TECNOLOGÍA 4º ESO. NEUMÁTICA E HIDRÁULICA. Los fluidos a presión.

TECNOLOGÍA 4º ESO. NEUMÁTICA E HIDRÁULICA. La neumática es la tecnología que emplea el aire comprimido como fuente de energía y la hidráulica la que emplea un líquido, generalmente agua o aceite (hoy en día se utiliza el aceite en buena parte de aplicaciones industriales, ya que produce menor corrosión sobre los conductos y además se puede utilizar como refrigerante). Ambas tienen mucho en común puesto que tanto los gases como los líquidos son fluidos y la esencia de la generación y transmisión de energía es muy semejante en ambos casos. La Neumática es apropiada para fuerzas inferiores a 3 toneladas aunque se usa para menores de 1,2 toneladas. con desplazamientos rápidos. Abarcando procesos de control de calidad, etiquetado, embalaje, etc. La Hidráulica es apropiada para grandes esfuerzos y permite control exacto de velocidad y parada. Usada en industria metalúrgica, máquinas-herramientas, prensas, etc. Los circuitos neumáticos e hidráulicos se suelen utilizar en aplicaciones que requieren movimientos lineales y grandes fuerzas. Como: Maquinaria de gran potencia (excavadoras y perforadoras de túneles) que emplean fundamentalmente circuitos hidráulicos. Producción industrial automatizada. Se emplean circuitos neumáticos o hidráulicos. Accionamientos de robot. Para producir el movimiento de las articulaciones de un robot industrial y de las atracciones de feria, se emplean principalmente sistemas neumáticos. Máquinas y herramientas de aire comprimido. Como el martillo neumático o máquinas para pintar a pistola, son ejemplos del uso de la neumática. Los fluidos a presión. Según la teoría cinética toda la materia, desde un papel a una gota de agua, está formada por partículas (átomos o moléculas) en continuo movimiento. Las partículas que constituyen un gas se encuentran bastante alejadas entre sí y se mueven desordenadamente en todas direcciones. Tienden siempre a expandirse, por lo que se dice que un gas no tiene volumen ni forma propia, sino que adquiere los del recipiente que los contiene. Por esta razón, los gases se pueden comprimir y expandir fácilmente sin más que modificar el volumen del recipiente. En los líquidos, las partículas se hallan menos separadas que en los gases y las fuerzas atractivas entre ellas son lo suficientemente intensas para impedir que se separen, deslizándose unas sobre otras. Los líquidos tienen volumen propio pero su forma se adapta a la del recipiente que los contiene. Por tanto, no se pueden comprimir, se dice que son incompresibles. Un fluido almacenado en un recipiente ejercerá una fuerza sobre las paredes del mismo. La fuerza ejercida por unidad de superficie se denomina Presión. P = F/S La unidad de presión en el sistema internacional es el Pascal (Pa) que equivale a N/m 2. También se emplean otras unidades como atmósfera, bar, mm Hg, kgf/cm 2. 1

1 atm = 101.300 Pa. 1 bar = 100.000 Pa. 1 atm = 760 mm Hg. 1kgf/cm 2 = 98.000 Pa. La presión hidrostática es la parte de la presión debida al peso de un fluido en reposo. En un fluido en reposo la única presión existente es la presión hidrostática, en un fluido en movimiento además puede aparecer una presión hidrodinámica adicional relacionada con la velocidad del fluido. La presión que sufren los cuerpos sumergidos en un líquido o fluido por el simple y sencillo hecho de sumergirse dentro de este se define por la fórmula: P = dgh Esta presión depende de la densidad del líquido en cuestión y de la altura a la que esté sumergido el cuerpo, donde, usando unidades del SI, P es la presión hidrostática (en Pascales); d es la densidad del líquido (kg/m 3 ); g es la aceleración de la gravedad ( 9,8 m/s 2 ); h es la altura del fluido (en metros). Un líquido en equilibrio ejerce fuerzas perpendiculares sobre cualquier superficie sumergida en su interior. Principio de Pascal La propagación constituye un principio fundamental de la mecánica de fluidos llamado principio de Pascal: La presión ejercida sobre un fluido se transmite por igual en todas sus direcciones y tiene el mismo valor en todos sus puntos. P 1 = P 2. Una aplicación técnica inmediata de este principio es una prensa hidráulica, que consiste en dos plataformas de distinto tamaño sostenidas sobre un líquido. Para que la 2

presión se mantenga uniforme en todos los puntos del fluido se tiene que cumplir la igualdad: F 1 / S 1 = F 2 /S 2 Al ejercer una fuerza F1 sobre la plataforma pequeña, el fluido la multiplicará por un valor igual a la relación entre las superficies, por lo que obtendremos un valor grande de F2. Caudal y potencia. Caudal: es la cantidad de fluido que atraviesa la unidad de superficie en la unidad de tiempo. Caudal = Volumen / tiempo (m 3 /s) Q= V/t = S.l/t = S. v = Sección * velocidad Siendo el volumen de una tubería, superficie (sección) (S) por longitud (l) y considerando que la velocidad (v) se expresa en m/s. Potencia: es la presión que ejercemos multiplicada por el caudal. W (potencia) = Presión * Caudal CIRCUITOS NEUMÁTICOS. Los circuitos neumáticos utilizan aire sometido a presión como medio para la transmisión de una fuerza. El aire se toma directamente de la atmósfera y se deja salir libremente al final del circuito, habitualmente través de un silenciador, pues de lo contrario resultan muy ruidosos. La distancia desde el depósito hasta el final del circuito puede ser de decenas de metros. El aire comprimido que se emplea en la industria procede del exterior. Se comprime hasta alcanzar una presión de unos 6 bares aproximadamente, con respecto a la atmosférica (presión relativa). Presión absoluta = P. atmosférica + P. relativa Presión absoluta, relativa y atmosférica Los manómetros indican el valor de presión relativa que estamos utilizando o presión de trabajo. Para su estudio se considera como un gas perfecto. Las ventajas que podemos destacar del aire comprimido son: Es abundante (disponible de manera ilimitada). Transportable (fácilmente transportable, además los conductos de retorno son innecesarios). Se puede almacenar (permite el almacenamiento en depósitos). 3

Resistente a las variaciones de temperatura. Es seguro, antideflagrante (no existe peligro de explosión ni incendio). Limpio (lo que es importante para industrias como las químicas, alimentarias, textiles, etc.). Los elementos que constituyen un sistema neumático, son simples y de fácil comprensión). La velocidad de trabajo es alta. Tanto la velocidad como las fuerzas son regulables de una manera continua. La neumática resulta útil para esfuerzos que requieran precisión y velocidad. Aguanta bien las sobrecargas (no existen riesgos de sobrecarga, ya que cuando ésta existe, el elemento de trabajo simplemente para sin daño alguno). Las mayores desventajas que posee frente a otros tipos de fuente de energía, son: Necesita de preparación antes de su utilización (eliminación de impurezas y humedad). Debido a la compresibilidad del aire, no permite velocidades de los elementos de trabajo regular y constante. Los esfuerzos de trabajo son limitados (de 20 a 30000 N). Es ruidoso, debido a los escapes de aire después de su utilización. Es costoso. Es una energía cara, que en cierto punto es compensada por el buen rendimiento y la facilidad de implantación. La composición aproximada del aire en volumen es: N 2 => 78,084%; O 2 => 20,9476%; CO 2 => 0,0314%; Ne => 0,00181%; He => 0,000524%; CH 4 => 0,0002%; SH 4 => de 0 a 0,0001%; H 2 => 0,00005% y una serie de componentes minoritarios (Kr, Xe, O 3 ) => 0,0002%. Fundamentos físicos. Las relaciones matemáticas utilizadas para presiones del aire inferior a los 12 bares, son las correspondientes a las de los gases perfectos. La ley de los gases perfectos relaciona tres magnitudes, presión (P), volumen (V) y temperatura (T), mediante la siguiente fórmula: P * V =m * R * T Donde: P = presión (N/m 2 ). V = volumen especifico (m 3 /kg). m = masa (kg). R = constante del aire (R = 286,9 J/kgºk). T = temperatura en grados kelvin (ºk) ºk = ºC (Celsius o centígrados) + 273 Las tres magnitudes (P, V, T) pueden variar. Si mantenemos constante la temperatura tenemos: P * V = cte. Luego en dos estados distintos tendremos: 4

P 1 * V 1 = P 2 * V 2 P 1 / P 2 = V 2 /V 1 De manera que cuando modificamos la presión de un recipiente que contiene aire comprimido, se ve modificado el volumen y a la inversa si modificamos su volumen se ve modificada la presión a la que se encuentra, a esta ley se la conoce como ley de Boyle- Mariotte. Si ahora mantenemos la presión constante tenemos. V/T = cte. Luego en dos estados distintos tendremos: V1/T1 = V2/T2 Ahora cuando modificamos el volumen se ve modificada la temperatura y a la inversa una variación de la temperatura hace que varíe el volumen, a esta ley se la conoce como ley de Gay- Lussac. Si ahora mantenemos el volumen constante tenemos. P/T = cte. Luego en dos estados distintos tendremos: P1/T1 = P2/T2 En este caso cuando modificamos la presión se ve modificada la temperatura y a la inversa una variación de la temperatura hace que varíe la presión, y esta es la ley de Charles. Elementos básicos de un circuito neumático. Los circuitos oleohidráulicos necesitan de un tanque donde retornar el fluido. Con el objeto de simplificar el estudio nos ceñiremos a los elementos neumáticos. Los elementos básicos de un circuito neumático son: El generador de aire comprimido, es el dispositivo que comprime el aire de la atmósfera hasta que alcanza la presión de funcionamiento de la instalación. Generalmente se asocia con un tanque donde se almacena el aire para su posterior utilización. Las tuberías y los conductos, a través de los que se canaliza el aire para que llegue a todos los elementos. Los actuadores, como cilindros y motores, que son los encargados de transformar la presión del aire en trabajo útil. Los elementos de mando y control, como las válvulas distribuidoras, se encargan de permitir o no el paso del aire según las condiciones preestablecidas. Los paralelismos entre el circuito eléctrico y el neumático son grandes, puesto que los componentes en uno y en los otros son básicamente los mismos, como se puede apreciar en la siguiente tabla: 5

Componente genérico Circuito eléctrico Circuito neumático Circuito hidráulico Generador Alternador, batería Compresor Bomba Conductor Cable eléctrico Conducto de aire Tubería Elemento de Interruptor, control conmutador, pulsador Válvula Receptor Lámpara, motor, resistencia Cilindro, motor neumático Auxiliar Transformador Unidad de mantenimiento Instrumento de medida Polímetro Manómetro, caudalímetro. Producción y distribución del aire comprimido. Para la producción se utilizan los compresores. Estos se pueden clasificar en dos tipos, de émbolo o rotativos. Compresores de émbolo, son los más utilizados debido a su flexibilidad de funcionamiento. El funcionamiento de este tipo de compresores es muy parecido al del motor de un automóvil. Un eje, mediante una biela y una manivela produce el movimiento alternativo de un pistón. Al bajar el pistón se introduce el aire. Cuando ha bajado totalmente se cierra la válvula de admisión y comienza a subir el pistón y con ello la compresión del aire. Cuando este aire se ha comprimido hasta el máximo, la válvula de escape se abre y sale el aire a presión. Generalmente con una sola etapa se obtiene poca presión por lo que suelen concatenarse varias etapas para obtener mayores presiones. Compresores rotativos, consiguen aumentar la presión mediante el giro de un rotor. El aire se aspira y se comprime en la cámara de compresión gracias a la disminución del volumen que ocupa el aire. Los hay de paletas, de tornillo, roots y el turbocompresor. 6

La mayor parte de los compresores suministran un caudal discontinuo de aire, de manera que se debe almacenar en un depósito. El depósito a demás sirve para evitar que los compresores estén en funcionamiento constantemente, incluso cuando no se necesita gran caudal de aire, también ayudan a enfriar el aire. Los depósitos generalmente disponen de manómetro que indica la presión interior, una válvula de seguridad que se dispara en caso de sobrepresiones y una espita para el desagüe de las condensaciones que se producen en el interior del depósito. Funciones: - almacén de aire. - estabiliza el caudal a continuo (sobre todo en compresores alternativos). - disipa el calor. - precipita el vapor de agua y partículas. Símbolo del compresor. Símbolo del depósito. Generalmente entre el depósito y el circuito se suele incluir una unidad de mantenimiento que cuenta con un regulador de presión, un filtro y un lubricador de aire. Recibe el nombre de FRL, está formada por un filtro, regulador de presión y lubricador, además de un manómetro todo en bloque. Símbolo de la unidad de mantenimiento Para transportar el aire es necesario utilizar conductores. Los conductores utilizados son tuberías metálicas o de polietileno de presión. El diámetro de las tuberías depende de las necesidades de caudal que requiere la instalación, teniendo en cuenta la caída de presión producida por las pérdidas y la longitud de las tuberías. 7

Los actuadores. Los actuadores se pueden clasificar en dos tipos lineales y rotativos. Entre los actuadores lineales destacan los cilindros. Los cilindros se emplean cuando se desea un movimiento rectilíneo alternativo. Pueden utilizarse para desplazar objetos, para mover brazos de robots, etc. Los más conocidos son los de simple efecto y los de doble efecto. Cilindro de simple efecto: se trata de un tubo cilíndrico cerrado dentro del cual hay un émbolo unido a un vástago que se desplaza unido a él. Por un extremo hay un orificio para entrar o salir el aire y en el otro está albergado un muelle que facilita el retorno del vástago. Este tipo de cilindro trabaja en un solo sentido, cuando el aire entra en él. El retroceso y desalojo del aire se produce por la fuerza del melle que está albergado en el interior del cilindro. La fuerza de empuje que realiza hacia fuera el vástago corresponde con la fórmula. Fuerza = Presión del aire * Superficie del émbolo Fuerza del muelle. Cilindro de simple efecto retorno por muelle. Símbolo cilindro de simple efecto. Cilindro de doble efecto: se trata de un tubo cilíndrico cerrado con un diseño muy parecido al cilindro de simple efecto, pero sin el muelle de retorno, el retorno se hace por medio de otra entrada de aire. Este tipo de cilindro trabaja en los dos sentidos, cuando el aire entra en él produce fuerza y desaloja el aire que está en el otro compartimento. El retroceso y desalojo del aire se produce cuando el aire entra por el otro orificio. La fuerza de empuje que realiza hacia fuera el vástago corresponde con la fórmula. Fuerza = Presión del aire * Superficie del émbolo La fuerza de empuje de retroceso que realiza hacia dentro el vástago corresponde con la fórmula. Fuerza = Presión del aire * (Superficie del émbolo Superficie del vástago) De manera que la fuerza que podemos obtener de retorno es menor que la de empuje hacia fuera. Cilindro de doble efecto Símbolo del cilindro de doble efecto 8

Elementos de mando o de control: válvulas. Con el objeto de controlar la circulación del aire en una dirección u otra se necesitan elementos demando y control. Algunos de estos se describen a continuación. Se distinguen tres tipos: - Válvulas de control de dirección o distribuidoras - Válvulas de control de caudal - Válvulas de control de presión Válvulas Distribuidoras. Las válvulas distribuidoras, que son las que deciden sobre la dirección del movimiento del fluido; su función es similar a los interruptores y conmutadores eléctricos aunque con más posibilidades de regulación. Al cambiar de posición las válvulas distribuidoras deciden en qué dirección se va a desplazar el fluido o incluso pueden interrumpir su circulación, por lo que actúan al mismo tiempo como un interruptor y como un conmutador eléctrico, con la posibilidad además de actuar no sólo entre dos o tres puntos sino a veces entre más. Las características que definen a una válvula distribuidora son: El número de vías o puntos que pone en contacto. El número de posiciones que puede adoptar. El modo de accionamiento que puede ser manual o automático. El modo de retorno a su posición anterior, que puede ser automático o no. Se encargan de interrumpir, dejar pasar o desviar el aire comprimido. Se nombran mediante 2 cifras: la primera indica el número de vías y orificios y la segunda el número de posiciones de trabajo. Se representan mediante cuadrados. La cantidad de cuadrados yuxtapuestos indica la cantidad de posiciones de trabajo de la válvula. En el caso de la válvula de 2 posiciones el cuadrado de la derecha corresponde siempre a la posición de reposo de la válvula. Las vías de la válvula se representan por un trazo continuo en la parte superior e inferior de la posición de reposo. Una válvula 2/2 se limitará a permitir o impedir el paso del fluido entre dos puntos, como si fuera un interruptor eléctrico. El sentido de circulación del aire se representa en el interior de los cuadrados: Circulación o cierre. Circulación cierre Dos posiciones dos vías 9

La válvula 3/2, por su parte, comunicará a un punto con otro dejando incomunicado a un tercero, al igual que un conmutador eléctrico. Tanto la válvula que aparece dibujada como ejemplo como la anterior serían normalmente cerradas, puesto que la vía 1, que se supone que es la que recibe el fluido, está cortada mientras la válvula no cambie de posición. Las válvulas distribuidoras se dibujan en su posición original de reposo; cuando es accionada desde la izquierda o desde la derecha, se desplazará en ese sentido cambiando a la otra posición. Podemos ver las dos posiciones posibles en la imagen; a la izquierda se muestra la válvula en reposo y a la derecha en el momento en que se actúa sobre ella y permite el paso del fluido entre 1 y 2. Válvula 5/2: Una de sus principales aplicaciones es controlar los cilindros de doble efecto. En estado de reposo, permite la circulación de aire entre los terminales 4 y 5, y entre 1 y 2, el terminal 3 está bloqueado. Cuando la activamos, permite la circulación de aire entre los terminales 1 y 4, y entre 2 y 3, ahora el terminal 5 se encuentra bloqueado. Dos tipos de válvula 4/2: Dispositivos de mando o accionamiento: son los causantes de las acciones externas que originan el paso de una válvula de una posición a otra. Los símbolos de los dispositivos de mando se añaden en la parte lateral de la válvula. 10

Las válvulas cuyo accionamiento no es manual (por pedal se considera también manual) se denominan pilotadas. Se habla de válvulas pilotadas mecánicamente, eléctricamente, neumáticamente o hidráulicamente. Una vez accionada, la válvula puede tener retorno automático, lo cual se representa mediante un muelle. En ese caso, en el momento en que dejemos de actuar sobre ella volverá a su posición inicial, como en el siguiente ejemplo. Válvula de 3/2 accionamiento manual y retorno por muelle. O bien puede tener otro tipo de retorno (manual, mecánico, eléctrico, etc.) en cuyo caso se mantendrá en su nueva posición hasta que sea de nuevo accionada. Válvula de 3/2 accionamiento neumático y retorno neumático Válvula de 5/2 accionamiento neumático y retorno neumático Válvulas especiales o de control. Válvula OR (O): Se trata de una válvula que implementa la función OR, esto es, cuando penetra el aire por cualquiera de sus entradas hace que este salga por la salida. Se utiliza para activar cilindros desde dos lugares distintos. También se la llama selectora. Símbolo válvula OR 11

Válvula AND (Y): Se trata de una válvula que implementa la función AND, esto es, sólo permite pasar el aire a la salida cuando hay aire con presión por las dos entradas a la vez. Se utiliza para hacer circuitos de seguridad, el cilindro sólo se activará cuando existe presión en las dos entradas. También se la llama de simultaneidad. Símbolo válvula de simultaneidad otro. Válvula antirretorno: permite el paso del aire en un sentido y lo impide en el Válvula estranguladora o regulador de caudal unidireccional: Se encarga de permitir el paso del aire libremente cuando circular desde el terminal 2 al 1. Mientras que estrangula el aire cuando circula desde el terminal 1 al 2. Se utiliza para hacer que los cilindros salgan o entren más lentamente. Válvula reguladora de caudal bidireccional: el aire es regulado cuando circula en cualquier sentido. 12

Diseño de circuitos neumáticos. Control de un cilindro de simple efecto. (Pulsador con enclavamiento) Control de un cilindro de doble efecto. (Pulsador con enclavamiento) 13

Cilindro de doble efecto con pulsador de avance y de retroceso. (Pulsadores con enclavamiento) La válvula estranguladora unidireccional de caudal se utiliza para hacer que el aire abandone al cilindro lentamente, y así hacer que el retroceso o el avance del vástago se realice lentamente. Cilindro de doble efecto con regulación de velocidad en el retroceso. 14

Cilindro de doble efecto con retorno automático por final de carrera. Cilindro de doble efecto con una puerta OR para el avance. 15

Cilindro de doble efecto con una puerta AND (Y) para el avance. 16

Descripción y funcionamiento de diferenres componentes neumáticos. Válvula reguladora de caudal unidireccional. La válvula reguladora de caudal unidireccional se compone de una válvula de estrangulación y de una válvula de antirretorno. La válvula de antirretorno impide el paso del aire en un determinado sentido. El caudal pasa entonces a través de la válvula de estrangulación. La sección de la estrangulación es regulable por medio de un tornillo. En el sentido opuesto, el caudal puede circular libremente a través de la válvula de antirretorno. Válvula selectora. La válvula selectora de circuito se basa en que el aire comprimido que entra por la conexión 1 o por la conexión 3, sale sólo por la conexión de salida 2 (función OR). Si ambas entradas recibieran aire comprimido a diferente presión, la salida sería la correspondiente a la presión más alta. Válvula de simultaneidad La válvula de simultaneidad se basa en que el aire comprimido debe entrar por ambas conexiones 1 y 3 para que salga por 2 (función AND). Si ambas entradas recibieran aire comprimido a diferente presión, la salida sería la correspondiente a la presión más baja. Válvula distribuidora de 3/2 vías con palanca de rodillo, normalmente cerrada, retorno por muelle. (Final de carrera) La válvula con palanca y rodillo se acciona presionando el rodillo, por ejemplo por medio de una leva unida al vástago de un cilindro. El caudal circula de 1 a 2. Una vez liberada la leva, la válvula regresa a su posición inicial por medio de un muelle de 17

retorno. La conexión 1 se cierra. En el modo simulación, la válvula puede conmutarse manualmente haciendo clic en el componente, con lo que no es indispensable que sea accionada por un cilindro. Temporizador neumático, normalmente cerrado. El Temporizador neumático abre el paso desde la conexión 1 hacia la conexión 2, permitiendo el paso de la presión de entrada transcurrido el tiempo de retardo ajustado previamente. Al interrumpirse la aplicación de presión en la conexión 2, vuelve a cerrarse el paso hacia la conexión 2. El tiempo de retardo vuelve a ponerse a cero automáticamente en 200 ms. La presión de entrada debe ser, como mínimo, de 160 kpa (1,6 bar). El tiempo de retardo se ajusta de modo continuo con el botón regulador. Fuente de aire comprimido. La alimentación de aire comprimido proporciona la fuente de energía neumática necesaria. Contiene una válvula reguladora de presión que puede regularse para suministrar la presión de funcionamiento deseada. Unidad de mantenimiento FRL. (Filtro, Regulador, Lubricador) Cilindro de doble efecto. El vástago de un cilindro de doble efecto se acciona por la aplicación alternativa de aire comprimido en la parte anterior y posterior del cilindro. El movimiento en los extremos es amortiguado por medio de estranguladores regulables. El émbolo del cilindro está provisto de un imán permanente que puede utilizarse para activar un sensor de proximidad. 18

Válvula de impulsos neumáticos (pilotada) distribuidora de 5/2 vías La válvula neumática de impulsos se controla aplicando alternativamente señal de pilotaje en la conexión 14 (el caudal circula de 1 a 4) o en la conexión 12 (el caudal circula de 1 a 2). La posición de la válvula se mantiene hasta que aparece una señal opuesta a la última. 14 4 2 12 5 1 3 Válvula distribuidora de 3/2 vías con selector o pulsador de seta, normalmente cerrada, retorno muelle. Al presionar el pulsador se acciona la válvula. El caudal circula libremente desde 1 a 2. Liberando el pulsador, la válvula regresa a su posición de partida por el muelle de retorno. La conexión 1 se cierra. Válvula distribuidora de 3/2 vías con selector o pulsador de seta y con enclavcamiento, normalmente cerrada, retorno por muelle. Al presionar el pulsador rojo (seta) se acciona la válvula. El caudal circula libremente de 1 a 2. Al soltar el pulsador no se produce efecto alguno; la válvula permanece en posición de accionamiento. Girando el pulsador de seta hacia la derecha provoca el desenclavamiento de la válvula, que regresa a su posición inicial por efecto de un muelle de retorno. La conexión 1 se cierra. 19