 ACTUADORES NEUMATICOS ROTANTES 3.2.2.1 Actuador rotante neumático. Permite obtener un movimiento rotante parcial con características de control y velocidad similares a las de cilindros neumáticos. La velocidad se puede controlar independientemente en ambos sentidos con el flujo de aire. El par torsor se regula con la presión de aire.

Fig. 3.5. Actuador rotante neumático

3.2.2.2 Actuadores rotantes neumáticos aplicados para cierre y apertura de válvulas

Fig. 3.6. Actuador rotante neumático para apertura/cierre de válvulas

a) Características: Presión de suministro: 40 to 120 psig Torque de salida: Doble efecto hasta 27,624 Lbf plg Resorte para retorno hasta 10,155 Lbf plg


3.2.2.3 Motores neumáticos Pueden clasificarse en dos grupos: motores de paletas y de pistones radiales: a) Características de motores de paletas. Pueden alcanzar potencias de hasta 3,5 KW y velocidades en vacío entre 400 y 20000 rpm. Los torques de salida a potencia máxima alcanzan los 22 Nm. b) Características de motores de pistones radiales. Funcionan bajo el principio de un motor de combustión interna típico. Alcanzan potencias de hasta 10 KW, con velocidades de giro en vacío entre 400 y 9000 rpm. c) Ventajas frente a los motores eléctricos.

• Insensible al calor, polvo, humedad y vibraciones • No presenta ningún riesgo de trabajo en ambientes explosivos • Puede sobrecargarse hasta pararse completamente.

3.2.3 ACTUADORES LINEALES OLEONEUMÁTICOS20

3.2.3.1 Cilindros oleoneumáticos Son cilindros de alimentación neumática con un sistema de control de velocidad mediante un circuito cerrado de aceite recabado en el interior del vástago. Se puede obtener regulaciones de la velocidad con presión en ambos sentidos y añadiendo las válvulas ‘’skip’’ y ‘’stop’’, es posible obtener mayor velocidad o parar en cualquier posición.

Fig. 3.7. Actuador lineal oleoneumático

20 Catálogo Tecnautomat


a) Características técnicas Fluído: Aire filtrado y lubricado Fluído de control: Aceite hidráulico Presión de trabajo: 1 – 10 bar Temperatura de trabajo: -10°C + 80°C Velocidad: 70 – 6000 mm/min Pistón con anillo magnético: Incorporan un anillo magnético para detectar su posición Diámetros: 50 y 63 mm Recorridos estandar: 50 - 100 - 150 - 200 - 250 - 300 - 350 - 400 - 450 - 500 A continuación la Fig. 3.8, muestra el efecto de la presión de trabajo sobre la fuerza y el consumo de aire en dichos cilindros.

Fig. 3.8. Fuerza y consumo de aire en actuadores oleoneumáticos 3.2.3.2 Convertidores oleoneumáticos. Consisten en un cilindro sin vástago y un émbolo que se mueve al interior del mismo impulsado por el aire comprimido, mientras que la cámara opuesta contiene aceite.


3.2.3.3 Otros actuadores especiales

Cuadro 3.2: Actuadores para aplicaciones especiales

3.2.4 ACTUADORES HIDRÁULICOS LÍNEALES 3.2.4.1 Cilindros simple efecto, tipo buzo. Son muy sencillos, tienen una sola cámara para el fluido, en su mayoría trabajan en forma vertical y el retorno se efectúa por la gravedad. 3.2.4.2 Cilindros simple efecto, tipo telescópico. Se utiliza cuando su longitud comprimida tiene que ser menor que la de un cilindro estándar. Pueden contener hasta 4 o 5 camisas. Se aplican para grandes desplazamientos y en equipos móviles (elevación de volquetes y camiones) 3.2.4.3 Cilindros de doble efecto. Se accionan en ambos sentidos, por tanto pueden ejercer fuerza en sus dos sentidos de movimiento. Son muy utilizados en sistemas oleohidráulicos. 3.2.4.4 Velocidad de un cilindro hidráulico:

3.2.4.5 Fuerza ( F ) desarrollada por un cilindro hidráulico simple efecto:


)/(*)(*)( 22222

==π

²)(*6min)/(min)/(

cmpistónArealtCaudalmVel =


3.2.4.6 Fuerza ( F ) desarrollada por un cilindro hidráulico doble efecto: Cuando el fluido actúa sobre la cara del émbolo opuesta al vástago (Fuerza de avance): Cuando el fluido actúa sobre la cara del émbolo que contiene el vástago (Fuerza de retorno):

D: Diámetro del émbolo d: Diámetro del vástago S: Sección del émbolo s: Sección del vástago P: Presión funcionamiento L: Longitud carrera R: Rendimiento del cilindro

3.2.4.7. Capacidad de los cilindros. Se determina por su tamaño y su resistencia a la presión. La mayoría llevan vástago normalizado, pero además se disponen vástagos pesdos y extrapesados.

Cuadro 3.3: Fuerzas obtenidas con cilindros oleohidráulicos de diversos tamaños

Diámetrocilindro

(plg) Avance Retorno Avance Retorno Avance Retorno1 Normal 532 1596 21281 3/8 Pesada 374 1123 1498

1 Normal 931 2793 37241 3/8 Media 773 2320 30941 3/4 Pesada 567 1701 22681 3/4 Normal 2292 6877 91702 Media 2124 6373 84962 1/2 Pesada 1720 5178 69042 Normal 3724 11172 148962 1/2 Media 3325 9975 133003 1/2 Pesada 2261 6783 90442 1/2 Normal 5271 15813 210843 1/2 Media 4210 12631 168424 Pesada 3545 10635 141823 1/2 Normal 9170 247510 360804 1/2 Media 7750 23208 310245 1/2 Pesada 6981 17944 23926

Nota: Para cilindros doble vástago use para cálculos la fuerza de retorno

8 11343 34030 45374

6 6380 19141 25522

5 4434 13303 17738

4 2835 8505 11340

2 1/2 1109 3327 4436

105 Kgf/cm² 140 Kgf/cm²Fuerza (Kgf)

710 2130 2840

Diámetrovástago

2

35 Kgf/cm²(plg)


)/(*)(*)( 22222

==π

[ ] [ ] RcmKgPcmsSRcmKgPcmdDKgF *)/(*)(*4

)/(*)(²*)( 22222

−=−

=π


Cuadro 3.4: Efectos sobre la aplicación de los cilindros oleohidráulicos al variar caudal de entrada o presión

Cambio Velocidad Efecto sobre la

presión de trabajo Fuerza

disponible Aumento de presión

Disminución de presión Aumento de caudal

Disminución de caudal

sin efecto sin efecto aumenta diminuye

sin efecto sin efecto sin efecto sin efecto

aumenta disminuye sin efecto sin efecto

3.2.5. ACTUADORES HIDRÁULICOS ROTATIVOS 3.2.5.1. Motores oleohidráulicos. Permiten transformar la energía hidráulica en energía mecánica rotativa. En lugar de impulsar el fluido como lo hace una bomba, son impulsados por éste y desarrollan torque y movimiento rotacional. Su forma constructiva se parece mucho a la de las bombas, así existen: motores de engranajes; de paletas y de pistones.

Fig. 3.9. Motores hidráulicos

a) Motor de engranajes. Desarrolla par debido a la presión aplicada sobre la superficie de los dientes de los engranajes, se limitan a presiones de funcionamiento de hasta 140 Kgf/cm², y rotaciones máximas de 2400 rpm. Son muy sencillos y poseen alta tolerancia a la suciedad.

b) Motor de paletas. El par se desarrolla por la presión que actúa sobre las superficies

expuestas de las paletas rectangulares las cuales entran y salen de unas ranuras practicadas en un rotor, acoplado a un eje de accionamiento. Existen modelos que pueden funcionar entre 5 a 150 rpm, con un par máximo de 620 Kgf m, con versiones dobles que originan un par de 1240 Kgf m.

c) Motor de pistones. Generan un par mediante la presión que se ejerce sobre los

extremos de los pistones que se mueven alternativamente. Son muy eficientes y tienen capacidad tanto para altas velocidades como para altas presiones.

Son muy utilizados en industria aeroespacial debido a su elevada relación de potencia por unidad de peso.


3.2.5.2. Selección de Motores oleohidráulicos. Las siguientes fórmulas se expresan en función de un par teórico. Puede requerirse un par adicional del 10% al 35% para arrancar bajo una carga determinada.

²)/(Pr)*(*7

²/7*min

cmKgfentofuncionamideesiónKgfmnecesarioPar

cmKgfKgfmalnoPar =⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

π2)/(*²)/(Pr*10)( revltentoDesplazamicmKgfesiónKgfmPar =

1000)/(*

min

3 revcmentoDesplazamiRPMltCaudal =⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

3.2.5.3. Actuadores rotantes hidráulicos aplicados para cierre y apertura de válvulas

Fig. 3.10. Actuadotes hidráulicos para cierre y apertura de válvulas

Características: Presión hidráulica de suministro: 1500 psig Torque de salida: hasta 240,000 Lbf plg Rango de temperatura: entre 22 y 212°F


3.3TERMINOS Y CONCEPTOS CLAVE Actuador lineal. Dispositivo que convierte la energía neumática o hidráulica en una fuerza con desplazamiento lineal. Actuador rotante. Dispositivo que convierte la energía neumática o hidráulica en una fuerza con movimiento rotativo (torque). Acumulador. Recipiente en el cual se almacena fluido a presión para luego ser utilizado como fuente de energía neumática o hidráulica. Amortiguador. Dispositivo que permite disminuir los picos de presión en circuitos neumáticos e hidráulicos. Carrera. Longitud de trabajo aprovechable en un cilindro neumático o hidráulico. Desplazamiento. Cantidad de fluido que requiere el motor para dar una revolución, o la capacidad de una cámara multiplicada por el número de cámaras que contiene. Junta tórica. Elemento para estanqueidad de una sección cilíndrica. Par o Torque. Fuerza giratoria. Un motor puede dar un par sin movimiento, pero este se efectuará si el par es suficiente para vencer el rozamiento y la resistencia de la carga. Vástago. Pieza de forma cilíndrica de sección uniforme, que se utiliza para transmitir un empuje. 3.4 PREGUNTAS Y PROBLEMAS 3.4.1 PROBLEMAS RESUELTOS 1) Calcule la fuerza de avance y de retroceso para un cilindro neumático de doble efecto,

con diámetro de pistón 125 mm, y diámetro de vástago 30 mm. La presión de trabajo es 5,5 bar y el rendimiento del 95%.

Fuerza de avance: Fuerza de retroceso:

KgfRbarPcmDKgfF 2.64195,0*4

5,5*5,12**4

)(*²)(*)(22

===ππ

[ ] [ ] KgfRbarPcmdDKgfF 27,60495,0*4

5,5*²35,12**4

)(*)(²*)(222

=−

=−

=ππ


2) Suponiendo que el cilindro anterior desarrolla una carrera de 200 mm y realiza 150 ciclos/hora: Cuál será su consumo de aire en lt/min, a presión atmosférica?

3) Determine el par desarrollado por un motor hidráulico de desplazamiento 62,8 cc/rev,

trabajando a una presión de 100 Kgf/cm²

π2)/(*²)/(Pr*10)( revltentoDesplazamicmKgfesiónmKgfPar =

mKgfrevltcmKgfPar 102

)/(0628,0*²/100*10==

π

3.4.2 PREGUNTAS 1) Investigue el funcionamiento y aplicación de cilindros doble vástago.

2) Investigue el funcionamiento y aplicación de cilindros sin vástago. 3) Investigue 5 aplicaciones de los músculos neumáticos 4) Investigue la relación entre fuerzas y brazos de carga para un músculo humano 5) Investigue el funcionamiento de un motor neumático de paletas. 6) Analice con catálogos técnicos, diversos motores neumáticos de pistones radiales. 7) Que función cumplen y como se clasifican los actuadores neumáticos ? 8) Investigar acerca de la eficiencia de los diversos tipos de motores hidráulicos. 3.4.3 PROBLEMAS PROPUESTOS 1) Determine las fuerzas (lbf) desarrolladas por un cilindro neumático doble efecto,

cuando trabaja a nivel del mar a 114,7 psia, con diámetro de vástago 1/2 plg, y diámetro de émbolo 2 plg.

2) Si un cilindro hidráulico, diámetro interno 7,5 cm puede trabajar con una presión hasta de 140 Kgf/cm². Cuál será la fuerza máxima que podrá ejercer?

[ ]

[ ] min/55,654000

5,2*5,5*20*3)25(*min)/(

4000*)()(*)(*)(2*min)/(

22

222

ltltC

nbarPatmPcmLcmdDltC

=−

=

+−=

π

π


3) Un motor hidráulico de par nominal 0,25 Kgf m, acciona una carga que requiere un par

de 12,50 Kgf m. Cual será la presión de funcionamiento ?

4) Determinar el caudal requerido por un motor hidráulico de desplazamiento 10 cc/rev, para girar a 400 rpm.



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HYDRAULICS









• Festo Didatic Software, PNEUSIMP: Simulación de circuitos neumáticos

• Festo Didatic Software, PNEUSIMH: Simulación de circuitos hidráulicos


CAPITULO IV

VALVULAS NEUMATICAS Y OLEOHIDRAULICAS 4.1 OBJETIVOS DE APRENDIZAJE: Reconocer y seleccionar técnicamente diversos tipos de válvulas distribuidoras y auxiliares, con diversos fluidos: aire y aceite hidráulico, para evaluar su función en aplicaciones industriales. 4.2 MARCO TEORICO: 4.2.1 VALVULAS DISTRIBUIDORAS NEUMATICAS Distribuyen o direccionan el aire comprimido hacia los dispositivos actuadores, regulando las maniobras de arranque, parada y sentido de circulación. Identificación según vías/posiciones: Válvula X/Y X: Representa el número de vías o tomas de interconexión de la misma (hacia alimentación de presión, salidas y escapes), así: 2, 3 , 4 o 5. Y: Establece la cantidad de posiciones estables del distribuidor, así: 2 o 3. 4.2.1.1 Nomenclatura normalizada En la simbología de válvulas distribuidoras, se utiliza la siguiente nomenclatura.

Tabla 4.1: Simbología de válvulas distribuidoras neumáticas

ISO 1219 Alfabética

CETOP Numérica Función

P 1 Conexión del aire comprimido (alimentación) A, B, C 2, 4, 6 Tuberías o vías de trabajo R, S, T 3, 5, 7 Orificios de purga o escape X, Y, Z 12, 14, 16 Tuberías de control, pilotaje o accionamiento

L 9 Fuga 4.2.1.2 Factores para selección de válvulas a) Número de vías. Según el tipo de dispositivo actuador requerido: Cilindro simple efecto: Válvula 3/2 Cilindro doble efecto: Válvula 4/2 , 5/3, 5/2 b) Número de posiciones. Según condiciones operativas del circuito:


Cilindro doble efecto con parada intermedia: Válvula 5/3 Cilindro doble efecto sin parada intermedia: Válvula 5/2 b) Tipo de mando. Según la naturaleza de la señal de entrada: Musculares (de mano o pie), mecánicos, neumáticos y eléctricos c) Tamaño de la válvula:

Según el caudal de aire comprimido, velocidad de actuadores y presión de trabajo. 4.2.1.3 Forma constructiva de las válvulas a) Válvulas de asiento. El paso de aire es abierto o cerrado mediante elementos juntas

planas, esferas o conos, para la estanqueidad se utilizan juntas elásticas. b) Válvulas de corredera. Por su forma constructiva pueden ser de: distribuidor axial,

de cursor y de disco. La más empleada es la de distribuidor axial, tiene forma de prisma rectangular, en cuyo interior se desliza el émbolo o corredera que comunica o cierra los distintos orificios (vías) del cuerpo principal, para la estanqueidad se utilizan juntas tóricas, colocadas en el émbolo o en el cuerpo de la válvula.

4.2.1.4 Válvulas distribuidoras 3/2

Fig. 4.1: Válvulas distribuidoras 3 vías, 2 posiciones


4.2.2 VÁLVULAS AUXILIARES NEUMÁTICAS 4.2.2.1 Reguladores de caudal a) Unidireccional. Controla la velocidad de desplazamiento de un cilindro neumático.

Fig. 4.4: Válvulas reguladoras de caudal unidireccional

b) Bidireccional. Controla flujo en ambos sentidos. Se utiliza como regulador de descarga. 4.2.2.2 Válvula de escape rápido. Permite alcanzar máximas velocidades en cilindros. Para que el escape rápido sea efectivo, debe montarse directamente en la entrada del cilindro. El ruido del escape se reduce con silenciadores.

Fig. 4.5: Válvulas de escape rápido


4.2.2.3 Válvulas lógicas. a) Válvula de simultaneidad “Tipo Y”. Permite el funcionamiento de otra válvula o actuador, con la señal de entrada simultánea de orígenes distintos.

Fig. 4.6: Válvulas lógicas tipo “and”

c) Válvula selectora “Tipo O”. Permite el funcionamiento de otra válvula o actuador,

con la señal de entrada de dos orígenes distintos.

Fig. 4.7: Válvulas lógicas tipo “or”


4.2.2.4 Válvula de no retorno. Permite el paso de aire en un sólo sentido. Impide despresurizaciones no deseadas.

Fig. 4.8: Válvulas de no retorno 4.2.2.5 Silenciadores. Se utilizan para reducir el nivel de ruido en los escapes de las válvulas.

Fig. 4.9: Silenciadores

4.2.3 GENERACIÓN DE VACÍO 4.2.3.1 Bombas de vacío. Generan vacío mediante la utilización de un motor eléctrico. Se emplean cuando se requieren elevados caudales de aspiración. Generalmente su capacidad está entre 6 y 1600 m3/h, mucho mayores que los 7 m3/h de las toberas de vacío de mayor capacidad, mientras que su potencia oscila entre 0,37 y 30 KW.


Fig. 4.10: Bombas de vacío

4.2.3.2 Toberas de vacío. Junto con sus ventosas de aspiración, los generadores de vacío permiten sujetar y retener piezas con superficies lisas, cualquier posición. Funcionan sin partes móviles aprovechando el efecto Ventura, es decir, el aire comprimido genera el vacío por medio del principio del eyector. La aspiración se detiene al cerrar el aire comprimido.

Fig. 4.11: Toberas de vacío

4.2.3.3 Ventosas. Su función principal es crear una cámara de vacío con la pieza a sujetar, de forma tal que la adherencia que se produzca entre la ventosa y la pieza sea capaz de soportar el peso de esta última. Pueden ser de diversos tipos: planas; de fuelle; de rótula y alargadas, y sus materiales: nitrilo, caucho natural, silicona y vitón.


Fig. 4.12: Ventosas para vacío

4.2.3.4 Fuerza ( F ) de suspensión de una ventosa: En aplicaciones industriales suele ocurrir que una sola ventosa no sea suficiente (según sus dimensiones y la depresión aplicada) para suspender a una carga de gran tamaño y peso, en estos casos, se recurre a la utilización simultánea de dos o más ventosas, cada una contribuiría con la fuerza total que suspendería la carga. El siguiente cuadro muestra que la fuerza que puede suspenderse depende del diámetro de la ventosa y del grado de depresión, aunque también puede afectar el tipo de material (rugosidad, porosidad, adherencia, forma, etc.). Estos valores son teóricos y deben afectarse por un coeficiente de seguridad que garantice la sujeción

Cuadro 4.2: Fuerza teórica de sujeción de ventosas en (N)21

Depresión(bar) 2 4 6 8 10 15 20 25 30 40 50 60 80 100-0,9 0,28 1,13 2,54 4,52 7,06 15,9 28,3 44,2 63,6 113,0 176,7 254,4 452,4 706,8-0,8 0,25 1,00 2,26 4,02 6,28 14,3 25,1 39,3 56,5 100,5 157,1 226,2 402,1 628,3-0,7 0,22 0,88 1,98 3,52 5,5 12,4 22 34,3 49,5 88,0 137,4 197,9 351,8 549,8-0,6 0,19 0,75 1,7 3,01 4,71 10,6 18,8 29,4 42,4 75,4 117,8 169,6 301,6 471,2-0,5 0,16 0,63 1,41 2,51 3,93 8,83 15,7 24,5 35,3 62,8 98,2 141,4 251,3 392,7

Diámetro de ventosas (mm)

21 Serrano, A., NEUMATICA

NcmAbarPNF )(*)(*10)(

2

=

NcmAcmKgPKgF )(*)/()(

22

=


Donde:

P: Depresión aplicada

A: Area encerrada por los labios de la ventosa

N: Factor de seguridad = 2 (carga en plano horizontal)

= 4 (carga en plano vertical)

4.2.4 VALVULAS DISTRIBUIDORAS OLEOHIDRAULICAS

Distribuyen o direccionan el fluido oleohidráulico hacia los dispositivos actuadores, regulando las maniobras de arranque, parada y sentido de circulación. Identificación según vías/posiciones: Válvula X/Y X: Representa el número de vías o tomas de interconexión de la misma (hacia alimentación de presión, salidas y escapes), así: 2, o 4. Y: Establece la cantidad de posiciones estables del distribuidor, así: 2 o 3.

4.2.4.1 Válvulas distribuidoras 2/2 y 4/2

Fig. 4.13: Válvulas distribuidoras 2 vías, 2 posiciones y 4 vías, 2 posiciones




Fig. 4.15: Esquemas de tipos de centros para válvulas hidráulicas 4/3

Centro abierto Centro cerrado

Centro tándem Centro flotante


Fig. 4.16: Válvula hidráulica 4/3 con centro tándem

4.3 TERMINOS Y CONCEPTOS CLAVE By-pass. (Derivación). Pasaje secundario para el caudal de un fluido. Centro abierto. Cuando todos los orificios de una válvula están comunicados entre sí, en la posición central o neutra. Centro cerrado. Cuando todos los orificios de una válvula están incomunicados entre sí, en la posición central o neutra. Centrado por muelles. Permite que una válvula retorne a su posición central mediante la fuerza de un muelle cuando el esfuerzo de accionamiento deja de actuar. Corredera. Pieza móvil de forma cilíndrica que puede desplazarse en ambos sentidos sobre un orificio practicado al interior del cuerpo de una válvula, para así dirigir el caudal. Retorno por muelles. Permite que una válvula retorne a una posición extrema mediante la fuerza de un muelle cuando el esfuerzo de accionamiento deja de actuar. Señal. Mando o indicación de una posición o velocidad deseada. Silenciador. Dispositivo que permite reducir el ruido producido al purgar aire hacia el exterior de una válvula. Válvula antiretorno. Válvula de control que permite circulación de fluido en una sola dirección. Válvula piloto. Válvula auxiliar utilizada para controlar la operación de otra válvula.


4.4. PREGUNTAS Y PROBLEMAS

1) Elegir utilizando el Cuadro 4.1, cuatro ventosas capaces de sujetar en un plano

horizontal una carga de 560 N, con un nivel de depresión de -0,70 bar 2) Elegir utilizando el Cuadro anterior, el diámetro de dos ventosas con capacidad de

suspender en forma vertical una carga de 70 N, con un nivel de depresión de -0,80 bar 3) Describir la posición central de una válvula oleohidráulica de 4 vías con centro tándem 4) Que tipo de válvula direccional se utiliza para accionamiento directo de un cilindro

hidráulico de doble efecto? 5) Que tipo de válvula direccional se utiliza para accionamiento directo de un cilindro

neumático de doble efecto? 4.5 BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTARIA


Paraninfo S.A.










• KEYSTONE, Valves & Controls: Spring Return Pneumatic Actuators, Publication

K7US 6-96





CAPITULO V

CIRCUITOS NEUMATICOS Y OLEOHIDRAÚLICOS 5.1 OBJETIVOS DE APRENDIZAJE: Analizar las características de funcionamiento de diversos tipos de circuitos neumáticos y oleohidráulicos, para evaluar su aplicabilidad en aplicaciones industriales. 5.2 MARCO TEORICO: 5.2.1 APLICACIONES ESPECIALES DEL AIRE COMPRIMIDO

1. Insuflado de membranas neumáticas de fuelle

2. Soplado para enfriamiento de ciertos equipos

3. Mantener presión uniforme al interior de un tanque o recipiente


4. Accionamiento remoto de una válvula de corte rápido, para permitir paso o

interrupción de la circulación de fluido en casos emergentes

5.2.2 PROCEDIMIENTO PARA DISEÑAR SISTEMAS NEUMATICOS 1) Considerar el trabajo que se va a realizar: levantar un peso, girar una herramienta,

accionar una válvula, o bloquear algún elemento. Esto determina el tipo de actuador que se va a utilizar (simple o doble efecto, cilíndrico o plano, simple o doble vástago, con o sin vástago, etc.)

2) Seleccionar el actuador basado en los siguientes parámetros: desplazamiento de la

carga (limitaría la longitud de carrera), fuerza requerida para elevar la carga y presión de aire disponible en el compresor (limitaría la superficie de pistón y su vástago).

3) Selección de válvulas distribuidoras (monoestable o biestables), considerando si la

carga debe detenerse en puntos intermedios del trayecto (válvula de 3 posiciones). 4) Seleccionar tipos de mando (musculares, pilotos neumáticos, solenoides, mecánicos,

etc.) adecuados en función del tipo de industria o aplicación, disponibilidad de energía, condiciones de seguridad y ergonomía para el operario o usuario, y nivel de automatización requerido).

5) Determinación del tamaño del compresor, en función del caudal requerido según la

velocidad a la cual debe desplazarse la carga. 5.2.3 PROCEDIMIENTO PARA DISEÑAR SISTEMAS OLEOHIDRAULICOS 1) Considerar el trabajo que se va a realizar: levantar un peso, girar una herramienta, o

bloquear algún elemento. Esto determina el tipo de actuador que se va a utilizar (simple o doble efecto, tipo buzo, telescópico, simple o doble vástago, etc.)

2) Seleccionar el actuador basado en los siguientes parámetros: desplazamiento de la carga (limitaría la longitud de carrera), fuerza requerida para elevar la carga y presión de funcionamiento (limitaría la superficie de pistón y vástago).

3) Seleccionar válvulas de control, considerando si la carga debe detenerse en puntos

intermedios del trayecto (variante de posición neutral: abierta, cerrada, tándem o flotante)

4) Determinar el tamaño de la bomba, en función de la velocidad a la cual debe

desplazarse la carga.


5) Determinar la potencia de la bomba, en función del caudal requerido y de la presión de funcionamiento.

6) Seleccionar válvulas de seguridad (alivio de presión), para impedir la sobrecarga del

motor eléctrico, protegiendo la bomba y otros componentes contra presiones excesivas ocasionadas por sobrecargas o bloqueo.

7) Dimensionar depósitos que contengan aproximadamente 2 a 3 veces la capacidad de la

bomba. 5.2.4 COMPARACION ENTRE SISTEMAS NEUMATICOS Y OLEOHIDRAULICOS El siguiente cuadro muestra algunas características comparativas específicas de funcionamiento para sistemas neumáticos y oleohidráulicos, relacionadas con la parte mecánica y de instalación.

Cuadro 5.1: Características comparativas de los sistemas neumático e hidráulico

Neumática Hidráulica Efecto de las fugas

Pérdida de energía. Ruido Contaminación

Influencia del ambiente

A prueba de explosión. Insensible a la temperatura

Riesgo de incendio. Sensible a cambios de temperatura

Almacenaje de energía

Fácil Limitada

Velocidad de operación

1,5 m/s 0,5 m/s

Costo de alimentación

Muy alto Alto

Movimiento lineal

Simple con cilindros. Fuerzas limitadas. Velocidad dependiente de la carga

Simple con cilindros. Buen control de velocidad. Fuerzas muy grandes

Movimiento giratorio

Simple, ineficiente, alta velocidad

Simple, par alto, baja velocidad

Exactitud de posicionamiento

1/10 mm posible sin carga Puede conseguirse 1 mm

Estabilidad Baja , el aire es compresible Alta, pues el aceite es casi incompresible, además el nivel de presión es más alto que en el neumático

Fuerzas Protegido contra sobrecargas. Fuerzas limitadas por la presión neumática y el diámetro del cilindro (30 KN a 6 bar)

Protegido contra sobrecargas. Fuerzas muy altas hasta de 3.000 KN, con presiones que alcanzan los 600 bar


5.2.5 ANALOGIA ENTRE LOS ELEMENTOS CONVENCIONALES NEUMATICOS/OLEOHIDRAULICOS Y LOS ELECTRICOS/ELECTRONICOS El siguiente cuadro muestra algunas características comparativas entre diversos elementos convencionales neumáticos/oleohidráulicos, y aquellos similares de tipo eléctrico/electrónico. Cuadro 5.2: Comparación entre elementos mecánicos convencionales y aquellos de origen

eléctrico Neumático/Hidráulico Eléctrico/Electrónico Elementos de trabajo Cilindros

Motores Componentes: fuelles

Motores eléctricos Válvulas de solenoide Motores lineales

Elementos de control Válvulas distribuidoras direccionales

Contactores de potencia Transistores Tristores

Elementos de proceso Válvulas distribuidoras direccionales Válvulas de aislamiento Válvulas de presión

Contactores Relés Módulos electrónicos

Elementos de entrada Interruptores Pulsadores Interruptores final de carrera Módulos programadores Sensores

Interruptores Pulsadores Interruptores final de carrera Módulos programadores Sensores Indicadores/generadores

Neumática e Hidráulica, Creus Solé Antonio, AlfaOmega Grupo Editor, México 2007


5.2.6 CIRCUITOS NEUMATICOS DE APLICACIÓN INDUSTRIAL 5.2.6.1. MANDO DIRECTO DE CILINDROS SIMPLE Y DOBLE EFECTO

5.2.6.2. MANDO DOBLE SIMULTANEO DE UN CILINDRO SIMPLE EFECTO (VALVULA LOGICA AND)


5.2.6.3. MANDO DOBLE SELECTIVO DE UN CILINDRO SIMPLE EFECTO (VALVULA LOGICA OR)

5.2.6.4. MANDO DOBLE SIMULTANEO DE UN CILINDRO DOBLE EFECTO


5.2.6.5. MANDO DOBLE SELECTIVO DE UN CILINDRO DOBLE EFECTO

5.2.6.6. MANDO INDIRECTO DE UN CILINDRO DOBLE EFECTO CON CONTROL DE VELOCIDAD POR REGULACION DE CAUDAL


5.2.6.7. MAXIMA VELOCIDAD EN CILINDROS SIMPLE EFECTO

5.2.6.8. MANDO INDIRECTO DE UN CILINDRO SIMPLE EFECTO


5.2.6.9. MANDO INDIRECTO DE UN CILINDRO SIMPLE EFECTO (BIESTABLE)

5.2.6.10. RETORNO AUTOMATICO DE UN CILINDRO SIMPLE EFECTO CON FIN DE CARRERA NEUMATICO


5.2.6.11. POSICIONADO INTERMEDIO DE UN CILINDRO DOBLE EFECTO USANDO UNA VALVULA DE 5 VIAS Y 3 POSICIONES

5.2.7 CIRCUITOS OLEOHIDRAULICOS DE APLICACIÓN INDUSTRIAL 5.2.7.1. MANDO DIRECTO DE UN CILINDRO SIMPLE EFECTO


5.2.7.2. MANDO DIRECTO DE UN CILINDRO DOBLE EFECTO

5.2.7.3. POSICIONADO INTERMEDIO DE UN CILINDRO DOBLE EFECTO USANDO UNA VALVULA DE 4 VIAS Y 3 POSICIONES


5.3 TERMINOS Y CONCEPTOS CLAVE Carga. Energía referida a la unidad de peso. Circuito. Trayectoria completa en un sistema hidráulico, incluyendo el dispositivo generador de caudal. Circuito abierto. Circuito en que el caudal de descarga de la bomba, después de haber atravesado los otros elementos hidráulicos retorna al tanque. Circuito cerrado. Circuito en que el caudal de descarga de la bomba, después de haber atravesado los otros elementos hidráulicos retorna directamente a la entrada de la bomba. Circuito en secuencia. Cuando se requiere que las operaciones se realicen en un orden determinado y mantener la presión en la primera operación mientras se verifica la segunda. Contrapresión. Se refiere a la presión que existe en la línea de retorno al tanque, la cual requiere presiones incrementadas para mover la carga. 5.4 PREGUNTAS Y PROBLEMAS 5.4.1 PROBLEMAS RESUELTOS 1) Se trata de diseñar un circuito para el accionamiento de un cilindro vertical de una prensa. Inicialmente, para facilitar el sistema, sólo se suministran los datos correspondientes a esfuerzos, velocidades y componentes ya existentes:

a) Se ha de desarrollar una fuerza de 14.000 kg en la prensada que se realiza en 20 seg

b) A continuación se mantiene la pieza prensada durante otros 30 seg

c) Seguidamente retrocede la prensa en 10 seg, hasta alcanzar su posición inicial; para

realizar este movimiento debe vencer un peso de 5.350 kg.

d) Finalmente la prensa se mantiene en reposo durante 15 seg; es muy importante que

se mantenga en esta posición ya que si bajase por propio peso podría lastimar al

operario que está cambiando la pieza prensada por otra nueva.

e) La longitud total a recorrer es de 150 cm.

f) Se va a aprovechar un cilindro hidráulico de 1.600 mm. de carrera, con diámetro

interior de 120 mm y 80 mm de diámetro de vástago.

g) Se dispone de energía eléctrica suficiente y el accionamiento y la temporización se

deberá realizar por medios eléctricos.


1a). Presiones: Presión necesaria para ejercer una fuerza de 14.000 kg: P = fuerza / superficie = 14.000 / (π * R²) = 14.000 / (3,14 * 6²) = 123,9 kg/cm² Presión necesaria para el retorno, venciendo una fuerza de 5.350 kg: P = 5.350 / superficie anular = 5.350 / (π * R² - π * r² ) = 5.350 / 62,8 = 85,2 kg/cm² La bomba deberá ser capaz de inferir al sistema una presión de 123,9 kg/cm² (más pérdidas de carga) por lo que se debe usar una bomba de 150 kg/cm² de presión de trabajo. 1b). Caudales Si el área del cilindro es π · R² = 113,04 cm², cada centímetro de avance requerirá 113,04 cm3 de fluido. Así para desplazarse 1.500 mm (1ª fase ), se necesitaran 113,04 · 150 = 16.956 cc = 16,96 lts. Como este desplazamiento se realiza en sólo 20 seg, la bomba deberá suministrar un caudal mínimo de 17 lts en 20 s o de 51 lts/minuto. Para recorrer 1.500 mm en 10 seg (3ª fase): el área anular del cilindro es π · R² - π * r² = 62,8 cm²; el volumen necesario para realizar un metro y medio de carrera será área · longitud = 62,8 cm² · 150 cm = 9.420 cc. o 9,4 litros; como este volumen se necesita en 10 seg, en un minuto la bomba deberá suministrar 9,4 · 6 = 56,52 lts/min. El caudal en las dos fases de movimiento no es el mismo; por ello se debe utilizar una bomba capaz de satisfacer las necesidades del caudal máximo, e incluir un regulador (limitador) de caudal para reducirlo durante la fase de avance. Para que este regulador sólo funcione en la fase de avance se colocará en la vía de entrada del cilindro por la parte anular, y se complementará con una válvula que permita el libre paso del fluido en sentido contrario, ya que de no ser así también limitaría el flujo en la fase de retroceso (limitador de caudal con antirretorno). Dado cualquier tipo de bomba a utilizar, ésta será accionada por un motor eléctrico a 1450 r.p.m., por lo que la cilindrada de la bomba será: caudal máx. / velocidad = 56,6 / 1.450 = 0.039 l/rev = 39 cm3/rev Ésta sería la cilindrada teórica; sin embargo, las bombas tienen un rendimiento volumétrico que se puede estimar en el 90%, por lo que la cilindrada necesaria para suministrar el caudal requerido será de: 39 / 0,9 = 43,3 cm3/rev. Si no existiese una bomba con esta cilindrada se deberá instalar una de mayor cilindrada y añadir al sistema otro limitador de caudal. 1c) Potencias


La potencia del motor eléctrico necesario para el accionamiento de la bomba se calcula según la fórmula: N = (P * Q) / total Para este caso se han de realizar dos cálculos, el de la potencia absorbida en el avance y la del retroceso Potencia avance = 17,56 CV Potencia retroceso = 13,49 CV. Así pues, el motor eléctrico deberá tener un mínimo de 18 CV. 1d) Ciclo de trabajo completo

1e) Elemento direccional Se usará una válvula direccional de 4 vías y de accionamiento eléctrico. Se han de definir las posiciones de esta válvula, es decir, escoger si será de dos posiciones (avance y retroceso), o de tres posiciones (avance, reposo y retroceso). En este ultimo caso, se tendrá que definir el flujo interno del fluido en la posición de reposo para que nos garantice la máxima seguridad mientras el cilindro se halle en la parte alta. 5.4.2 PREGUNTAS 1) Utilizando simbología normalizada y las etiquetas respectivas, dibuje los siguientes circuitos neumáticos. No utilice dispositivos eléctricos. 1.1) Accionamiento indirecto con doble mando de un cilindro simple efecto. 1.2) Accionamiento indirecto de un cilindro doble efecto con regulación de caudal unidireccional. 2) Que diferencia principal existe al comparar el funcionamiento de los circuitos: 5.2.6.9 y 5.2.6.10. Analícelos.




Paraninfo S.A.







ANEXO A

SIMBOLOGIA NORMALIZADA ISO PARA SISTEMAS NEUMATICOS Y

OLEOHIDRAULICOS


ANEXO B

CONSUMOS DE AIRE PARA HERRAMIENTAS Y EQUIPOS NEUMATICOS. FACTOR DE USO

Y SIMULTANEIDAD PARA DISEÑO DE REDES


B1. Consumo de aire para diferentes equipos y herramientas neumáticas

Equipo o herramienta Consumo de aire (lt/s)

Elevador neumático de 0,5 a 5 Ton 20 a 55 Taladro 3 a 22 Amoladora 5 a 824 Llave neumática de impacto 8 a 14 Pistola (general) 8 Pistola de chorro de arena 20 a 32 Taladradora de 1 KW 18 Taladradora de 2 KW 35 Lijadora de 0,75 KW 17 Lijadora de 1,5 KW 28 Destornillador neumático de 0,3 KW 5 Destornillador percusor 15 a 30 Motor neumático de 1,4 KW 36 Motor neumático de 3,5 KW 84 Martillo cincelador 8 Cilindro de avance (máquinas) 16 Pistola de inyección 10 Cortador de roscas 16

Fuente: Hesse-FESTO

B.2. Factor de uso. Para dimensionar correctamente una red neumática, se debe considerar que los equipos de consumo tendrán tiempos muertos (paras para ubicación, cambio de herramientas, sujeción, etc.) en los cuales el compresor tendría tiempo para cargar a presión el depósito o la red de aire comprimido. Estos tiempos se denominan factor de uso, y dependen de cada máquina y de su forma de trabajo.

Equipo o herramienta Factor de uso (%)

Taladradora 30 Lijadora 40 Martillo cincelador 30 Mortero 15 Moldeadora 20 Pistola neumática 10 Máquina para alimentar piezas 80

Fuente: Hesse-FESTO


B.3. Factor de simultaneidad. Depende del número de unidades de trabajo, pues se considera que es prácticamente imposible que todas las máquinas trabajen al mismo tiempo, especialmente cuando se trata de un gran número de máquinas.

Número de dispositivos consumidores

Factor de simultaneidad

1 1,0 2 0,94 3 0,89 4 0,86 5 0,83 6 0,80 7 0,77 8 0,75 9 0,73 10 0,71 11 0,69 12 0,68 13 0,67 14 0,66 15 0,65 100 0,2

Fuente: Hesse-FESTO


B.4. Consumo de aire de motores neumáticos acoplados a diversas máquinas

Herramienta neumática Consumo (lt/min) a 6,3 bar

CFM a 90 PSI

Motor de aire, menos de 0,75 KW 1200 / KW 42 / KW Motor de aire, entre 0,75 y 4 KW 1080 / KW 38 / KW

Motor de aire, más de 4 KW 960 / KW 34 / KW Taladradora acero 6 mm 600 21 Taladradora acero 9 mm 720 25,4 Taladradora acero 18 mm 900 31,8 Taladradora acero 25 mm 1200 42,3 Taladradora acero 30 mm 1500 53 Taladradora acero 38 mm 1800 63,5 Taladradora acero 50 mm 2400 84,7

Pistola de aspersión pequeña 60 a 4 bar 2,1 a 58 psi Pistola de aspersión mediana 240 a 4 bar 8,47 a 58 psi Pistola de aspersión grande 600 a 4 bar 21 a 58 psi

Cizalla 226 a 453 8 a 16 Muela-rueda de acero de 18 mm 300 10,5 Muela-rueda de acero de 50 mm 480 17 Muela-rueda de acero de 100 mm 1200 42,3 Muela-rueda de acero de 150 mm 1800 63,5

Herramienta de corte 113 a 283 4 a 10 Pistola de grasa 113 4

Remachadora hidráulica 113 4 Llave de impacto de 3/8” 70 a 99 2,5 a 3,5 Llave de impacto de 1/2” 113 a 141 4 a 5 Llave de impacto de 1” 283 109

Lijadora orbital 170 a 255 6 a 9 Lijadora circular 226 a 354 8 a 12,5

Pistola de puntillas 113 4 Sierra 141 5

Fuente: Jenny Products Inc.

neumatica y oleohidraulica...

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