1.- INTRODUCCIÓN.
2.- Elementos componentes.
2.1. Elementos para la producción y distribución de energía.
2.2. Elementos de entrada de señal.
2.3. Elementos de procesamiento.
2.4. Elementos de tratamiento de la señal.
2.5. Elementos de salida o actuadores.
3.- Circuitos típicos de potencia y control.
1.- INTRODUCCIÓN.
Los sistemas hidráulicos y neumáticos aportan, en determinadas ocasiones, algunas ventajas sobre los sistemas electromecánicos, como: facilidad de producción de movimientos lineales; desarrollo de una gran fuerza basada en la relación entre caudales, presiones y superficies de émbolos; posibilidad de regulación y almacenamiento relativamente sencillos; insensibilidad a las temperaturas y bajo riesgo de explosiones; y capacidad de sobrecarga muy elevada. Por contra la generación de la energía necesaria es más cara que en aquellos.
2. ELEMENTOS COMPONENTES.
Los circuitos de control hidráulicos y neumáticos están compuestos de los siguientes grupos de elementos:
– Elementos para la producción y distribución de energía.
– Elementos de entrada de señal.
– Elementos de procesamiento.
– Elementos de tratamiento de la señal.
– Elementos de salida o actuadores.
2.1. Elementos para la producción y distribución de energía:
La hidráulica es una técnica de transmisión de energía que se basa en el principio de Pascal y que utiliza aceite hidráulico como vehículo de dicha transmisión. El principio de Pascal dice que la presión que se ejerce en un punto de un fluido incomprensible, se transmite con igual intensidad en todas direcciones.
La aplicación básica de este principio es la prensa hidráulica (fig. 1); la fuerza F1, que actúa sobre la superficie S1, ejerce una presión P, que transmite el líquido al segundo compartimento y que ejerce sobre la superficie S2 una fuerza F2, verificándose que:
P = F1/S1 = F2/S2 Þ F2 = F1 · (S2/S1)
de modo que si S2>>S1, entonces F2>>F1. Así, una pequeña fuerza aplicada en S1, origina una gran fuerza en S2
Figura 1: Prensa hidráulica.
Como el aceite hidráulico es un fluido no comprensible, no tiene capacidad de autoalmacenamiento, de modo que las presiones que se originan en los circuitos hidráulicos suponen circulación constante de un determinado caudal.
2.1.1. Energía oleohidráulica:
Las bombas hidráulicas, son dispositivos cuya misión consiste en transformar la energía mecánica suministrada por el motor de arrastre, eléctrico o de combustión, en energía hidráulica mediante la circulación de un líquido incomprensible.
Existen diversos tipos de bombas, y vamos a describir algunas de ellas.
* Bombas de engranajes.
Es una bomba de acción volumétrica, que recoge aceite en la zona de aspiración, lo traslada entre las cavidades de los dientes hasta la zona de impulsión, donde el ajuste y cierre de los dientes entre sí reducen el volumen de la cavidad, expulsando el aceite (fig. 2).
Estas bombas suministran un caudal de forma pulsante, debido a la acción intermitente del acoplamiento entre los engranajes; no aportan un gran caudal pero soportan una elevada presión de trabajo.
* Bombas de paletas.
Son también de acción volumétrica: un rotor excéntrico en el que se alojan unas paletas móviles, situado en el interior de un cilindro en el que tienden a espandirse las paletas, traslada el aceite desde la zona de aspiración hasta la zona de impulsión, cuyo volumen disminuye cuando las paletas se expanden, impulsando al aceite (fig. 3).
* Bomba de émbolos.
Estas bombas transforman el movimiento de rotación del motor de arrastre en un movimiento rectilíneo y alternativo de los émbolos que siguen un ciclo de aspiración-impulsión (fig. 4). Son bombas que necesitan un sistema de válvulas de distribución que conecten los émbolos con el depósito o con el conducto bajo presión, según corresponda en cada caso.
Figura 2: Bomba de engranajes. Figura 3: Bomba de paletas.
Figura 4: Bomba de émbolos
* Bomba de husillos.
Funcionan de modo análogo a la bomba de engranajes, pero tienen la ventaja de que aportan un caudal más continuo, no pulsante, debido a la forma característica y al acoplamiento entre los dos husillos. Su uso es poco frecuente debido a su elevado precio (fig. 5).
El sistema de producción de energía hidráulica requiere de otros tipos de elementos auxiliares que son necesarios para realizar un correcto suministro de caudal, como son los filtros y las válvulas.
Los filtros, tienen por misión separar las partículas sólidas de un fluido con el objeto de mantener el aceite limpio de impurezas, para que éstas no dañen los distintos dispositivos por los que circula.
Figura 5: Bomba de husillos. Figura 6: Esquema de un circuito
hidráulico completo.
Los filtros son de dos tipos, en función del principio de filtrado:
– Filtros de eficacia geométrica, realizados a base de una malla o tamiz uniforme.
– Filtros de eficacia estadística, cuyo efecto se basa en la retención de las partículas en un medio laberíntico.
Las válvulas de seguridad, o limitadoras de presión, tienen por misión proteger la bomba contra las sobrepresiones que se pueden originar en régimen estático y conseguir que la bomba suministre el caudal con regularidad.
Estas válvulas se activan, enviando el aceite al tanque, cuando la presión en la línea sobrepasa cierto nivel de seguridad. La válvula gobierna el caudal que circula por ella en función de esa presión que se pretende limitar. Se colocan inmediatamente después de la bomba.
La figura 6, representa un circuito hidráulico completo utilizando la simbología normalizada correspondiente: un motor eléctrico acoplado M, puede mover la bomba B, que recoge el aceite del tanque a través de un filtro F; el caudal es enviado a la utilización a través de un antirretorno R; también incorpora una válvula de seguridad L, encargada de limitar la presión.
Para la distribución del aceite hidráulico se emplean tuberías de acero estirado, cuando son rígidas, y de goma sintética cuando son móviles. Las conexiones se hacen con racores del tipo bicono, de fácil montaje y buen acoplamiento.
2.1.2. Energía neumática:
El aire no tiene la propiedad del aceite hidráulico de ser incompresible, lo que limita en gran medida los esfuerzos que se pueden realizar en los sistemas neumáticos, por contra y como ventaja, aporta la facilidad de su almacenamiento. Así pues, el sistema generador debe suministrar un nivel de presión constante ante caudales muy variables y por ello los sistemas de generación incorporan acumuladores de presión que la mantienen estable ésta ante las oscilaciones de carga.
Un compresor es una máquina que genera presión neumática transformando la energía mecánica recibida por un motor, generalmente eléctrico, y la utiliza para comprimir un determinado volumen de aire que recoge del medio ambiente.
Los compresores se clasifican en: volumétricos, que son los que funcionan por desplazamiento y por reducción de volumen, y turbocompresores, que son los que funcionan por aceleración de masas.
Los volumétricos se clasifican, a su vez, en compresores de émbolo oscilante, como los de pistón y los de membrana, y de émbolo rotativo, como el rotativo celular, el helicoidal bicelular y el compresor Roots.
Los turbocompresores se clasifican, a su vez, en radiales y axiales. Los turbocompresores consiguen la presión neumática por la aceleración que provoca una rueda helicoidal de una o varias turbinas sobre el aire que recoge en la zona de aspiración y son muy apropiados para caudales elevados.
El compresor, sea del tipo que fuere, no suministra el aire directamente al circuito, sino sobre el sistema de acumulación o acumulador elegido. Se trata de un depósito hermético en el que se almacena el aire a presión (fig. 7), y consta de una válvula limitadora de presión que lo protege y una válvula de purgado para vaciar el agua formada por condensación.
Figura 7: Depósito de aire comprimido.
En un sistema de generación de aire comprimido, éste debe tratarse adecuadamente para que pueda ser utilizado con el máximo rendimiento. Las unidades de mantenimiento se encargan de este cometido.
Una unidad de mantenimiento consta de tres partes: filtro y secador, regulador de presión y lubricador, elemento que no siempre es necesario.
Un filtro de aire comprimido (fig. 8), tiene por misión eliminar impurezas y, además, deben secar las partículas de agua que se forman al estar sometido el aire a una presión superior a la atmosférica. Para efectuar el secado del aire se aplican diversos procedimientos: por absorción, proceso químico; por absorción, proceso físico; y por enfriamiento.
El regulador de presión tiene por misión mantener constante la presión de trabajo y lo hace mediante una membrana que, por un lado, es sometida a la fuerza que origina la presión de trabajo, y por otro, a la fuerza de un resorte, ajustable mediante tornillo. Este tipo de reguladores pueden ser con orificios de escape o sin orificios de escape (fig. 9, a y b).
Figura 8: Filtro de aire Figura 9: Regulador de presión Figura 10: Lubricador
Los lubricadores (fig. 10), que tienen por misión de engrasar adecuadamente los elementos móviles, trabajan según el principio Venturi: la disminución de presión que se produce en el estrechamiento de una tubería sirve para aspirar y pulverizar el aceite, que es recogido de un pequeño depósito.
La figura 11, representa simbólicamente el esquema de un sistema completo de generación y preparación del aire comprimido: el acumulador es controlado por un presostato eléctrico que desconecta el motor cuando se llega al límite de una presión máxima.
Figura 11: Esquema de un sistema completo de generación de aire comprimido.
En la distribución ha de elegirse un diámetro de tuberías tal que la pérdida de presión entre el depósito y el consumidor no sobrepase 0,1 bar si aumenta el consumo. Las tuberías pueden ser de distintos materiales (cobre, latón, plástico, acero, etc.) y se deben instalar de forma que las tuberías horizontales tengan una caída de un 1 o un 2% en el sentido de la corriente. Las derivaciones han de hacerse por la parte superior, con objeto de que la posible agua condensada de la tubería principal no llegue hasta las distintas derivaciones.
2.2. Elementos de entrada de señal:
Son todos aquellos elementos y dispositivos que se encargan de generar las señales de mando y las órdenes de control necesarias para el funcionamiento de los actuadores correspondientes, a través de los elementos del tratamiento lógico de la señal que se precisen.
Entre los elementos de entrada de señal, encontramos diversos tipos: elementos de mando por contacto, como los de accionamiento manual o pulsadores y los de accionamiento mecánico o finales de carrera; elementos de mando sin contacto, como los detectores de paso por barrera de aire y de horquilla, y detectores de proximidad, como el reflex, los de obturación de fuga y los magnéticos.
Los elementos que actúan por contacto, ya sea mediante un accionamiento manual o mecánico, son, desde el punto de vista interno, semejantes. Se trata normalmente de válvulas direccionales de paso de dos o tres vías (según se trate de sistemas hidráulicos o neumáticos) y que tienen dos posiciones de funcionamiento: una de activación y otra de reposo. El retorno de estos tipos de válvulas suele ser por un muelle antagonista. La figura 12, indica los distintos símbolos de accionamientos por contacto más usuales
Figura 12: Símbolos de accionamientos por contactos más usuales.
En el campo de la neumática es donde más se han desarrollado otros tipos de elementos y detectores que son activados sin contacto: son los detectores de paso y los de proximidad. Funcionan al interrumpirse un chorro de aire por un objeto que se intercala a su paso entre una tubería emisora de aire y otra receptora; la señal recogida en ésta puede ser amplificada, con el objeto de elaborar una orden de mando.
Otro tipo de detectores de proximidad son aquellos que funcionan por obturación de fuga, es decir, cuando el objeto que se desea detectar interrumpe o no el paso de una fuga de aire; pueden llevar un palpador mecánico o taqué que actúe como elemento estanqueizador.
Los interruptores magnéticos de proximidad actúan también por el principio de la barrera neumática: el paso de aire lo interrumpe una lengüeta que es accionada cuando en sus inmediaciones se encuentra el campo de un imán permanente, con lo cual permite el paso de esa corriente de aire.
2.3. Elementos de procesamiento:
Son dispositivos que realizan específicamente funciones lógicas de control. Estas funciones lógicas son operaciones que se realizan sobre variables binarias (órdenes de mando). Las funciones lógicas que trataremos son:
– Función selectora o función O (or-lógico).
– Función de conjunción o función Y (and-lógíco).
* Función selectora o función O (OR LÓGICO).
La válvula de la figura 13 realiza la función selectora: cuando el aire comprimido entra por la entrada X, la bola tapa la entrada Y, circulando entonces el aire desde X hasta la salida A; cuando el aire presiona por Y, sucede lo contrario. En el caso de que ambas entradas se den simultáneamente, la entrada que intervino en primer término predominará, pasando el caudal desde X o desde Y hasta A. Todo esto puede resumirse en que tendremos presión en A siempre que la tengamos en, al menos, una de las entradas X o Y.
* Función de conjunción o función Y (AND LÓGICO).
La válvula de simultaneidad de la figura 14, realiza la función de conjunción o función lógica Y: es una válvula también con dos entradas X e Y, y en este caso la presión sale por A únicamente cuando hay presión en las dos entradas Y y X simultáneamente; la vía de presión que accede en primer término, bloquea el paso de fluido por esta vía, pero lo abre para la otra, con lo cual bastará introducir presión por esta entrada también para que la tengamos en la salida A.
Figura 13: Válvula que realiza la función O. Figura 14: Válvula que realiza la función Y.
2.4. Elementos de tratamiento de la señal:
Las válvulas son los dispositivos que se encargan, en general, del tratamiento de las señales de mando.
Pueden ser básicamente de tres tipos: válvulas direccionales o distribuidoras, válvulas reguladoras de presión y válvulas reguladoras de caudal.
Según se trate de elementos hidráulicos o neumáticos encontraremos diferencias básicas en unos y otros tipos de válvulas: en las válvulas hidráulicas, los orificios o vías de retorno estarán conectadas directamente al tanque a presión atmosférica y habrán de soportar presiones más elevadas que las neumáticas; las válvulas neumáticas enviarán el fluido de escape directamente a la atmósfera, sin conducto de retorno y suelen llevar acoplados silenciadores que reducen el nivel de ruido.
* Válvulas direccionales o distribuidoras.
Son elementos que dirigen el flujo de fluido seleccionando los conductos por los que debe circular y los órganos que debe alimentar. Su funcionamiento es del tipo todo o nada.
Las válvulas direccionales pueden presentar dos o tres estados de funcionamiento, en los que realizan ciertas conexiones entre los conductos a ellos conectados. El cierre de los distintos orificios que conectan entre sí las distintas vías puede realizarse por asiento, plano o esférico, o por asiento deslizante en la válvula corredora. La figura 15 podemos muestra un ejemplo de cada uno de estos tres tipos de cierre, en el orden mencionado.
Figura 15: Distintos tipos de válvulas direccionales.
De otro lado, las válvulas se clasifican o determinan tanto por el número de conductos o vías que acceden, como por el número de posiciones de funcionamiento que pueden adoptar. Así pues, un distribuidor que puede funcionar en 2 posiciones y al que acceden 3 conductos o vías, será un distribuidor de 3 vías y 2 posiciones o distribuidor 3/2. Normalmente, los distribuidores hidráulicos son casi siempre de tres posiciones, y los distribuidores neumáticos suelen adoptar sólo dos posiciones.
La representación esquemática de este tipo de válvulas, emplea unos símbolos bastantes intuitivos (norma CETOP o norma DIN), que posteriormente se incluyen en un anexo.
Existen otros tipos de válvulas direccionales de características y funciones diferentes, como son las válvulas antirretorno: son elementos que sólo permiten el paso de fluido a su través en un sentido y lo bloquean en el opuesto. No se pueden considerar válvulas distribuidoras, ya que no conectan entre sí distintos conductos ni adoptan varías posiciones; su funcionamiento sólo depende del sentido de circulación del fluido.
* Válvulas reguladoras de presión.
Las válvulas reguladoras de presión gobiernan el caudal que circula por ellas, en función de una presión, que pueden ser la de entrada, la de salida u otra de pilotaje, o bien en función de la diferencia de dos presiones. Su funcionamiento se basa en la interacción de esfuerzos, actuando dos tipos de fuerzas: agente, que es la fuerza que produce la presión que se trata de gobernar, y antagonista, que es la generada por la válvula.
Según la función que realizan en el circuito, encontramos los siguientes reguladores de presión: limitadores o válvulas de seguridad, reductores de presión, válvulas de secuencia y válvulas de contrapresión.
Las válvulas limitadoras de presión son, normalmente, cerradas, y actúan dejando pasar el fluido necesario cuando se alcanza cierta presión.
Los reductores de presión son válvulas de dos vías normalmente abiertas. Actúan cerrando más o menos las vías cuando la presión alcanza cierto valor. Se suelen conectar en serie y todo el fluido pasa a su través.
Las válvulas de secuencia usan un principio idéntico a las limitadoras, sólo que en este caso la presión no se envía a escape o al tanque, sino que es utilizada para pilotar algún subcircuito. Como las limitadoras, se conectarán en derivación.
Las válvulas de contrapresión son de dos vías normalmente cerradas. Cumplen la misión de mantener y limitar la presión en un recinto o subcircuito.
Las válvulas de presión diferencial se utilizan con una limitadora de presión y un antirretorno, para mantener la presión de un acumulador entre dos valores. Actúan cuando la diferencia de dos presiones alcanza cierto nivel.
* Válvulas reguladoras de caudal.
La función de las válvulas reguladoras de caudal es la de controlar el caudal de fluido que circula a su través y se utilizan normalmente para regular la velocidad de avance o de giro de los actuadores. El principio de actuación de los reguladores de caudal es el de la reducción de su sección de paso: así se origina una caída de presión o pérdida de carga, que en los fluidos incompresibles es proporcional al cuadrado de la relación entre el caudal y la sección de paso.
A veces, los reguladores de caudal llevan incorporadas válvulas antirretorno cuando se desea regular el paso de caudal en un solo sentido y también es frecuente que el regulado esté incorporado en el propio cilindro o actuador.
Según la forma de cierre pueden ser de asiento cónico, plano o esférico. Los reguladores de caudal se montan de distinto modo, según se trate de fluido hidráulico o neumático.
2.5. Elementos de salida o actuadores:
Son los dispositivos situados al final de la cadena de mando. Transforman las señales de gobierno en trabajo. El tipo de trabajo desarrollado es normalmente mecánico, en forma de un desplazamiento, lineal o giratorio, asociado a una fuerza.
Los actuadores neumáticos e hidráulicos se clasifican en dos grandes grupos: cilindros, o actuadores lineales, y motores, o actuadores giratorios.
* Cilindros.
Un cilindro es un dispositivo de actuación lineal que consta de un cuerpo en cuyo interior se aloja un émbolo que puede desplazarse por su interior.
El émbolo lleva asociado un vástago que entra y sale del cuerpo del cilindro como consecuencia de la presión aplicada al émbolo, de modo que constituye el elemento transmisor, en uno u otro sentido, de una determinada acción. El trayecto que recorre el émbolo en su desplazamiento por el interior del cilindro se denomina carrera. El émbolo, situado en cualquier punto de su carrera, divide al cuerpo interior del cilindro en dos partes, denominadas cámara anterior y cámara posterior, cuyos volúmenes varían desde 0 hasta un valor máximo para cada una de ellas, puesto que la cámara anterior contiene al vástago y su volumen máximo es menor que el de la posterior.
Según el modo de funcionamiento de los cilindros, los podemos clasificar en cilindros de simple efecto y cilindros de doble efecto.
Los cilindros de simple efecto, realizan el movimiento de retorno del émbolo gracias a la acción de un muelle u otra característica, como el peso de la carga, una membrana, arrollable o no, etc., de forma que actúa siempre que el émbolo se encuentra en posición distinta a la de equilibrio o, estando en ella, se le obliga a desplazarse: cuando el fluido penetra en la cámara posterior, primero debe vencer la acción del muelle que se opone al desplazamiento, luego desplaza al émbolo de su posición de equilibrio y, finalmente cuando se libera al fluido de la presión, la fuerza recuperadora del muelle obliga al émbolo a retornar a su posición de equilibrio. Este tipo de cilindros son dispositivos monoestables.
En los cilindros de doble efecto, el movimiento del émbolo, tanto en la carrera de avance como en la de retorno, necesita que se ejerza una presión sobre el fluido o fluidos que acceden a las cámaras. Son dispositivos multiestables, ya que la ausencia de presión en los fluidos permite al émbolo permanecer en cualquier punto de su carrera.
El cálculo de los cilindros se realiza en función de la carga y del desplazamiento, teniendo en cuenta las pérdidas por rozamientos, las distintas presiones para el avance o el retroceso (el área sobre la que actúa la presión no es la misma en la cámara anterior que en la posterior), la longitud de la carrera, que guarda relación directa con los esfuerzos de pandeo que debe soportar el vástago, la velocidad y frecuencia del desplazamiento, etc., y la relación de compresión en el caso de utilizar fluidos compresibles.
Para un cilindro, el caudal vendrá dado por la relación: q = (2S – s) · l · f · r, siendo: q, el caudal en litros por minuto; S, la superficie del émbolo; s, la sección del vástago; l, la longitud de la carrera; f, la frecuencia; r, la relación de compresión (para fluidos incompresibles r = 1).
* Motores giratorios.
Un motor giratorio realiza una función inversa a la de una bomba o un compresor, siendo su constitución similar a la de estos, pero no siempre son reversibles. Existen cuatro tipos de motores: de émbolo, de paleta, de engranajes y turbinas.
En cuanto a las particularidades de funcionamiento tenemos:
* El motor de émbolo, necesita varios cilindros para poder asegurar un funcionamiento libre de sacudidas, lo que limita su funcionamiento.
* En el motor de paletas, éstas se deslizan por las ranuras de un rotor excéntrico que gira en el interior de una cámara cilíndrica por la presión del fluido sobre las paletas.
* En el motor de engranajes, la presión que ejerce el fluido contra los flancos de los dientes de dos ruedas engranadas entre sí produce el momento de giro.
* En el motor de turbina, el momento de giro es producido por la incidencia de un chorro de fluido sobre unas aletas, consiguiendo grandes velocidades de giro.
Además de los cilindros y los motores giratorios están los dispositivos neumohidráulicos multiplicadores de presión, que implican en su funcionamiento la actuación de dos bombas, una hidráulica y otra neumática. Constan de dos cámaras de distinta superficie por las que circulan dos émbolos mecánicamente solidarios. La cámara de mayor superficie recibe el fluido neumático y la de menor superficie, el fluido hidráulico, consiguiendo transformar una baja presión neumática en otra hidráulica más elevada.
3.- CIRCUITOS TIPICOS DE POTENCIA Y CONTROL.
Existe una amplia gama de circuitos de potencia y control hidráulicos y neumáticos basados, todos ellos, en el mando y control de motores lineales y giratorios, regulando presiones, caudales, sentido de marcha, etc., y que utilizan distintos tipos de válvulas dependiendo de que la regulación sea en un sólo sentido o en ambos sentidos, de que haya o no, regulación de velocidad, etc., etc.
En el anexo 1 podemos ver algunos ejemplos elementales para el mando de cilindros neumáticos de simple y doble efecto, activados con uno o dos pulsadores, con y sin regulación de velocidad (a través de reguladores unidireccionales).
De estos circuitos deducimos que para gobernar un cilindro de simple efecto bastará una válvula 3/2, mientras que para gobernar un cilindro de doble efecto serán necesarias válvulas de 4/2 ó 5/2. Asimismo, será preferente poner los reguladores de caudal en las vías de escape de los cilindros siempre que sea posible.
Por último, en el anexo 2, encontramos algunas de las disposiciones para realizar las funciones lógicas O e Y, así como la utilización de una válvula de secuencia como condición de retorno, con el objeto de garantizar una presión mínima. Igualmente, en dicho anexo se representa un ejemplo de USO de un temporizador neumático como condición de avance de un cilindro de doble efecto.
SIMBOLOGIA NORMALIZADA:
Los símbolos que definen en los esquemas la representación de los distintos componentes hidráulicos y neumáticos están determinados en las normativas internacionales. De todas ellas, el Comité Europeo de Transmisiones Oleohidráulicas y Neumáticas(CETOP), ha hecho una recopilación, estableciendo una serie de recomendaciones de uso. Una relación de esta simbología figura en el anexo 3.
BIBLIOGRAFÍA
1. Introducción a la Neumática.
Festo-didactic
2. Curso de automatización oleohidráulica.
Distesa.
3. Tecnología de Metal 3º de F.P.2
Ed. Paraninfo.