NEUmática e hidráulica

NEUmática e hidráulica

Tecnología e Ingeniería II 2º Bachillerato

Índice

Conceptos importantes Tipos de compresores neumáticos Vávulas reguladoras de flujo o caudal Regulación de caulda a la entrada y a la salida de un cilindro Válvulas antirretorno Válvulas limitadoras o reductoras de presión Válvulas de escape rápido y válvulas de alivio Válvula selectora (OR) y válvula de simultaneidad (AND) Válvulas temporizadas

Actuadores rotativos Actuadores de pinza Accionamientos Nomenclatura Aplicaciones Tipos de bombas hidráulicas Fluidos para sistemas oleohidráulicos Esquema de un circuito oleohidráulico

Conceptos importantes

Principio de Pascal La presión aplicada a un fluido confinado se transmite de forma uniforme en todas direcciones.

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Conceptos importantes

Ecuación de continuidad Es importante para saber cómo se comporta un fluido a lo largo de una tubería que cambia de diámetro. Por el principio de conservación de la masa, sabemos que el caudal (Q) a lo largo de una línea se mantiene constante. El caudal Q (m3/s) se obtiene como el producto de la velocidad del fuido v (m/s) por la superficie del conducto S(m2). Por lo tanto si la sección aumenta la velocidad debe disminuir para que el producto se mantenga constante (y viceversa)

v2=(S1·v1)/S2

Conceptos importantes

Teorema de Bernoulli Una masa de fluido (líquido) que circula a lo largo de una tubería posee 3 tipos de energía:Hidrostática: p·V (debido a la presión del líquido) Potencial o estática: m·g·h (debido a la altura) Cinética o hidrodinámica: 1/2(mv2) (debido a la velocidad) En un líquido no viscoso, en régimen laminar y estacionario, de acuerdo con el principio de conservación de la energía, a lo largo de cualquier conducción se cumple que: p·V + m·g·h + 1/2(mv2) = cte Efecto Venturi: Como consecuencia de este principio se produce lo que conocemos como el efecto Venturi. Es decir, si aumenta la velocidad del fluido, para que se conserve la energía, debe disminuir la presión, lo que provoca el efecto de aspiración.

Flujo laminar estacionario

Efecto Venturi

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Conceptos importantes

HIDRÁULICA VS NEUMÁTICA:

Conceptos importantes

VENTAJAS DE LAS INSTALACIONES NEUMÁTICAS:

• Sistemas muy limpios.
• Instalaciones y equipos más baratos que los hidráulicos.
• Muy seguros, ya que el aire no es inflamable.
• Disponibilidad de aire abundante.
• Rapidez de actuación.
• Facilidad de instalación y mantenimiento.

INCONVENIENTES:

• Baja fuerza.
• Mala precisión.
• Variabilidad en velocidad
• Necesita mucho mantenimiento del aire
• Ruidoso
• Poco eficiente
• Fugas frecuentes

Conceptos importantes

VENTAJAS DE LAS INSTALACIONES HIDRÁULICAS:

• Fácil regulación de la velocidad.
• Reversibilidad de los accionamientos.
• Protección contra sobrecargas de presión,
• Desarrollo de grandes fuerzas,
• Paradas intermedias exactas.

INCONVENIENTES:

• Son mucho más sucios.
• Se precisan depósitos de recogida del fluido en los escapes de los componentes.
• Instalaciones y equipos mucho más caros que en las instalaciones de aire comprimido.
• El aceite es inflamable y puede llegar a explotar, y mucho más sensible a la contaminación que el aire.

esquema circuito neumático

Aire

Actuadores

Proceso

Compresor

Unidad de mantenimiento

Válvulas, elementos de regulación, etc.

Tipos de compresores neumáticos

De Desplazamiento positivo

AlternativosDe pistón o de émbolo De membrana o diafragmaRotativos De tornilloDe paletas De lóbulos o Roots De scroll o espiral

Dinámicos o continuosTurbocompresor dinámico axialTurbocompresor dinámico radial o centrífugo

Tipos de bombas oleohidráulicas

De Desplazamiento positivo o volumétricas

AlternativasDe pistones axiales De pistones radialesRotativasDe engranajes De lóbulos De tornillo De paletas

Dinámicos o continuosCentrífugas

Válvulas reguladoras de flujo

Bidireccional

Unidireccional

Regulación de la velocidad de entrada y salida en un cilindro de simple efecto

Regulación de la velocidad de entrada y salida en un cilindro de simple efecto

Válvulas antirretorno

Válvulas limitadoras o reductoras de presión

Válvulas de escape rápido

Válvulas de alivio

Válvula selectora Válvula OR u O

Válvula de simultaneidad Válvula AND o Y

Válvulas temporizadas

Actuadores rotativos

Actuadores de pinza

Accionamientos

Rodillo escamoteable

Aplicaciones

• Producción automatizada: transporte, posicionamiento y manipulación de productos.

• Máquinas y herramientas: Prensas, dobladoras, atornilladoras, grapadoras, pistolas, martillos neumáticos, taladros, etc...

• Los sistemas hidráulicos están especialmente indicados en instalaciones de gran potencia: excavadoras, perforadoras de túneles, prensas industriales, elevadores, puentes móviles o atracciones de feria. También se usan para sistemas de accionamiento en medios de transporte como sistemas de frenos, dirección asistida, trenes de aterrizaje, posicionamiento de alas y hélices.

Nomenclatura de vías y equipos

Fluidos para sistemas hidráulicos

• En la mayoría de los sistemas hidráulicos se utilizan aceites minerales procedentes de la destilación del petróleo, por eso se les llama también oleohidráulicos.
• Algunos parámetros a tener en cuenta para la selección del fluido apropiado son:
• Densidad
• Presión de vapor.
• Viscosidad.
• Viscosidad dinámica. ¿Con qué se mide?
• Viscosidad cinemática. ¿Con qué se mide?
• Índice de viscosidad.
• Tensión superficial.
• Punto de fluidez.
• Resistencia a la corrosión.
• Otros parámetros.

esquema circuito oleohidráulico

Válvula de alivio

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Es la mínima presión a partir de la cual puede empezar a vaporizarse el fluido. Si la presión local del aceite baja por debajo de su presión de vapor, se produce un fenómeno llamado cavitación que a la larga puede producir daños serios en los equipos. La cavitación genera burbujas que al colapsar dañan bombas y válvulas. También afecta negativamente a la eficiencia del sistema, ya que el líquido es incompresible, pero si este tiene burbujas estas sin pueden comprimirse restando fiabilidad al sistema. Un fluido con baja presión de vapor reduce el riesgo de cavitación asegurando así la integridad de los equipos. Cavitación

En el turbocompresor centrífugo, el aire aspirado entra directamente en la zona central del rotor, guiado por la campana de aspiración. El rotor, girando a gran velocidad, lanza el aire sobre un difusor situado a su espalda, donde la energía cinética imprimida a las moléculas del aire se transforma en presión estática.

• Más ruidoso, más barato y consigue presiones más altas que el axial.
• Menos cauda y menos eficiencia que el axial.

Turbocompresor dinámico radial o centrífugo

Las bombas de paletas son bombas de desplazamiento positivo que utilizan paletas deslizantes dentro de un rotor para mover el fluido. Estas paletas se ajustan automáticamente a las paredes internas de la carcasa, creando cámaras de volumen variable que succionan y desplazan el fluido.

• Bajo ruido
• Flujo uniforme
• Alto rendimiento con fluidos de viscosidad media.

• Mantenimiento sencillo.

Se basa en el giro de dos tornillos helicoidales que comprimen el aire que ha entrado en su interior. El espacio entre los tornillos se va reduciendo progresivamente por lo que se produce la compresión del aire.

• Caros
• Silenciosos

Compresor de tornillo

Los compresores dinámicos aumentan la presión acelerando el aire mediante impulsores (centrífugos o axiales), ideales para grandes caudales continuos. El aire no está estanco en el interior.

Al igual que los de pistón, están basados en émbolos movidos por un mecanismo de biela-manivela que transforma el movimiento rotativo del motor de arrastre en movimiento alternativo. En vez de un pistón, la biela va acoplada a una membrana o diafragma que es el que comprime el aire. Son silenciosos y eficientes aunque se obtiene muy poca presión con ellos. Por eso también hay compresores de este tipo de varias etapas. Compresor de diafragma

El índice de viscosidad es un parámetro que se usa para saber cómo varía la viscosidad de un fluido con la temperatura. Cuanto mayor sea el índice de viscosidad de un fluido menor será la variación de la viscosidad con la temperatura. Por tanto, interesa que un fluido tenga un alto índice de viscosidad. Para mejorar este parámetro es frecuente añadir aditivos a los aceites para mejorar su comportamiento.

Las fuerzas cohesivas entre moléculas dentro de un líquido, están compartidas con todos los átomos vecinos. Las de la superficie, no tienen átomos por encima y presentan fuerzas atractivas más fuertes sobre sus vecinas próximas de la superficie. Esta mejora de las fuerzas de atracción intermoleculares en la superficie, se llama tensión superficial. Una tensión superficial adecuada: - Disminuye los problemas de cavitación. - Evita la formación de burbujas y espumas. - Facilita la separación del aire contenido en el aceite.

un determinado número de cilindros que se mueven una cierta carrera de forma recíproca dentro de un bloque de cilindros (también denominado barrilete)Son robustas y resistentes. Gran abanico de opciones de cilindrada. Por ello son utilizadas en aplicaciones de media / alta presión que requieren un ciclo de trabajo exigente y controlado tanto para maquinaria móvil como para aplicaciones hidráulicas industriales. Bomba de pistones axiales

Es un movimiento de fluido suave y ordenado donde las partículas se mueven en capas paralelas, sin mezclarse, y las propiedades (como velocidad y presión) en cualquier punto del espacio no cambian con el tiempo, creando un patrón de flujo constante y predecible. Se caracteriza por capas de fluido que se deslizan unas sobre otras sin turbulencias, como el agua saliendo de un globo con un corte preciso, creando un efecto visual de "agua congelada".

El punto de fluidez corresponde a la mínima temperatura a la que un fluido puede fluir. Conviene que sea unos 10ºC inferior a la temperatura más baja de utilización del fluido.

Proporcionan alta presión con el mínimo ruido. Además, su diseño simple permite un mantenimiento económico.

• Rango de presión de 100 a 250 bar.
• Caudales de entre 10 y 200 L/min.

Hay de engranajes externos y de engranajes internos.

Un compresor de aire scroll consta de dos elementos en forma de espiral unidos con pernos, una espiral fija y otra móvil accionadas por un motor. Éstas oscilan en un movimiento continuo sin que se produzca el contacto entre los metales, mientras el aire se comprime en volúmenes cada vez más pequeños en bolsas de aire con forma de media luna.

• Son caros.
• Muy eficientes.
• Silenciosos.
• Caudales de aire no muy altos.

Compresor de Scrool o espiral

Es un movimiento de fluido suave y ordenado donde las partículas se mueven en capas paralelas, sin mezclarse, y las propiedades (como velocidad y presión) en cualquier punto del espacio no cambian con el tiempo, creando un patrón de flujo constante y predecible. Se caracteriza por capas de fluido que se deslizan unas sobre otras sin turbulencias, como el agua saliendo de un globo con un corte preciso, creando un efecto visual de "agua congelada".

Se trata de un compresor dinámico, en el que el aire aspirado circula en paralelo al eje. Los compresores axiales están formados por varios discos llamados rotores. Entre cada rotor, se instala otro disco denominado estator, donde el aire acelerado por el rotor, incrementa su presión antes de entrar en el disco siguiente. Turbocompresor dinámico axial

Otros parámetros a tener en cuenta pueden ser:

• Punto de ebullición.
• Punto de congelación.
• Compresibilidad.
• Etc.

Inmagen extraída de https://www.xn--mecatrnica-lbb.com.co/2021/12/valvula-de-simultaneidad-and.html

Uno de los métodos más usados para la medida de la viscosidad dinámica es el viscosímetro rotacional.Se trata de un cilindro, disco o huso gira dentro del fluido. El instrumento mide qué par (torque) hace falta para mantener la velocidad de giro. Cuanto más torque → más viscosa es la muestra.

En estas bombas los pistones están colocados radialmente en un bloque de cilindros; estos pistones se mueven perpendicularmente con relación al eje.

• Presiones más altas que los de pistones axiales.
• Mantenimiento un poco más caro.

Bomba de pistones radiales

Puesto que la mayoría de aceites son derivados del petróleo, contienen Carbono e Hidrógeno, lo que los hace fácilmente oxidables. Para evitar reacciones indeseables, es frecuente añadir aditivos para corregir estos riesgos.

La viscosidad cinemática es la relación entre la viscosidad diniámica de un fluido y su densidad. Se representa con la letra griega ν La unidad más utilizada para medir la viscosidad cinemática es el Stoke, concretamente el submúltiplo centiStoke. 1 cSt = 1 mm2/s Es un parámetro de los más importantes a la hora de seleccionar un fluido oleohidráulico. La viscosidad cinemática describe cómo fluye un fluido cuando lo único que actúa sobre él es la gravedad, es decir, cómo se comporta bajo la única acción de su propio peso. (Podemos imaginar este concepto comparando la velocidad con la que dos fluidos de diferentes densidad bajarían por una rampa si los dejáramos caer libremente) El de más alta viscosidad cinemática bajaría más lento (miel frente a agua).

La densidad influye en la inercia del fluido para circular por el circuito, afecta al esfuerzo que debe realizar la bomba y por tanto al rendimiento del sistema. También influye en la lubricación del sistema.

Debido a la incompresibilidad del fluido los actuadores pueden detenerse en cualquier punto de la trayectoria sin que se produzcan vibraciones, ni oscilaciones, ni rebotes alrededor del punto de parada deseado.

Están basados en émbolos movidos por un mecanismo debiela-manivela que transforma el movimiento rotativo del motor de arrastre en movimiento alternativo. Los hay de una etapa aunque frecuentemente se usan de varias etapas para obtener presiones más altas. El funcionamiento se basa en una válvula de admisión que deja pasar aire al cilindro, después se cierra y el émbolo comprime el aire disminuyendo el volumen. Una vez presionado, se abre otra válvula que lo inyecta al sistema. Compresor de una etapa Compresor de varias etapas

Este tipo de compresor usa unos rotores de lóbulos o émbolos que giran en el interior de la carcasa de forma sincronizada y en sentido contrario. El hueco entre los lóbulos va disminuyendo de tamaño con el giro y es esta reducción de tamaño la que obliga al aire a comprimirse. Los rotores empleados pueden ser bilobulares o trilobulares.

• Son caros.
• Relaciones de compresión pequeñas.
• Proporciona un caudal de aire estable.

Compresor de lóbulos o Roots

En este tipo de bombas, un rotor en forma de espiral gira excéntricamente en el interior de un estator. El caudal a través de una bomba de tornillos es axial, y va en el sentido del rotor motriz. El fluido en este tipo de bombas no gira, sino que se mueve linealmente.

• Sin pulsaciones que permiten un flujo suave y un alto rendimiento de aspiración
• Altas presiones y caudal continuo.
• Mantenimiento sencillo.

Las bombas centrífugas son las más comunes para transferir grandes cantidades de líquidos con baja viscosidad. Funcionan mediante un impulsor rotatorio que acelera el fluido hacia afuera por fuerza centrífuga. Hay de diferentes tipos, en función de la dirección de salida del flujo pueden clasificarse en radiales, axiales y mixtas.

• Bajo costo inicial.
• Mantenimiento sencillo y diseño compacto.
• Grandes caudales.
• Poca presión.

Con el uso de válvulas limitadoras de presión y gracias a que los fluidos hidráulicos no tienen el comportamiento elástico del aire, se consigue una respuesta muy precisa en caso de sobrecargas con lo que permite una mejor protección de las instalaciones ante cualquier sobrepresión.

La viscosidad cinemática se mide habitualmente con un viscosímetro capilar de vidrio tipo Ubbelohde, Cannon–Fenske, Ostwald. Es el método clásico en aceites hidráulicos y lubricantes en el que el fluido se hace fluir por un capilar solo por su peso (gravedad) y se mide el tiempo que tarda en pasar entre dos marcas (A y B). Multiplicando ese tiempo por una constante del viscosímetro, se obtiene la viscosidad cinemática. Viscosímetro tipo Ostwald.

Dado que el aceite es un fluido incompresible, no se producen los cambios de presión que se dan en los circuitos neumáticos, por lo que se pueden conseguir cambios muy sensibles en la modificación de velocidad de los actuadores hidráulicos, tanto modificando el caudal de suministro de la bomba, como utilizando válvulas de control de caudal, lo que es más habitual.

La viscosidad dinámica, denominada también viscosidad absoluta o simplemente viscosidad, es una propiedad característica de cada fluido y es además dependiente de la temperatura y la presión. Se representa con la letra μ. Consideremos un fluido que fluye entre dos láminas grandes, planas y paralelas. La experiencia nos dice que la velocidad es máxima en el centro y cero sobre las láminas. Las capas horizontales de fluido se deslizan unas sobre otras, ejerciendo una fuerza de fricción que opone resistencia al desplazamiento. Por tanto es como la resistencia interna de un fluido a fluir. Así que podríamos definirla como la resistencia que tiene un líquido a moverse o deformarse debido a los esfuerzos internos de cizalladura entre las capas del mismo. La unidad más utilizada para medir la viscosidad es el Poise en el sistema cgs. 10 Poise equivalen a 1 Pa·s (N·s/m2) en el SI.

Se caracterizan por que comprimen el aire directamente reduciendo su volumen. El aire queda encerrado en una cámara que va reduciendo su volumen progresivamente aumentando así la presión del aire atrapado en ella. Características:

• Se alcanzan presiones medias y altas
• Caudal bajo o medio
• En algunos casos el funcionamiento es intermitente como en el de pistón (va por emboladas).30

Mientras en la bomba de engranajes externos un engranaje hace girar al otro, en las bombas de lóbulos ambos son accionados independientemente por medio de un sistema de engranajes, externo a la cámara de bombeo.

• Proporcionan flujo constante con baja pulsación.
• Poco mantenimiento y alta fiabilidad.
• Permiten sólidos en suspensión, gases atrapados, etc

La viscosidad es el parámetro más importante de los fluidos oleohidráulicos:

• Determina la facilidad de circulación del aceite por el circuito.
• Permite la lubricación adecuada de bombas, válvulas y actuadores.
• Si es demasiado alta produciría pérdidas de energía y sobrecalentamiento.
• Si es demasiado baja provocaría fugas internas y desgaste de los equipos.

El compresor de paletas usa un rotor de paletas flotantes en el interior de una carcasa, situándolo de forma excéntrica a la misma. Durante el giro del rotor, las paletas flotantes salen y entran desde su interior, formando unas cámaras entre rotor y carcasa que van disminuyendo su tamaño. El aire que está atrapado en estas cámaras se ve comprimido así al verse confinado en cámaras cada vez más pequeñas hasta llegar a la impulsión.

• Bastante silenciosos
• Proporcionan un caudal constante.

Compresor de paletas deslizantes

En los sistemas hidráulicos, el fluido utilizado (aceite) es prácticamente incompresible. Esto hace que, al cambiar el sentido del flujo mediante una válvula, el actuador responda de forma inmediata, invirtiendo su movimiento sin retardos ni efectos elásticos.