TEMA 9. AUTOMATISMOS OLOEHIDRÁULICOS

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1 TEMA 9. AUTOMATISMOS OLOEHIDRÁULICOS 1. INTRODUCCIÓN.... PRENSA HIDRÁULICA. PRINCIPIO DE PASCAL LEY DE CONTINUIDAD TEOREMA DE BERNOULLI. ENERGÍA HIDRÁULICA CIRCUITOS OLEOHIDRÁULICOS: ELEMENTOS...3 A) Grupo de accionamiento...3 B) Elementos de transporte...4 C) Elementos de regulación y control: válvulas...4 D) Elementos de trabajo CIRCUITOS OLEOHIDRÁULICOS CARACTERÍSTICOS...5 A) Mando de un cilindro de simple efecto...5 B) Mando de un cilindro de doble efecto mediante válvula 4/...6 C) Mando de un cilindro de doble efecto mediante una válvula 4/ NEUMÁTICA E HIDRÁULICA: SEMEJANZAS Y DIFERENCIAS, VENTAJAS E INCOVENIENTES...7 A) Semejanzas y diferencias entre las instalaciones neumáticas e hidráulicas...7 B) Ventajas de las instalaciones hidráulicas sobre las instalaciones neumáticas...7 C) Inconvenientes de las instalaciones hidráulicas sobre las neumáticas...7 D) Ejemplos de aplicación...8

2 1. INTRODUCCIÓN En la automatización neumática se trabaja con un fluido compresible, el aire, como medio de transportar energía y producir trabajo. Ahora, en la automatización oleohidráulica, el fluido es el aceite hidráulico, que se considera incompresible. Esta propiedad, junto con la necesidad de un circuito de retorno para recoger el aceite una vez utilizado, marcan parte de las diferencias con los automatismos neumáticos.. PRENSA HIDRÁULICA. PRINCIPIO DE PASCAL El principio de Pascal se enuncia del siguiente modo: La presión aplicada en un punto de un líquido se transmite de manera instantánea y con la misma intensidad en todas las direcciones Este principio es de extraordinaria utilidad en los sistemas oleohidráulicos. Como la presión se define como la fuerza por unidad de superficie, cuanto mayor sea la superficie sobre la que actúa la presión de un líquido, mayor será la fuerza resultante. Así, si ejercemos una fuerza F A sobre un líquido por medio de un émbolo de superficie S A, obtendremos una determinada presión P. Como la presión P se transmite a toda la masa del líquido, la fuerza F B que se obtendrá en el émbolo de superficie S B será notablemente mayor. El valor de esta fuerza puede deducirse a a partir del concepto de presión: Estas ecuaciones son el fundamento de la prensa hidráulica. Ahora bien, el desplazamiento del émbolo de menor diámetro debe ser superior al del émbolo de mayor superficie, por lo que normalmente se debe disponer de un depósito auxiliar para desplazar el émbolo mayor con varias emboladas o carreras del menor. Para calcular el número de emboladas o carreras, se tiene en cuenta que los volúmenes de líquido que salen del cilindro menor han de ser iguales al volumen que llega al mayor. Ejemplo. Un cilindro de prensa tiene una sección de,5cm y una carrera de 7cm. Se ejerce sobre él una fuerza de 50N; se quiere determinar cuál será la fuerza resultante sobre el otro cilindro, que tiene 150cm, así como el número de emboladas precisas para que se produzca un desplazamiento de 10cm. Aplicamos las ecuaciones estudiadas: El volumen de aceite bombeado por ambos cilindros debe ser el mismo, aunque el de menor sección lo realiza con un número n de emboladas que se calcula:

3 3. LEY DE CONTINUIDAD (ley de conservación de la masa) El aceite es un líquido incompresible y, por tanto, con densidad constante, de tal forma que si por una conducción con diferentes secciones circula de forma continua nuestro líquido, por cada tramo de conducción pasará el mismo volumen por unidad de tiempo, es decir, será igual el caudal en ambas secciones (si no existen fuentes de líquido o sumideros). O, lo que es lo mismo, las velocidades y las secciones son inversamente proporcionales. Q 1 = Q S 1. v 1 = S. v 4. TEOREMA DE BERNOULLI. ENERGÍA HIDRÁULICA (ley de conservación de la energía) El teorema de Bernoulli describe el comportamiento de un líquido moviéndose a través de una tubería y expresa que la energía que posee el fluido permanece constante a lo largo de su recorrido. La energía del fluido consta de tres componentes: Cinética: debido a la velocidad que posee. Su valor ½.mv Potencial: debida a la altitud. Su valor mgh Energía hidrostática: debido a la presión que posee. Su valor p.v (presión por volumen) Entonces, si la energía del fluido permanece constante: mgh 1 + p 1 S 1 l 1 + ½ mv 1 = mgh + p S l + ½ mv Considerando que S.l representa el volumen, que ha de ser igual en las dos zonas, y que m=d.v, dividiendo entre V la ecuación anterior: dgh 1 + p 1 + ½ dv 1 = dgh + p + ½ dv Si la conducción es horizontal h 1 =h, entonces: p 1 + ½ dv 1 = p + ½ dv que indica que si disminuye la velocidad debe aumentar la presión para que la igualdad se mantenga. Nota: La ley de continuidad y el teorema de Bernoulli, tal y como se han estudiado corresponden a fluidos ideales, es decir, no viscosos e incompresible (densisdad constante) y que están sometidos a flujos laminares o estables. Un flujo laminar se caracteriza por una trayectoria lineal del fluido (las líneas de flujo no se cruzan), es decir, no hay remolinos ni turbulencias, y por una velocidad constante (sino hay variación de sección) 5. CIRCUITOS OLEOHIDRÁULICOS: ELEMENTOS Los circuitos oleohidráulicos están formados por una serie de elementos que utilizan el aceite como agente de transporte y con los que se pueden obtener energía mecánica, es decir, trabajo útil.

4 Tecnología Industrial II, º BAC Los elementos básicos de un circuito oleohidráulico son: grupo de accionamiento (motor más bomba), elementos de transporte (tuberías), válvulas distribuidoras, elementos de trabajo o actuadores (cilindros o motores). A) Grupo de accionamiento El grupo de accionamiento o unidad hidráulica, que produce la presión necesaria para el funcionamiento de los elementos de trabajo, está constituida por: bomba, motor eléctrico, depósito y válvula reguladora de presión. El motor eléctrico acciona la bomba, pemitiendo el giro de ésta. La bomba, accionada por un motor eléctrico, se encarga de absorber aceite del depósito e impulsarlo a una presión y caudal determinados hacia las conducciones y los elementos de trabajo. En este sentido, realiza una función análoga al compresor en los circuitos neumáticos. La válvula reguladora de presión está situada a continuación de la bomba y dispone de un manómetro. Cuando se sobrepasa la presión adecuada del aceite, la válvula abre una descarga de aceite al depósito, con lo que la presión disminuye. En el grupo de accionamiento también se incluye un filtro que tiene como misión eliminar las partículas sólidas. B) Elementos de transporte Los elementos de transporte, tuberías y racores, se encargan de la conducción del fluido hasta el lugar de consumo. C) Elementos de regulación y control: válvulas Se distinguen, al igual que en neumática, dos tipos de válvulas: distribuidoras, que permiten gobernar los elementos de trabajo, y válvulas denominadas genéricamente de bloqueo donde encontramos válvulas antirretorno, selectora, simulataneidad, reguladoras de caudal y reguladoras de presión. Válvulas distribuidoras Las válvulas distribuidoras oleohidráulicas controlan el paso del aceite y permiten gobernar los elementos de trabajo. La representación de estas válvulas es similar a la indicada para las neumáticas, aunque con algunas diferencias que vamos a ver. La simbología es idéntica a la empleada en las válvulas neumáticas. Se utilizan dos cifras:

5 la primera corresponde al número de orificios o vías; y la segunda, al número de posiciones. Para representarlas simbólicamente se emplean tantos cuadros como posiciones de trabajo posee la válvula. La única diferencia con las neumáticas es que, en las válvulas oleohidráulicas de dos posiciones, el cuadro de la izquierda representa la posición de reposo. Las conexiones de los orificios se indican de forma distinta a como se hace en neumática, ya que, en la oleohidráulicas, se trata de entrada y salida de aceite. El sentido de circulación del aceite, como en las válvulas neumáticas, se señala mediante flechas. Los órganos de mando (accionamiento) se representan en la posición contraria a la que ocupan en las válvulas neumáticas: el órgano de mando (pulsador, rodillo, ) se sitúa a la derecha y el de retorno a la izquierda. Para el pilotaje de válvulas distribuidoras la punta de la flecha se dibuja rellena. En neumática se dibuja hueca. En oleohidráulica es más común el uso de válvulas de 3 posiciones. Estas válvulas poseen una posición intermedia en la que el aceite es devuelto directamente al depósito y las vías de trabajo están cerradas. D) Elementos de trabajo Los elementos de trabajo transforman la energía contenida en el aceite a presión en trabajo útil. Según el tipo de movimiento que realizan se distinguen los cilindros y los motores oleohidráulicos. Cilindros oleohidráulicos: el funcionamiento, elementos y simbología son iguales a los de los circuitos neumáticos. Distinguiéndose también cilindros de simple efecto (solo realizan trabajo en su carrera de avance; se emplean para levantar, sujetar, expulsar, etc.) y cilindros de doble efecto (realizan trabajo en las dos carreras, la de avance y la de retroceso). Motores oleohidráulicos: convierten la energía oleohidráulica en energía mecánica de rotación, entregando un par motor en el eje de salida. Su funcionamiento es, en cierto modo, inverso al de las bombas. Los motores hidráulicos se emplean para accionar vehículos de todo tipo, como accionamiento de rodillos en plantas siderúrgicas y de laminado, como elementos de accionamiento para toda clase de movimientos de rotación en la construcción naval, etc.

6 Existen muchos tipos diferente de motores, los más empleados son: de paletas, de engranajes y de pistones. 6. CIRCUITOS OLEOHIDRÁULICOS CARACTERÍSTICOS A) Mando de un cilindro de simple efecto El grupo de accionamiento suministra el caudal de líquido a presión. Para que la presión en el sistema, que puede leerse en un manómetro no sobrepase un cierto valor admisible, se monta una válvula limitadora de presión. Para llevar a cabo el mando del cilindro de simple efecto se intercala una válvula distribuidora 3/ (cerrada en la posición de reposo, a). Al accionar esta válvula se abre el paso de P a A (posición b) y el émbolo de trabajo se desplaza hasta alcanzar su posición final. Para volver a la posición inicial, la válvula distribuidora se conmuta a la posición a, lo que trae como consecuencia que el émbolo descienda por la acción de la pesa m. De esta manera, el líquido a presión sale del cilindro y regresa al depósito a través de A-T. Si el cilindro estuviese provisto de un muelle de recuperación, éste actuaría en sustitución de la pesa. B) Mando de un cilindro de doble efecto mediante válvula 4/

7 Al accionar la válvula distribuidora 4/, se abre el paso de P a B, y el émbolo se desplaza hasta su posición final, saliendo el vástago hacia el exterior. Simultáneamente, el líquido a presión que se encuentra en el lado del vástago es empujado por el pistón y sale del cilindro, regresando al depósito a través de A-T. Cuando la válvula distribuidora se conmuta a la posición de reposo, se abre el paso de P a A; el émbolo de trabajo se desplaza en sentido contrario al anterior, penetrando el vástago en el interior del cilindro. De esta manera, el líquido a presión que existe en el lado del émbolo se descarga al depósito a través de B a T. C) Mando de un cilindro de doble efecto mediante una válvula 4/3 Un cilindro de doble efecto también se puede pilotar por medio de una válvula 4/3. Cuando la válvula se encuentra en la posición media, el líquido puede pasar sin obstáculo alguno al depósito, las vías A y B están cerrados. Al conmutar la válvula a la posición de avance (a), se abre el paso de P a A y de B a T, y el vástago del émbolo del cilindro sale. Si la válvula se conmuta a la posición de retorno (b), se abre el paso de P a B y de A a T, y el vástago del émbolo entra. Si en el transcurso del movimiento de avance la válvula se conmuta a la posición media, el émbolo se detiene y no puede moverse aplicando fuerza exterior. 7. NEUMÁTICA E HIDRÁULICA: SEMEJANZAS Y DIFERENCIAS, VENTAJAS E INCOVENIENTES. A) Semejanzas y diferencias entre las instalaciones neumáticas e hidráulicas. Las principales diferencias vienen marcadas por la naturaleza de los fluidos: Aceite o similares, prácticamente incompresibles, en las instalaciones hidráulicas. Aire comprimido en las instalaciones neumáticas. Por eso, si comparamos ambas instalaciones, las mayores diferencias, se encuentran en los elementos generadores de energía, por las características de los fluidos: Compresores, en las instalaciones neumáticas. Bombas, en las instalaciones oleohidráulicas. Por lo demás, ambas instalaciones son muy similares. En las dos se emplean el mismo tipo de elementos de trabajo, y de válvulas (distribuidoras y reguladoras de caudal). Si bien, en las instalaciones hidráulicas es más común el uso de válvulas distribuidores de 3 posiciones, siendo las válvulas usadas en neumática comunmente de dos posiciones. Además, un mismo proceso se puede resolver mediante cualquiera de las dos instalaciones.

8 B) Ventajas de las instalaciones hidráulicas sobre las instalaciones neumáticas. Se consiguen fuerzas más elevadas. Mejor control del movimiento del actuador: control exacto de velocidad y de parada (esto es debido a que el fluido es incompresible). Son más silenciosas. Con una válvula limitadora de presión se protege al circuito de cualquier sobrecarga. C) Inconvenientes de las instalaciones hidráulicas sobre las neumáticas. El aceite cuesta dinero y es preciso cambiarlo, ya que se deteriora con el uso. La instalación es más costosa y voluminosa. Las pérdidas de presión son mayores. D) Ejemplos de aplicación. Neumática: estampador de sellos, apertura y cierre de puertas en trenes y auttobuse; herramientas: taladros, martillos, pistolas de pintor, ; construcción de automóviles: sujección de piezas, de extracción,... Oleohidráulica: prensa hidráulica, grúas y brazos robotizados, excavadoras y perforadoras de túneles... Cuestiones (Justifica la respuesta en un máximo de dos líneas) 1. La energía puesta en juego en una instalación de automatización oleohidráulica proviene fundamentalmente de: a) La altura desde la que cae el aceite. b) La velocidad con la que circula el aceite. c) La presión que suministra el grupo hidráulico. d) En realidad de todas igualmente.. El cilindro de una prensa tiene cuatro veces más diámetro que el pequeño. La presión que soporta el fluido de la prensa es: a) 4 veces la presión que soporta el fluido próximo al pequeño. b) 16 veces la presión que soporta el fluido próximo al pequeño. c) Igual en todo el líquido. d) 10 veces la presión que soporta el fluido próximo al pequeño. 3. El cilindro mayor de una prensa que tiene cuatro veces más diámetro que el pequeño. La fuerza que puede hacer es: a) 4 veces la aplicada en el pequeño. b) 16 veces la aplicada en el pequeño. c) Igual que la aplicada en el pequeño. d) 10 veces la aplicada en el pequeño. 4. Las válvulas distribuidora se emplean para: a) Cerrar el paso del aceite. b) Permitir que el aceite cambie de conducción. c) Aumentar la presión a la que circula el aceite. d) Que el aceite entre en el elemento de trabajo. 5. Las válvulas reguladoras se emplean para: a) Cambiar el sentido de circulación del aceite. b) Permitir el paso del régimen laminar al turbulento. c) Permitir variar al caudal o la presión del aceite, según el modelo. d) Abrir el paso del aceite. 6. Un cilindro hidráulico de doble efecto realiza una fuerza en la carrera de retroceso: a) Igual a la de la carrera de avance. b) Depende del diámetro del vástago. c) Mayor a la de la carrera de avance. d) En la carrera de retroceso no se puede realizar una fuerza aprovechable.

9 Problemas 1. Los radios de los émbolos de una prensa hidráulica son 10cm y 50cm, respectivamente. Con qué fuerza actuará el émbolo mayor si le aplicamos al menor 30kp? (Sol. 7350N). Una prensa hidráulica dispone de dos cilindros, uno grande de 5cm de diámetro y otro pequeño de 8mm. Qué fuerza se ejercerá sobre el émbolo grande si sobre el menor actúa una fuerza 0kp? (Sol. 7656,5N) 3. Hasta qué altura puede elevar un aceite hidráulico de densidad 0,9kg/dm 3 una bomba hidráulica que suministra una presión máxima de 40bar? Si la distancia media ente pisos de un edificio es de 3m, hasta cuántos pisos se puede elevar la bomba anterior si impulsase agua? (Sol. 454m; 136 pisos) 4. Por una conducción cuyo diámetro mide 30mm circula un caudal de 30l/min de líquido. Determina la velocidad media de paso. Cuál sería esta velocidad si el diámetro de la conducción disminuye a 10mm? Sol. 0,7m/s, 6,3m/s 5. Una tubería horizontal de agua tiene un tubo de m de diámetro que se reduce a un diámetro de 1m. Si el agua fluye por el tubo de diámetro grande con una rapidez de 1,5m/s, cuál será la rapidez del flujo de agua en el tubo de 1m? Sol. 6m/s 6. Disponemos de un circuito hidráulico de las siguientes características: diámetro de la tubería= 3/8 ; velocidad del aceite hidráulico=,5m/s, a una presión de 50bar; densidad del aceite hidráulico 0,9kg/l. Calcula: a) El caudal que atraviesa la tubería. (Sol. 1, m 3 /s) b) La potencia absorbida, suponiendo un rendimiento del 75%. (Sol. 1187W) 7. Se dispone de un circuito hidráulico con las siguientes características: diámetro de la tubería= 3/8 ; velocidad del aceite hidráulico=m/s, a una presión de 45bar; densidad del aceite hidráulico 0,9kg/l. Calcula: a) El caudal que atraviesa la tubería. (Sol. 8,55l/min) b) La potencia absorbida, suponiendo un rendimiento del 70%. (Sol. 1,cV) FORMULARIO-RESUMEN Presión en función de la densidad y la altura: p=dgh Caudal: Q=V/t=S.v Potencia hidráulica: P = p.q 1 pulgada ( ) = 5,4mm Prensa hidráulica: Ley de continuidad: S 1. v 1 = S. v Teorema de Bernoulli: dgh 1 + p 1 + ½ dv 1 = dgh + p + ½ dv

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