Número 63 1 de MARZO de 2012

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1 Número 63 1 de MARZO de 2012 ISSN: Depósito Legal: J

2 REVISTA DIGITAL CIENCIA Y DIDÁCTICA CONSEJO EDITORIAL DIRECCIÓN Juan José Díaz Rodríguez. Diplomado en E.G.B. Licenciado en Psicología. Licenciado en Pedagogía. Profesor de Enseñanza Secundaria. SECRETARÍA Paloma Santos Sánchez. Licenciada en Filología Inglesa. CONSEJO DE REDACCIÓN Francisco Hervas Planet. Licenciado en Ciencias de la Educación. Maestro. Miguel Ángel Quesada Béjar. Licenciado en Psicopedagogía. Maestro. José Marcos Resola Moral. Licenciado en Psicología. Profesor de Enseñanza Secundaria. Orientador. José Santaella López. Ingeniero Técnico Industrial. Profesor Técnico de Formación Profesional. Profesor de Enseñanza Secundaria. CONSEJO CIENTIFICO ASESOR José Antonio Torres González. Catedrático de Universidad de Didáctica y Organización Escolar. Universidad de Jaén. María del Rosario Anguita Herrador. Profesora Titular de Universidad. Facultad de Humanidades y Ciencias de la Educación. Universidad de Jaén. Cristóbal Villanueva Roa. Diplomado en Magisterio, Licenciado en Pedagogía, Doctor en Psicopedagogía. Profesor de Enseñanza Secundaria. Orientador. Carolina Zelarayán Ibáñez. Doctora en Lengua y Literatura. Profesora de Enseñanza Secundaria. EDITORIAL ENFOQUES EDUCATIVOS, S. L. C/ Pintor Nogué, JAÉN Telf Web: La Revista no se hace responsable del contenido y opiniones de los artículos publicados. Dicha responsabilidad recae exclusivamente en los autores de los mismos.

3 SUMARIO PÁG. HIDRÁULICA Y NEUMÁTICA BÁSICA Y PROPORCIONAL (I) (Merino Prados, Eduardo)

4 HIDRÁULICA Y NEUMÁTICA BÁSICA Y PROPORCIONAL (I) Merino Prados, Eduardo R. Técnico Especialista en Mecánica y Electricidad del Automóvil. Profesor Técnico de FP. Funcionario de Carrera (Madrid). Familia profesional: Transporte y Mantenimiento de Vehículos Autopropulsados. ÍNDICE 1.- INTRODUCCIÓN. 2.- GENERALIDADES SOBRE HIDRÁULICA Y NEUMÁTICA. 3.- MAGNITUDES FUNDAMENTALES DE HIDRÁULICA Y NEUMÁTICA. 4.- COMPONENTES DE LOS SISTEMAS HIDRÁULICOS Y NEUMÁTICOS. 5.- IMPLICACIONES EDUCATIVAS. 6.- REFERENCIAS LEGISLATIVAS. 7.- CONCLUSIONES. 8.- REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Y DOCUMENTALES. RESUMEN A lo largo de éste artículo se desarrolla la parte teórica relacionada con los principios, fundamentos y componentes, más importantes de hidráulica y neumática empleados tanto en el automóvil como en la industria. La idea del mismo, es que cualquier profesor de tecnología de la ESO o de F.P. puedan desarrollarlo en el aula, facilitando su trabajo. PALABRAS CLAVES Con la fuerza de la inteligencia hacemos maquinas que superan la fuerza física. 4

5 1.- INTRODUCCIÓN. A lo largo de la historia el ser humano en su evolución, ha ido creando multitud de herramientas y máquinas, las cuales han facilitado el trabajo, desplazamiento y desarrollo de la especie hasta el punto en el que hoy nos encontramos con una revolución de las máquinas y sobre todo revolución electrónica. En la antigüedad el movimiento de estructuras y tierras se realizaba a base de poleas y cuerdas, estas facilitaban el trabajo pero aun así era muy complicado su movimiento. En la actualidad, se incorporan mecanismos más sofisticados que permiten la movilidad, mando y control de grandes cantidades de tierra, así como el desplazamiento de piezas con gran tonelaje gracias a la hidráulica y neumática, acompañados de la electricidad y electrónica. Con la incorporación de la hidráulica y neumática se permite una regulación más rápida y eficaz de determinados mecanismos, tanto en la maquinaria de obras como en infinidad de sistemas de precisión en el automóvil. Todo ello implica una mayor seguridad, confortabilidad, rentabilidad de los vehículos y en los trabajos que desarrollan. 2.- GENERALIDADES SOBRE HIDRÁULICA Y NEUMÁTICA Un fluido es toda sustancia que se mueve con facilidad. La propiedad de fluir la tienen los gases y los líquidos. Los gases y los líquidos tienen características de densidad y compresibilidad diferentes. Los gases son ligeros y se dejan comprimir con facilidad mientras que los líquidos son más pesados y muy difíciles de comprimir HIDRÁULICA Es el conjunto de aplicaciones técnicas que utiliza el agua para transmitir fuerzas y movimientos, en aplicaciones industriales el fluido empleado es aceite. Es empleada en el automóvil y en la industria, presentando grandes ventajas: - Alto rendimiento de transmisión (hasta un 90%). - Posibilidad muy precisa de regulación de fuerzas y velocidades. - Transmisión de grandes fuerzas utilizando pequeños elementos. - Larga duración de los elementos hidráulicos debido a la auto-lubricación. - Protección contra sobrecargas (mediante limitadores de presión). 5

6 Como inconvenientes de la hidráulica se destacan: - Canalización de líquido de retorno con gran cantidad de tubos. - Si se produce una fuga de líquido a alta presión pude provocar hasta una perforación. - Es más lento y sucio que la neumática NEUMÁTICA Se define como la tecnología que emplea elementos neumáticos con partes mecánicas en movimiento. La energía neumática que emplea el aire comprimido como fuente de potencia, presentando una serie de ventajas: - El aire es abundante y está disponible para su compresión de manera ilimitada. - Puede ser fácilmente transportado por canalizaciones, incluso a grandes distancias, siendo innecesarias los conductos de retorno. - Puede ser almacenado en depósitos y transportado en ellos. - No existe riesgo de explosión ni incendio en ambientes peligrosos. - Es un medio muy limpio que en caso de averías no perjudica a los elementos circundantes. - En este tipo de instalaciones se destacan los siguientes inconvenientes: - El aire comprimido debe ser tratado antes de su utilización, eliminando las impurezas y humedad. - No es posible obtener velocidad regulable y constante en los elementos de trabajo, dada la compresibilidad del aire. - Los esfuerzos están limitados (hasta Kg. a la presión de servicio de 7 bares). 6

7 3.- MAGNITUDES, LEYES Y CONCEPTOS FUNDAMENTALES DE HIDRÁULICA Y NEUMÁTICA. Las magnitudes y conceptos que tratan la hidráulica y neumática se rigen por principios físicos, muy parecidos con alguna diferencia ya que el fluido utilizado es diferente. Las magnitudes fundamentales son aquellas que no pueden definirse en función de ninguna otra y que son tomadas como referencia. Las magnitudes derivadas toman como referencias a las fundamentales. Magnitudes fundamentales: Magnitud Unidad básica Longitud metro (m) Masa kilogramo (kg) Tiempo segundo (s) Temperatura grado Kelvin (ºK) ó Celsius (ºC) Magnitudes derivadas básicas: Unidad Fuerza F newton (N) Superficie S metro cuadrado (m 2 ) Volumen V metro cúbico (m 3 ) Caudal Q metro cúbico por segundo (m 3 /s) Presión P Pascal (Pa) ó Bar (bar) FUERZA Nos referimos a la fuerza cuando una acción física empleada trata de modificar el estado de los cuerpos. Para medir la fuerza se emplea una herramienta llamada dinamómetro, el cual mediante oposición al par ejercido por dicha fuerza, transforma este valor de oposición en un valor numérico. -Fuerza = masa X aceleración (F = m x a). 7

8 masa 1kg. Un newton es la fuerza que produce la aceleración de 1m/seg2 en un cuerpo de En aplicaciones prácticas de hidráulica o neumática se admite que 1N=1kp y equivale a 0,98kgf.º CONCEPTO DE TRABAJO Como concepto de trabajo nos referimos cuando se efectúa un empuje sobre un cuerpo y superamos la resistencia que ofrece al desplazar dicho cuerpo. La unidad de medida del trabajo es el Julio, un Julio es el trabajo que se realiza al ejercer una fuerza de 1 N con un desplazamiento de 1 m en el sentido de aplicación de dicha fuerza PRESIÓN En el caso de la presión nos referimos al resultado de relacionar la fuerza ejercida sobre un cuerpo, con la superficie total sobre la que incide en dicho cuerpo. En la práctica la unidad de medida empleada para medir presión es el Bar, tomándose como referencia presión atmosférica, a nivel del mar (0 98 y 1 04 bar). Así pues, se habla de presiones hay que tener en cuenta los conceptos de presión relativa y absoluta, siendo estos los siguientes: - Se entiende como presión relativa (Pe) a medidas de presión tomadas por encima de la presión atmosférica, contando como valor inicial 0 bar, sin que esta sea la correcta ya que había que sumarle dicha presión atmosférica. - En el caso de presión absoluta (Pabs) la medida de presión es la tomada a partir del cero absoluto, contando la presión atmosférica exacta en dicho punto de la medición, ya que esta varía en función de si es tomada a nivel del mar o en la montaña. 8

9 3.4.- PRINCIPIO DE PASCAL El principio de Pascal se basa en la transmisión de presión que presentan los líquidos, ya que si se ejerce presión en un punto cualquiera de un fluido, se transmite con la misma intensidad a todos los puntos del mismo. En este principio se basa la prensa hidráulica, el sistema de frenos de los automóviles, los gastos hidráulicos, el movimiento de cilindros hidráulicos. Cualquiera de estos dispositivos consta de dos cilindros en comunicación en los que se incluyen dos émbolos, tanto los cilindros como el conductor que los comunica, están llenos de un líquido (generalmente aceite), aplicando una determinada fuerza a uno de los émbolos y variando la sección de los mismos se obtiene como resultado una multiplicación de la fuerza resultante RELACIÓN ENTRE MASA VOLUMEN PRESIÓN Y TEMPERATURA Para relacionar estas tres unidades basta con incrementar la presión en una masa gaseosa contenida en un recipiente, ya que se puede conseguir mediante tres procedimientos: - Aumentando su temperatura se consigue como resultado una dilatación de las moléculas en dicha masa gaseosa, como resultado se obtiene un aumento de presión en el recipiente. - Aumentando su masa se consigue un aumento de presión, al tener más cantidad de gas contenido en el mismo espacio. - Disminuyendo el volumen del recipiente se obtiene un aumento de la presión ya que la misma cantidad de gas estará en un espacio más reducido. El volumen y la presión de los fluidos se basan en dos leyes fundamentales de la física, ley de Boyle-Mariotte y ley de Gay-Lussac. 9

10 - Ley de Boyle-Mariotte: Esta ley dice que a temperatura constante, el producto de la presión a que está sometido un gas por el volumen que ocupa se mantiene constante, o lo que es lo mismo, que la presión y el volumen son inversamente proporcionales. P1 x V1 = P2 x V2 = P3 x V3 absoluta. - Ley de Gay-Lussac A presión constante el volumen es directamente proporcional a la temperatura V1 / T1 = V2 / T DENSIDAD La densidad de una materia está en directa relación con la unión o concentración de átomos en sus moléculas, determinando su masa por unidad de volumen. Por ejemplo 1 litro de agua pura pesa 1kg y con una densidad de 1, a comparación de 1 litro de mercurio que pesa 13,6kg correspondiendo con una densidad de 13,6. Densidad = masa/volumen CAUDAL Es la cantidad de fluido que atraviesa una sección por unidad de tiempo, siendo igual al producto de la velocidad de avance por la superficie interior del conducto. El caudal se puede expresar en función de su masa o en función de su volumen: - Caudal másico se cuantifica en función de su masa gramos /segundo. Caudal másico = Caudal volumétrico X Densidad - Caudal volumétrico se determina en función de su volumen. Caudal volumétrico= Caudal másico/ densidad. Caudal volumétrico = Velocidad X Sección El caudal másico se expresa en Kg/s y, si es caudal volumétrico es el m3/s, aunque en la práctica se emplea el litro/minuto (l/m) o el m3/h. 10

11 3.8.- POTENCIA Es la capacidad de efectuar un trabajo con relación a una unidad de tiempo expresada en vatios (w). Potencia = Presión Caudal 4.- COMPONENTES DE UN SISTEMA HIDRÁULICO Y NEUMÁTICO CIRCUITO HIDRÁULICO Los circuitos hidráulicos constan de una serie de elementos principales para que la instalación cumpla su cometido: - Abastecimiento de energía: son los elementos encargados de suministrar el movimiento de líquido necesario y realizar el mantenimiento de dicho líquido, estos elementos son la bomba, depósito, aceite y filtro. - Regulación y envío de energía: son los elementos encargados de controlar y dosificar el fluido enviado por los elementos de abastecimiento de energía, estos elementos son las válvulas distribuidoras, válvulas de caudal y válvulas de presión. - Transformación de energía (elementos de trabajo): son los elementos encargados de transformar la energía hidráulica enviada por los elementos de regulación, en trabajo, estos elementos son los cilindros y motores CIRCUITO NEUMÁTICO Los circuitos neumáticos están compuestos de diversos grupos de elementos, algunos de estos elementos son idénticos en hidráulica que en neumática, salvo por el tipo de fluido utilizado en su funcionamiento: - Abastecimiento de energía: son los elementos encargados de enviar, tratar y mantener el suministro constante de aire en el circuito, estos elementos son el filtro, compresor, acumulador y unidad de mantenimiento. 11

12 - Regulación y envío de energía: al igual que en hidráulica son los elementos encargados de controlar y dosificar el aire enviado por los elementos de abastecimiento de energía, estos elementos son las válvulas distribuidoras, válvulas de caudal y válvulas de presión. - Transformación de energía (elementos de trabajo): al igual que en hidráulica son los elementos encargados de transformar la energía neumática enviada por los elementos de regulación, en trabajo, estos elementos son los cilindros y motores UNIDAD DE ABASTECIMIENTO DE ENERGÍA En hidráulica la unidad de abastecimiento de energía se compone de la bomba hidráulica es el elemento principal, depósito y filtro. La bomba se encarga de aspirar el líquido hidráulico del depósito y lo transporta hacia los conductos del sistema. Existen distintos tipos de bombas hidráulicas: de engranajes con dentado exterior, de engranajes dentados interiores, a husillo (que trabaja' sin producir pulsaciones), este tipo de bombas son de caudal constante, existen otro tipo de bombas las cuales no mantienen un caudal tan constante como las anteriores pero tienen la peculiaridad de que regulan el caudal en función de las necesidades del circuito, estas son: de pistones radiales, axiales o en línea. El depósito se encarga de almacenar el líquido hidráulico, de refrigerarlo y también incorpora un decantador de impurezas con un imán para que se queden pegadas las partículas metálicas que puedan entrar procedentes del desgaste de los diferentes elementos del circuito. El filtro de hidráulico normalmente se coloca al final del circuito para evitar que las impurezas más grandes introduzcan en la bomba. 12

13 En neumática la unidad de abastecimiento de energía se compone por el compresor de aire, encargado de mantener el suministro necesario para cargar los depósitos, y la unidad de mantenimiento encargada de tratar dicho aire para su uso. Los compresores se clasifican según su tipo constructivo en: - Compresores de émbolo alternativo (de una etapa o de varias etapas) de 8-15 bar proporcionando pequeños caudales. - Compresor de flujo (de émbolos radiales, y axiales) proporcionando grandes caudales. - Compresor rotativo (de tornillo, de paletas y compresor Roots), ideales para aire comprimido sin lubricación. La unidad de mantenimiento está compuesta por diferentes elementos: - Un decantador de agua, para evitar que la humedad del aire se introduzca en el circuito provocando posibles averías por efecto de la oxidación. - Un engrasador, encargado de enviar pulverizado aceite al circuito para mantener una buena lubricación de los elementos. - Manómetro y regulador de presión, estos elementos se encargan de mantener una presión estable en el circuito a la presión seleccionada e indicada mediante el manómetro REGULACIÓN Y ENVÍO DE ENERGÍA Este tipo de válvulas se identifican de forma esquemática igual para circuitos hidráulicos que para circuitos neumáticos. La regulación y envío de energía se realiza mediante una serie de válvulas colocadas en función de las necesidades del circuito, estas se clasifican como: - Válvulas reguladoras de presión. - Válvulas reguladoras de caudal. - Válvulas distribuidoras o de vías. 13

14 - Válvulas reguladoras de presión: Este tipo de válvulas se encargan de proteger el circuito manteniéndolo entre unos límites de presión, previamente regulada. Las aplicaciones en los circuitos son infinitas ya que se pueden utilizar en multitud de aplicaciones como: Válvulas de seguridad: Estas válvulas están montadas sobre la bomba para protegerla en una sobrecarga. Está ajustada a la presión máxima de la bomba y solo abre en caso de emergencia. Válvula de contrapresión: Actúan contra la inercia de las masas oponiéndoles una carga. La válvula debe tener una compensación de presiones y, además la conexión del depósito debe soportar una carga. Válvula de freno: Estas válvulas evitan picos de presión que pueden surgir a causa de fuerzas de inercia de masa cuando cierra repentinamente la válvula de vías. Válvulas de desconexión: Se encargan de desviar una parte del circuito hidráulico hacia el tanque cuando la presión rebasa el valor ajustado en ellas. La desviación del circuito parcial se produce por efecto de una válvula de antirretorno. Válvula de compensación: Mantienen la presión de un circuito hidráulico a un nivel constante, incluso si un circuito parcial baja la presión. 14

15 - Válvulas reguladoras de caudal: Son utilizadas para impedir o reducir el paso del fluido en dos sentidos de circulación para la misma canalización, o en un solo sentido, las válvulas más importantes se clasifican como: Válvula de cierre: Se emplean para abrir o cerrar, de forma total, el paso de fluido, se montan en la tubería principal de un circuito. Válvula estranguladora: Permite modificar el caudal del fluido en cualquier sentido de circulación por medio de un dispositivo regulable de estrangulación. Válvula estranguladora antirretorno: Se encargan de bloquear el caudal de fluido en un sentido, permitiendo el flujo en sentido contrario. Válvula estranguladora de retención: Trabajan como una válvula de retención y otra estranguladora en paralelo, en un sentido, el fluido pasa libremente por la válvula de retención y, en sentido contrario, esta válvula lo retiene obligándolo a pasar por la válvula estranguladora, de tal modo que el fluido pasa libremente en un sentido y en el sentido contrario el paso de fluido es limitado. 15

16 Válvula de purga rápida: Su misión es la de vaciar rápidamente de fluido el elemento de trabajo, poniendo el fluido sobrante en comunicación con la atmósfera evitando su paso por diferentes válvulas hasta llegar al retorno. Este tipo de válvulas solo se utilizan en circuitos neumáticos y actuadores lineales. Válvula selectora de retención: También d enominada como válvula Y, trabajan para dar la posibilidad de activación de un elemento de trabajo a través de dos pulsadores diferentes, evitando que este elemento de trabajo actúe si los dos pulsadores son activados a la misma vez. Válvula selectora de simultaneidad: También denominada como válvula O, estas válvulas trabajan para dar la posibilidad de activación de un elemento de trabajo a través de dos pulsadores diferentes, pero este elemento no actuará si los dos pulsadores no son activados a la misma vez, realizando la acción contraria a las válvulas selectoras de retención. -V álvulas distribuidoras o de vías: Son las válvulas encargadas de modifican, abrir o cerrar los pasos del fluido, permitiendo controlar la dirección del movimiento y la parada de los elementos de trabajo. 16

17 Se clasifican por el nº de vías (orificios de la válvula) y nº de posiciones (combinaciones de unión a realizar entre vías), la cantidad de vías y posiciones se expresa con dos números separados por una barra. Otro modo de clasificación se realiza por: o Tipo de asiento: esférico o de disco plano. o Válvulas de corredera: longitudinal o giratoria. Las válvulas distribuidoras precisan de un sistema de accionamiento para poder adoptar las distintas posiciones previstas en su construcción, el sistema de accionamiento puede ser de cuatro tipos accionamiento manual, mecánico, neumático y eléctrico TRANSFORMACIÓN DE ENERGÍA (ELEMENTOS DE TRABAJO) Los elementos de trabajo se representan igual en circuitos hidráulicos y neumáticos, siendo las transformaciones de trabajo lineales o rotativas. Existen multitud de cilindros y bombas, en las figuras solo se han representado dos modelos a modo de ejemplo. - Cilindros: Son elementos capaces de producir trabajo desplazando una carga con movimiento rectilíneo, tanto en hidráulica como en neumática, dependiendo de si realiza trabajo efectivo en una sola carrera o en las dos, se dice que los cilindros son de simple efecto o de doble efecto. - Motores: Son los encargados de transformar la energía de presión del fluido en movimiento circular, normalmente los actuadores de acción rotativa son más utilizados en hidráulica que en neumática, siendo su estructura muy similar a la de las bombas. 17

18 5.- IMPLICACIONES EDUCATIVAS Según se va exponiendo todos los contenidos en el aula, vamos preparando al alumno para un mejor entendimiento de la física y su aplicación en la vida real a sistemas empleados en maquinaria y automóvil, como: sistemas de freno, suspensión, dirección, carburación, etc, consiguiendo realizar trabajos de gran envergadura con un mínimo esfuerzo. Esto lo conseguimos explicando los siguientes puntos recogidos en el Real Decreto 453/2010 de 16 de Abril: - Especificación de las leyes y fenómenos de los fluidos. - Utilización, conexionados y lectura de los aparatos de control y medida para los fluidos. - Comprobación de la densidad de los fluidos por la influencia de la temperatura. - Comprobación de la velocidad de los fluidos sometidos a diversas presiones. - Comprobación de las pérdidas de carga que originan los rozamientos y golpes de ariete. - Realización de ejercicios, propuestos por el profesor, de cálculos de presión, caudal, velocidad de circulación sobre fluidos, etc. - Realización de la conversión de las unidades de los ejercicios anteriores a otros sistemas de unidades, estableciendo equivalencias entre múltiplos y submúltiplos. - Especificación de las características de los fluidos. - Realización de una ficha resumen donde figuren las comprobaciones anteriores, cálculos y conversiones. - Realización de ejercicios e interpretación de dibujo industrial, secciones, cotas, etc. - Determinar la relación que existe entre estas magnitudes con las distintas leyes que rigen a los fluidos. 18

19 6.- REFERENCIAS LEGISLATIVAS Este artículo recoge los contenidos teóricos a desarrollar en una unidad de trabajo correspondiente al módulo de Circuitos de Fluidos Suspensión y Dirección, del ciclo formativo con nivel de grado medo de Electromecánica de vehículos, dentro de la Familia Profesional: Transporte y Mantenimiento de Vehículos Autopropulsados. Correspondiente al referente europeo: CINE-3 (Clasificación Internacional Normalizada de la Educación). - MARCO LEGAL La base del artículo corresponde para respetar el DECRETO 4/2011, de 13 de enero, del Consejo de Gobierno, por el que se establece para la Comunidad de Madrid el currículo del ciclo formativo de grado medio correspondiente al título de Técnico en Electromecánica de Vehículos Automóviles. La cual a su vez también establece en su artículo 4, la contribución a la competencia general y a las competencias profesionales, personales y sociales, los objetivos expresados en términos de resultados de aprendizaje, los criterios de evaluación y las orientaciones pedagógicas del currículo del ciclo formativo para los módulos profesionales, son los definidos en el Real Decreto 453/2010, de 16 de abril, por el que se establece el título de Técnico en Electromecánica de Vehículos Automóviles y se fijan sus enseñanzas mínimas. 7.- CONCLUSIONES Pienso que la realización de este proyecto puede facilitar a muchos compañeros el trabajo, ya que los libros sobre hidráulica y neumática son demasiado amplios y complejos para explicarlos a los alumnos. Los contenidos expuestos, se desarrollarían en el aula como el inicio de la parte teórica correspondiente a hidráulica y neumática, pasando posteriormente al desarrollo de los contenidos relacionados con la simbología de los elementos, realización de esquemas hidráulicos y neumáticos, en formato papel, en formato digital y aplicación práctica de los distintos circuitos en maquetas, estos contenidos estarán recogidos en la publicación de mi próximo artículo. 19

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