NEUMÁTICA E HIDRÁULICA

Índice Primera parte: neumática

¿Qué son los sistemas neumáticos? Algunas aplicaciones Un poco de historia Magnitudes e instrumentos Ventajas y desventajas del aire comprimido Circuitos neumáticos

Principios físicos Paralelismos con los circuitos eléctricos Componentes y simbología Simulación

Segunda parte: hidráulica Ventajas y desventajas de la oleohidráulica Circuitos hidráulicos

Principios físicos Componentes y diferencias con los circuitos neumáticos Simulación

Primera parte: NEUMÁTICA

¿Qué son los sistemas neumáticos? Los sistemas neumáticos son circuitos que utilizan aire

comprimido para transmitir energía. Los sistemas hidráulicos son similares a los neumáticos,

pero en lugar de aire comprimido emplean fluidos incompresibles como agua o aceite. En la industria se usa más el aceite al producir menor corrosión sobre los conductos y servir de refrigerante.

Ambos se encuentran en todos los ámbitos: regadío, instalaciones de agua potable, frenos, suspensiones, apertura de puertas, etc.

Vamos a conocer cómo se implantan estos sistemas en la industria.

Un poco de historia - Neumática

A finales del s. XVII el físico francés Denis Papin realiza la primera transmisión neumática.

En el s. XIX se utiliza como fuente de energía para frenos de trenes, perforadoras de percusión, ascensores… A finales de siglo se deja de desarrollar debido a la competencia de otros tipos de energía (máquinas de vapor, motores y electricidad).

Tras la Segunda Guerra Mundial reaparece a gran escala por la automatización del trabajo en las industrias.

El uso del aire comprimido se remonta al Neolítico, cuando aparecieron los fuelles de mano para avivar el fuego de las fundiciones o para airear minas de extracción de minerales.

Un poco de historia - Hidráulica

En el s. XV, Leonardo da Vinci empieza el estudio de la hidráulica. Le siguen Galileo, Pascal, Bernoulli...

En el s. XIX, con el desarrollo de tubos de hierro fundido, capaces de resistir altas presiones internas, la hidráulica se extendió rápidamente en la industria hasta nuestros días.

La utilización del agua data de muy antiguo. Se conocen obras de regadío en Mesopotamia, 45 siglos AC.

Los grandes acueductos romanos empiezan a construirse desde 312 AC, y el agua llegaba a las viviendas por tubos de plomo.

Presión: fuerza ejercida sobre la superficie de un cuerpo.

Las unidades que se utilizan para la presión son:

En el Sistema Internacional: el Pascal (Pa)

Pero el Pascal es muy pequeño para las presiones con las que vamos a trabajar, por lo que emplearemos el bar.

El aire comprimido que se emplea en la industria se comprime hasta alcanzar una presión de unos 6 bares con respecto a la atmosférica (presión relativa).

Magnitudes e instrumentos (1)

1 Pa = 1 N/m2

Presión = Fuerza / Superficie

105 Pa = 1 bar ≈ 1 atmósfera

Magnitudes e instrumentos (2)

Los manómetros son instrumentos que nos indican el valor de la presión relativa que estamos utilizando.

Presión absoluta = P. atmosférica + P. relativa

El manómetro mide esto

Magnitudes e instrumentos (3) Caudal: es la cantidad de fluido que atraviesa una sección de la

tubería en la unidad de tiempo.

Las unidades que se utilizan para el caudal son litros/segundo. Los instrumentos para medir el caudal se llaman caudalímetros.

Las magnitudes que usamos en neumática e hidráulica equivalen a otras magnitudes eléctricas que hemos usado anteriormente.

Caudal = Volumen / Tiempo

Magnitudes eléctricas

Magnitudes neumáticas e hidráulicas

Intensidad CaudalTensión (voltaje) Presión

Ventajas del aire comprimido La materia prima, el aire, es abundante y gratuita.

Se puede transportar fácilmente mediante tuberías.

Se puede almacenar en depósitos. Es seguro, no existe peligro de explosión ni incendio.

Es limpio (importante para industrias químicas, alimentarias, etc.).

No le afectan las temperaturas extremas. No hay riesgo de sobrecarga.

La velocidad de trabajo es alta y se puede regular.

Desventajas del aire comprimido Debe ser preparado antes de usarlo, eliminando la

humedad y las impurezas que pueda contener.

Debido a que el aire se comprime, no permite velocidades de los elementos de trabajo regulares y constantes.

Los esfuerzos de trabajo son limitados (hasta 30.000 N).

Es ruidoso debido a los escapes de aire.

Es costoso, porque aunque el aire es gratuito hace falta gastar energía para comprimirlo.

Circuitos neumáticos

Principios físicos El aire, para presiones inferiores a 12 bares se comporta siguiendo

la ley de los gases perfectos:P * V = m * R * T

Si mantenemos constante la temperatura tenemos:

Si mantenemos constante la presión tenemos:

Si mantenemos constante el volumen tenemos:

P = presión (N/m2)V = vol. Específico (m3/kg)m = masa (kg)R = cte. del aire (286,9 J/kg * K)T = temperatura (K)

Modificando la presión, la temperatura cambia y viceversa

P / T = cte.

Modificando la presión, el volumen cambia y viceversa

P * V = cte.

Modificando el volumen, la temperatura cambia y viceversa

V / T = cte.

Paralelismo con circuitos eléctricos Para comprender cómo funcionan los circuitos neumáticos vamos a

compararles con los eléctricos.

Circuitos eléctricos

Circuitos neumáticos o hidráulicos

Pila Compresor o bombaCables TuberíasInterruptores Válvulas de controlActuadores Cilindros neumáticos o

hidráulicos

v=0

2

1

Funcionamiento del circuito neumático Haz click en el profesor para ver el funcionamiento del

circuito.

21

3

Componentes – El compresor El compresor es una máquina que comprime el aire atmosférico

hasta que alcanza la presión de funcionamiento de la instalación. El aire del compresor se almacena en un depósito para su posterior

utilización, llamado acumulador.

La unidad de mantenimiento prepara el aire para que dañe lo menos posible las tuberías y los actuadores.

Filtro Regulador de presión Lubricador Manómetro

Símbolo

Símbolo

Símbolo

Componentes – El compresor Algunos tipos de compresores:

Compresores de émbolo: los más utilizados. Funcionan como el motor de un automóvil, produciendo el movimiento alternativo de un pistón.

Compresores rotativos: El giro de un rotor aspira el aire y lo comprime, aumentando su presión. Son más silenciosos que los anteriores y proporcionan un flujo de aire más uniforme.

Símbolo del compresor

Componentes – Tuberías Las tuberías son los conductos a través

de los que se canaliza el aire para que llegue a todos los elementos. Pueden ser: Rígidas, de cobre o acero Flexibles, de goma reforzada con malla

metálica

v=0

2

1

Componentes - Actuadores Los actuadores neumáticos, como cilindros y motores,

transforman la presión del aire en trabajo mecánico o movimiento.

Los cilindros se emplean cuando se desea un movimiento rectilíneo alternativo, para desplazar objetos o mover brazos de robots.

Cilindro de simple efectoCilindro de doble efecto

Componentes - Actuadores Cilindro de simple efecto:

Es un tubo cilíndrico cerrado dentro del cual hay un émbolo unido a un vástago. En un extremo hay un orificio de entrada/salida de aire y en el otro, un muelle que facilita el retorno del vástago.

Este tipo de cilindro trabaja en un solo sentido: cuando el aire a presión entra impulsa al vástago comprimiendo el muelle. El retroceso y desalojo del aire se produce por la fuerza del muelle, que devuelve al sistema a su posición inicial.

Símbolo del cilindro de simple efecto

Componentes - Actuadores Cilindro de doble efecto:

Es muy similar al cilindro de simple efecto, pero sin el muelle. El retorno se hace introduciendo aire a presión por otra entrada.

Este tipo de cilindro trabaja en los dos sentidos: cuando el aire entra en él a presión por uno de los orificios desaloja el aire del otro compartimento.

Símbolo del cilindro de doble efecto

Componentes - Actuadores

2

1 3

Accionamiento de un cilindro de simple efecto

Accionamiento de un cilindro de doble efecto

4 2

1 3

Componentes - Actuadores Los actuadores rotativos, como el

motor de paletas se utilizan para hacer girar objetos o máquinas herramientas, el motor de una taladradora, atornillar, etc.

También se utilizan los cilindros basculantes para producir movimientos circulares alternativos.

Símbolo del cilindro basculante

Motor neumático de 1 y 2 sentidos de

giro

Componentes - Válvulas Las válvulas son elementos de mando y control que permiten

y controlan el paso del aire en una dirección u otra. Son el equivalente neumático de los interruptores

eléctricos. Se clasifican en:

Válvulas distribuidoras Válvulas de control de caudal

v=0

2

1

Válvula de 2/n vías

Componentes - Válvulas Una válvula es una especie de caja con unos orificios que sirven de

entrada y salida del aire comprimido. La válvula tiene en su interior un elemento móvil, cuya posición determina la dirección que tomará el aire.

Los parámetros que definen una válvula son: Número de vías: Las entradas y salidas que tiene la válvula. Número de posiciones: El número de estados posibles de la válvula. Sistemas de accionamiento y retorno (pilotaje): Son mecanismos

para accionar y retornar la válvula. Los más utilizados son el pulsador, el enclavamiento, los sistemas de retorno por muelle y el neumático.

Las válvulas se identifican por el número de vías y el de posiciones. Así, una válvula 2/2 tiene 2 vías y 2 posiciones, una válvula 3/2 tiene 3 vías y 2 posiciones. Ejemplo: válvula 2/2

NC (normalmente cerrada)

2

1

Componentes - Válvulas Tipos de sistemas de accionamiento y retorno: Los más utilizados son

el pulsador, el enclavamiento, los sistemas de retorno por muelle y el neumático.

Ejemplo: válvula 3/2

2

1 3

Ejemplo: válvula 4/3

4 2

1 3

Válvula 3/2 con accionamiento

manual y retorno manual

2

1 3

Ejercicio Designa las siguientes válvulas:

2

1 3

4 2

1 3

Solución 1: Válvula 3/2 de accionamiento manual y retorno por muelle.

Solución 2: Válvula 4/3 de accionamiento manual y retorno por pulsador con enclavamiento.

Solución 3: Válvula 5/2 de accionamiento por pedal y retorno por muelle.

4 2

5

1

31

Componentes - Válvulas

Componentes - Válvulas

21

3

Funcionamiento de una válvula 3/2

Componentes - Válvulas

4

2

5

13

Funcionamiento de una válvula 5/2

1

Componentes - Válvulas Válvula antirretorno:

Permite el paso del aire libremente cuando circula desde el terminal 2 al 1, y lo impide en sentido contrario.

2 1

Símbolo de la válvula antirretorno

Componentes - Válvulas Válvula reguladora de flujo unidireccional:

Regula el caudal de aire comprimido que pasa en un sentido de circulación, mientras que en el otro sentido lo deja fluir libremente.

Válvula reguladora unidireccional

2

1 3

2

1 3

50

%

Componentes - Válvulas Válvula lógica “AND”:

Este tipo de válvula dispone de dos entradas y una salida. El aire podrá circular hacia la salida sólo si las dos entradas reciben simultáneamente aire a presión. Por ello también es conocida como válvula de simultaneidad.

2

1 3

2

1 3

1 1

2

Símbolo de la válvula AND

1 1

2

Componentes - Válvulas Válvula lógica “OR”:

Dispone de dos entradas y una salida. El aire podrá circular hacia la salida si al menos una de las entradas recibe alimentación de presión. También se conoce como válvula selectora.

2

1 3

2

1 3

1 1

2

Símbolo de la válvula OR

1 1

2

Simbología

Válvulas distribuidoras

Símbolo Descripción

Válvula 3/2 NC

Válvula 4/2

Válvula 5/2

Válvula 5/3 NC

Válvula 5/3 en posición de escape

Simbología

Válvulas de control

Símbolo Descripción

Válvula antirretorno

Válvula reguladora de flujo unidireccional

Válvula AND (Y)

Válvula OR (O)

Ejercicio Copia en tu cuaderno los siguientes circuitos, nombra cada uno

de sus elementos, explica su funcionamiento y búscales una aplicación práctica.

2

1 3

2

1 350%

2

1 3

2

1 3

1 1

2

Segunda parte: HIDRÁULICA

Ventajas de la oleohidráulica Permite trabajar con fuerzas más grandes que la

neumática.

El aceite empleado en el circuito se recupera fácilmente.

La velocidad de actuación es fácilmente controlable.

Las instalaciones son compactas.

Protección simple contra sobrecargas.

Pueden realizarse cambios rápidos de sentido.

Desventajas de la oleohidráulica El fluido es más caro.

El fluido es muy sensible a la contaminación.

Se producen pérdidas de carga por rozamiento.

Es necesario personal especializado para su mantenimiento.

Circuitos neumáticos

F1/S1 = P = F2/S2

Es decir: si sobre el pistón de poca superficie aplicamos una fuerza pequeña, ésta se transmite al pistón de superficie grande, amplificada.

Pero aunque la fuerza se amplifique, no sucede lo mismo con la energía, que se conserva.

Principios físicos Principio de Pascal: Cuando se aplica presión a un fluido

incompresible encerrado en un recipiente, esta presión se transmite instantáneamente y por igual a todo el fluido.

Principios físicos Principio de Bernoulli o Ley de Continuidad: El caudal de un fluido

incompresible se mantiene constante en los circuitos hidráulicos en serie.

Por otro lado cuando la velocidad del fluido aumenta, disminuye la presión (efecto Venturi).

Q1 = Q2 = cte.A1 * v1 = A2 * v2

Como A1 > A2, entonces v2 > v1

Q = caudalA = sección del tubov = velocidad del fluido

v2 > v1

P2 < P1

Simbología – Comparación con neumática

Bombas, compresores y motores

Símbolo Descripción

Compresor para aire comprimido

Bomba hidráulica de flujo unidireccionalDepósito neumáticoDepósito hidráulico

Motor neumático 1 sentido de giro

Motor neumático 2 sentidos de giro

Cilindro basculante 2 sentidos de giro

Motor hidráulico 1 sentido de giro

Motor hidráulico 2 sentidos de giro