Tema 61 – Circuitos hidráulicos y neumáticos

Índice

2.1. Producción de aire comprimido. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

2.1.1. Compresores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

2.1.2. Refrigeradores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2.1.3. Secadores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2.2. Elementos de tratamiento del aire comprimido . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2.3. Elementos de consumo del aire comprimido. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2.3.1. Elementos rotativos o motores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2.3.2. Elementos alternativos o cilindros. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2.4. Elementos de control en los circuitos neuma´ticos. . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2.4.1. Válvulas de control de dirección (Distribuidores). . . . . . . . . . . . . 7

2.4.2. Tipos de válvulas según su forma constructiva. . . . . . . . . . . . . . 7

2.4.3. Tipos de accionamiento de las válvulas. . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.4.4. Otros tipos de válvulas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

3. Elementos componentes de los sistemas hidráulicos. 9

3.1. Bombas hidráulicas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

3.2. Filtros. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

3.3. Válvula limitadora de presión. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

3.4. Elementos de regulación y mando. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

3.5. Elementos de trabajo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

4. Circuitos característicos típicos. 11

4.1. Mando de un cilindro de simple efecto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

4.2. Mando de un cilindro de doble efecto con una válvula 4/2. . . . . . . . . . . . 12

4.3. Mando de un cilindro de doble efecto con una válvula 4/3. . . . . . . . . . . . 13

5. Bibliografía. 13

1. Introducción.

La mecánica de fluidos ha sido estudiada desde la antigüedad (rueda hidráulica), sin embargo hasta hace apenas cien años el agua era el único fluido que se transportaba por medio de tuberías desde un lugar a otro. Hoy en día, a medida que aumenta el desarrollo industrial, el uso no solo del agua sino de otros fluidos como elemento de trabajo esta´ adquiriendo cada vez mayor importancia.

En la actualidad, los sistemas hidráulicos y neumáticos se encuentran presentes en automóviles, aeronaves, maquinas-herramientas, maquinaria de construcción…, y en casi cualquier tipo de aplicaciones industriales.

La Neumática y la Hidráulica son dos ciencias, que tratan de las leyes que rigen el comportamiento y el movimiento de los gases (en general, aire comprimido) y de los líquidos (en general, aceites), respectivamente, así como de los problemas que plantea su utilización. Etimológicamente esta palabras derivan de las griegas pneuma e hydro, que significan viento y agua, respectivamente.

Tecnolo<gicamente la elección entre un sistema hidráulico y uno neumático dependerá de la tarea de realizar. La hidráulica se emplea en sistemas donde hay que desplazar grandes masas y es necesario un control mas preciso de la posición. Mientras que los sistemas neuma´ticos se emplean en aquellas aplicaciones donde no se requieran grandes esfuerzos y sea necesaria velocidad en los movimientos.

En todo sistema neumático o hidráulico se pueden distinguir los siguientes elementos:

Elementos generadores de energía tanto si se trabaja con aire como con un lıquido, se ha de conseguir que el fluido transmita la energía necesaria para el sistema. En los sistemas neuma´ticos se utiliza un compresor, mientras que en el caso de la hidráulica se recurre a una bomba. Tanto el compresor como la bomba han de ser accionados por medio de un motor eléctrico o de combustión interna.

Elementos de tratamiento de los fluidos En el caso de los sistemas neuma´ticos, debido a la humedad existente en la atmosfera, es preciso proceder al secado del aire antes de su utilización; también será necesario filtrarlo y regular su presión, para que no se introduzcan impurezas en el sistema ni se produzcan sobrepresiones que pudieran perjudicar su funcionamiento. Los sistemas hidráulicos trabajan en circuito cerrado, y por ese motivo necesitan disponer de un deposito de aceite y también, al igual que en los sistemas neumáticos, deberán ir provistos de elementos de filtrado y regulación de presión.

Elementos de mando y control Tanto en sistemas neuma´ticos como en hidráulicos, se encargan de conducir de forma adecuada la energía comunicada al fluido en el compresor o en la bomba hacia los elementos actuadores.

Elementos actuadores Son los elementos que permiten transformar la energía del fluido en movimiento, en trabajo útil. Son los elementos de trabajo del sistema y se pueden dividir en dos grandes grupos: cilindros, en los que se producen movimientos lineales y motores, en los que tienen lugar movimientos rotativos.

Elementos de transporte Son las conducciones encargadas de llevar el aire comprimido hasta los puntos de mando y utilización.

2. Elementos componentes de los sistemas neumáticos.

2.1. Producción de aire comprimido.

2.1.1. Compresores.

Para hacer funcionar una instalación neuma´tica, es necesario disponer de una fuente de aire comprimido. Los compresores elevan la presión del aire atmosférico hasta el valor adecuado para su utilización. Se puede decir, que los compresores transforman la energía que se les aporta del exterior (generalmente mediante un motor eléctrico o de combustión) en energía de presión comunicada al sistema neumático.

En el funcionamiento de un compresor aparecen implicadas dos magnitudes:

La presión que se comunicara al aire, medida por la relación de compresión (cociente entre las presiones del fluido a la salida del compresor y a la entrada) que es capaz de lograr el compresor.

El caudal que el compresor es capaz de proporcionar.

Los compresores se pueden clasificar en:

Compresores volumétricos.

Figura 1:

Compresor.

En ellos el aire que entra en un recipiente hermético es reducido a un volumen inferior al que tenıa, aumentando su presión.

• Compresores alternativos.

Se trata de una maquina que transforma el movimiento circular de un eje procedente del motor (eléctrico o de combustión) en un movimiento rectilíneo alternativo del embolo, mediante un mecanismo de biela-manivela.

Monofásicos Constan solo de una etapa de compresión.

Figura 2: Compresor alternativo monofásico.

Bifásicos Se comprime el aire en dos etapas, mediante dos pistones accionados por el mismo eje motriz. Debido al calentamiento del aire es necesario introducir una etapa de refrigeración intermedia. Se consiguen presiones mayores que con el monofásico.

• Compresores rotativos.

producen aire comprimido mediante un sistema rotativo continuo en el que un rotor, que gira en una carcasa totalmente estanca, empuja el aire de aspiración´ n hacia la salida, comprimió´ndolo. Existen diferentes tipos:

Compresor rotativo de paletas Compuesto de un rotor excéntrico provisto de paletas que giran en el interior de un cilindro estanco dotado de dos orificios: uno de aspiración de aire y otro de salida.

Figura 3: Compresor alternativo bifásico.

Esto compresores, en comparación con los de embolo son silenciosos y proporcionan un caudal de aire bastante constante, adema´s de ser de dimensiones reducidas.

Compresor rotativo de tornillo Esta constituido por dos tornillos helicoidales que engranan entre sı. A través del hueco de aspiración que se forma entre los perfiles cóncavo y convexo de los tornillos el aire es aspirado e impulsado hacia la apertura de salida.

Este tipo de compresor son también silenciosos y proporcionan un caudal de aire constante. Aunque son económicamente mas costosos, su bajo desgaste los hace rentables a largo plazo.

Compresores dinámicos. En los compresores dinámicos el aire se hace pasar por una serie de conductos de sección cada vez menor y como, el caudal se mantiene constante, la velocidad del aire va aumentando paulatinamente. Por ultimo, el aire disminuye su velocidad en un difusor, incrementándose su presión. Este tipo de compresores se utiliza en aplicaciones en las que se requiera gran caudal de aire (hasta 50 m3/s) y presiones relativamente reducidas; por ello, no se suelen emplear en aplicaciones neuma´ticas. Tienen gran utilidad, por ejemplo, en los silos para el transporte de granos o cemento.

2.1.2. Refrigeradores.

Como el aire que se ha comprimido alcanza temperaturas bastante altas, es necesario refrigerarlo, para dejarlo a uno 25 °C. En la etapa de refrigeración se condensa un 75 % del agua que contiene el aire comprimido. Esta agua va cayendo en la parte inferior donde existe un grifo para su extracción.

2.1.3. Secadores.

Tiene por objeto reducir el contenido de vapor de agua existente en el aire. En el mercado existen una amplia variedad de secadores.

2.2. Elementos de tratamiento del aire comprimido

Se conocen con este nombre a todos los componentes situados en el sistema neumático con anterioridad al elemento que utiliza el aire comprimido para generar un trabajo útil, y que tienen como misión suministrar el aire comprimido en las mejores condiciones posibles para su utilización posterior.

El aire comprimido debe estar libre de impurezas (partículas en suspensión, agua, aceite), regulado a la presión deseada de utilización y adecuadamente lubrificado en aquellos lugares donde sea preciso. Para ello disponemos de los siguientes elementos:

Filtros: Tienen como misio´ n depurar el aire comprimido eliminando partículas de polvo y vapor de agua. El aire sufre un centrifugado en el interior del filtro de esta manera las partículas en suspensión y las gotas de agua se proyectan a las paredes y se depositan en la parte inferior. Las partículas mas finas son eliminadas mediante un elemento filtrante.

Reguladores de presión: la misio´n del regulador de presión es regular la presión del aire y mantenerla siempre constante. El funcionamiento de los reguladores de presión se basa en bloquear o dejar pasar airea través de un obturador, cuya apertura o cierre se consigue por medio de un vástago accionado por una membrana en equilibrio entre dos fuerzas, un resorte accionado por un tornillo y la presión ejercida por el aire.

Lubrificadores:  las automatizaciones neumáticas se realizan por medio de componentes que  poseen órganos mecánicos móviles y que, por tanto, esta´n sujetos a rozamientos, resulta necesario proceder a la lubricación de los mismos. La lubricación se suele llevar a cabo mediante el aire comprimido, que es el que produce el movimiento de los órganos mecánicos. De esta manera, el lubricador aporta aceite a los elementos móviles, disminuyendo así el rozamiento y evitando la oxidación

2.3. Elementos de consumo del aire comprimido.

Son los elementos que permiten transformar la energía comunicada al aire por el compresor en energía útil. se pueden dividir en dos grandes grupos:

Elementos alternativos o cilindros.

Elementos rotativos o motores.

2.3.1. Elementos rotativos o motores.

Transforman la energía comunicada por el aire en movimiento rotativo. Sus formas constructivas son muy variadas así como su campo de aplicación.

2.3.2. Elementos alternativos o cilindros.

Son actuadores lineales, provocan un desplazamiento útil en línea recta.

Cilindros de simple efecto.

Solo se produce desplazamiento útil en un sentido. El aire comprimido actúa solo en una de las cámaras interiores del cilindro.

Cilindros de doble efecto. Se realizan desplazamientos u´ tiles en los dos sentidos. En ocasiones los escapes de estos cilindros se dotan de reguladores de caudal para poder amortiguar la parada.

2.4. Elementos de control en los circuitos neumáticos.

En los circuitos neuma´ticos existen una serie de elementos encargados de controlar la energ´ıa que se transmite a trave´s del fluido hacia los elementos de consumo. Estos elementos de control se designan con el nombre de va´lvulas.

2.4.1. Válvulas de control de dirección (Distribuidores).

Son los elementos que gobiernan la dirección y el sentido en que debe circular el aire en un circuito neumático.

Externamente las válvulas distribuidoras se pueden considerar como una caja negra a la que llegan una serie de conducciones que sirven para la entrada y salida del aire comprimido.

Se pueden definir por dos números:

Numero de vías: Es el numero de orificios practicados en la válvula que permiten entrar o salir aire según sea el caso.

Numero de posiciones: Indica el numero de formas de conexión de los orificios de la válvula.

Así una válvula 3/2 es una válvula de 3 vías y 2 posiciones.

Gráficamente se representan de la siguiente manera: Cada posición es un cuadrado, el numero de cuadrados representa el numero de posiciones, las conexiones de cada posición se representan dentro del cuadrado correspondiente.

2.4.2. Tipos de válvulas según su forma constructiva.

Según la forma constructiva del elemento móvil se distinguen dos tipos fundamentales de válvulas:

Válvulas de asiento: El paso o cierre del aire se efectúa mediante el apoyo o separación de dos órganos de la propia válvula.

Válvulas de corredera: El paso del aire o cierre, se realiza por medio de una corredera debidamente diseñada de modo que permite o impide el paso de aire entre los diferentes orificios según su posición.

2.4.3. Tipos de accionamiento de las válvulas.

Aquellos dispositivos causantes de las acciones externas que originan el paso de una válvula de una posición a otra mediante el movimiento del elemento móvil existente en ella reciben el nombre de dispositivos de mando, los cuales pueden ser de diferentes tipos:

Accionables por el operador.

Accionables por un elemento mecánico móvil.

Accionables por un sistema eléctrico.

Accionables por un sistema neumático.

2.4.4. Otros tipos de válvulas.

Válvulas unidireccionales (anti retorno). Cierra el paso del aire en un sentido y lo deja pasar en el otro.

Válvulas reguladoras de caudal.

Dosifican la cantidad de fluido que pasa por ellas.

• Reguladores unidireccionales.

• Reguladores bidireccionales. Temporizadores. Retardan la señal neuma´tica.

El funcionamiento de un elemento temporalizado se basa en el hecho de que el aire comprimido que pasa a través de una estrangulación variable emplea cierto tiempo en llenar un recinto, hasta que en el se alcanza la suficiente presión de mando como para poder accionar una válvula pilotada neumáticamente.

3. Elementos componentes de los sistemas hidráulicos.

Las instalaciones hidráulicas constan básicamente de:

Grupo de accionamiento: Compuesto por un deposito donde se almacena el lıquido hidráulico y por una bomba, movida por un motor eléctrico o de combustión, la cual produce la presión necesaria para el funcionamiento de los elementos de trabajo.

Elementos de transporte: Consistentes en tuberías unidas por racores, que conducen el fluido hasta los lugares de utilización.

Elementos de trabajo: Son fundamentalmente motores y cilindros.

Elementos de regulación y control: Que reciben el nombre de válvulas.

Los elementos de las instalaciones hidráulicas son análogos a los de las instalaciones neumáticas, llegándose incluso a representarse por los mismos símbolos.

3.1. Bombas hidráulicas.

Las bombas hidráulicas son maquinas que absorben energía mecánica procedente del motor de accionamiento y comunican energía hidráulica al lıquido que las atraviesa.

Sus principales características son:

Valor nominal de la presión: Es la presión de trabajo para la cual ha sido fabricada la bomba.

Esta no debe funcionar a una presión mayor que la diseñada, para evitar de esta manera que pueda sufrir desperfectos o que su duración quede disminuida.

Caudal: Puede variar en función de la frecuencia de rotación de la bomba, aunque conviene que su valor se mantenga dentro de las especificaciones del fabricante. Se suele expresar en l/min.

Desplazamiento : Volumen de lıquido que se bombea en una vuelta completa. Su valor es constante para cada bomba. El producto del desplazamiento por la velocidad de rotación de la bomba es el caudal.

Rendimiento total: Es el cociente entre la potencia hidráulica que produce la bomba y la potencia meca´nica que esta consume.

Existen una gran variedad de modelos de bombas hidráulicas, las de mayor interés son las siguientes:

Bomba de engranajes A pesar de su bajo rendimiento, es un bomba muy empleada en hidráulica, a causa de su sencillez y economía.

Bomba de tornillo Esta constituida por dos o tres tornillos helicoidales que engranan entre sı, ajustando perfectamente bien con la carcasa en la que se encuentran contenidos.El caudal es muy uniforme y las bombas de este tipo resultan muy silenciosas.

Bomba de paletas deslizantes Esta constituida por un rotor que gira excéntricamente con respecto a la carcasa, y que va provisto de paletas que pueden deslizar radialmente. Debido a la excentricidad, la cámara situada entre el rotor y el estator aumenta y disminuye sucesivamente de volumen durante el giro, provocando primero una succión y posteriormente una expulsión del lıquido.

Bomba de émbolos radiales Consta de una serie de émbolos apoyados en la carcasa fija y alojados en un rotor que gira excéntricamente.Mediante estas bombas se alcanzan presiones muy elevadas, de hasta 700 bar, y su intervalo de rotación oscila entre 1.000 y 3.000 r.p.m.

3.2. Filtros.

Tiene como misio´ n eliminar las partículas solidas que se forman y que son arrastradas por el fluido al circular a lo largo de las conducciones. En caso contrario, estas partículas podrían producir fenómenos de abrasión y obstruirían los conductos y las aberturas importantes de la instalación, provocando un considerable desgaste de las piezas móviles.

A este respecto, resultan recomendables los filtros de tamiz imantado, que constan de un tejido de alambre de malla estrecha pre imantado y un fuerte imán; de esta forma se asegura la separación de las partículas metálicas.

3.3. Válvula limitadora de presión.

Se coloca inmediatamente detrás de la bomba y tiene como misión limitar la presión de trabajo a un valor máximo ajustable, protegiendo de esta manera a la instalación contra posibles accidentes provocados por una presión excesiva. Por este motivo, recibe también el nombre de válvula de seguridad.

3.4. Elementos de regulación y mando.

Se encargan de regular y gobernar la circulación del fluido hidráulico hacia los elementos de trabajo. Aunque su forma constructiva es diferente, son completamente análogos en funcionamiento a los elementos de regulación y mando neumáticos explicados anteriormente.

3.5. Elementos de trabajo.

Los elementos de trabajo transforman la energía comunicada a un lıquido por la bomba en energ´ıa meca´nica (trabajo u´ til). En este grupo se engloban los cilindros (elementos alternativos) y los motores (elementos rotativos).

Aunque su forma constructiva es diferente, son completamente análogos en funcionamiento a los elementos de trabajo neuma´ticos explicados anteriormente.

4. Circuitos característicos típicos.

4.1. Mando de un cilindro de simple efecto.

El esquema corresponde a un montaje en el que el grupo de accionamiento suministra el caudal de lıquido a presión. Para que la presión en el sistema, que puede leerse en el mano´ metro, 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 3/2. Al accionar esta válvula se abre el paso de P a A y el embolo de trabajo se desplaza hasta alcanzar su posición final.

Para volver a la posición inicial, la válvula distribuidora se conmuta a la posición de reposo, lo que trae como consecuencia que el embolo descienda por la acción de la pesa. De esta manera, el lıquido a presión sale del cilindro y regresa al deposito a través de A → T .

4.2. Mando de un cilindro de doble efecto con una válvula 4/2.

Al igual que en el circuito anterior, el grupo de accionamiento suministra el caudal de lıquido a presión, y una válvula limitadora se encarga de que el valor de esta presión, señalado por el manómetro, no rebase un lımite determinado.

El mando del cilindro de doble efecto se realiza por medio de una válvula distribuidora 4/2. Al accionar esta válvula, se abre el paso de P a B, y el embolo se desplaza hasta su posición final, saliendo el vástago hacia el exterior.

Cuando la válvula distribuidora se conmuta a la posición de reposo, se abre el paso de P a A; el embolo de trabajo se desplaza en sentido contrario al anterior, penetrando el vástago en el interior del cilindro. De esta manera, el lıquido a presión que existe en el lado del embolo se descarga al deposito a través de B → T ..

4.3. Mando de un cilindro de doble efecto con una válvula 4/3.

Un cilindro de doble efecto también se puede pilotar por medio de una válvula 4/3 con posición media de circunvalación.

Cuando la válvula se encuentra en esta posición media, el lıquido puede pasar sin obstáculo alguno al deposito. Los empalmes A y B esta´n 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 embolo del cilindro sale. Si la válvula conmuta a la posición de retorno (b), se abre el paso de P a B y de A a T, y el vástago del embolo entra.

Si en el transcurso del movimiento de avance la válvula se conmuta a la posición media de circunvalación, el embolo se detiene y no puede moverse aplicando una fuerza exterior. Cuando es preciso que le embolo se detenga, la ventaja que ofrece el circuito de circunvalación es que el caudal enviado por la bomba puede evacuarse directamente sin presión, sin calentarse y sin necesidad de que pase por la válvula limitadora de presión.

5. Bibliografía.

Tecnología Industrial Autor: José Antonio Fidalgo et alter. Editorial Everest.