Ya desde la antigüedad, el hombre ha sabido aprovechar las capacidades energéticas de los fluidos a presión. Algunos ejemplos de las primeras aplicaciones de dichos fluidos son el fuelle de mano para avivar el fuego en fundiciones o airear minas de extractos minerales, instrumentos musicales de viento, obras de riego en la antigua Mesopotamia, colectores de aguas negras en Babilonia...etc.
Existen dos ciencias que estudian los fluidos en equilibrio y en movimiento, ya sean gaseosos (Neumática) o líquidos (Hidráulica). Por tanto, podremos definirlas como aquellas tecnologías destinadas a aprovechar las capacidades energéticas de los fluidos a presión para obtener un trabajo útil y convertir los procesos manuales en automáticos o semiautomáticos.
Actualmente, los sistemas neumáticos e hidráulicos se encuentran difundidos por todos los ámbitos: riego de campos, instalaciones de agua potable y de desechos, en los vehículos de transporte, sistemas de aire acondicionado, etc. Sin embargo es en la industria donde nos interesa conocer cual ha sido su implantación. Los circuitos neumáticos e hidráulicos, son cada día más empleados en maquinaria de construcción (excavadoras, grúas...), medios de transporte, en sistemas de fabricación, ensamblaje y manipulación, sistemas robot izados o industrias de procesos continuos.
En esta unidad estudiaremos qué son los circuitos neumáticos e hidráulicos, los elementos que los componen, cómo funcionan y alguna de sus aplicaciones. Tanto la neumática como la Hidráulica trabajan según los mismos principios, presentando elementos comunes.
2.1.- Mecánica de Fluídos
La Mecánica de Fluidos es la parte de la Física que se ocupa del comportamiento de los fluidos en reposo o en movimiento, así como de las aplicaciones y de los mecanismos de ingeniería que utilizan fluidos. Dependiendo si los fluídos están en reposo o en movimiento podemos distinguir:
- Estática de Fluidos o Hidrostática: Se ocupa de los fluidos en reposo.
- Dinámica de Fluidos: trata de los fluidos en movimiento.
- Hidrodinámica: estudia el flujo de líquidos o de gases a baja velocidad (incompresibles).
- Aerodinámica: se ocupa del comportamiento de los gases a grandes velocidades y presiones (compresibles).
Se define Presión como el cociente entre el valor de la fuerza aplicada sobre una superficie y el área de esta. En el Sistema Internacional, la presión se mide en Pascales. Esta es una unidad extremadamente pequeña, por lo que a menudo resulta más útil usar otras unidades como el Bar, los Milímetros de Mercurio o la Atmósfera.
- Presión Atmosférica (Patm): Presión ejercida por el aire que rodea la Tierra. Se mide con un barómetro.
- Presión Hidrostática (Ph): Es la presión debida al peso de un fluido en reposo. Se define como la fuerza por unidad de área que ejerce un líquido en reposo sobre las paredes del recipiente que lo contiene y sobre cualquier cuerpo que se encuentre sumergido.
- Presión Absoluta (Pabs): Presión total en un punto. Matemáticamente, se expresa como la suma de la Presión atmosférica mas la Presión hidrostática
- Presión Relativa (Pr): Es la diferencia de presiones entre la presión absoluta y la presión atmosférica, y se mide con un manómetro. Esta presión es la usada en hidráulica y neumática.
La Neumática emplea normalmente aire comprimido hasta 6 bares de presión relativa como fluido de trabajo. El empleo de aire presenta una serie de ventajas, tales como:
- Muy abundante (disponible de manera ilimitada) y gratuito.
- Fácil de transportar y fácil de almacenar en depósitos.
- No contamina (puede liberarse directamente a la atmósfera, por lo que no se precisa circuito de retorno).
- Es seguro, ya que no existe peligro de explosión ni incendio.
- Resistente a las variaciones de temperatura.
- Altas velocidades de trabajo.
- Fácil regulación de la velocidad y fuerzas.
- Aguanta bien las sobrecargas
También presenta algunos inconvenientes, tales como:
- Necesita eliminar impurezas y humedad antes de ser usado.
- La compresibilidad del aire no permite velocidades de los elementos regulares y constantes.
- Los esfuerzos de trabajo son limitados.
- Es ruidoso, debido a los escapes de aire tras su utilización.
- Es costoso, aunque su buen rendimiento y su fácil implantación compensa este problema.
El aire está compuesto básicamente de un nitrógeno (78%), oxígeno (21%) y otros gases. A su vez, el aire contiene cantidades variables de CO2, vapor de agua y partículas en suspensión. Por ser un gas:
- Presenta alta compresibilidad
- Presenta baja viscosidad
- Ocupa todo el recipiente que lo contiene
El comportamiento del aire, puede asemejarse en gran medida a la de un gas ideal. La ley de los gases perfectos relaciona tres magnitudes, presión (P), volumen (V) y temperatura (T), mediante la siguiente fórmula:
Así, en un sistema cerrado, que evoluciona desde un estado inicial 1 hacia un estado final 2, tenemos las siguientes expresiones:
2.4.- Teorema de Pascal. Prensa Hidráulica
2.5. Caudal. Ley de Continuidad
2.6.- Trabajo y Potencia
3.- Componentes de un Circuito Hidroneumático
El fluido que normalmente se utiliza en hidráulica es aceite mineral, por lo que los circuitos que emplean dicho fluido de trabajo reciben el nombre de oleohidráulicos. La gran diferencia entre trabajar con aire a trabajar con líquidos, es que los líquidos son prácticamente incompresibles (no se pueden comprimir), y que poseen una mayor viscosidad (producen pérdidas de carga).
Las ventajas de la oleohidráulica son:
Las ventajas de la oleohidráulica son:
- Permite trabahjar a altos niveles de fuerza o momentos de gito.
- El aceite empleado en el sistema es fácil de recuperar.
- La velocidad de actuación es fácil de controlar.
- Las instalaciones son compactas.
- La Protección contra sobrecargas en muy sencilla.
- Permite realizar rápidos cambios de sentido.
- El fluído es más caro.
- Hay perdidas de carga.
- Es necesario contar con personal especializado para la manutención.
- El fluido es muy sensible a la contaminación.
La estructura de los fluidos hace que en ellos se transmitan presiones. Este comportamiento fue descubierto por el físico francés Blaise Pascal, quien estableció el siguiente principio: "La Presión ejercida en un punto de un fluido se transmite íntegramente a todos los puntos del fluido".
Una aplicación práctica del Principio de Pascal es la Prensa Hidráulica formada por dos pistones unidos mediante un líquido encerrado. Si aplicamos una fuerza (F1) sobre uno de los pistones, la presión se transmite hasta el otro, produciendo una fuerza (F2) en el segundo. Las ecuaciones que rigen este principio son:
El Principio de Pascal fundamenta el funcionamiento de las genéricamente llamadas máquinas hidráulicas, tales como la prensa, el gato, el freno, el ascensor y la grúa, entre otras...
Se puede definir el caudal como el volumen de un fluido (gaseoso o
líquido) que atraviesa una sección (S) por unidad de tiempo (t). Teniendo en cuenta que el volumen de un fluido en un conducto es el producto de la sección (S) del tubo por su longitud (L) y que su velocidad (v) es el cociente entre la longitud recorrida (L) y el tiempo que tarda en recorrerla (t) se pueden deducir todas las ecuaciones adjuntas
Así mismo, considerando un caudal de flujo constante a lo largo de una tubería de sección no constante, nos permite definir la llamada Ley de Continuidad:
La Ley de Continuidad es una herramienta muy útil para el análisis de fluidos que fluyen a través de tubos o conductos de diámetro variable. En estos casos, la velocidad de flujo cambia debido a que el área transversal varía de un conducto a otro. Dado que el fluido es incomprensible con flujo estacionario, el caudal debe ser constante a lo largo de toda la tubería, y eso nos lleva a las dos consecuencias principales de la ley:
Así mismo, considerando un caudal de flujo constante a lo largo de una tubería de sección no constante, nos permite definir la llamada Ley de Continuidad:
S1 · v1 = S2 · v2
La Ley de Continuidad es una herramienta muy útil para el análisis de fluidos que fluyen a través de tubos o conductos de diámetro variable. En estos casos, la velocidad de flujo cambia debido a que el área transversal varía de un conducto a otro. Dado que el fluido es incomprensible con flujo estacionario, el caudal debe ser constante a lo largo de toda la tubería, y eso nos lleva a las dos consecuencias principales de la ley:- Si disminuimos la sección manteniendo el caudal constante, la velocidad aumenta. Por tanto, cuanto más fina sea la tubería, más deprisa circula el fluido.
- Si disminuimos la sección manteniendo la velocidad constante, el caudal disminuye.
- El trabajo es el producto entre la fuerza aplicada (F) sobre una superficie, y el desplazamiento que en ésta provoca (d). Por consiguiente, para que se produzca un trabajo debe existir un desplazamiento o variación de volumen (Si estos son nulos, W=0). En neumática, la variación de volumen, ∆V, se produce al expandirse un gas provocando el movimiento de un elemento móvil, llamado Actuador
- La potencia es la cantidad de trabajo producida por unidad de tiempo. La unidad en el SI de la Potencia es el Watio (W).
Los circuitos eléctricos y los circuitos neumáticos e hidráulicos comparten elementos similares en cuanto a la función que desempeñan en el conjunto:
Elemento Generador de Energía: En el circuito eléctrico, dicho elemento es la pila o batería; en el circuito neumático, el compresor, y en el hidráulico , la bomba.
Elemento de Transporte: Son los conductos que unen los elementos del circuito. En el circuito eléctrico, son los cables o hilos. En los circuitos neumáticos e hidráulicos, son las tuberías y conductos por los que se canaliza el aire o el aceite, respectivamente.
Elementos de Mando y de Control: Son elementos que abren o cierran el circuito. En el eléctrico, podría ser un interruptor; en el neumático e hidráulico se emplean válvulas, que permiten, dirigen o impiden la circulación del fluido por el circuito.
Actuadores: Son los elementos que transforman la energía recibida en otro tipo de energía, para realizar una acción concreta. Así por ejemplo, en un circuito eléctrico puede ser una bombilla; en los circuitos neumáticos e hidráulicos, el actuador es el cilindro, cuyo émbolo y vástago se desplazan linealmente.
4- Generadores
4.1.- Grupo Compresor
El Grupo Compresor es el conjunto de dispositivos encargados de filtrar y captar el aire del exterior a presión atmosférica, elevando su presión y cediéndolo posteriormente al resto del circuito. Consta de tres elementos:
- Filtro de Captación: impide la entrada de partículas extrañas en el aire del circuito.
- Motor: dispositivo que produce energía mecánica comunicándosela al compresor.
- Compresor: elemento encargado de transformar la energía mecánica o eléctrica del motor en energía de presión; es decir, elevar la presión del fluido de trabajo. Por tanto, el compresor toma aire del exterior, a presión atmosférica, y lo comprime aumentando su presión.
Los compresores se pueden clasificar en función de la forma en que tiene lugar la compresión del aire:
- Compresores Volumétricos: Estos comprimen el aire al reducir el volumen del recinto que lo contiene. A su vez pueden ser:
- Alternativos. Disponen de un émbolo o pistón que realiza un movimiento alternativo en el interior de un cilindro. El aire entra en la cámara del cilindro por una válvula de admisión. Cuando se ha llenado la cámara, la válvula se cierra y el pistón se desplaza: disminuye el volumen de la cámara y aumenta la presión del aire contenido en su interior.
- Rotativos. Constituidos por una cámara de compresión y un rotor. Al girar el rotor, el compresor aspira el aire y lo comprime en la cámara. Los más utilizados son los Compresores Rotativos de Paletas, que constan de un eje sobre el que se dispone un conjunto de paletas. Entre las paredes del compresor y las paletas se crean unas pequeñas cámaras que van disminuyendo de volumen al girar y, en consecuencia, aumentando la presión del aire contenido en su interior.
- Compresores Dinámicos o Turbocompresores: Son los Compresores de Tornillo. Provocan la aceleración (aumentan la velocidad) del aire aspirado, transformando la energía mecánica del motor en energía de presión, mediante un conjunto de paletas giratorias o un par de tornillos giratorios.
4.2.- Grupo Hidráulico
El grupo hidráulico (unidad de alimentación) proporciona la energía requerida por la instalación hidráulica. Sus componentes más importantes son los siguiente:
- Depósito de aceite.
- El Motor Eléctrico, que acciona la bomba.
- La Bomba Hidráulica, que impulsa el aceite que toma de un depósito al resto de la instalación.
- La Válvula Limitadora de Presión, que devuelve el aceite al depósito en caso de que las vías se encuentren cerradas.
- Red de Retorno del aceite desde los elementos de trabajo al depósito.
- Válvula Antirretorno a través de la cual se envía el aceite al resto del circuito.
- 2 Filtros, uno de entrada al depósito y otro de salida.
- Otros dispositivos, tales como Manómetros y Válvulas Distribuidoras.
En los circuitos hidráulicos son las Bombas las encargadas de proporcionar la energía al fluido. Gracias a ellas, el fluido situado inicialmente en el depósito es sometido a elevada presión e impulsado a lo largo del circuito. La Bomba de Engranajes es la más sencilla en su composición y la más económica, aunque su rendimiento no es el deseable.
La red de distribución de un sistema hidráulico o neumático la conforman el conjunto de conducciones y órganos de conexión (codos, divisores de flujo, T's, racores....) encargados de distribuir el fluido de trabajo entre los distintos elementos del circuito.
Las Tuberías empleadas en estas redes de distribución suelen ser de acero o latón. Se unen mediante soldadura o con roscas de acero o plástico. La línea de circulación del aire debe estar inclinada 1,5º en el sentido de circulación.
Las redes pueden ser:
- Abiertas: Que comunican en algún punto con el exterior. El fluido de trabajo, tras pasar por el elemento actuador, se libera al ambiente. Es una red típica de los sistemas neumáticos.
- Cerradas: Donde el fluido de trabajo circula primero en sentido desde el depósito hacia el actuador, para luego volver al depósito a través del llamado circuito de retorno. Este es el caso de los circuitos oleohidráulicos, donde el aceite no se puede verter al ambiente debido a su carácter altamente contaminante.
Las Válvulas son dispositivos que constan de un cuerpo rígido con orificios a través de los cuales fluye el fluido (vías) y un conjunto de elementos móviles sobre los que actuamos para cambiar su posición; y que permiten distribuir, mandar, regular, controlar y bloquear el flujo del fluido de trabajo. Suelen clasificarse según su función en dos grandes grupos:
- Válvulas Distribuidoras
- Válvulas Reguladoras
6.1 Válvulas Distribuidoras y de Mando
Estas válvulas actúan sobre el arranque, parada, sentido y dirección del flujo del aire. Se denominan Válvulas Distribuidora cuando la válvula actúa directamente sobre el funcionamiento del actuador o cilindro. Por contra, se denominan Válvulas de Mando cuando gobiernan a las anteriores.
Las principales características de este tipo de válvulas son:
- El número de posiciones.
- El número de vías (número de orificios).
- Tipo de accionamiento.
Las válvulas se nombran según su constitución, de modo que en primer lugar se indica el número de vías (orificios de entrada o salida) y a continuación el número de posiciones. Así, por ejemplo:
- Válvula de 2 vías y 2 posiciones → Válvula 2/2
- Válvula de 3 vías y 2 posiciones → Válvula 3/2
- Válvula de 5 vías y 3 posiciones → Válvula 5/3
A continuación se nombrará el tipo de accionamiento del avance de la válvula, y por último el tipo de accionamiento del retroceso. Para que una válvula cambie de posición, tiene que ser accionada de alguna manera. Existen múltiples tipos de pilotaje, clasificándose en función de la forma en que se ejerce la fuerza sobre las válvulas.:
- Pilotaje Manual: Las válvulas cambian de posición a voluntad del operario presionando un pulsador, una palanca, un pedal, etc.
- Pilotaje Mecánico: Las válvulas cambian de posición al ser accionadas por un mecanismo en movimiento. Los mecanismos más habituales son un resorte o muelle, rodillo o leva, rodillo abatible, etc.
- Pilotaje Neumático: Las válvulas cambian de posición por el aumento o descenso de la presión del aire.
- Pilotaje Eléctrico: El cambio de posición es pilotado por la acción de un electroimán.
Para entender y poder explicar el funcionamiento de estas tres válvulas tomamos por convenio que la vía P es la que opera con el fluido a mayor presión, y por lo tanto siempre actúa como entrada. R y S son vías que operan a menor presión, y por lo tanto siempre actúan como salidas. Al actuar sobre la llave de la válvula y cambiar su posición elegimos si las vías A y B son entrada o salida y, por ello, cambiamos la manera en la que va a operar el pistón del actuador. Nótese que la válvula 3/2 funciona sobre un Cilindro de Simple Efecto, mientras que la válvula 5/2 lo hace sobre un Cilindro de Doble Efecto.
6.2.- Válvulas Reguladoras
Son aquellas válvulas que actúan sobre la velocidad, presión y caudal del fluido. Únicamente estudiaremos las más importantes:
- Válvula Antirretorno: Permite el paso de aire en un sentido, y lo impide en el otro.
- Válvula Selectora de Circuito u OR: Realiza la función lógica OR. Así, habrá señal de salida en 2 (aire a presión) si entra aire por cualquiera de las entradas (P1 o P3 ≠ 0). La presión de salida (P2) será igual a la mayor de las presiones de entrada; es decir, se selecciona la entrada de mayor presión. Se utiliza en puertas de garaje, para poder cerrarlas desde dentro o desde fuera del mismo.
- Válvula de Simultaneidad o AND: Se trata de una válvula que implementa la función AND. Esto es, sólo permite pasar el aire hacia la salida cuando hay aire a presión en las dos entradas a la vez (cuando P1 y P3 ≠ 0). Se utiliza para hacer circuitos de seguridad, el cilindro sólo se activará cuando existe presión en las dos entradas.
- Válvula Reguladora de Caudal o de Estrangulamiento: Permite regular el caudal de fluido que circula a su través en un sentido o en los dos. La válvula permite la libre circulación desde 2 hacia 1, mientras que estrangula el flujo cuando el flujo va desde 1 hacia 2. Es un tipo de válvula usad para que los cilindros del actuador se muevan más lentamente o más rápidamente.
- Válvula Reguladora de la Presión: Esta válvula sirve para controlar la presión de trabajo y su funcionamiento es extremadamente simple. Cuando la presión de entrada exceda la presión del muelle, este se comprimirá más o menos en función del valor de ese exceso de presión. Así, regulando con precisión la presión del muelle, se puede mantener en las líneas un valor de presión constante aún en el caso de que la red de distribución tenga fluctuaciones de presión y consumos variables.
7.1.- Refrigeradores
Los refrigeradores o intercambiadores de calor son dispositivos encargados de refrigerar el aire comprimido. Consisten en una serie de tubos por los que circula el refrigerante o el aire comprimido que intercambia calor con el fluido exterior, provocando el enfriamiento del fluido de trabajo. Al refrigerarse el aire se condensa agua que hay que eliminar a través de la purga. El enfriamiento puede realizarse por aire o por líquido.
7.2.- Depósitos o Acumuladores
En el caso de los circuitos neumáticos tenemos unos depósitos herméticos que reciben el aire a presión almacenándolo hasta que sea requerido su uso. De esta manera el empleo de un depósito evita el funcionamiento continuo del compresor, que sólo se pondrá en funcionamiento al detectarse presiones bajas en el depósito. Normalmente poseen una válvula de cierre, válvulas de seguridad (para evitar sobrepresiones), manómetro (para medir la presión), un termómetro y una purga (para evacuar el agua condensada).
En los circuitos oleohidráulicos los depósitos se disponen a la salida del circuito y permiten su reutilización, evitando la posible contaminación mediante eventuales vertidos residuales.
En los circuitos oleohidráulicos los depósitos se disponen a la salida del circuito y permiten su reutilización, evitando la posible contaminación mediante eventuales vertidos residuales.
7.3. Unidad de Mantenimiento
- Filtro: para eliminar partículas de aire procedentes de la atmósfera o de secciones anteriores del circuito.
- Deshumidificador: para eliminar la humedad del aire, protegiendo al resto del circuito de la oxidación y corrosión.
- Regulador de presión: válvula que ajusta la presión de salida al valor adecuado. La presión de trabajo en procesos industriales suele ser de unas 6 bares.
- Lubricador: elemento encargado de mezclar el aire con minúsculas gotas de aceite para minimizar los rozamientos de los elementos móviles. el deterioro de piezas, el calor residual y aumentar el rendimiento del sistema.
Normalmente, suelen integrar el filtro con el regulador de presión y el sistema de lubricación, tal como podemos ver en la foto adjunta.
En los circuitos oleohidráulicos el Filtro está formado por un sistema de rejillas que impide el paso hacia el circuito de las posibles impurezas que tenga el fluido. También disponen de una pequeña Válvula de Alivio que expulsa aceite al exterior cuando la presión del sistema excede los límites establecidos.
7.4.- Sensores
7.4.- Sensores
Son los instrumentos dispuestos a lo largo del circuito, encargados de captar información (propiedades físicas o posiciones) y que, en algunos casos, pueden originar una señal de salida transmitiendo dicha información a otros elementos del sistema.
Los que detectan magnitudes físicas (temperaturas, presiones, caudales....) se sitúan a lo largo de todo circuito, donde sean necesarios. Los sensores de propiedades físicas más comúnmente utilizados son:
- Monómetro
- Termómetro
- Caudalímetro
- Medidor Volumétrico
- Sensor de Caudal
- Sensor de Temperatura
Los que captan la posición son accionados por los propios mecanismos, situándose en lugares estratégicos. Se suelen dividir en tres tipos: neumáticos, eléctricos y detectores de proximidad, siendo los primeros los más utilizados pues:
- No requieren circuito eléctricos.
- Trabajan a presiones reducidas (bajo consumo)
- Pueden trabajar directamente sobre las válvulas distribuidoras controlando todo el proceso.
- Su señal puede convertirse fácilmente en señal eléctrica
8.- Actuadores
Los actuadores de los sistemas hidroneumáticos son los Cilindros. Constan de un tubo cilíndrico llamado camisa, herméticamente cerrado por las tapaderas delantera y trasera con uno o varios orificios de entrada/salida del fluido. En su interior hay un émbolo o pistón que separa la cámara posterior y anterior del cilindro. El fluido ejerce presión provocando el movimiento del pistón y del vástago al que se encuentra unido. El movimiento lineal del vástago se transmite al elemento sobre el que actúa el cilindro, produciendo así el trabajo buscado.
Los cilindros provocan un desplazamiento en línea recta. Los dos elementos principales son el émbolo o pistón que separa la cámara posterior y anterior del cilindro y el vástago, cuyo movimiento se debe al desplazamiento del émbolo.
- Cilindros de Simple Efecto: Sólo entra aire comprimido en una de las dos cámaras, produciéndose el recorrido del vástago en sentido contrario por acción de un muelle o de una carga externa.
- Cilindros de Doble Efecto: Los movimientos del vástago se deberán a la diferencia de presiones que existe en el interior del cilindro. El aire comprimido entra por ambas cámaras provocando el avance o retroceso del vástago. Si la presión que se inyecta por la entrada de la izquierda es mayor que la presión existente en la cámara derecha, entonces el vástago se desplaza hacia la derecha. En caso contrario lo hará hacia la izquierda. Pueden llevar uno o dos vástagos y disponer de un mecanismo amortiguador mecánico o neumático de final del recorrido. En cualquier caso, el trabajo útil durante el proceso de avance siempre será mayor al obtenido en el retroceso, pues la presencia del vástago resta superficie.
