ING. MECANICA

AUTOMATIZACION INDUSTRIAL

UNIDA 1 “ SISTEMAS HIDRAULICOS Y NEUMATICOS”

INTRODUCCION

Los circuitos hidráulicos y neumáticos proporcionar el accionamiento automático de un dispositivo por medio de un fluido a presión.

Los sistemas hidráulicos se emplean, en donde se requiera una fuerza elevada, utilizando aceite.

Los sistemas neumática se utilizan en la automatización de procesos, mediante aire comprimido.

COMPONENTES DE SISTEMAS HIDRAULICOS Y NEUMATICOS.

● ELEMENTO GENERADOR DE ENERGIA (Compresor, Bomba).

● ELEMENTOS DE TRANSPORTE (Tuberias).

● ACTUADORES (Cilindros).

● ELEMENTOS DE MANDO Y CONTROL (Abren y cierran el circuito, son las valvulas).)

INTRODUCCION

Generadores de energía. Se trabaja con aire o líquido, se necesita que el fluido transmita la energía en el sistema. Los sistemas neumáticos se utiliza un compresor, mientras que en el caso de la hidráulica se recurre a una bomba.

Tratamiento de los fluidos. Los sistemas neumáticos, necesita un filtrado y regula la presion. Los sistemas hidráulicos trabajan en circuito cerrado.

Elementos de mando y control. Se encargan de conducir de forma adecuada la energía comunicada al fluido en el compresor o en la bomba hacia los elementos actuadores.

Actuadores. Permiten transformar la energía del fluido en movimientol. Son los elementos de trabajo del sistema.

SISTEMAS NEUMATICALos sistemas neumatico se realizan en cuatro bloques:

● Produccion de aire comprimido.

● Elementos de tratamiento del aire comprimido.

● Elementos de consumo en circuitos neumaticos.

● Regulacion y control

SISTEMAS NEUMATICOS

● PRODUCCION DEL AIRE COMPRIMIDO.Como modo de transmision de la energia para mover y hacer funcionar mecanismos:

Generadores de aire comprimido. Compresores.

Elevan la presión del aire a un valor adecuado, transforman la energía que se les aporta del exterior, elevando su energía de presión y disminuyendo su volumen específico.

En el funcionamiento de un compresor aparecen implicadas dos magnitudes:

● La presión que se comunicará al aire, medida por la relación de compresión (relacion entre las presiones del fluido a la salida del compresor y la entrada) que es capaz de lograr el compresor.

● El caudal que el compresor es capaz de proporcionar

Se clasifican en VOLUMETRICOS y DINAMICOS

SISTEMAS NEUMATICOSCompresores Volumetricos

Entra aire en un recipiente hermetico que es reducido a un volumen inferior, aumentando su presion. Los compresores volumétricos pueden ser alternativos y rotativos..

Compresores alternativos: se diferencian dos tipos: monofásicos (de una etapa) y bifásicos (de dos etapas).

Compresor de pistón monofásico. Compresor de pistón bifásico

Transforma el movimiento circular de un eje de un motor a un movimiento rectilineo mediante una manivela. Tiene presiones de 3-10 bar.

Se comprime de 3-10 bar y la sigue hasta 25 bar.

SISTEMAS NEUMATICOS

Compresores rotativos: producen aire comprimido mediante un sistema rotativo continuo en el que un rotor, que gira en una carcasa totalmente estanca, empuja el aire de aspiración hacia la salida, comprimiéndolo.

Existen diferentes tipos:

· Compresor rotativo de paletas o de émbolo rotativo celular. Compuesto de un rotor de paletas que giran en el interior de un cilindro con dos orificios: uno de aspiración de aire y otro de salida. Son silenciosos y proporcionan un caudal de aire constante, además de ser de dimensiones reducidas.

· Compresor rotativo de tornillo. Está constituido por dos tornillos helicoidales que engranan entre sí. A través del hueco de aspiración que se forma entre los perfiles cóncavo y convexo de los tornillos. Son silenciosos y proporcionan un caudal de aire constante. Aunque son económicamente más costosos, su bajo desgaste los hace rentables a largo plazo.

SISTEMAS NEUMATICOSCompresores dinámicos.

El aire pasa por conductos de sección cada vez menor y el caudal se mantiene constante, la velocidad del aire va aumentando paulatinamente, transformandose en energia de presion. Por último, el aire disminuye su velocidad, incrementándose su presión. Este tipo de compresores se utiliza en aplicaciones en las que se requiera gran caudal de aire (hasta 50 m3/s) y presiones relativamente reducidas; por ello, no se suelen emplear en aplicaciones neumáticas.

Refrigerador. Secador.

SISTEMAS NEUMATICOS

● Elementos de tratamiento del aire comprimido.Tienen como misión suministrar el aire comprimido en las mejores condiciones posibles para su utilización posterior.

El aire comprimido debe estar libre de impurezas, regulado a la presión deseada de utilización y adecuadamente lubrificado en aquellos lugares donde sea preciso.

Con este objeto, los elementos de tratamiento del aire comprimido son:

Filtros.

Reguladores de presión.

Lubricadores.

SISTEMAS NEUMATICOSFiltros.

Depuran el aire comprimido, si no se eliminan y circulan a lo largo de la tubería, llegan hasta los puntos de consumo de aire comprimido, pudiendo ocasionar serios deterioros.

SISTEMAS NEUMATICOSReguladores de presión.

La presión de trabajo es casi siempre inferior a la que proporciona el compresor e incluso en una misma máquina se pueden encontrar elementos que trabajan a presiones diferentes. La misión del regulador de presión es mantener constante el valor de la misma

SISTEMAS NEUMATICOS

Lubricadores.

La lubricación se suele llevar a cabo mediante el aire comprimido, que es el que produce el movimiento de los órganos mecánicos. De esta manera, el lubricador aporta aceite a los elementos móviles, disminuyendo así el rozamiento y evitando la oxidación.

SISTEMAS NEUMATICOS

ELEMENTOS DE CONSUMOS DE CIRCUITOS NEUMATICOS

Son los elementos que permiten transformar la energía comunicada al aire por el compresor en energía útil. se pueden dividir en dos grandes grupos:

● Elementos alternativos o cilindros.

Cilindros de simple efecto.

Cilindros de doble efecto

● Elementos rotativos o motores.

Motor de caudal constante y un sólo sentido de giro.

Motor de caudal variable y un sólo sentido de giro.

Motor de caudal constante y dos sentidos de giro.

Motor de caudal variable y dos sentidos de giro.

Motor de giro limitado

SISTEMAS NEUMATICOS

Elementos alternativos o cilindros.

Son actuadores lineales; tienen un desplazamiento util en linea recta. Se clasifican en dos grupos, segun el numero de recorridos por ciclo en los que se realiza el trabajo:

Cilindros de simple efecto.

Tiene un desplazamiento en un sentido. El aire comprimido actúa sólo en una de las cámaras que delimita el émbolo en el interior del cilindro.

Por la acción de una fuerza interna (muelle).

Por la acción de una fuerza externa (carga).

SISTEMAS NEUMATICOS Cilindros de doble efecto.

Tienen dos tomas de aire comprimido situadas a ambos lados del émbolo. Son los cilindros más utilizados en aplicaciones neumáticas y pueden realizar carrera de trabajo en ambos sentidos del movimiento. El avance y retroceso del pistón, y por tanto del vástago, se produce por la presión que ejercen el aire en cualquiera de las 2 caras del piston.

SISTEMAS NEUMATICOSElementos rotativos o motores.

Los motores transforman la energía comunicada al aire por el compresor en movimiento rotativo. Sus formas constructivas son muy variadas, así como su campo de aplicación. Los motores neumáticos se emplean especialmente en aquellos casos o situaciones en que resulte difícil el uso o el mantenimiento de motores eléctricos, como por ejemplo, en ambientes deflagrantes, corrosivos, de elevada temperatura, o cuando se precisen condiciones de funcionamiento muy exigentes, como arranques y paros casi instantáneos, fuertes sobrecargas, variaciones constantes de velocidad, etc. Por estos motivos, se suelen utilizar en minería, en las industrias del petróleo, química, siderurgia, etc. Se pueden considerar los siguientes grupos de motores:

a) Motor de caudal constante y un sólo sentido de giro.

b) Motor de caudal variable y un sólo sentido de giro.

c) Motor de caudal constante y dos sentidos de giro.

d) Motor de caudal variable y dos sentidos de giro.

e) Motor de giro limitado.

SISTEMAS NEUMATICOSSegún su forma constructiva, existen tres tipos fundamentales de motores neumáticos:

· Los motores rotativos de pistones están constituidos por un cierto número de cilindros de simple efecto, unidos por medio de bielas a un eje principal en forma de cigüeñal. Mediante una válvula de distribución de tipo rotativo se introduce el aire comprimido de forma secuencial en los pistones, garantizando así la rotación del eje principal.

· Los motores de paletas son de menor peso, de construcción sencilla. Constan de una carcasa y un rotor que contiene alojados un cierto número de paletas. Al entrar el aire comprimido, ejerce una fuerza de empuje sobre la parte saliente de las paletas, provocando el giro del rotor. Las paletas se adaptan a la superficie de la carcasa debido a un muelle situado en las ranuras del rotor y también a causa de la fuerza centrífuga. Aunque el aire comprimido también actúa sobre las paletas oponiéndose a su movimiento, la superficie de contacto es menor y el rotor gira.

· Los motores de turbina se emplean cuando se requieren altas velocidades de giro (del orden de 500.000 r.p.m.) y pequeñas potencias. El aire comprimido actúa sobre unas paletas que sobresalen del eje principal, denominadas álabes, dotadas de una geometría especial para provocar el giro del eje.

SISTEMAS NEUMATICOSSimbología de elementos de uso frecuente en neumatica

SISTEMAS HIDRAULICOS

La transmisión de la energia y regulación de fuerzas y movimientos por medio de los líquidos. Cuando no se emplea el agua como medio transmisor de energía, el aceite a establecido los siguientes términos para establecer la distinción: Oleodinámica, Oleohidráulica u Oleólica.

La ventaja que implica la utilización de la energía hidráulica es la posibilidad de transmitir grandes fuerzas, empleando para ello pequeños elementos y la facilidad de poder realizar maniobras de mandos. Las desventajas son al fluido empleado como medio para la transmisión, debido a las grandes presiones que se manejan en el sistema las cuales posibilitan el peligro de accidentes, por esto es preciso cuidar todos los dispositivos.

Las instalaciones hidráulicas constan de:

· Grupo de accionamiento, que se suele presentar en un bloque cerrado constituido por una bomba, la cual produce la presión necesaria para el funcionamiento de los elementos de trabajo.

· Elementos de transporte, consistentes en tuberías, que conducen el fluido hidráulico hasta los lugares de utilización.

· Elemento de trabajo, son motores y cilindros. Su correcto funcionamiento son los elementos de regulación y control, que reciben el nombre de válvulas.

SISTEMAS HIDRAULICOS

Grupo de accionamiento.

Bombas hidráulicas.

Las bombas hidráulicas son máquinas que absorben energía mecánica procedente del motor de accionamiento y comunican energía hidráulica al líquido que las atraviesa.

Sus principales características son las siguientes:

● Valor nominal de la presión. Es la presión de trabajo. Ésta no debe funcionar a una presión mayor que la diseñada, para evitar de esta manera que pueda sufrir desperfectos o que su duración quede disminuida.

● Caudal. Puede variar en función de la frecuencia de rotación de la bomba, aunque conviene que su valor se mantenga dentro de las especificaciones del fabricante. Se suele expresar en l/min.

● Desplazamiento. Volumen de líquido que se bombea en una vuelta completa. Su valor es constante para cada bomba. El producto del desplazamiento por la velocidad de rotación de la bomba es el caudal.

● Rendimiento total. Es el cociente entre la potencia hidráulica que produce la bomba y la potencia mecánica que ésta consume.

SISTEMAS HIDRAULICOSDiferentes tipos de bombas utilizadas en sistemas hidraulicos

(1) Disco solido con hojas curveadas.(2) Rodete.(3) Caja.(4) Eje de salida.(5) Centro de la caja

Rodete centrifugo.Helice axial.

SISTEMAS HIDRAULICOSLas bombas hidráulicas, de mayor uso son:

Bomba de engranajes

A pesar de su bajo rendimiento, es un bomba muy empleada en hidráulica, a causa de su sencillez y economía. La presión puede ser de 200 bar y el intervalo de rotación oscila entre 500 y 6.000 r.p.m.

Bomba de tornillo

Está constituida por dos o tres tornillos helicoidales que engranan entre si. Uno de los tornillos está accionado por el motor y transmite su movimiento a los otros, obligando al aceite a trasladarse axialmente. El caudal es muy uniforme y las bombas de este tipo son silenciosas.

Bomba de paletas deslizantes

Está constituida por un rotor que gira excéntricamente con respecto a la carcasa, tiene paletas que pueden deslizarse radialmente. La cámara situada entre el rotor y el estator aumenta y disminuye de volumen durante el giro, provocando primero una succión y posteriormente una expulsión del líquido.

SISTEMAS HIDRAULICOSBomba de émbolos radiales

Tiene una serie de émbolos apoyados en la carcasa fija y alojados en un rotor que gira excéntricamente. Durante el transcurso del giro los émbolos realizan la aspiración y la impulsión. Frecuentemente se asocian dos bombas de este tipo conectadas de múltiples maneras con controles automáticos: en paralelo con salida común o distinta; en paralelo, pero ambas de distinto caudal y también en serie. Mediante estas bombas se alcanzan presiones muy elevadas, de hasta 700 bar, y su intervalo de rotacion oscila entre 1.000 y 3.000 r.p.m.

Depósito.

Los líquidos que circulan a través de los circuitos hidráulicos no se encuentran disponibles en el lugar de trabajo. Por eso, debe existir un depósito, en el que puedan permanecer almacenados. El depósito va provisto de sensores de presión y temperatura y también de un grifo para drenar las impurezas que se vayan recogiendo.

Filtro.

Tiene como misión eliminar las partículas sólidas que se forman y que son arrastradas por el fluido al circular a lo largo de las conducciones. En caso contrario, estas partículas podrían producir fenómenos de abrasión y obstruirían los conductos y las aberturas importantes de la instalación, provocando un considerable desgaste de las piezas móviles.

A este respecto, resultan recomendables los filtros de tamiz imantado, que constan de un tejido de alambre de malla estrecha preimantado y un fuerte imán; de esta forma se asegura la separación de las partículas metálicas.

SISTEMAS HIDRAULICOSSimbología de elementos de uso frecuente en hidraulica

ELEMENTOS DE CONTROL Y MANDO.

ELEMENTOS DE MANDO Y CONTROLMandos elementales

Los mandos neumáticos están constituidos por elementos de señalización, elementos de mando y un aporte de trabajo. Los elementos de señalización y mando modulan las fases de trabajo de los elementos de trabajo y se denominan válvulas.

Para la información de mando se emplean aparatos que controlen y dirijan el fluido, lo que obliga a disponer de una serie de elementos que efectúen las funciones deseadas relativas al control y dirección del flujo del aire comprimido. En los principios de la automatización, los elementos rediseñados se mandan manual o mecánicamente. Cuando por necesidades de trabajo se precisaba efectuar el mando a distancia, se utilizan elementos de comando por símbolo neumático (cuervo).

Además de los mandos manuales para la actuación de estos elementos, se emplean para el comando procedimientos servo-neumáticos, electro-neumáticos y automáticos que efectúan en su totalidad el tratamiento de la información y de la amplificación de señales. La gran evolución de la neumática y la hidráulica ha hecho, a su vez, evolucionar los procesos para el tratamiento y amplificación de señales, y variedad de válvulas y distribuidores que nos permiten elegir el sistema que mejor se adapte a las necesidades.

TIPOS DE ACCIONAMIENTO DE LAS VALVULAS

Para controlar la posision de las valvulas se utilizan: manuales, mecanicos, neumaticos o electricos.

En la representacion e una valvula, cada posicion se indica con un cuadrado donde aparecen las vias y la direccion del aire comprimido. El simbolo del sistema de accionamiento se situa junto al cuadrado de la posicion de trabajo

Se nombran indicando el numero de vias seguido del numero de posiciones. Una valvula 3/2 tiene 3 vias y 2 posiciones; tambien hay 2/2, 4/2, 4/3, etc

En las acciones externas que originan el cambio de posicion de una válvula mediante el movimiento del elemento móvil existente en ella reciben el nombre de dispositivos de mando, los cuales pueden ser de diferentes tipos:.

TIPOS DE VALVULASTipos de válvulas según su forma constructiva.

Según la forma constructiva del elemento móvil, se distinguen dos tipos fundamentales de válvulas: de asiento y de corredera.

En las válvulas de asiento el paso o cierre del aire se efectúa mediante el apoyo o separación de dos órganos de la propia válvula. Se precisan desplazamientos del órgano obturador para lograr pasos amplios de aire, permitiendo de esta forma frecuencias de conmutador elevadas.

En las válvulas de corredera el paso del aire se realiza por medio de una corredera debidamente diseñada de modo que permita o impida el paso en una determinada dirección. Por lo general, estas válvulas necesitan un recorrido mayor que las de asiento, lo que se traduce en el consiguiente aumento del tiempo de respuesta.

TIPOS DE ACCIONAMIENTO DE LAS VALVULAS● Accionables por el operador, pueden ser; pulsador, palanca, pedal, etc.

● Accionables por un órgano mecánico móvil; accionados por una leva, un rodillo o por un conjunto de leva y rodillo unidireccional.

● Accionables por un sistema eléctrico; se las conoce con el nombre de electroválvulas, que permiten ser accionadas a distancias mediante tiempos de conmutacion cortos.

● Accionables por un sistema de mando neumático; se puede controlar mediante una señal neumática de pilotaje de presión o depresión.

Según la función que realizan, se distinguen las 3 fundamentales:

● Válvulas de control de dirección (distribuidores).

● Válvulas de control de caudal● Válvulas de control de presión

TIPOS DE VALVULAS

Válvulas de control de dirección (distribuidores).

Se consideran como una caja negra a la que llegan una serie de conducciones que sirven para la entrada y salida del aire comprimido, y se caracterizan por el numero de vias y el numero de posiciones que constan.

● El número de vías es el número de orificios en la válvula con objeto de permitir el desvío del aire en una u otra dirección

● El número de posiciones indica las formas de conexión de las conducciones que llegan a la válvula.

Válvulas unidireccionales (antiretorno); Cierran por completo el paso del aire comprimido en un sentido y lo dejan libre en el contrario. Se utilizan cuando se pretende mantener a presión una tubería de utilización y poner en descarga la alimentación. El flujo del aire que se dirige desde el orificio de entrada hacia la salida tiene el paso libre, mientras que en el sentido opuesto se encuentra bloqueado.

TIPOS DE VALVULASVálvulas de control de caudal.

Reguladores unidireccionales; En el regulador unidireccional el aire comprimido circular hacia la salida a través del regulador, que generalmente está constituido por un tornillo diseñado que, a medida que se aprieta o afloja, realiza una variación lineal del caudal. Se utilizan para regular la velocidad de desplazamiento de los cilindros neumáticos, y para obtener retardos en los circuitos de mando. La regulación de la velocidad se puede hacer de dos formas: regulando el flujo de alimentación o regulando el flujo de escape.

Reguladores bidireccionales; La regulación del caudal se realiza mediante el giro de un tornillo. Cuando gira en el sentido contrario, el tornillo asciende y la sección de paso aumenta. De este modo, se permite la circulación restringida en cualquiera de los dos sentidos

TIPOS DE VALVULASVálvulas de control de presión.

Actúa sobre la presión del aire desde un valor “0” hasta otro máximo el cual es el valor de la presión de alimentación. Se realiza por medio del ascenso o descenso de un elemento roscado. Se utiliza con distintas finalidades:

● Como válvula de seguridad en los equipos generadores de aire comprimido, para conseguir que la presión se mantenga por debajo de un cierto umbral (válvula de descarga).

● Para alimentar elementos que trabajan a presiones diferentes (válvula de secuencia).

● Para mantener la presión de alimentación estabilizada en un determinado valor.

TIPOS DE VALVULASRepresentación gráfica de las válvulas más usuales.

ELEMENTOS DE CONTROL ELECTRONICO

En los sistemas de control electronico estan los temporizadores; se basa en el hecho de que el aire comprimido que pasa a través de una estrangulación variable emplea cierto tiempo de llenado, cuando alcanza la suficiente presión de mando como para poder accionar una válvula pilotada neumáticamente.

De esta manera, un elemento temporalizador resulta de la combinación de un regulador unidireccional, una capacidad y una válvula neumática.

ELEMENTOS DE CONTROL

Para representar una secuencia se deben tener en cuenta las normas siguientes:

● Los cilindros o elementos de potencia se numeran en el orden: 1.0, 2.0, 3.0 ...

● Los órganos de gobierno llevan la numeración: 1.1, 1.2, 1.3, ... La primera cifra identifica el elemento de potencia que controlan y la segunda (el 1) indica que se trata de un órgano de gobierno.

● Los captadores de información se numeran de la forma: 1.2 , 1.4, 2.2, 2.4., ..., cuando influyen en el movimiento de salida del vástago en los cilindros, y 1.3, 1.5, 2.3, 2.5, ... , cuando influyen en el movimiento de entrada o retroceso del vástago. La primera cifra siempre indica elelemento de potencia al que se refieren. Los captadores de información se representan talcomo están en la posición de reposo; por tanto, los que se encuentren activados se dibujarán fuera de su posición de equilibrio.

● Los elementos de regulación se numeran según: 1.02, 1.03, 2.02,... indicando el primer dígito el elemento de potencia al que están conectados.

● Los elementos auxiliares llevan la numeración: 0.1, 0.2, 0.3, etc.

● Los movimientos se describen en orden cronológico.

ELEMENTOS DE CONTROL

Esta secuencia de movimientos se puede representar de forma gráfica mediante dos tipos: diagramas de desplazamiento-fase y diagramas de desplazamiento-tiempo.

En los diagramas de desplazamiento-fase; los movimientos se representan en función de los cambios de estado en cualquier elemento de potencia. Cada cambio de estado recibe el nombre de fase.

El diagrama de fase; representado aparecen cuatro fases asociadas a cuatro movimientos. Cuando la secuencia comprende varios movimientos de elementos de potencia, se representan unos debajo de otros.