1. INTRODUCCIÓN.
2. ELEMENTOS GENERALES Y MAGNITUDES.
3. ELEMENTOS COMPONENTES DE LOS SISTEMAS NEUMÁTICOS.
3.1. PRODUCCIÓN DE AIRE COMPRIMIDO.
3.1.1. Compresores.
3.1.2. Refrigeradores.
3.1.3. Secadores.
3.2. ELEMENTOS DE TRATAMIENTO DEL AIRE COMPRIMIDO
3.3. ELEMENTOS DE CONSUMO DEL AIRE COMPRIMIDO.
3.3.1. Elementos rotativos o motores.
3.3.2. Elementos alternativos o cilindros.
3.4. ELEMENTOS DE CONTROL EN LOS CIRCUITOS NEUMÁTICOS.
3.4.1. Tipos de válvulas según su forma constructiva.
3.4.2. Tipos de accionamiento de las válvulas.
3.4.3. Válvulas de control de dirección, de presión y de caudal.
4. ELEMENTOS COMPONENTES DE LOS SISTEMAS HIDRÁULICOS.
4.1. BOMBAS HIDRÁULICAS.
4.2. FILTROS.
4.3. VÁLVULA LIMITADORA DE PRESIÓN.
4.4. ELEMENTOS DE REGULACIÓN Y MANDO.
4.5. ELEMENTOS DE TRABAJO.
5. CIRCUITOS CARACTERÍSTICOS TÍPICOS DE POTENCIA Y CONTROL.
5.1. ACCIONAMIENTO NEUMÁTICO DE UN CILINDRO DE SIMPLE EFECTO
5.2. ACCIONAMIENTO NEUMÁTICO DE UN CILINDRO DE DOBLE EFECTO DESDE DOS PUNTOS DISTINTOS.
5.3. CONTROL DE VELOCIDAD EN NEUMÁTICA.
5.4. ACCIONAMIENTO HIDRÁULICO DE UN CILINDRO DE SIMPLE EFECTO
5.5. ACCIONAMIENTO HIDRÁULICO DE UN CILINDRO DE DOBLE EFECTO
5.6. CIRCUITOS PARA REGULAR AVANCES DE CILINDRO, CAUDAL DE ENTRADA Y PRESIÓN EN CIRCUITOS HIDRÁULICOS
6.- CONCLUSION
7. BIBLIOGRAFIA.
Aplicaciones de la neumática. Marcombo. Tecnología Industrial 2. Everest. Tecnología Industrial 2. Santillana.
1. Introducción.
En la actualidad, los sistemas hidráulicos y neumáticos se encuentran presentes en automóviles, aeronaves, máquinas-herramientas, maquinaria de construcción, etc. y en casi cualquier tipo de aplicaciones industriales.
La Neumática es la ciencia que trata las leyes de los gases como el aire, y la Hidráulica la ciencia que estudia los fluidos líquidos como el aceite. La elección entre un sistema hidráulico o neumático dependerá de la tarea de realizar. La hidráulica se usará para mover grandes masas con un control más preciso de la posición. Y en sistemas neumáticos donde no se requieran grandes esfuerzos y sea necesaria velocidad en los movimientos.
Vamos a describir las magnitudes fundamentales, para después enumerar los elementos y circuitos característicos.
2. Elementos generales y magnitudes.
En todo sistema neumático o hidráulico se pueden distinguir los siguientes elementos: Elementos generadores de energía. En los sistemas neumáticos se utiliza un compresor, mientras que en el caso de la hidráulica se 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 tratamiento de los fluidos En el caso de los sistemas neumáticos, debido a la humedad existente en la atmósfera, es preciso proceder al secado del aire antes de su utilización; también será necesario filtrarlo y regular su presión, para que no se introduzcan impurezas en el sistema ni se produzcan sobrepresiones que pudieran perjudicar su funcionamiento. Los sistemas hidráulicos trabajan en circuito cerrado, y por ese motivo necesitan disponer de un depósito de aceite y deberán ir provistos de elementos de filtrado y regulación de presión.
Elementos de mando y control Tanto en sistemas neumáticos como en hidráulicos, se encargan de conducir de forma adecuada la energía comunicada al fluido en el compresor o en la bomba hacia los elementos actuadores.
Elementos actuadores Son los elementos que permiten transformar la energía del fluido en movimiento, en trabajo útil. Son los elementos de trabajo del sistema y se pueden dividir en dos grandes grupos: cilindros, en los que se producen movimientos lineales y motores, en los que tienen lugar movimientos rotativos.
Elementos de transporte Son las conducciones encargadas de llevar el aire comprimido hasta los puntos de mando y utilización.
A continuación veamos las magnitudes fundamentales de neumática e hidráulica.
La presión, se define como el cociente de la fuerza entre la superficie ocupada. Se mide en Pascales. Y la equivalencia, es un bar igual a una atmósfera igual a 1 kilo por centímetro cuadrado igual a 105 Newton entre metro cuadrado igual 105 pascales.
El caudal es el cociente entre el volumen y la sección, y se mide en litros por hora, etc.
La humedad, es la cantidad de vapor de agua en el aire, en %.
La ley de Gay Lussac que dice que a presión constante, el volumen de un gas es proporcional a su temperatura. Y también que a volumen constante la presión de un gas es proporcional a su temperatura absoluta.
La ley de Boyle-Mariotte, que a temperatura constante la presión por volumen de dos estados es constante.
La ley de los gases perfectos es
Las magnitudes de hidráulica son
P × V = n × R × T
La ley de continuidad, donde el caudal es igual distintas secciones, y se cumple que la sección por velocidad de una sección es igual a la de otra sección.
El teorema de Bernouilli, que dice que la suma de la presión hidrostática, la de altura y la de
velocidad es constante, es decir
PSI + mgh + 1 mv 2 = cons tan te
2
3. Elementos componentes de los sistemas neumáticos.
3.1. Producción de aire comprimido.
3.1.1. Compresores.
Los compresores elevan la presión del aire atmosférico hasta el valor adecuado para su utilización. Aspiran aire a presión atmosférica y lo expulsan a mayor, donde la presión de servicio es la que sale del compresor y se da en las tuberías y la presión de trabajo es la que llega al puesto de trabajo. Los compresores se accionar por gasoil o eléctricamente. Sus características son el caudal en litros por minuto, etc y la relación de compresión que relaciona la presión de entrada y salida del compresor.
Los compresores pueden ser de tres tipos: de émbolo, rotativos y turbocompresores.
Los de émbolo, utilizan uno o más émbolos para comprimir aire sacando presiones entre 6 y 220
kilopondios por centímetro cuadrado.
Los compresores rotativos, comprimen por movimiento rotativo, y pueden ser por paletas, por tornillo, de engranajes, etc.
Los turbocompresores, se basan en la acción de una rueda helicoidal de una o varias turbinas sobre el aire recogido por aspiración, dando mucho caudal pero poca presión.
3.1.2. Refrigeradores.
Como el aire que se ha comprimido alcanza temperaturas bastante altas, es necesario refrigerarlo, para dejarlo a uno 25 ºC. En la etapa de refrigeración se condensa un 75% del agua que contiene el aire comprimido. Esta agua va cayendo en la parte inferior donde existe un grifo para su extracción.
3.1.3. Secadores.
Tiene por objeto reducir el contenido de vapor de agua existente en el aire. En el mercado existen una amplia variedad de secadores.
3.2. Elementos de tratamiento del aire comprimido
Están situados en el sistema neumático antes de los elementos que lo usan para hacer trabajo y preparan el aire para trabajar en condiciones optimas, sin impurezas, agua y con la presión deseada. Por ello tenemos los filtros, los reguladores de presión, los lubricadores y la unidad de mantenimiento.
Filtros
Los filtros depuran el aire comprimido eliminando partículas de polvo y vapor de agua. El aire sufre un centrifugado en el interior del filtro así las partículas en suspensión y las gotas de agua se proyectan a las paredes y se depositan en la parte inferior. Las partículas más finas son
eliminadas mediante un elemento filtrante. Su símbolo un rombo con agua abajo.
Reguladores de presión.
La misión del regulador de presión es regular la presión del aire y mantenerla siempre constante. El funcionamiento de los reguladores de presión se basa en bloquear o dejar pasar airea través de un obturador, cuya apertura o cierre se consigue por medio de un vástago accionado por una
membrana en equilibrio entre dos fuerzas, un resorte accionado por un tornillo y la presión ejercida por el aire.
Lubrificadores.
La lubricación de los mecanismos móviles sujetos a rozamiento, se suele llevar a cabo mediante el aire comprimido, que es el que produce el movimiento de los órganos mecánicos. Por efecto venturi, el lubricador aporta aceite a los elementos móviles, disminuyendo así el rozamiento y evitando la oxidación. El símbolo un rombo con una raya hacia abajo en el vértice superior.
Unidad de mantenimiento.
Es un bloque formado por un filtro, un regulador de presión con manómetro y un lubricador. Su símbolo, un rectángulo, y dentro lleva el manómetro, el lubricador y el filtro.
3.3. Elementos de consumo del aire comprimido.
Son los que realizan el trabajo y hay dos grupos: Elementos alternativos o cilindros.
Elementos rotativos o motores.
3.3.1. Elementos rotativos o motores.
Transforman la energía comunicada por el aire en movimiento rotativo. Sus formas constructivas son muy variadas, los hay de pistones, de paletas y de turbina, y su campo de aplicación es por ejemplo en ambientes explosivos donde no puede haber motores eléctricos o en altas temperaturas.
3.3.2. Elementos alternativos o cilindros.
Son actuadores que hacen el trabajo linealmente. Los hay de de simple o doble efecto. Todos los cilindros llevan camisa, culatas, vástago y pistón.
Cilindros de simple efecto.
Sólo se produce desplazamiento útil en un sentido. El aire comprimido actúa sólo en una de las cámaras interiores del cilindro y el retorno puede ser por muelle o por una carga.
La fuerza de este cilindro es la presión por la superficie quitando las fuerzas de rozamiento y retorno del muelle.
Cilindro de simple ef ec…
Cilindros de doble efecto.
retroceso pero teniendo en cuenta las secciones correspondientes. En ocasiones los escapes de estos cilindros se dotan de reguladores de caudal para poder amortiguar la parada.
Las velocidades del émbolo oscila entre 0.1 y 1.5 m/s, aunque los hay hasta 10 m/s.
Cilindro doble ef ecto
3.4. Elementos de control en los circuitos neumáticos.
En los circuitos neumáticos hay elementos encargados de controlar el fluido hacia los elementos de consumo y se llaman válvulas. Y podemos tener válvulas de control de dirección, de caudal y de presión que veremos después.
3.4.1. Tipos de válvulas según su forma constructiva.
Según la forma constructiva del elemento móvil se distinguen dos tipos fundamentales de válvulas: Válvulas de asiento: El paso o cierre del aire se efectúa mediante el apoyo o separación de dos órganos de la propia válvula.
Válvulas de corredera: El paso del aire o cierre, se realiza por medio de una corredera debidamente diseñada de modo que permite o impide el paso de aire entre los diferentes orificios según su posición.
3.4.2. Tipos de accionamiento de las válvulas.
El accionamiento externo de una válvula para que pase de una posición a otra puede ser de estos tipos.
Accionados por el operador, como pulsador, palanca o pedal.
Accionados por un elemento mecánico móvil, como una leva, o accionados por un sistema eléctrico como un electroimán o por accionamiento neumático.
3.4.3. Válvulas de control de dirección, de presión y de caudal.
Son los elementos que gobiernan la dirección y el sentido en que debe circular el aire en un circuito neumático. Se caracterizan por las posiciones que ocupa y las vías que tiene. Su símbolo es un rectángulo con tantos cuadrados como posiciones y las vías son los orificios que tiene la válvula por donde pasa el aire. Así una válvula 3/2 es una válvula de 3 vías y 2 posiciones.
Otros tipos son las válvulas unidireccionales o antirretorno que cierra el paso del aire en un sentido y lo deja pasar en el otro y las válvulas de simultaneidad que dará una salida reciba por las 2 entradas.
Las válvulas reguladoras de caudal dosifican la cantidad de fluido que pasa por ellas y pueden ser unidireccionales o bidireccionales.
Las válvulas temporizadotas retardan la señal neumática. El funcionamiento se basa en el gastar tiempo en llenar un depósito y cuando se alcanza una presión que hace actuar una válvula.
Las válvulas de control de presión se usan para que salten cuando sobrepasa un valor como las válvulas de seguridad o para mantener constante una presión como los reguladores de presión.
4. Elementos componentes de los sistemas hidráulicos.
Las instalaciones hidráulicas constan básicamente de 4 tipos de elementos:
1.- Grupo de accionamiento, compuesto por un depósito dónde se almacena el líquido hidráulico y por una bomba, movida por un motor eléctrico o de combustión, que produce la presión necesaria para el funcionamiento de los elementos de trabajo.
2.- Elementos de transporte, formado por tuberías que conducen el fluido hasta los lugares de utilización.
3.- Elementos de trabajo que son los motores y cilindros.
4.- Elementos de regulación y control llamadas válvulas.
Los elementos de las instalaciones hidráulicas son análogos a los de las instalaciones neumáticas representándose por los mismos símbolos.
4.1. Bombas hidráulicas.
Las bombas hidráulicas son máquinas que al coger energía del motor comunican energía hidráulica al líquido que pasa por ellas.
Sus características son el valor nominal de la presión que no debe superarse, el caudal que mantiene según la rotación, el desplazamiento que es el volumen bombeado por vuelta y el rendimiento total como la relación entre la potencia hidráulica producida y la mecánica consumida.
Algunos tipos de bombas son estas 4:
a) Bomba de engranajes muy empleada en hidráulica por su sencillez y economía, con presión de hasta 200 Kp/cm2
b) Bomba de tornillo formada por dos o tres tornillos helicoidales que engranan entre sí, ajustando perfectamente y de tipo muy silencioso
c) Bomba de paletas deslizantes que al llevar unas paletas con excentricidad provocan una succión y después un empuje.
d) Bomba de émbolos radiales para alcanzar altas presiones, de de hasta 700 Kp/cm2
4.2. Filtros.
Los filtros eliminan las partículas sólidas que se forman y que son arrastradas por el fluido para no producir fenómenos de abrasión y que taponarían los conductos y las aberturas de la instalación. Un filtro muy usado es el imantado para separar las partículas metálicas.
Su símbolo un rombo con una línea de arriba abajo discontinua.
4.3. Válvula limitadora de presión.
Colocadas detrás de la bomba limitan la presión de trabajo a un valor máximo regulable para protegerlos de altas presión, también llamada válvula de seguridad.
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1 3
4.4. Elementos de regulación y mando.
Se encargan de regular y gobernar la circulación del fluido hidráulico hacia los elementos de trabajo. Aquí se encuentras las válvulas distribuidores, como las 2/2, 3/2, 4/2, 4/3, 5/2, etc. , las válvulas reguladoras de presión, y las reguladoras de caudal. Aunque su forma constructiva es
diferente, son completamente análogos en funcionamiento a los elementos de regulación y mando neumáticos explicados anteriormente.
4.5. Elementos de trabajo.
Los elementos de trabajo hacen el trabajo por la energía del líquido, en este grupo están los cilindros y los motores. Los cilindros son iguales que los neumáticos y pueden ser de simple o doble efecto y pueden llevar amortiguadores para reducir la velocidad en el final de la carrera. Los motores, que entregan un par muy grande con poca velocidad, así se usa en plataformas, en movimiento de ruedas motrices, etc. Los motores pueden ser de engranajes, de paletas o de pistones.
5. Circuitos característicos típicos de potencia y control.
Un esquema hidráulico o neumático es la representación en papel de los elementos que forman el circuito usando una normalización.
Los cilindros se numeran como (uno punto cero, dos punto cero, tres punto cero, etc 1.0 , 2.0 , 3.0, etc. )
Los mandos como 1.1, 2.1, 3.1. etc donde la primera cifra indica al cilindro al que pertenece y el segundo que es un uno, indica que es un elemento de gobierno.
Los elementos de regulación, como válvulas de bloqueo, etc, se indican como 1.01 , 1.02, etc. donde la segunda cifra indica si es par que es salida de vástago y si es impar entrada de vástago. Los captadores de información, como válvulas de pulsador, por leva, etc. se indican como 1.2 , 1.3, 1.4, etc. y los suministros de aire y elementos auxiliares como 0.1, 0.2, 0.3, etc.
También se puede hacer un esquema de los movimientos de los elementos de trabajo según los diagramas, espacio-fase y espacio-tiempo.
5.1. ACCIONAMIENTO NEUMÁTICO DE UN CILINDRO DE SIMPLE EFECTO
El circuito está formado por un cilindro de simple efecto 1.0 con retorno por muelle, una válvula 1.1 de 3 vías y 2 posiciones 3/2, de accionamiento por pulsador y retorno por muelle, y una unidad de mantenimiento 0.1 con toma de presión. El funcionamiento es que la toma aire por la toma de presión, y al accionar la válvula con el pulsador pasa aire al cilindro y el vástago avanza, cuando
se deja de pulsar el pulsador el aire retorna por la acción del muelle y sale por el escape.
Su esquema es:
1.0
1.1 2
1 3
0.1
unidad mantenimiento toma de presión
5.2. ACCIONAMIENTO NEUMÁTICO DE UN CILINDRO DE DOBLE EFECTO DESDE DOS PUNTOS DISTINTOS.
El circuito está formado por un cilindro de doble efecto 1.0, una válvula de 5 vías y 2 posiciones accionada neumáticamente y retorno por muelle, una válvula selectora 1.6, y 2 válvulas de accionamiento por pulsador y retorno por muelle. Al activar 1.1, sale el vástago y si se suelta el pulsador, la válvula vuelve a su posición inicial por el muelle, y el cilindro hace carrera de retroceso.
Su esquema es:
1.0
1.1 4 2
5 3
1
2
1 1
1.2 2
1.6
2 1.4
1 3 1 3
5.3. CONTROL DE VELOCIDAD EN NEUMÁTICA.
La regulación de velocidad puede ser aumentándola o bajándola. Para aumentarla la velocidad de carrera se coloca una válvula de escape rápido en la salida del cilindro de doble efecto. Así el aire no pasa por el distribuidor. En el esquema siguiente se muestra, un cilindro de doble efecto 1.0, una válvula de 4 vías y 2 posiciones de accionamiento con pulsador y retorno por muelle, y una válvula de escape rápido. Si quisiéramos reducir la velocidad se colocan válvulas reguladoras de caudal.
Su esquema dibujado es el que se muestra.
1. 0
F=0
2
1
3
1.1
4 2
1 3
5.4. ACCIONAMIENTO HIDRÁULICO DE UN CILINDRO DE SIMPLE EFECTO
El circuito está formado por un cilindro de simple efecto 1.0, una válvula de 3 vías y 2 posiciones 3/2, de accionamiento por pulsador y retorno por muelle, y un grupo de accionamiento con un motor, una bomba y una válvula limitadora de presión. El funcionamiento es que al accionar la válvula con el pulsador pasa aceite
al cilindro y el vástago avanza, cuando se deja de pulsar el pulsador retorna a su posición inicial por el muelle y el aceite retorna y sale por el escape.
Su esquema dibujado es el que se muestra:
5.5. ACCIONAMIENTO HIDRÁULICO DE UN CILINDRO DE DOBLE EFECTOEl circuito consta de cilindro de doble efecto, una válvula de 4 vías y 2 posiciones normalmente cerrada de accionamiento mecánico y retorno por muelle y un grupo de accionamiento como el anterior. El funcionamiento es que en la posición de reposo de la válvula el vástago está dentro y mientras se pulsa el pulsador el cilindro émbolo está fuera, hasta que se deja de pulsar.
Su esquema dibujado es el que se muestra:
5.6. CIRCUITOS PARA REGULAR AVANCES DE CILINDRO, CAUDAL DE ENTRADA Y PRESIÓN EN CIRCUITOS HIDRÁULICOS
Para regular el avance del cilindro se hace con válvula reguladora de caudal a la entrada del circuito, para regular el caudal de entrada se hace con válvula reguladora limitadora de presión y para regular la presión se hace con reguladora de presión.
6.- CONCLUSION
Muchos símbolos y circuitos se podrían explicar pero se han visto los básicos. De aquí surgen aplicaciones como volquetes, prensas, troqueles, etc que algunos de ellos se pueden montar en 4º ESO, y en bachillerato con material FESTO.