Neumática y oleohidráulica CIRCUITOS NEUMÁTICOS Los circuitos neumáticos utilizan el aire sometido a presión como medio de transmisión de una fuerza. El aire se toma directamente de la atmósfera y se deja salir libremente al final del circuito. La neumática resulta útil para esfuerzos que requieran cierta precisión y velocidad, como o sistemas automáticos, herramientas neumáticas. Un circuito neumático consta, básicamente, de un compresor, el depósito donde acumular el aire a presión, la unidad de mantenimiento, elementos de control y actuadores. La distancia desde el depósito hasta el final del circuito puede ser de decenas de metros. CIRCUITOS HIDRÁULICOS En los circuitos hidráulicos el fluido es un líquido, capaz de transmitir presión a lo largo de un circuito. Habitualmente se emplea aceite industrial, por esa razón se usa el término circuito oleohidráulico. A diferencia de los neumáticos, los circuitos hidráulicos son cerrados, es decir, el líquido retorna al depósito después de realizar un trabajo. 1
PRINCIPIOS BÁSICOS DE NEUMÁTICA E HIDRÁULICA 1. PRESIÓN (P) Es el cociente entre el valor de la fuerza (F) aplicada sobre una superficie y el área (S) de ésta. P = F / S La unidad de presión en el Sistema Internacional (SI), es el pascal (N/m 2 ). Como el pascal es una unidad muy pequeña, empleamos otras unidades: 1 atmósfera = 1 Kp/cm2= 760 mm Hg = 1,013 bares = 1,013 Kg/cm2 = 1,013 10 5 Pascales (N/m 2 ). En la práctica para simplificar podemos poner: 1 atm = 1 Kp/cm 2 =1 bar = 10 5 Pa 3. Ley de Boyle-Mariotte En un fluido, si no varía la temperatura, el producto del volumen por la presión es constante. P 1 V 1 = P 2 V 2 5. Principio de Pascal Un fluido ejerce la misma fuerza en cada uno de los puntos del recipiente donde está encerrado. Este principio se aplica en las prensas hidráulicas. P 1 = P 2 F1 = F2 S1 S2 2. CAUDAL (Q) Es el volumen (V) que atraviesa una sección (S) de un conductor por unidad de tiempo (t). Q = V/t El volumen de un fluido en un conducto es igual a: Volumen (V) = Sección (S) Longitud (L) La velocidad se define como: Velocidad (v) = Longitud (L) / Tiempo (t) V= S L v = L/t Sustituyendo en la fórmula del caudal, podemos deducir la expresión: Q = V/t = S L/t = S.v 4. Presión absoluta y relativa La presión absoluta (a la que está sometida el aire) es igual a la presión relativa (manómetro) más la presión atmosférica (barómetro) P abs = P rel + P atm Ejercicio 1: Un fluido ejerce una presión de 500.000 N/m 2 sobre una superficie de 0,001 m 2. Halla la fuerza que ejerce el fluido sobre la superficie. (Sol=500 N) Ejercicio 2: Una determinada cantidad de aire ocupa 2 m 3 de volumen a una presión de 700.000 N/m 2 y temperatura ambiente. Determina el volumen que ocupa a 1 bar de presión. (Sol=14 m 3 ) Ejercicio 3: Halla la fuerza (N) que ejerce un fluido a 20 kp/cm 2 de presión sobre una superficie circular de 200 mm de diámetro. (Sol=61.544 N) Ejercicio 4: Halla el caudal que circula por un tubo de 2 cm de diámetro si la velocidad del fluido es de 300 cm/s. (Sol=300 π cm 3 /s) 2
Ejercicio 5: Calcular el caudal que circula por un tubo de 0,01 m de diámetro si la velocidad del fluido es de 2 m/s. (sol: 0,01571 m 3 /s). Ejercicio 6: Calcular el valor de la fuerza desarrollada por una prensa hidráulica donde: F 1 = 1N; S 1 = 10 cm 2 y S 2 =1 m2. (sol: 1000 N). Realiza un dibujo aclaratorio. Ejercicio 7: En una prensa hidráulica, podemos realizar una fuerza máxima de 50 N. Si las secciones de los pistones son de 50 cm 2 y 200 cm 2. Cuál es la fuerza máxima que podemos obtener en el segundo pistón? (sol: 200 N). Realiza un dibujo aclaratorio. ELEMENTOS DE UN SISTEMA NEUMÁTICO MOTOCOMPRESOR Para instalaciones pequeñas se suele suministrar de forma conjunta el motor, el compresor, el depósito y la unidad de acondicionamiento de aire. En instalaciones industriales los elementos son: Motor: mueve el compresor (eléctrico o térmico). Compresor: comprime el aire (alternativo de pistón, rotativo de paletas, de tornillo, etc.) Filtro: retiene las impurezas del aire que entra en el sistema neumático. UNIDAD DE ACONDICIONAMIENTO Dispositivos encargados de tratar el aire para reducir los daños en el resto del circuito. Está formada por: un filtro, una válvula reguladora de presión y un lubricador. En la parte inferior vemos el símbolo de cada uno y arriba el símbolo simplificado. Deshumificador: extrae el agua condensada que lleva el aire. Lo hace a través de un purgador. Depósito: recoge el aire a presión que procede del compresor. Lleva un manómetro y cuando la presión es inferior a un nivel determinado se pone en marcha el compresor. Filtro: elimina las partículas de aire procedentes de la atmósfera o de secciones anteriores del circuito. Regulador de presión: válvula que ajusta la presión de salida al valor adecuado. La presión de trabajo en procesos industriales suele ser de unos 6 bares. Lubricador: elemento encargado de mezclar el aire con minúsculas gotas de aceite para minimizar los rozamientos de los elementos móviles. 3
VÁLVULAS. ELEMENTOS DE CONTROL Dispositivos de mando y control que distribuyen el aire comprimido hacia los elementos de actuación y controlan su funcionamiento. Constan de unos orificios a través de los cuales fluye el aire (vías) y un conjunto de elementos móviles sobre los que actuamos para cambiar su posición. Válvulas distribuidoras Se nombran por: 1º. El número de vías = rayitas. 2º. El número de posiciones = nº de cuadros Tipo de accionamiento en el avance y retroceso: manual, mecánico, eléctrico y neumático. Válvula 2/2 Válvula 3/2 Válvula 4/2 Válvula 5/2 Dirección y cierresde las válvulas Las flechas indican la dirección y sentido del flujo del aire. La vía está cerrada (no se permite el paso del aire). El triángulo indica la situación de un escape de aire a la atmósfera. Identificación de las vías de las válvulas Conexión a presión 1 Orificios fluido de trabajo 2, 4, 6... Orificios de salida (escapes) 3, 5, 7... Accionamiento de las válvulas MANUAL Manual Palanca Pulsador Pedal NEUMÁTICO Pilotaje neumático MECÁNICO Palpador Por rodillo Muelle Con bloqueo ELÉCTRICO Electroimán Ejemplo 1 Válvula 3/2, con accionamiento en avance por pulsador y retorno por muelle. Válvula antirretorno Permite el paso de aire en un sentido, y lo impide en el otro. El aire solo circulará hacia la derecha. Válvula de simultaneidad (AND) Se utiliza para hacer circuitos de seguridad. El cilindro sólo se activará si existe presión en las dos entradas. Ejemplo 2 Válvula 3/2, con accionamiento en avance por rodillo y retorno por muelle Válvula selectora (OR) Se emplea para controlar un cilindro desde dos posiciones diferentes Válvula reguladora de caudal unidireccional Permite el paso del aire libremente en un sentido (21) y lo estrangula en el otro (12). 4
ELEMENTOS DE ACTUACIÓN: CILINDROS Formados por una cámara en forma de cilindro hueco por donde se desplaza un émbolo o pistón, que lleva acoplado un vástago. De simple efecto: un orificio de entrada de aire, realiza la carrera de avance y el retorno lo hace mediante un muelle. La fuerza viene dada en el avance por: F = P S S=π D 2 /4 El aire a presión entra por un orificio del cilindro y desplaza al pistón, haciendo que el vástago se mueva y realice un trabajo. El recorrido del vástago hacia un lado y otro se llama carrera de avance y de retroceso. De doble efecto: Tiene dos tomas de aire comprimido y realiza trabajo en la carrera de avance y de retroceso. a) Fuerza de avance b) Fuerza de retroceso F a = P S a F r = P S r S a = π D 2 /4 S r = π (D 2 -d 2 ) /4 D = diámetro del pistón d = diámetro del vástago Ejercicio 9: Halla la fuerza que ejerce un cilindro de simple efecto de 5 cm de diámetro si la presión de trabajo es de 6 Kp/cm 2. Realiza un dibujo aclaratorio. Ejercicio 10: Halla la fuerza en newtons que ejerce un cilindro de simple efecto si la superficie del émbolo es de 19,63 cm 2, y trabaja a una presión de 6 kp/cm 2. (Sol: 1136,8 N) Ejercicio 11: Calcular la fuerza en newtons que ejerce en el avance y en retroceso un cilindro de doble efecto de 5 cm de diámetro del émbolo y 0,5 cm de diámetro de vástago, si la presión de trabajo es de 6 Kp/cm 2. (Sol: Fav=1.136,8 N y Fret=1.125,2 N). 5
Ejercicio 12: Un cilindro de doble efecto, de 10 cm de carrera, cuyo émbolo y vástago tienen 2 cm y 0,5 cm de diámetro, respectivamente, se conecta a una red de aire a presión de 7 Kp/cm 2. Calcula: a) El volumen de aire consumido en una hora si realiza 50 ciclos por hora. (Sol: 3040 cm 3 ) b) Las fuerzas ejercidas por el vástago en la carrera de avance y en la de retroceso. (Sol: Fav = 215,6 N y Fret = 201.8 N). SOLUCIÓN Fuerza de avance Fuerza de retroceso F a = P S a F r = P S r S a = π D 2 /4 S r = π (D-d) 2 /4 a) Volumen de aire consumido en 50 ciclos. (Un ciclo es una carrera de avance y de retroceso) o Sección de avance: S av = π D 2 /4 = 3.14 2 2 cm 2 / 4 = 3,14 cm 2 Volumen carrera de avance: V av = S av L carrera = 3.14 cm 2 10 cm = 31,4 cm 2 o Sección de retroceso: S ret = π (D - d) 2 /4 = 3.14 (2 2-0.5 2 ) cm 2 /4 = 2,94 cm 2 Volumen carrera de retroceso: V ret = S ret L carrera = 2,94 cm 2 10 cm =29,4 cm 2 o Volumen en 50 ciclos: V total = (V av + V ret ) nº ciclos= (31.4 + 29,4) 50 = 3040 cm 3 de aire b) Fuerzas ejercidas en el avance y en el retroceso o Fav = P Sav = 7 Kp/cm 2 3,14 cm 2 = 21,98 Kp = 21,98 Kp 9,81 N/Kp = 215,6 N o Fret = P Sret = 7 Kp/cm 2 2,94 cm 2 = 20,58 Kp = 20.58 Kp 9,81 N/Kp = 201,8 N Ejercicio 13: Un cilindro de doble efecto, de 20 cm de carrera, cuyo émbolo y vástago tienen 4 cm y 0,8 cm de diámetro, respectivamente, se conecta a una red de aire a presión de 6 Kp/cm 2. Calcula: a) El volumen de aire consumido en una hora si realiza 80 ciclos por hora. b) Las fuerzas ejercidas por el vástago en la carrera de avance y en la de retroceso. 6
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Ejercicio 14. Nombra correctamente las siguientes válvulas, indicando: nº de vías, nº de posiciones, modo de accionamiento en el avance retroceso. a) b) c) d) e) f) g) h) Ejercicio 15: Escribe el nombre completo de cada uno de los elementos del siguiente circuito neumático y explica su funcionamiento: 0: 0.1: 1.2: 1.3: 1.1: 1.02: 1.0: Funcionamiento: 8