CIRCUITOS HIDRÁULICOS Y NEUMÁTICOS

CIRCUITOS HIDRÁULICOS Y NEUMÁTICOS

1. Introducción

Los sistemas neumáticos e hidráulicos se encuentran difundidos por todos los ámbitos, riego de campos, instalaciones de agua potable y de desechos, en los vehículos autopropulsados

utilizados en el transporte, aire acondicionado, etc. Sin embargo es en la industria donde nos interesa conocer cuál ha sido su implantación.

La neumática y la hidráulica son dos ciencias y técnicas que tratan de las leyes que rigen el comportamiento y el movimiento de los gases (aire comprimido) y de los líquidos (en general, aceites), respectivamente, así como los problemas que plantea su utilización. En una misma máquina pueden coexistir sistemas neumáticos e hidráulicos.

 La neumática se puede considerar adecuada para fuerzas no superiores a 3 toneladas (3000 kp), accionamiento de pequeños motores, herramientas portátiles, etc.

 La hidráulica es apropiada para grandes esfuerzos y permiten un control exacto de velocidad y parada. Su utilización se extiende a las industrias metalúrgicas, máquinas-herramientas, prensas, etc.

2. Propiedades de los fluidos

Algunas magnitudes que definen a los fluidos son la presión, el caudal y la potencia.

 Presión: se define como la relación entre la fuerza ejercida sobre la superficie de un cuerpo.

P = F / S

Las unidades que se utilizan para la presión son:

1 atmósfera ≈ 1 bar = 1 kp/cm2 _{= 10}5 _{pascal (Pa = N/m}2₎

1 mm Hg = 133 Pa

 Caudal: es el volumen del fluido que atraviesa, por unidad de tiempo, una sección transversal de una conducción.

Las unidades que se utilizan son m3_{/s ó l/s}

V = volumen, normalmente en m3 _{o l}

S = Sección transversal del conducto, normalmente en m2

l = longitud del conducto, en m

t = tiempo, en s

v = velocidad del fluido, en m/s

2.1. El aire comprimido

Presión absoluta = P. atmosférica + P. relativa

Los manómetros indican el valor de presión relativa que estamos utilizando.

Para su estudio se considera como un gas perfecto.

Las ventajas que podemos destacar del aire comprimido son:

 Es abundante (disponible de manera ilimitada).

 Transportable (fácilmente transportable, además los conductos de retorno son innecesarios).

 Se puede almacenar (permite el almacenamiento en depósitos).

 Resistente a las variaciones de temperatura.

 Es seguro, antideflagrante (no existe peligro de explosión ni incendio).

 Limpio (lo que es importante para industrias como las químicas, alimentarias, textiles, etc.).

 La velocidad de trabajo es alta.

Las mayores desventajas que posee frente a otros tipos de fuente de energía, son:

 Necesita de preparación antes de su utilización (eliminación de impurezas y humedad).

 Debido a la compresibilidad del aire, no permite velocidades de los elementos de trabajos regulares y constantes.

 Los esfuerzos de trabajo son limitados (de 20 a 30000 N).

 Es ruidoso, debido a los escapes de aire después de su utilización.

 Es costoso. Es una energía cara, que en cierto punto es compensada por el buen rendimiento y la facilidad de implantación.

Para el estudio de los gases, se considera que se comportan como gases perfectos.

La ley de los gases perfectos relaciona tres magnitudes, presión (P), volumen (V) y temperatura (T), mediante la siguiente fórmula:

P ∙ V = n ∙ R ∙ T

Donde:

V = Volumen

n = nº de moles del gas (moles = gramos / masa molecular)

R = constante de los gases, 0,082 atm∙L/K∙mol ó 8,31 J/K∙mol

Las tres magnitudes (P, V y T) pueden variar de la siguiente forma:

 Si mantenemos constante la temperatura tenemos P∙V = cte.

Luego en dos estados distintos tendremos:

P1 ∙ V1 = P2 ∙ V2

P1 / P2 = V2 /V1

De manera que cuando modificamos la presión de un recipiente que contiene aire comprimido, se ve modificado el volumen y a la inversa si modificamos su volumen se ve modificada la presión a la que se

encuentra, a esta ley se la conoce como ley

de Boyle-Mariotte.

 Si ahora mantenemos la presión constante tenemos V/T = cte.

Luego en dos estados distintos tendremos:

V1/T1 = V2/T2

Ahora cuando modificamos el volumen se ve modificada la temperatura y a la inversa una variación de la temperatura hace que varíe el volumen, a esta ley se la conoce como ley de Gay-Lussac.

 Si ahora mantenemos el volumen constante tenemos P/T = cte. Luego en dos estados distintos tendremos:

P1/T1 = P2/T2

En este caso cuando modificamos la presión se ve modificada la temperatura y a la inversa una variación de la temperatura hace que varíe la presión, y esta es la ley

de Charles.

2.2. Fluidos hidráulicos

Cuando el fluido que utilizamos no es el aire, si no un líquido que no se puede comprimir, agua, aceite, u otro. Los fundamentos físicos de los gases se cumplen considerando el volumen constante.

“Cuando se aplica presión a un fluido encerrado en un recipiente, esta presión se transmite instantáneamente y por igual en todas direcciones del fluido”.

Como aplicación podemos ver como dos pistones unidos mediante un fluido encerrado, si le aplicamos una fuerza (F1) a uno de ellos, se transmite la presión hasta el otro, y produce una fuerza (F2) en el segundo.

Las ecuaciones que rigen este principio son:

P1 = P2

F1/S1 = F2/S2

Otra forma de expresarlo es:

F1 ∙ S2 = F2 ∙ S1

El fluido que normalmente se utiliza es aceite y los sistemas se llaman hidráulicos.

Las ventajas de la hidráulica son:

 Permite trabajar con elevados niveles de fuerza o momentos de giro.  El aceite empleado en el sistema es fácilmente recuperable.

 La velocidad de actuación es fácilmente controlable.  Las instalaciones son compactas.

 Pueden realizarse cambios rápidos de sentido. Desventajas de la hidráulica:

 El fluido es más caro.

 Se producen perdidas de carga.

 El fluido es muy sensible a la contaminación.

3. Generalidades de los circuitos hidráulicos y neumáticos

En todo sistema hidráulico o neumáticos se pueden distinguir los siguientes elementos:

 Elementos activos o generadores de energía: se ha de conseguir que el fluido transmita la energía necesaria al sistema.

En los sistemas neumáticos se utiliza un compresor, la hidráulica recurre a una bomba. Tanto el compresor como la bomba han de ser accionados por medio de un motor eléctrico o de combustión interna.

 Elementos de protección y tratamiento de los fluidos.

 Sistemas neumáticos: es preciso secar el aire, filtrarlo y regular su presión, para que no se introduzcan impurezas ni se produzcan sobrepresiones. Con objeto de reducir el rozamiento se utilizan lubricadores.

 Elementos de transporte y control (tuberías y válvulas): se encargan de conducir la energía comunicada al fluido en el compresor o en la bomba hacia los elementos actuadores.

 Elementos actuadores o de consumo: transforman en trabajo útil la energía del fluido en movimiento.

Existen dos grandes grupos: los cilindros, en los que se producen movimientos lineales, y motores, en los que tiene lugar movimientos rotativos.

4. Elementos activos

Los elementos activos son los que comunican energía al fluido.

4.1. Elemento activo en el circuito neumático: compresor

El aire comprimido se obtiene por medio de compresores que son máquinas capaces de elevar la presión de una masa de aire hasta el valor conveniente. Aspiran el aire existente en la atmósfera y elevan su presión.

El accionamiento de un compresor se realiza indistintamente por medio de un motor eléctrico o de un motor de combustión interna, según las exigencias de cada caso

Se clasifican en dos tipos:

 Volumétricos: elevan la presión del aire reduciendo el volumen del aire. Estos, a su vez, pueden ser:

 Alternativos (de émbolo): están basados en el mecanismo biela manivela.

Los compresores volumétricos alternativos (o de émbolos) pueden ser:

 De una etapa: constan de un cilindro cuyos émbolos se mueven de forma alternativa por medio de un mecanismo biela-manivela similar al de un motor de explosión de un automóvil. Contiene una válvula de entrada o de aspiración y una de escape o salida que

entrega aire.

 De dos etapas: Consta de dos cilindros de forma que el aire comprimido que entrega el primer cilindro pasa al segundo como de entrada, una vez refrigerado. Estos compresores obtienen aire a elevada presión, aunque son ruidosos.

 Rotativos: Una rueda de paletas empuja el aire hacia una cámara.

Los compresores rotativos pueden ser:

 De paletas: un rotor excéntrico (que no gira alrededor del centro) provisto de paletas gira en el interior de un cilindro dotado de dos orificios: uno de

aspiración de aire y otro de salida del aire comprimido.

 De tornillo: son dos tornillos helicoidales que engranan entre sí. Son caros, pero eficaces y muy silenciosos. Tienen un orificio de entrada y otro de salida.

 Dinámicos o turbocompresores: proporcionan presiones bastante reducidas, aunque manejan gran caudal.

4.2. Elemento activo en el circuito hidráulico: bomba

En este caso utilizamos una bomba, cuya misión es comunicar movimiento al fluido, proporcionándole energía.

El funcionamiento es el siguiente, se crea un vacío a la entrada de la bomba que obliga al fluido a introducirse en su interior, se le comunica energía y se le obliga a desplazarse a través del circuito.

5. Acumulador

Tanto en los circuitos neumáticos como en los hidráulicos existe un acumulador donde se almacena aire a presión o aceite.

5.1. Acumulador en el circuito neumático

Es necesario disponer de un depósito donde se almacena una cierta cantidad de aire a presión elevada:

 Para que el caudal fluctuante del compresor no afecte al resto del circuito.

 Para poder desconectar el compresor cada cierto tiempo.

5.2. Acumulador en el circuito hidráulico

El aceite utilizado en los circuitos hidráulicos debe de ser almacenado ya que no se

encuentran disponibles en el lugar de trabajo. Además ayuda a separar del fluido el aire y los agentes extraños, y disipa el calor.

El depósito va provisto de sensores de presión y temperatura y también de un grifo para drenar las impurezas.

6. Elementos de protección

Son los encargados de eliminar las impurezas en el circuito y de protegerlo.

6.1. Elementos de protección en circuitos neumáticos

 Filtro: eliminan el agua existen en el aire, las partículas e impurezas que tenga en suspensión.

 Lubricador: inyecta unas gotas de aceite de tamaño muy fina dentro del flujo de aire, creándose una especie de niebla de aceite, que tiene como finalidad evitar que el aire produzca un excesivo desgaste en los elementos del circuito.

 Limitador de presión: se encarga de que la presión en el circuito se mantenga por debajo de un cierto límite. Se denomina también válvula de escape.

6.2. Elementos de protección en los circuitos hidráulicos

 Filtro: cumple la misma función que en los circuitos neumáticos.  Válvula de alivio: tiene el mismo cometido que la válvula de escape.

7. Elementos de transporte

Los elementos de transporte son los encargados de llevar el fluido, en los circuitos neumáticos e hidráulicos, hasta los puntos de consumo. Son las tuberías.

Las tuberías son metálicas o de polietileno de presión. El diámetro de las tuberías depende de las necesidades de caudal que requiere la instalación, teniendo en cuenta la caída de presión

producida por las pérdidas y la longitud de las tuberías.

En los circuitos neumáticos e hidráulicos deben existir una serie de elementos encargados de controlar el fluido que se inyecta hacia los elementos de consumo, son las válvulas.

8.1. Válvulas de control de dirección o válvulas distribuidoras

Con ellas se seleccionan los elementos hacia los que se dirige el fluido. Interrumpen, dejan pasar o desvían el flujo con una presión y caudal fijos.

Externamente, las válvulas de control de dirección su pueden considerar como una caja negra con una serie de orificios que sirven para la entrada y salida del fluido.

Se caracterizan por dos números: vías/posiciones.

 Vías: son las entradas o salidas que posee la válvula.

 Posiciones: número de posiciones de trabajo que puede presentar la válvula.

Válvula 2/2

2

1

Válvula 3/2

2

1 3

Válvula 4/2

4 2

1 3

Válvula 5/2

4 2

5 1

3

El funcionamiento de una válvula se representa esquemáticamente en el interior de los cuadrados. La circulación del aire se simboliza por flechas cuya punta indica el sentido de circulación, mientras que las posiciones de cierre se representan por líneas transversales.

Hay dos tipos de posiciones básicas:

 Posición de trabajo, es decir, al pulsar el botón de la válvula.

8.1.1. Accionamiento de las válvulas de dirección

Los elementos de accionamiento permiten activar la válvula para cambiar la posición de reposo por la posición de trabajo. El accionamiento de las válvulas se puede descomponer en cuatro grupos, según la naturaleza del sistema:

 Accionamiento manual

 Accionamiento mecánico

 Accionamiento neumático

 Accionamiento eléctrico o electroválvulas

8.2. Válvulas controladoras de flujo

Regulan la cantidad y sentido de circulación del fluido que las atraviesa.

 Válvula selectora (OR): estas válvulas permiten la circulación de aire desde dos entradas opuestas a una sola salida común. Esta válvula se coloca cuando se debe mandar una señal desde dos puntos distintos.

 Válvula de simultaneidad (AND): Para que exista una señal a la salida, debe haber presión necesariamente en las dos entradas. Suele utilizarse por motivos de seguridad, es decir, sólo se activa el elemento de trabajo si el operario mantiene activados dos válvulas a la vez.

 Válvulas reguladoras unidireccionales: se utilizan para que el fluido circule libremente en un sentido y de una forma limitada en el contrario.

 Válvulas reguladoras bidireccionales: se utilizan para mantener limitada la velocidad del fluido en una tubería.

8.3. Válvulas de control de presión

Mantienen constante la presión del fluido a partir del punto en que se encuentran colocadas.

2

1 3

9. Elementos de consumo en circuitos neumáticos e hidráulicos

En los elementos de consumo, la energía comunicada al fluido por el compresor (circuito neumático) o la bomba (circuito hidráulico), se utiliza para realizar un trabajo.

9.1. Elementos alternativos: cilindros

Los cilindros se emplean cuando se desea un movimiento rectilíneo alternativo. Pueden utilizarse para desplazar objetos, para mover brazos de robots, etc. Los más conocidos son los de simple efecto y los de doble efecto.

 Cilindro de simple efecto: se trata de un tubo cilíndrico cerrado dentro del cual hay un émbolo unido a un vástago que se desplaza unido a él. Por un extremo hay un orificio para entrar o salir el aire y en el otro está albergado un muelle que facilita el retorno del vástago.

Este tipo de cilindro trabaja en un solo sentido, cuando el aire entra en él. El retroceso y desalojo del aire se produce por la fuerza del muelle que está albergado en el interior del cilindro.

• Cálculo de la fuerza de accionamiento en un cilindro de simple efecto:La fuerza ejercida por un elemento de trabajo depende de la presión del aire comprimido, el diámetro del cilindro y el rozamiento. En un cilindro de simple efecto la fuerza de accionamiento será:

F = S·P – (Fr + Fm), siendo

F: fuerza efectiva o real del émbolo

S: superficie del émbolo

P: presión

Fr: fuerza de rozamiento (10% de la fuerza teórica, Ft = S∙P)

Fm: fuerza del muelle

Este tipo de cilindro trabaja en los dos sentidos, cuando el aire entra en él produce fuerza y desaloja el aire que está en el otro compartimento. El retroceso y desalojo del aire se produce cuando el aire entra por el otro orificio.

 Cálculo de la fuerza de accionamiento en un cilindro de doble efecto:

En un cilindro de doble efecto tendremos una fuerza en el avance, Fa, y una fuerza en el retroceso, Fr.

 Fuerza de avance:

Fa = Sa·P – Fr, siendo:

Sa = π∙R2, R es el radio del émbolo

P: presión de trabajo

Fr: fuerza de rozamiento, 10% Ft (Ft = Sa∙P)

 Fuerza de retroceso:

Fre = Sr·P – Fr, siendo:

Sr = π ∙ (R2 – r2), R es el radio del émbolo y r en radio del vástago

P: presión de trabajo

Fr: fuerza de rozamiento, 10% Ft (Ft = Sr∙P)

 Consumo de aire

Es la cantidad de aire comprimido que necesita un cilindro neumático para funcionar correctamente.

Para calcular el consumo de aire seguiremos los siguientes pasos:

a) En primer lugar calculamos el volumen del cilindro

Volumen de la cámara posterior:

L D V   

4 2



Volumen de la cámara anterior

L d D

V    

4 ) ( ´ 2 2 

Si sumamos las dos expresiones anteriores obtenemos el volumen del cilindro completo.

Vcil = V + V´

Como recordarás, la presión absoluta es la indicada por el manómetro más la presión atmosférica, es decir:

Pabsol = Prel + Patm

Aplicando la ley de Boyle – Mariotte para gases cuya temperatura se mantiene constante

Pabsol·Vcil = Patm·Vaire

despejamos el volumen de aire y nos queda:

atm cil absol aire

P V P

V  

c) Suponiendo que la presión atmosférica es de 1 bar (kp/cm2_{) y que queremos el} volumen en litros, la expresión anterior nos queda:

1 1000

) 1 (

    rel cil aire

V P

V

Esta última expresión nos da el volumen de aire que se extrae de la atmósfera al trabajar con un cilindro de doble efecto. De forma análoga se haría si el cilindro fuese de simple efecto.

9.2. Elementos rotativos: motores

Los elementos rotativos se utilizan para hacer girar objetos o máquinas herramientas, motor de una taladradora, atornillar y destornillar, etc.