CIRCUITOS HIDRAULICOS Y NEUMATICOS: ELEMENTOS
COMPONENTES Y CIRCUITOS TIPICOS DE POTENCIA Y CONTROL
1.- INTRODUCCION. 2.- CIRCUITOS HIDRAULICOS.
2.1.- GENERALIDADES. PROPIEDADES FISICAS.
2.1.1.- Características de los fluidos.
2.2.- ELEMENTOS COMPONENTES DE LOS CIRCUITOS HIDRAULICOS Y NEUMÁTICOS.
2.2.1.- Bomba hidráulica. 2.2.2.- Deposito de aceite.
2.2.3.- Válvula de control direccional. 2.2.4.- Actuadores.
2.2.5.- Accesorios. 3.- CIRCUITOS NEUMÁTICOS.
3.1.- EL AIRE EN LOS CIRCUITOS.
3.2.- ELEMENTOS COMPONENTES DE LOS CIRCUITOS NEUMATICOS.
3.2.1.- Compresores.
3.2.2.- Refrigerador posterior.
3.2.3.- Deposito de aire comprimido (funciones). 3.2.4.- Secador de Aire.
3.2.5.- Filtros (funciones).
3.2.6.- Red de distribución de aire.
3.2.7.- Equipo tratamiento aire o unidad de mantenimiento. 3.2.8.- Otras válvulas.
4.- SIMBOLOGIA DE LOS CIRCUITOS.
4.1.- ESQUEMAS NEUMÁTICOS E HIDRÁULICOS. NORMAS DE REPRESENTACIÓN.
5.- ELEMENTOS DE CONTROL Y AUTOMATISMOS
5.1.- CONTROLES SENCILLOS.
5.2.- CONTROLES AUTOMÁTICOS Y SEMIAUTOMÁTICOS.
1.- INTRODUCCION.
¿Qué son los circuitos hidráulicos y neumáticos? ¿ Cuáles son sus componentes? ¿Qué aplicación tienen?... En el desarrollo de este tema se darán respuesta a estas preguntas.
“La hidráulica es la ciencia que estudia las leyes de equilibrio y movimiento de los líquidos”.
“La neumática es la ciencia que estudia la aplicación del aire comprimido a presión”.
Actualmente, se está extendiendo mucho el uso de los circuitos neumáticos e hidráulicos, no sólo a nivel industrial, sino también a nivel de uso doméstico (apertura de puertas de garaje, etc) debido a su fácil manejo y aplicación.
Ambos tipos de circuitos son muy parecidos, teniendo muchos elementos comunes, variando algunos debido al tipo de fluido que se utiliza: liquido en los hidráulicos y aire en los neumáticos.
En este tema estudiaremos los elementos, construcción, elementos de control, y aplicaciones de cada tipo de circuito.
2.- CIRCUITOS HIDRÁULICOS.
El ámbito de aplicación de los circuitos hidráulicos es muy grande, los podemos encontrar en: vehículos (frenos, direcciones asistidas, lubricación), grúas excavadoras, prensas, aviones y barcos, máquinas de inyección y soplado de plástico...
Las principales ventajas de estos circuitos son: gran multiplicación de la fuerza (grúas), regulación de la velocidad sin escalonamiento, gran precisión de mando y ajuste, arranque desde parada con carga máxima.
2.1.- CARACTERÍSTICAS DE LOS FLUIDOS.
El tipo de líquido a emplear vendrá fijado por el tipo de circuito que necesitemos, y aunque al principio se utilizaba agua, el líquido más empleado actualmente en la mayoría de las instalaciones es el aceite mineral. Una de las características más importante de los aceites es la viscosidad, que es el frotamiento interior entre las moléculas del aceite, esta propiedad sólo se manifiesta en el transcurso del movimiento del líquido dando lugar a una resistencia que será tanto mayor cuanto mayor sea la viscosidad del aceite. La viscosidad se mide en grados ENGLER (ºE) y se modifica con la temperatura, su valor se da indicando a que temperatura se ha medido la viscosidad.
Clasificación S.A.E. Los aceites se clasifican en función a variación de la
viscosidad con la temperatura, existiendo una para aceites de motor (10W 20W. .10, 20… a mayor nº, mayor viscosidad) y otra para aceites de ejes de transmisiones con números más altos (75, 80, 90,140, 250).
2.2.- ELEMENTOS COMPONENTES DE LOS CIRCUITOS HIDRAULICOS Y NEUMÁTICOS.
La estructura de bloques correspondiente a una instalación hidráulica responde al siguiente esquema:
En ocasiones el motor eléctrico se sustituye por un motor de combustión.
La bomba se encarga de generar la presión de trabajo con el caudal requerido por los elementos de trabajo.
Los elementos de transporte, tuberías y racores, se encargan de la conducción del fluido hasta el lugar de consumo.
Los elementos de regulación y control (válvulas) son los culpables del correcto funcionamiento en el momento adecuado de los elementos de trabajo ( motores y cilindros).
Los componentes de una instalación hidráulica básica son: – Bomba hidráulica.
– Deposito de aceite.
– Válvula de control direccional. – Válvula de control de flujo.
– Actuador (cilindro hidráulico o motor).
– Válvula reguladora de presión o sobrepresión.
2.2.1.- Bomba hidráulica.
Es el elemento principal del circuito, se encuentra accionado por el motor y aspira el fluido al producir vacío, impulsándolo con una cierta presión hacia una dirección determinada.
MOTOR BOMBA ELEMENTOS DE TRANSPORTE
REGULACIÓN Y CONTROL
ELEMENTOS DE TRABAJO
R
Atendiendo el sentido de giro la bombas pueden ser de dos tipos reversibles e
irreversibles. Esto es pueden girar en dos sentidos o en uno solo. Su simbología es la siguiente:
Bomba irreversible Bomba reversible
Compresor de aire comprimido
La punta de la flecha rellena de negro indica que es hidráulica, y la flecha hueca significa que es neumática.
Atendiendo el caudal las bombas pueden ser de caudal constante
(desplazamiento fijo), que son las más utilizadas. En estos casos como la bomba esta movida por el motor eléctrico y este gira ha una velocidad
constante el caudal impulsado por la bomba es fijo. De caudal variable (desplazamiento variable) se utilizan en circuitos donde es preciso trabajar ha distintos caudales ya sea para aumentar o disminuir algunos movimientos de las máquinas.
Atendiendo a su forma constructiva, se clasifican en:
Bomba de engranajes: es la más económica y de construcción más sencilla. Se suele emplear en instalaciones cuya frecuencia de trabajo no es constante, y no se necesitan grandes presiones. Su rendimiento es bajo, y suelen ser de caudal fijo.
Bomba de paletas: el principio de funcionamiento es el siguiente, un rotor ranurado esta acoplado al eje de accionamiento y gira en el interior de un anillo ovalado. Dentro de las ranuras del rotor, están colocadas las paletas, las cuales, siguen la superficie interna del anillo, debido a la
CLASIFICACIÓN DE LAS BOMBAS
POR EL SENTIDO DE GIRO
POR EL CAUDAL POR SU FORMA CONSTRUCTIVA
presión que el aceite ejerce sobre estas y también debido a la fuerza centrifuga. El aceite entra en la bomba debido al vacío parcial que esta hace (zona verde) y sale impulsado por las paletas (zona roja).
Cuando las paletas se desgastan se cambian junto con el rotor (cartucho). Estas bombas tienen un buen rendimiento, son caras y se usan en máquinas de servicio continuo. Un campo de aplicación importante es en las máquinas de inyección de plástico.
Bombas de pistones: Todas las bombas de pistones funcionan según el principio de un pistón, moviendose alternativamente dentro de un orificio, aspira fluido al retraerse y lo expulsa en su carrer ra hacia delante. Son bombas muy eficientes y de larga duración.
2.2.2.- Deposito de aceite.
El diseño del depósito se hace para que cumpla varias funciones: - Sirva de almacenamiento del fluido requerido por el sistema. - Debe tener espacio para que el aire se separe del fluido. - Debe permitir que los contaminantes del aceite se sedimenten. - También de disipar el calor generado por el sistema.
Para la construcción y tamaño del deposito, como regla general se toma: tamaño del tanque (litros) = Caudal de la bomba (litros / minuto) x 2 ó 3
A veces cuando hay problemas de espacio y el depósito se hace más pequeño, para enfriar el aceite se instala en el mismo, un equipo refrigerador de aceite.
2.2.3.- Válvula de control direccional.
Las válvulas modulan las fases de trabajo de los elementos de trabajo; Son elementos que mandan o regulan la puesta en marcha, el paro y la dirección, así como la presión o el caudal del fluido enviado por una bomba hidráulica o almacenado en un depósito. Según su función las válvulas se subdividen en 5 grupos:
- Válvulas de vías o distribuidoras. - Válvulas de bloqueo.
- Válvulas de presión. - Válvulas de caudal - Válvulas de cierre.
Válvulas distribuidoras: estas válvulas son los componentes que determinan el camino
que ha de tomar el fluido de una a otra parte del circuito.
Representación esquemática de las válvulas: para representar las válvulas
distribuidoras en los esquemas de circuito se utilizan símbolos; éstos no dan ninguna orientación sobre el método constructivo de la válvula; solamente indican su función.
Las posiciones de las válvulas distribuidoras se representan por medio de cuadrados.
La cantidad de cuadrados yuxtapuestos indica la cantidad de posiciones de la válvula distribuidora.
El funcionamiento se representa esquemáticamente en el interior de las casillas (cuadros). Las líneas representan tuberías o conductos. Las flechas, el sentido de circulación del fluido.
Las posiciones de cierre dentro de las casillas se representan mediante líneas transversales. La unión de conductos o tuberías se representa mediante un punto.
Las conexiones (entradas y salidas) se representan por medio de trazos unidos a la casilla que esquematiza la posición de
reposo o inicial. La otra posición se obtiene desplazando lateralmente los cuadrados, hasta que las conexiones coincidan. Las posiciones pueden distinguirse por medio de letras minúsculas a, b, c ... y 0.
El nº de vías es el nº de conexiones ó conducciones principales. La válvula se nombra por: el nº vías/posiciones.
Conductos de escape sin empalme de tubo (aire evacuado a la atmósfera). Triángulo directamente junto al símbolo.
Conductos de escape con empalme de tubo (aire evacuado a un punto de reunión). Triángulo ligeramente separado del símbolo.
Para evitar errores durante el montaje, los empalmes se identifican por medio de letras mayúsculas
El accionamiento de válvulas, puede ser de varios tipos:
- Manuales: mediante acción directa del pie o la mano, podemos variar la posición de la válvula a través de pulsadores o pedales.
- Mecánicos: la válvula no se acciona directamente, sino mediante la acción de resortes o rodillos de palpación (finales de carrera).
- Eléctricos: funciona normalmente por medio de una señal eléctrica aplicada a un solenoide (electroimán), llamándose electro-válvula. Se utilizan para accionar válvulas a distancia de una manera fácil y sencilla.
- Neumáticos o hidráulicos: se acciona la válvula por la presencia de aire o aceite a presión aplicados en sus extremos.
Válvulas de bloqueo: Son elementos que bloquean el paso M caudal preferentemente en
un sentido y lo permiten únicamente en el otro sentido. La presión del lado de salida actúa sobre la pieza obturadora y apoya el efecto de cierre hermético de la válvula. Dentro de las válvulas de bloqueo tenemos:
- Válvulas antirretorno: impiden el paso absolutamente en un sentido; en el sentido contrario, el aire circula con una pérdida de presión mínima. La obturación en un sentido puede obtenerse mediante un cono, una bola, un disco o una membrana.
- Válvula de escape rápido: esta permite elevar la velocidad de los émbolos de cilindros. Con ella se ahorran largos tiempos de retorno, especialmente si se trata de cilindros de simple efecto.
Válvulas de presión: Estas válvulas Influyen principalmente sobre la presión, o
- Válvula de regulación de presión: tiene la misión de mantener constante la presión. La presión de entrada mínima debe ser siempre superior a la de salida.
- Válvula limitadora de presión: estas válvulas se utilizan, sobre todo, como válvulas de seguridad (válvulas de sobrepresión). No admiten que la presión en el sistema sobrepase un valor máximo admisible.
- Válvula de secuencia: su funcionamiento es muy similar al de la válvula limitadora de presión. Abre el paso cuando se alcanza una presión superior a la ajustada mediante el muelle. La señal sólo se transmite después de alcanzar la presión de sujeción.
Válvulas de caudal: Básicamente existen dos tipos de reguladores de caudal que
son: unidireccionales y bidireccionales, según regulen el flujo del fluido en un solo sentido o en los dos sentidos.
Existen dos métodos básicos para aplicar las válvulas reguladoras de caudal para controlar la velocidad de los actuadores: regulación a la entrada, regulación al salida.
Válvulas de cierre: Son elementos que abren o cierran el paso del
caudal, sin escalones.
2.2.4.- Actuadores.
CLASIFICACION DE ACTUADORES
DEPENDIENDO DEL MOVIMIENTO QUE REALIZAN
ACTUADORES LINEALES (CILINDROS) ACTUADORES GIRATORIOS 90º, 180º...
POR SU FORMA CONSTRUCTIVA
TIPO BUZO, TELESCOPICOS, SIMPLE EFECTO...
El tipo de trabajo necesario a efectuar, así como la energía necesaria para realizar el mismo, determinan las características de los actuadores ( motor o cilindro) que deben ser utilizados. Es por ello por lo que solamente después de haber elegido el actuador pueden seleccionase el resto de componentes del sistema.
Todos ellos por efectos de una presión trasforman la energía del fluido en trabajo mecánico. Las piezas esenciales de un cilindro son : el tubo, el pistón, un vástago y las juntas adecuadas.
En los cilindros de simple efecto la carrera solo es
accionada hidráulicamente en un sentido, mientras que en los de doble efecto es en ambos sentidos.
2.2.5.- Accesorios.
En accesorios se incluyen el resto de componentes necesarios para el funcionamiento de la instalación hidráulica.
El acumulador: se utiliza para almacenar fluidos incompresibles bajo presión.. Cuando el fluido hidráulico entra en la cámara del acumulador hace una de las tres cosas siguientes: comprime un muelle, comprime un gás o eleva un peso. Cualquier tendencia que tenga la presión a disminuir hace que el elemento reaccione y obligue al liquido a salir. Los más utilizados son los de membrana ó vejiga ya que en su interior llevan una membrana o vejiga que separa el gas del fluido hidráulico. Las aplicaciones van desde la absorción de puntas de presión del sistema hasta el aumento de velocidad en ciertos
periodos de trabajo de las máquinas.
Tuberías: transportan el fluido hidráulico entre los diferentes componentes que constituyen la instalación. Los sistemas hidráulicos utilizan tres tipos de líneas de conducción: Tubos gas, tubos milimétricos, y mangueras flexibles. Los dos primeros suelen ser tubos de acero estirado en frio sin soldadura y a los que se les ha aplicado algún tratamientos térmico para evitar la corrosión.
Mangueras flexibles: se utilizan para líneas hidráulicas sometidas a movimiento. La manguera se fabrica con capas de caucho sintético y trenzado de tejido o alambre.
Racores: son los elementos para unir estas tuberías entre sí y con los componentes hidráulicos.
Acoplamientos rápidos: se utilizan cuando es necesario conectar y desconectar con mucha frecuencia un elemento de unión.
Filtros: los fluidos hidráulicos se mantienen limpios en el sistema debido, principalmente, a elementos tales como filtros y coladores.
Manómetro: nos indica la presión del circuito, de esta forma podremos detectar cualquier anomalía en el mismo.
Juntas herméticas: se instalan para evitar fugas del fluido en las partes mecánicas acopladas ya sean estáticas (válvulas) ó dinámicas (cilindros).
3.- CIRCUITOS NEUMÁTICOS.
Características de los circuitos neumáticos: poca presión, gran rapidez de movimientos, movimientos donde es preciso realizar poca fuerza, poca precisión.
Aplicaciones de los circuitos neumáticos: industria alimentaría, industria del automóvil, industria del plástico, industria de la madera, industria mecánica y metalúrgica...
3.1.- EL AIRE EN LOS CIRCUITOS.
El aire con el que trabajamos en los circuitos, lo tomamos del ambiente y aunque se procura tomar aire que sea lo más limpio posible siempre tiene impurezas y humedad por lo que antes de pasar al circuito debe prepararse adecuadamente.
3.2.- ELEMENTOS COMPONENTES DE LOS CIRCUITOS NEUMATICOS.
La estructura de bloques correspondiente a una instalación neumática responde a siguiente esquema. En ocasiones y al igual que en los circuitos hidráulicos el motor eléctrico se sustituye por un motor de combustión.
Al compresor con el tratamiento del aire comprimido se le llama central de aire
comprimido.
3.2.1.- Compresores.
Convierten la energía mecánica de un motor en potencial de aire comprimido. TIPOS: alternativos (Pistón): Simple efecto ó doble efecto, (de una etapa o dos etapas) y rotativos: de tornillo, de paletas....
3.2.2.- Refrigerador posterior.
Es un intercambiador de calor que se utiliza para enfriar el aire comprimido u otro gas. Pueden ser:
- Aire-aire. - Aire agua
3.2.3.- Deposito de aire comprimido (funciones).
Almacenar aire.
Minimizar los arranques del compresor. Enfriamiento adicional del aire.
Tiene: válvula de seguridad, manómetro y grifo de purga. También posee:
Una tapa de inspección visual (Boca de hombre). Y una placa para el control de inspecciones por organismos autorizados (RAP-ITC-MIE-AP17).
3.2.4.- Secador de Aire.
Evita que entre en el circuito neumático humedad y destruya los componentes. Pueden ser: de adsorción y frigoríficos.
MOTOR COMPRESOR MAS TRATAMIENTO AIRE ELEMENTOS DE TRANSPORTE REGULACIÓN Y CONTROL ELEMENTOS DE TRABAJO
Compresor Refrigerador Acumulador Secador Filtro
3.2.5.- Filtros (funciones).
Los filtros tienen la función de eliminar partículas sólidas del aire o del desgaste del propio compresor. Eliminar aceite o/y vapores de aceite. Eliminar condensados de agua...
3.2.6.- Red de distribución de aire.
Red de distribución de aire. Puede ser de distintos tipos: Con cobre
Con hierro galvanizado PVC ó nylon
Sistema de conexión Racores rápidos.
Existen diagramas y reglas de cálculo de instalaciones y normalmente se toma como velocidad del aire por las tuberías es de (v=6-10m/s).
3.2.7.- Equipo tratamiento aire o unidad de mantenimiento.
Una unidad de mantenimiento debe preparar el aire antes de su utilización en los automatismos neumáticos, encargándose de :
Eliminar impurezas Eliminar humedad Lubricar el aire
Ajustar la presión de trabajo
Por otra parte la unidad de mantenimiento está formada por:
Filtro.- impide que las partículas sólidas así como la posible humedad entren en el circuito y destruyan los componentes neumáticos
Regulador .- Tiene por misión mantener la presión de salida (trabajo)
Lubricador.- Inyecta una cantidad lógica de aceite en el aire comprimido necesario para lubricar las partes móviles de los componentes y herramientas neumáticas. Aunque cada vez hay mas componentes que no necesitan engrase ya que poseen un engrase de por vida.
3.2.8.- Otras válvulas.
- Válvula de simultaneidad: esta válvula tiene dos entradas X o Y y una salida A. El aire comprimido puede pasar únicamente cuando hay presión en ambas entradas. Esta válvula se denomina también “módulo Y (AND)”.
- Válvula selectora de circuito: para cuando se quiere accionar un circuito desde distintos puntos.
- Las válvulas antirretorno impiden el paso absolutamente en un sentido; en el sentido contrario, el aire circula con una pérdida de presión mínima. La obturación en un sentido puede obtenerse mediante un cono, una bola, un disco o una membrana.
- Válvula de escape rápido. - Válvula reguladoras de caudal.
4.- SIMBOLOGIA DE LOS CIRCUITOS.
4.1.- ESQUEMAS NEUMÁTICOS E HIDRÁULICOS. NORMAS DE REPRESENTACIÓN.
El esquema es el plano de representación de todos los elementos, con los conductos y líneas de conexión y con los símbolos normalizados. De todas formas este debe dibujarse lo mas claro posible para su fácil interpretación
Cuando el esquema es sencillo los componentes se dibujan en la posición real. Cuando el esquema tiene muchos elementos se dibuja en posición indicada ó representación esquemática.
Normas de representación:
Los elementos de trabajo siempre en posición horizontal.
Los finales de carrera no se colocan en su posición normal sino debajo de los órganos de gobierno (Válvulas de control) y en el lugar que ocupan una línea con el indicador
Los circuitos se dibujan generalmente en la posición de partida o sea los elementos no están accionados, si alguno esta accionado se indica con una flecha.
Para evitar loa errores se numeran los distintos elementos siguiendo un orden: Los elementos de trabajo numerados bajo este orden :
1.0, 2.0, 3.0, ... A, B, C,...
Los órganos de gobierno (válvulas de control de dirección:
indica que es un órgano de gobierno). A+A-,B+B-,...
Los captadores de información
1.2,1.4,1.6,...1.3,1.5,1.7,...(1ª cifra indica el grupo; 2ª cifra: Par = influye en salida de vástago, Impar = influyen en entrada de vástago)
a0, a1, b0, b1, ...
Con 0.1, 0.2, 0.3... elementos auxiliares Con 1.02, 1.03,...elementos de regulación
5.- ELEMENTOS DE CONTROL Y AUTOMATISMOS
Una vez que hemos visto los diferentes elementos que componen un circuito hidráulico su funcionamiento y conexión, debemos tener en cuenta una serie de elementos para el correcto funcionamiento del circuito como son:
- Regular la velocidad y presión del líquido. - Velocidad de los elementos de trabajo.
- Secuencia de movimientos de los diferentes elementos.
- Automatismos, para sustituir o simplificar los elementos de control manuales
5.1.- CONTROLES SENCILLOS. Tenemos varios tipos de controles sencillos:
Control a voluntad.- Pueder ser directo o indirecto.
La figura representa: “ el mando directo ( A traves de D1) de un cilindro de simple efecto”. Es directo por que accinando
directamente el distribuidor D1 controlamos el movimiento del actuador.
La siguiente figura, representa: el mando indirecto ( A traves de D4 que pilota a D3) de un cilindro de doble efecto.
Control dependiente del recorrido.- El control
de avance del cilindro C1 se realiza a través de las señales que envian los dos finales de carrera FC1 y FC2
Control dependiente del tiempo.- El control
del tiempo de avance y retroceso se hace atraves de los reguladores de caudal RC1 y RC2 que retardan la señal aplicada a las valvulas V1 y V2 que accionan al distribuidor principal
5.2.- CONTROLES AUTOMÁTICOS Y SEMIAUTOMÁTICOS.
Control semiautomatico.- Son
circuitos, que al dar un al dar un impulso de mando, el cilindro sale regresando seguidamente a su posición inicial. Para repetir el ciclo, es necesario pulsar de nuevo dicho impulso. Se puede conseguir con:
Retorno automático por medio de un final de carrera. Es similar al control dependiente del recorrido visto en el punto anterior. El retroceso se efectúa al accionar (cuando el cilindro llega al final de la carrera) la válvula final de carrera FC1 y al pilotar este al distribuidor D1.
Figa 33Figura 34
Fig.A Fig. B
Control automatico.- Son circuitos en
los que una vez puestos en marcha los ciclos se van repitiendo interrumpidamente mientras no actúe el pulsador de paro.
En la figura tenemos uno de los métodos más empleados en la cual se pueden apreciar dos finales de carrera, que tienen por objeto suministrar presión a uno u otro lado de la válvula pilotada para ir provocando alternativamente el desplazamiento de émbolo (A+ A- A+ A- ……….).
5.3.- CONTROLES CON ELECTROHIDRÁULICA Ó ELECTRONEUMÁTICA.
Este tipo de controles son muy necesarios en la actualidad debido al gran auge que ha experimentado la automatización industrial sobre todo debido al uso de los autómatas programables ( PLC´s).
En este tipo de controles, pueden existir uno o varios actuadores que realizan todos los movimientos de la máquina. Los esquemas constan básicamente de dos tipos de circuitos:
Uno que denominamos esquema de fuerza (Fig. a) (donde se encuentran los componentes hidráulicos, neumáticos, electrohidráulicos o electroneumáticos).
Otro que denominamos esquema de mando (Fig. b) compuesto básicamente de simbología eléctrica.
Figura 36
