NEUMÁTICA E HIDRÁULICA

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1 UNIDAD DIDÁCTICA NEUMÁTICA E HIDRÁULICA NIVEL: 4ºESO 1 Conceptos previos Neumática e hidráulica Presión Caudal Leyes y principios Generalidades de los circuitos hidráulicos y neumáticos Elementos de los sistemas neumáticos e hidráulicos Elementos activos Acumuladores Elementos de protección Elementos de transporte Elementos de control (válvulas) Válvulas distribuidoras Válvulas controladoras de flujo Elementos de consumo (actuadores) Actuadores rotativos (motores) Actuadores lineales (cilindros) Ejemplos de circuitos Anexos Neumática e hidráulica. 4º ESO 1

2 1 Conceptos previos 1.1 Neumática e hidráulica Tratan del estudio y aplicación de los fluidos en movimiento, que contienen energía cinética, para producir efectos mecánicos deseados. En los circuitos neumáticos el fluido es un gas (aire). En los circuitos hidráulicos el fluido es un líquido. Aunque el término hidráulico hace referencia al agua, en las aplicaciones reales el líquido que se utiliza es un aceite mineral, que presenta una serie de ventajas respecto al agua. Volumen propio Forma propia Comprimible LÍQUIDOS Sí No No GASES No No Sí 1.2 Presión Un fluido almacenado en un recipiente ejerce una fuerza sobre las paredes del mismo. La fuerza ejercida por unidad de superficie se denomina presión. p = F S Pa = N m 2 1 newton 1 pascal = 1 m 2 Unidades de presión Nombre Símbolo Equivalencias pascal Pa atmósfera atm 1 atm = 1, Pa bar b 1 b = 10 5 Pa / 1 b 1 atm mm de Hg mm Hg 1 mm Hg = Pa 1 atm = 760 mm Hg 1.3 Caudal El caudal es la cantidad de fluido que circula a través de una sección del conducto (tubería, cañería, oleoducto, río, canal,...) por unidad de tiempo. C = V t m 3 s l s m 3 h Neumática e hidráulica. 4º ESO 2

3 1.4 Leyes y principios Hidráulica Ley de Pascal: el incremento de presión aplicado a una superficie de un fluido incomprimible (líquido), contenido en un recipiente indeformable, se transmite con el mismo valor a cada una de las partes del mismo. Principio de Bernoulli: en un fluido ideal (sin viscosidad ni rozamiento) en régimen de circulación por un conducto cerrado, la energía que posee el fluido permanece constante a lo largo de su recorrido. Neumática Ecuación de estado de los gases perfectos (o ideales). p V = n R T P: presión (atm) V: volumen (L) N: número de moles (masa/masa molecular) R: constante de los gases (0,082 atm L/K mol) T: temperatura (K) 2 Generalidades de los circuitos hidráulicos y neumáticos Circuitos neumáticos Después de realizado el trabajo, el aire se expulsa a la atmósfera. Útil para esfuerzos hasta N Debido a que el aire es comprimible, no es posible obtener movimientos lentos y a la vez constantes. Circuitos hidráulicos El aceite se hace retornar a través de tuberías, de modo que puede emplearse indefinidamente. Se obtienen movimientos lentos y constantes. 3 Elementos de los sistemas neumáticos e hidráulicos ELEMENTOS Neumática Hidráulica ACTIVOS Comunican energía al fluido Compresores Bombas Filtros PROTECCIÓN Y TRATAMIENTO DE Reguladores de presión LOS FLUIDOS Lubricadores PASIVOS Transforman, transportan o controlan la energía. Protegen el circuito TRANSPORTE Y CONTROL ACTUADORES O DE CONSUMO Transforman en trabajo útil la energía del fluido en movimiento Tuberías y válvulas Filtros Reguladores de presión Depósitos Cilindros: Movimientos lineales Motores: movimientos rotativos Neumática e hidráulica. 4º ESO 3

4 4 Elementos activos Comunican energía al fluido. Circuitos neumáticos: Compresores Elevan la presión del aire aspirado de la atmósfera. Los mas usados son los compresores alternativos de pistones movidos por un motor eléctrico o térmico. Se caracterizan por: La presión que comunican al aire. El caudal que proporcionan Animación compresor monofásico Compresor monofásico portátil Compresor de pistón monofásico Consta de un sistema biela manivela que está conectado a un émbolo (o pistón) que se mueve dentro de un cilindro. El aire a presión atmosférica entra en el cilindro a través de una válvula de admisión; una vez comprimido el aire, este se transfiere a través de una válvula de escape. El aire alcanza los 180ºC, debido al aumento de presión. Compresor de pistón bifásico Consta de dos sistemas de émbolo cilindro encadenados. En la primera fase la presión se eleva a 3-8 bar y en la segunda fase hasta los 25 bar. El aire se calienta mas; para enfriar el aire se utilizan refrigeradores de agua. Animación compresor bifásico Circuitos hidráulicos: Bombas Hacen recircular el fluido por el circuito hidráulico. Se accionan mediante un motor eléctrico o térmico. Se usan de tres tipos De engranes De paletas De pistón Animación bomba de engranes: Bomba de engranes labmecanica.blogspot.com Neumática e hidráulica. 4º ESO 4

5 5 Acumuladores Circuitos neumáticos Almacenan aire a una presión elevada. Son necesarios para: o Estabilizar el caudal fluctuante. o Desconectar el compresor cada cierto tiempo. o Suministrar un caudal mayor que el que proporciona el compresor. Suelen llevar un sensor de presión que activa el compresor cuando es necesario. sites.google.com Circuitos hidráulicos: Depósitos Son necesarios para almacenar el aceite. Ayudan a separar el aire y los agentes extraños. Contribuyen a disipar el calor que se genera en el circuito. 6 Elementos de protección Son los encargados de eliminar las impurezas en el circuito y de protegerlo de situaciones que podrían ocasionar perjuicios. Circuitos neumáticos FILTROS Eliminan: El agua existente en el aire Las partículas e impurezas en suspensión. LUBRICADORES Inyecta gotas de aceite de tamaño muy fino en el flujo del aire para evitar que se produzca un desgaste excesivo de los elementos del circuito. LIMITADORES (O REGULADORES) DE PRESIÓN Se encargan de que la presión se mantenga por debajo de un límite. Entre ellos cabe destacar las válvulas de escape. SILENCIADOR Evita el ruido que se produce al expulsar el aire a la atmósfera y la entrada de impurezas por la salida del aire. Circuitos hidráulicos FILTROS La misma misión que en circuitos neumáticos VÁLVULAS DE ALIVIO Si la presión supera un determinado valor se libera el fluido haciendo que se devuelva al depósito. Neumática e hidráulica. 4º ESO 5

6 7 Elementos de transporte Son los encargados de llevar el fluido hasta los puntos de consumo. Reciben el nombre de tuberías. Circuitos neumáticos Deben posibilitar que la pérdida de presión sea mínima. La superficie interior debe ser pulida. Deben soportar la presión sin sufrir daño. Se fabrican en cobre, acero o plásticos resistentes, como el polietileno. En el caso de que sea necesario la utilización de tuberías flexibles se usan latiguillos (tuberías flexibles de goma o plástico, recubiertas a veces por una malla de acero) Circuitos hidráulicos Mismas consideraciones que en los circuitos neumáticos. Debe haber una tubería de ida y otra de vuelta al depósito. 8 Elementos de control (válvulas) Controlan el fluido que se inyecta en los elementos de consumo. Se llaman válvulas y pueden ser de distinto tipo dependiendo de lo que controlen. Válvulas de control de la dirección del flujo (distribuidoras). Válvulas controladoras de flujo. 8.1 Válvulas distribuidoras Características Número de vías (entradas y salidas) Número de posiciones de la válvula. Representación simbólica de las válvulas (norma CETOP) 1. Cada posición se representa por un cuadrado. 2. Las vías se indican con trazos en los bordes de la posición de reposo de la válvula (0). 3. Las conexiones internas entre las vías se indican mediante líneas. Sobre las líneas se indica el sentido de circulación o las conexiones (vías) cerradas. Neumática e hidráulica. 4º ESO 6

7 4. El tipo de mando y de retorno de la válvula (los pilotajes) se dibujan pegados a esta. 5. Las válvulas se dibujan en reposo. Cuando se acciona, la válvula se desplaza hasta que coinciden las vías y las canalizaciones. 6. Las vías se indican alfabética o numéricamente Alimentación P 1 Vías de utilización A, B, C 2, 4, 6 Escape a la atmósfera (circ.neumáticos) o de retorno al tanque (circ. hidráulicos) R, S, T 3, 5, 7 Pilotaje X, Y 10, Se dice que una válvula está: Normalmente cerrada (NC), si en reposo el paso del aire está cerrado. Normalmente abierta (NA), si en reposo el paso del aire está abierto Nomenclatura de las válvulas distribuidoras Ejemplos Número de vías / número de posiciones + pilotaje Válvula 2/2 con mando por pulsador y retorno por muelle Válvula 3/2 con mando y retorno neumáticos Válvula 4/2 con mando por pedal y retorno neumático Válvula 5/2 con mando por palanca y retorno por muelle Válvula 5/3 con mando electroneumático y retorno por muelle Neumática e hidráulica. 4º ESO 7

8 8.2 Válvulas controladoras de flujo Válvula reguladora bidireccional Disminuye el caudal del fluido y, por tanto, la velocidad de los actuadores Válvula reguladora unidireccional Se utiliza en los cilindros para conseguir que el pistón se desplace mas lentamente en un sentido que en el otro Válvula antirretorno Sólo permite circular el fluido en un sentido Válvula selectora de circuito (célula O) Mando de un elemento desde dos lugares diferentes indistintamente Válvula de simultaneidad (célula Y) Mando de un elemento desde dos lugares diferentes a la vez. Válvula temporizadora Se consigue combinando un regulador unidireccional y un depósito. Cuanto mayor es el depósito, mayor será el tiempo de retardo. 9 Elementos de consumo (actuadores) En estos elementos la energía comunicada al fluido por el compresor (en circuitos neumáticos) o la bomba (en circuitos hidráulicos) se utiliza para realizar un trabajo. Según el tipo de movimiento que realizan se clasifican en: Actuadores rotativos. Actuadores lineales. 9.1 Actuadores rotativos (motores) El fluido en su movimiento incide en los álabes de una turbina y produce el giro de su eje. Aplicaciones: Taladradoras neumáticas, destornilladores neumáticos, torno de dentista. Símbolo del motor de un sentido de flujo (un sentido de giro) Símbolo del motor de dos sentidos de flujo (dos sentidos de giro) Neumática e hidráulica. 4º ESO 8

9 9.2 Actuadores lineales (cilindros) Están constituidos por un pistón, unido a un vástago, que se desplaza dentro de un cilindro estanco. El fluido de trabajo entra en el cilindro y empuja el pistón Cilindros de simple efecto El fluido únicamente empuja el pistón en un sentido. El retroceso tiene lugar gracias a la acción de un muelle. Tienen solo una vía, por la que entra y sale el fluido. Estos cilindros, por tanto, solo desarrollan trabajo útil en el movimiento de avance Símbolo del cilindro de simple efecto Movimiento del cilindro de simple efecto Cilindros de doble efecto El fluido empuja el pistón en los dos sentidos. Tienen dos vías. Se puede realizar trabajo útil en los dos sentidos. Hay que tener en cuenta que la superficie de contacto del fluido con el pistón es menor por el lado en que está el vástago. Por tanto F lado vástago < F lado sin vástago. Símbolo del cilindro de doble efecto Movimiento del cilindro de doble efecto Aplicaciones de los cilindros: Martillos neumáticos, apertura y cierre de puertas (circuitos neumáticos), gatos y elevadores hidráulicos, maquinaria de obra pública, direcciones asistidas, frenos, etc. Neumática e hidráulica. 4º ESO 9

10 10 Ejemplos de circuitos Control de un cilindro de simple efecto mediante una válvula 3/2 con mando por palanca y retroceso por muelle. Escape de aire con silenciador Control de la velocidad de avance de un cilindro de simple efecto mediante una válvula 3/2 con mando por pedal y retroceso por muelle. Control de la velocidad de avance y retroceso de un cilindro de simple efecto mediante el accionamiento simultáneo de dos válvulas 3/2 con mando por pulsador y retroceso por muelle. Control de la velocidad de avance de un cilindro de doble efecto con una válvula 4/2 con mando por pulsador y retroceso por pedal. Circuito semiautomático: Mando de un cilindro de doble efecto desde dos puntos indistintamente. Retroceso automático. Neumática e hidráulica. 4º ESO 10

11 Circuito automático: En la posición de la figura, el vástago está detenido. Cuando se mueve la palanca de la válvula (A) hacia la derecha, se pilota el distribuidor (B) hacia la izquierda y el vástago avanza. Cuando el vástago alcanza el mando de la válvula (C), la válvula (B) cambia de posición y el vástago retrocede. El movimiento de avance y retroceso se repite indefinidamente hasta que la válvula (A) se pilote hacia la izquierda. Motor neumático de un sentido de giro controlado con una válvula 2/2. Motor neumático de dos sentidos de giro controlado con una válvula 5/3. Neumática e hidráulica. 4º ESO 11

12 11 Anexos RECURSOS Actuadores neumáticos Estructura de un sistema de control neumático Válvulas distribuidoras hidráulicas Unidad didáctica Simuladores (versión demo de FluidSIM. Muy bueno) Neumática e hidráulica 4º ESO por Gustavo Zazo se encuentra bajo una Licencia Creative Commons Atribución No Comercial Compartir Igual 3.0 Unported. Neumática e hidráulica. 4º ESO 12