TEMA: NEUMÁTICA E HIDRÁULICA
Índice A1.- Introducción a la neumática...2 A2.- Energía neumática...3 A3.- Principios físicos de los sistemas neumáticos...3 A.3.1.- Principio de Pascal...3 A.3.2.- Presión...3 A.3.2.1.- Unidades de presión...3 A.3.2.2.- La equivalencia entre las principales unidades es la siguiente:...4 A.4.- Elementos de los circuitos neumáticos e hidráulicos...4 A.5.- Producción de energía neumática...4 A.5.1. Unidad de mantenimiento...4 A.5.2.- Compresor...5 A.5.2.1.- Tipos de compresores...5 A.6.- Elementos de trabajo: Cilindros...6 A.6.1.-Tipos de cilindros...6 A.7.- Elementos de mando: Válvulas...7 A.7.1.- Válvulas distribuidoras o de vías...7 A.7.1.1.- Aplicaciones de las válvulas distribuidoras...7 A.7.2.- Válvulas de bloqueo...8 A.7.2.1. Tipos de válvulas de bloqueo...8 A.7.3.- Válvulas de flujo...8 B.1.- Introducción a la oleohidráulica o hidráulica...10 B.1.1.- Las principales diferencias entre estas dos técnicas son las siguientes:...10 B.1.1.1.- Ventajas de la neumática sobre la oleohidráulica:...10 B.1.1.2.- Ventajas de la oleohidráulica sobre la neumática:...10
A1.- Introducción a la neumática Una instalación neumática es un conjunto de dispositivos que funcionan mediante aire comprimido. Los sistemas neumáticos se basan en la utilización del aire, que actúa como fluido de trabajo. Se utilizan en multitud de procesos industriales y sus ventajas más apreciables son las siguientes: El fluido de trabajo (aire) es fácil de obtener y manipular Dicho fluido es muy fácil de transportar, a través de tuberías. Los circuitos son muy sencillos de automatizar El coste de la instalación es barato en comparación con otros tipos de sistemas. Los sistemas de aire comprimido también se utilizan en objetos que forman parte de nuestra vida cotidiana: el sistema de apertura de las puertas de los autobuses, los frenos de los camiones, las pistolas de pintar, los martillos neumáticos utilizados en las obras públicas, etc. Todos ellos emplean el aire comprimido como medio por el que se transmite la energía necesaria para desplazar algún cuerpo. A2.- Energía neumática La energía neumática es la que proporciona la presión producida por el aire comprimido. El aire es un gas y, como tal, se puede comprimir y reducir el volumen que ocupa. La energía que se acumula en el aire comprimido se denomina energía neumática, y se emplea para transmitir pequeños esfuerzos y para producir movimiento. (Ver nota 1) A3.- Principios físicos de los sistemas neumáticos A.3.1.- Principio de Pascal Cualquier fluido sometido a presión distribuye dicha presión a lo largo de todo el fluido, sin direcciones preferentes p1 = p2 Es decir, si tenemos aire a presión, este tratará de expandirse en aquel lugar donde pueda hacerlo. La mayoría de las instalaciones neumáticas trabajan a presiones entre 6 y 8 kp/cm2 TECNOLOGÍA INDUSTRIAL I 3
A.3.2.- Presión Se denomina presión a la fuerza aplicada por unidad de superficie p = F/ S A.3.2.1.- Unidades de presión En el Sistema Internacional es el pascal (Pa): 1 Pascal (Pa)= 1 newton (N)/ 1 metro 2 (m 2 ) Como el pascal es una unidad muy pequeña si se compara con las presiones que se utilizan habitualmente en neumática, se suele trabajar con una unidad llamada bar. La equivalencia es: 1 bar = 10 5 Pa En neumática, se suele trabajar con otras unidades que no pertenecen al Sistema Internacional y que es importante reconocer: Kilopondio por centímetro cuadrado (kp/cm2). El kilopondio es una unidad de fuerza equivalente a 9,8 N. Atmósfera (atm). Equivale a la presión atmosférica medida a nivel del mar. La presión atmosférica se define como la presión que ejerce, por unidad de superficie, el peso de la columna de aire situada entre dicha superficie y la última capa de la atmósfera A.3.2.2.- La equivalencia entre las principales unidades es la siguiente: A efectos prácticos se pueden considera equivalentes entre sí: 1 bar ~ 1 atm ~ 1 kp/cm2 Para medir la presión a la que se encuentran sometidos los fluidos encerrados en un recipiente se utiliza el manómetro. A.4.- Elementos de los circuitos neumáticos e hidráulicos Los circuitos neumáticos e hidráulicos comparten elementos similares en cuanto a la función que desempeñan en el conjunto: Elemento generador de la energía. En el circuito en neumático es el compresor y en el hidráulico es la bomba Elementos de transporte. Tanto en los circuitos neumáticos como en los hidráulicos son las tuberías por las que circula el aire y el aceite respectivamente. Son las encargadas de unir los distintos dispositivos del circuito. Actuadores. Son los encargados de transforman la energía recibida en otro tipo de energía. En ambos circuitos, neumático e hidráulico, el actuador principal es el cilindro, TECNOLOGÍA INDUSTRIAL I 4
que desplaza linealmente un émbolo y vástago. Elementos de mando y control. Las válvulas son los elementos que permiten o impiden la circulación de fluido por el circuito. A.5.- Producción de energía neumática A.5.1. Unidad de mantenimiento La unidad de mantenimiento es la instalación encargada de preparar el aire comprimido que consumen los dispositivos neumáticos. Los dispositivos que componen una instalación neumática deben recibir el aire comprimido libre de impurezas y con una presión uniforme. Además muchos de estos dispositivos tienen elementos móviles que necesitan ser lubricados. La unidad de mantenimiento está formada por el filtro, el regulador y el lubricador. El filtro. La función del filtro consiste en liberar el aire comprimido de todas las impurezas y del vapor de agua que lleva en suspensión. El regulador. El regulador es una válvula cuya misión es mantener constante la presión de trabajo del aire. El lubricador. El lubricador añade al aire comprimido aceite en suspensión, que es arrastrado hasta los elementos móviles de los dispositivos neumáticos, los cuales son lubricados al quedar recubiertos por una fina capa de aceite, lo que disminuye la fricción y reduce el desgaste que sufre estos elementos. A.5.2.- Compresor Un compresor es una máquina capaz de transformar diferentes tipos de energía en energía neumática. TECNOLOGÍA INDUSTRIAL I 5
Los compresores aprovechan diversas fuentes de energía (electricidad, energía de motores de combustión interna) para producir aire comprimido. Los compresores toman el aire del exterior a través de un conducto en cuyo interior se encuentra un filtro donde quedan atrapadas las impurezas que contenga el aire. Este aire se comprime en la cámara de compresión y se envía a un depósito. Éste lo almacena para suministrarlo a la instalación cuando es requerido. Se dispone de un preostato cuya misión es mantener la presión del depósito dentro de los márgenes adecuados. El depósito dispone también de una válvula de seguridad que se abre en caso de sobrepresiones. A.5.2.1.- Tipos de compresores En función de la forma de comprimir el aire, los compresores pueden ser: Alternativos. Funcionan mediante un mecanismo de biela-manivela que desplaza un émbolo dentro de un cilindro con un movimiento de aspiración y otro de compresión. COMPRESOR ALERNATIVO Rotativos. En su interior va colocado excéntricamente un rotor con ranuras en las que se alojan paletas. Estas paletas salen de las ranuras impulsadas por la fuerza centrífuga del giro del rotor y se adaptan a las paredes del cilindro. Dichas paletas toman pequeños cámaras de aire y, conforme las paletas van girando, comprimen el aire a la salida. A.6.- Elementos de trabajo: Cilindros Los cilindros son los actuadores más utilizados en neumática. Básicamente consiste en una cámara con forma de cilindro hueco por la que se mueve un pistón o émbolo. En función del tipo de COMPRESOR ROTATIVO cilindro la cámara dispone de uno o dos orificios de entrada y salida de aire. Por ellos puede introducirse el aire a presión, el cual empuja el pistón provocando su avance o retroceso. Para garantizar el cierre hermético entre el émbolo y las paredes del cilindro, se utilizan juntas de goma denominadas juntas de estanqueidad. TECNOLOGÍA INDUSTRIAL I 6
A.6.1.-Tipos de cilindros De simple efecto. Solo realiza trabajo en su carrera de avance, el retorno lo realiza por la oposición de un muelle. Al introducirse aire comprimido, el émbolo se desplaza y el vástago sale al exterior. Al cesar la presión, el émbolo retorna a la posición inicial impulsado por el muelle De doble efecto. Realiza trabajo en su carrera de salida o avance y en su carrera de retorno. Los cilindros de doble efecto son similares a los de simple efecto, pero carecen de muelle de recuperación y permiten carreras EFECTO SIMPLE DOBLE EFECTO mayores. Cuando el aire comprimido entra por la tapa posterior, desplaza el émbolo y hace salir el vástago. Al introducirse aire por la toma de la tapa delantera, el émbolo retorna a la posición inicial. A.7.- Elementos de mando: Válvulas En un circuito neumático, las válvulas son los dispositivos de mando que sirven para dirigir y controlar la circulación del aire comprimido. Según la función que realicen, las válvulas pueden ser: distribuidoras o de vías, de bloqueo y de flujo A.7.1.- Válvulas distribuidoras o de vías. Las válvulas distribuidoras dirigen el aire comprimido hacia los elementos de trabajo. Según la posición que ocupan fuerzan al aire a discurrir en una u otra dirección. Las principales características de una válvula distribuidora son el número de posiciones que pueden ocupar, el número de vías (orificios) que tienen y el tipo de accionamiento. Las posiciones se representan mediante cuadrados adyacentes. Las válvulas se nombran mediante dos números separados por una barra: el primero indica el número de vías y el segundo, el número de posiciones. Dentro de cada cuadrado se dibujan las líneas que indican el sentido de flujo del aire mediante flechas y los cierres de paso mediante símbolos en forma de T. Los conductos de escape se representan con un triángulo. La válvula pone en contacto las líneas de presión (P) y retorno (R) con las líneas de trabajo (A, B...) En función de la posición que ocupe la válvula, el aceite circulará según el sentido que indiquen las líneas y las flechas. La posición que ocupa una válvula depende del accionamiento. El accionamiento de una válvula se efectúa mediante dispositivos manuales, mecánicos, neumáticos o eléctricos. TECNOLOGÍA INDUSTRIAL I 7
(Ver nota 2) TIPOS DE VÁLVULAS A.7.1.1.- Aplicaciones de las válvulas distribuidoras Control de un cilindro de simple efecto. Al cilindro le llega un solo conducto ya que solo tiene una cámara. Se utiliza una válvula de tres vías y dos posiciones. Control de un cilindro de doble efecto. En este caso, el cilindro tiene dos cámaras; por los tanto le llegan dos conductos. Se utiliza una válvula de cuadro vías y dos posiciones. La válvula actúa de modo que al mismo tiempo que llena una cámara, vacía la otra. A.7.2.- Válvulas de bloqueo Las válvulas de bloque cortan el paso del aire comprimido en un sentido y lo permiten en el sentido contrario. VÁLVULA SIMULTANEIDAD Y SÍMBOLO A.7.2.1. Tipos de válvulas de bloqueo Válvulas antirretorno. Funcionan desplazando el dispositivo de cierre, que vence la resistencia de un muelle. Al cesar la fuerza, el dispositivo de cierre vuelve a impedir el paso del aire. Válvulas selectoras módulo O. Tienen dos entradas y una salida. Al recibir aire por una entrada, ele elemento móvil de su interior se desplaza, cierra la otra y el aire pasa a la salida. Si reciben aire por las entradas al mismo tiempo, también existe salida de aire. TECNOLOGÍA INDUSTRIAL I 8
Válvulas de simultaneidad módulo Y. Tiene dos entradas de aire, X e Y, y una vía de utilización A. Hay aire con presión en A solo cuando ambas entradas reciben aire comprimido. Si solo llega aire a una de ellas, el paso de aire a A queda bloqueado VÁLVULA SELECTORA Y SÍMBOLO (Ver nota 3) A.7.3.- Válvulas de flujo Las válvulas de flujo o reguladoras de caudal controlan la cantidad de aire comprimido que circula. Este tipo de válvulas, que también se conocen con el nombre de válvulas de estrangulación, permiten regular la velocidad de los cilindros. (Ver nota 4) B.1.- INTRODUCCIÓN A LA OLEOHIDRÁULICA O HIDRÁULICA La oleohidráulica se basa en la utilización de aceite como medio de transmisión de la energía. B.1.1.- Las principales diferencias entre estas dos técnicas son las siguientes: La fuerza máxima que se puede obtener con cilindros de aire comprimido es de unos 30.000 N, mientras que con VÁLVULA REGULADORA DE FLUJO Las aplicaciones de la oleohidráulica son muy amplias: máquinas herramienta, prensas, maquinaria agrícola, maquinaria de obras públicas, grúas, atracciones de feria, y en general todos aquellos artefactos donde se necesite aplicar una gran fuerza. Si se compara la oleohidráulica con la neumática, se puede observar que ambas son muy similares en muchos aspectos, tales como el empleo de un fluido como elemento de transmisión; sin embargo existen algunas diferencias: la neumática emplea aire, que es compresible; la oleohidráulica emplea aceite, que es incompresible. TECNOLOGÍA INDUSTRIAL I 9
aceite se pueden alcanzar valores mucho mayores, que solo vienen limitados por la resistencia del material del cilindro. Cuando se trabaja con aceite es necesario disponer de un depósito y de tuberías de retorno, mientras que con aire el retorno puede arrojarse directamente a la atmósfera. Para elevar la presión del aceite se usa una bomba mientras que para elevar la presión del aire se usa un compresor. B.1.1.1.- Ventajas de la neumática sobre la oleohidráulica: Presenta una mayor facilidad de instalación. Los componentes son más económicos. Los movimientos se realizan de forma más rápida. Las pequeñas pérdidas que puedan aparecer en tuberías y órganos de trabajo carecen de importancia, ya que el aire no mancha. Las instalaciones son poco sensibles a los cambios de temperatura. B.1.1.2.- Ventajas de la oleohidráulica sobre la neumática: Prácticamente no existen límite en la fuerza que se puede obtener en los elementos de trabajo. El coste energético es menor. Como el aceite no es compresible, se puede controlar la posición y velocidad de los elementos de trabajo con mucha más facilidad y exactitud que en neumática. En general es más silenciosa que la neumática, ya que los escapes de aire son muy ruidosos. Nota 1: El concepto de fluido engloba tanto a los líquidos como a los gases, ya que, en ambos estados, las sustancias pueden fluir. Los fluidos no tienen forma propia, sino que adoptan la del recipiente que los contiene. Nota 2: Se considera como posición de reposo de una válvula la que representa el recuadro derecho de su símbolo. Nota 3: La válvula selectora y la de simultaneidad son las gemelas de las puertas OR y AND en electrónica digital y su funcionamiento es bastante similar. Nota 4: Existe una simbología neumática para diseñar los circuitos, aunque muchos símbolos han sido ya indicados al hablar de cada elemento, para una visión más general podemos consultar cualquier página de neumática en la red como por ejemplo http://neumaticostecsd.wordpress.com/simbologia-neumatica/ TECNOLOGÍA INDUSTRIAL I 10