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Bloque IV. Cilindros neumticos y oleohidrulicos pg. 1

BLOQUE IV. CIRCUITOS NEUMTICOS Y OLEOHIDRULICOS

INTRODUCCIN

La Neumtica es la parte de la Tecnologa que estudia los fenmenos y las aplicaciones del aire

comprimido para transmitir energa de un punto a otro. La Hidrulica es la parte de la Tecnologa que

estudia los fenmenos y las aplicaciones de fluidos no compresibles, como agua y aceite, para

transmitir energa de un punto a otro. La palabra oleohidrulica se refiere a que el fluido empleado

es aceite, que por otro lado es el ms comn; pero aun as nosotros utilizaremos el trmino

hidrulica en vez de oleohidrulica. Veamos una tabla comparativa entre neumtica e hidrulica.

Neumtica Hidrulica

Fluido Aire (muy compresible) Aceite (muy poco compresible)

Tipo circuito Circuito abierto: como el aire es abundante y

gratuito tomamos el aire de la atmsfera y lo

devolvemos a la atmsfera una vez utilizado

Circuito cerrado: como el aceite no es

abundante y es caro, una vez utilizado

regresa al comienzo del circuito

Contaminacin Es limpio, por eso se devuelve a la atmsfera Es sucio y contaminante

Fuerza y

velocidad

No sobrepasan los 1200 kp, pero alcanzan

velocidades muy rpidas (500.000 rpm)

Fuerzas mucho mayores que los sistemas

neumticos a menor velocidad

Control del

desplazamiento

Sus desplazamientos estn limitados y es no

es posible detener un actuador neumtico en

un punto intermedio

Permite mayores desplazamientos y un

control exacto de los mismos

Precio de

componentes

Son ms baratos al tener que soportar

menores presiones

Son ms caros al tener que soportar

mayores presiones

Aplicaciones Control de calidad, etiquetado, embalaje, etc. Mquinas herramienta, prensa, mquinas

de obras pblicas, sistemas de transporte

Elementos

generadores de

energa

Son los encargados de transmitir energa al fluido. En el caso neumtico es el compresor y

en el caso hidrulico es la bomba. Ambos llevan un motor que puede ser elctrico o de

combustin interna; as la energa elctrica o qumica de combustible que absorben la

ceden al fluido.

Elementos de

tratamiento del

fluido

Son los encargados de que los fluidos estn en ptimas condiciones de uso. En el caso

neumtico debern realizar un secado de humedad, filtrado de impurezas, regulacin de

presin y lubricacin del aire. En el caso hidrulico, por trabajar en circuito cerrado es

necesario un depsito de aceite y tambin el filtrado y regulacin de la presin

Elementos de

mando y

control

Son los encargados de conducir de forma adecuada al fluido desde la salida del compresor

o bomba, donde el fluido tiene energa, hasta los elementos actuadores, donde el fluido

ceder su energa

Elementos

actuadores

Son los encargados de transformar la energa del fluido en trabajo til. Se pueden dividir en

dos tipos: cilindros y motores. Los cilindros producen movimientos lineales y los motores

movimientos rotativos.


A. CIRCUITOS NEUMTICOS

1. PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS GASEOSOS

Aire. El fluido que se utiliza en los circuitos neumticos es aire comprimido. Nosotros consideraremos el aire como un gas perfecto aunque sabemos que, en realidad, es una mezcla de

gas (nitrgeno 78%, oxgeno 20 %, CO2, otros gases nobles), vapor de agua e impurezas.

Presin. La presin de un fluido es la fuerza por unidad de rea ejercida perpendicularmente sobre las paredes que contienen al fluido; de ah la frmula:

SFp =

La unidad en el S.I. de presin es el pascal (Pa); de ah que 1 Pa = 1 N/m2. Otras unidades de

presin son: 1 bar = 105; 1 atm = 1,01310

5 Pa; 1 kp/cm

2 = 0,98110

5 Pa; 760 mmHg = 1 atm

A veces por simplificar diremos: 760 mmHg = 1 atm 1 kp/cm2 1 bar = 10

5 Pa

Las presiones de un sistema neumtico o hidrulico se consideran sin tener en cuenta la

presin atmosfrica; esto es as porque la presin del fluido tiene que contrarrestar a la presin

atmosfrica si quiere mover algo. As:

(Presin absoluta) = (Presin atmosfrica) + (Presin relativa)

La presin relativa tambin se denomina presin manomtrica. En la frmula: p =

F/S la presin que debemos poner es la manomtrica. La presin atmosfrica es

medida por los barmetros, la presin relativa o manomtrica es medida por los

manmetros.

Caudal. El caudal de fluido que atraviesa una seccin se define como el volumen por unidad de tiempo que atraviesa dicha seccin; por tanto se medir en m

3/s en el S.I. y la frmula ser:

vSt

lSt

VQ =

=

=

donde Q es el caudal, V es la cantidad de volumen que ha atravesado la seccin en el periodo de

tiempo t, S es la seccin, l es lo que se ha desplazado el fluido en el periodo de tiempo t y v es

la velocidad del fluido.

Ecuacin de los gases perfectos. En neumtica consideraremos el aire como un gas perfecto por lo que podremos utilizar la ecuacin de los mismos.

TRnVp abs = notar que la presin es la absoluta.

Condiciones normales y estndar. En qumica nos han enseado que las condiciones normales de un gas son: 1 atm y 0C; y que las condiciones estndar de un gas son: 1 atm y 25 C. En

neumtica sin embargo la norma ISO R554 define condiciones normales del aire como: 1 atm,

20C, 65% de humedad relativa. Por tanto, en caso de duda lo mejor es preguntar.

Cuando nos pidan un volumen de aire en condiciones normales y nos den la temperatura de

trabajo utilizaremos la frmula:

normcond

normcondatm

trab

trabatmtrabman

trab

trabtrababs

TVp

TVpp

TVp

.

.__

)(

=

+=

Si no nos dan la temperatura de trabajo usaremos:

normcondatmtrabajoatmtrabmantrabajotrababs VpVppVp .__ )( =+=

Manmetro


Notas para problemas. Cuando en un problema de este bloque nos den una presin sin apellidos dicha presin es manomtrica. La presin a utilizar en la frmula de la fuerza es presin

manomtrica. La presin a utilizar en la ecuacin de los gases perfectos es presin absoluta. La

presin absoluta en condiciones normales siempre es la atmosfrica; la temperatura en

condiciones normales no est tan claro.

2. GENERADORES DE AIRE COMPRIMIDO: COMPRESORES

Compresor. Los compresores elevan la presin del aire hasta el valor adecuado para su utilizacin; es decir, un compresor transforma la energa que se les aporta desde el exterior,

mediante motor elctrico o motor de combustin interna, en energa de presin comunicada al

sistema neumtico.

Normalmente se sitan alejados, ya que son

ruidosos; o incluso en el exterior de la nave

industrial, ya que all el aire ser ms puro.

Lo que nos interesa de un compresor es la presin

que puede proporcionar al aire y el caudal de aire

que es capaz de mover.

Existen dos tipos de compresores: los volumtricos y

los dinmicos.

Compresores volumtricos. Se basan en reducir el volumen en el que se encuentra el aire sin variar la temperatura; de esta forma aumentar la presin (pV = cte). Los compresores

volumtricos se clasifican en alternativos y rotativos. Los alternativos se basan en reducir el

volumen de aire mediante el mecanismo biela manivela. Los rotativos se basan en reducir el

volumen mediante una rueda de paletas.

Compresor volumtrico alternativo Compresor volumtrico rotativo

Compresores dinmicos. Se basan en aumentar la energa del aire incrementando su energa cintica para despus convertir dicha energa cintica en energa de presin. Los compresores

dinmicos se clasifican en radiales y axiales.

Compresor dinmico radial Compresor dinmico axial

Smbolos de un compresor


3. ELEMENTOS DE TRATAMIENTO DE AIRE COMPRIMIDO

Elementos de tratamiento de aire comprimido. Se conocen con este nombre a todos los componentes, situados con anterioridad a los elementos que utilizan el aire comprimido para

generar el trabajo til, cuya misin es suministrar el aire comprimido en las mejores condiciones

posibles para su utilizacin posterior.

Es decir, el aire comprimido debe estar libre de agua e impurezas, regulado a la presin

deseada y adecuadamente lubricado donde sea preciso. Por tanto, los elementos de tratamiento

del aire comprimido son: filtros, reguladores de presin y lubricadores.

Filtros. Los filtros eliminan el agua y las impurezas del aire comprimido. En una primera fase, por centrifugado se eliminan las partculas slidas y el agua; las partculas ms finas

son detenidas mediante un cartucho filtrante. En la parte inferior del filtro hay un

grifo que sirve para purgar el agua depositada.

Reguladores de presin. La presin de trabajo es casi siempre inferior a la que proporciona el compresor e incluso en una misma instalacin se pueden encontrar elementos que

funcionen con distintas presiones. La misin del regulador de presin es mantener

constante el valor de sta, independientemente de la presin que exista en la red,

pues presiones muy altas provocaran grandes desgastes en los componentes,

mientras que presiones reducidas pueden dar lugar a rendimientos bajos.

Lubricadores. Como las instalaciones neumticas poseen rganos mviles y estn, por tanto, sujetos a rozamientos, puede resultar necesario proceder a la lubricacin de los

mismos. La lubricacin se lleva a cabo lubricando el aire comprimido; de esta

forma el lubricador aporta aceite a los elementos mviles, disminuyendo as los

rozamientos. Algunos equipos estn preparados para trabajar sin lubricacin;

estos equipos, obviamente no necesitan lubricadores.

Unidad de mantenimiento o unidad de actuacin. Es un montaje en bloque de un filtro, un regulador de presin con manmetro y un lubricador. Tiene un smbolo propio.

4. ELEMENTOS ACTUADORES EN CIRCUITOS NEUMTICOS: CILINDROS Y MOTORES

Elementos actuadores. Son los elementos que permiten transformar la energa comunicada al aire por el compresor en energa til. Se dividen en dos grupos: elementos alternativos o cilindros

y elementos rotativos o motores.

4.1. CILINDROS NEUMTICOS

Cilindros neumticos. Provocan un desplazamiento til lineal. Se clasifican en dos grupos, segn el nmero de recorridos por ciclo en los que se realiza trabajo til: cilindros de simple efecto y

cilindros de doble efecto.


Cilindro de simple efecto. Los cilindros de simple efecto slo dispone de una toma de aire comprimido, por tanto, slo se produce desplazamiento til en un sentido, pues el aire

comprimido acta slo en una de las cmaras que delimita el mbolo en el interior del cilindro. La

recuperacin se puede llevar a cabo mediante una fuerza interna (muelle) o una fuerza externa

(carga).

Suelen ser de dimetros pequeos y carreras cortas, y se suelen emplear para trabajos tales

como sujecin, expulsin, alimentacin en sistemas automatizados, etc. Su diseo constructivo

puede ser muy variado pero se pueden clasificar en cilindros de membrana para carreras

extremadamente cortas y cilindros de mbolo, que son los ms utilizados.

En un cilindro de simple efecto la fuerza que el aire comprimido aplica al mbolo viene dada

por la expresin:

pSF terica = )( muellerozmuellereal FpSFFpSF ==

Siendo S la seccin del mbolo en contacto con el aire comprimido, p la presin manomtrica

del aire comprimido, Froz la fuerza de rozamiento, Fmuelle la fuerza del muelle y el rendimiento

del cilindro.

Cilindro de doble efecto. Los cilindros de doble efecto disponen de dos tomas de aire comprimido situadas a ambos lados del mbolo. Son los cilindros ms utilizados y pueden realizar carrera de

trabajo en ambos sentidos.

Presentan las siguientes ventajas respecto los cilindros de simple

efecto: su carrera no est tan limitada, el retorno no depende de la

carga ni de elemento mecnico alguno, su rgimen de funcionamiento

se puede ajustar con mayor precisin.

En un cilindro de doble efecto la fuerza que el aire comprimido aplica al mbolo en la carrera

de avance viene dada por la expresin:

4

2

_

pDpSF avavterpi

==

4

4

22

_

pDFpDF rozavrealpipi ==

Siendo Fav la fuerza aplicada al mbolo en el avance, Sav la seccin del mbolo en contacto

con el aire comprimido, p la presin manomtrica del aire comprimido, Froz la fuerza de

rozamiento, D el dimetro del mbolo y el rendimiento del cilindro.

En un cilindro de doble efecto la fuerza que el aire comprimido aplica al mbolo en la carrera

de retorno viene dada por la expresin:

4)(

22

_

pdDpSF rereteor

==

pi 4

)(

4)( 2222

_

pdDFpdDF rozrereal

=

=

pipi

Siendo Fre la fuerza aplicada al mbolo en el retroceso, Sre la seccin del mbolo menos la del

vstago, p la presin manomtrica del aire comprimido, Froz la fuerza de rozamiento, D el

dimetro del mbolo y d el dimetro del vstago.

El consumo de aire de un cilindro de doble efecto se calcula teniendo en cuenta el volumen

de aire que el mbolo desplaza en el avance ms el que desplaza en el retroceso:

Cilindro simple efecto con

retroceso por muelle

Cilindro de simple efecto con

Retroceso por carga

Cilindro de doble efecto


4)2(

4)(

4

22222 LdDLdDLDVVV reav

=

+=+=pipipi

Siendo V el volumen de aire consumido durante un ciclo en las condiciones de trabajo, Vav el

volumen de aire consumido en el avance en las condiciones de trabajo, Vre el volumen de aire

consumido en el retroceso en las condiciones de trabajo, D el dimetro del mbolo, d el

dimetro del vstago y L la carrera.

Otros tipos de cilindros. Adems de los cilindros bsicos anteriores , existen otros que pueden resultar prcticos en ciertas aplicaciones:

- Cilindro con amortiguacin. En los casos anteriores el mbolo en movimiento parar cuando llegue al extremo, chocando con la tapa del cilindro. En

ocasiones, se pueden alcanzar velocidades tales que, en este

choque se puedan daar elementos del cilindro. Tambin puede

pasar que no nos interese un frenado del vstago en seco. Para

solucionar ambas situaciones se precisa que la ltima parte del

recorrido se realice de forma suave para que el frenado no sea brusco. El cilindro con

amortiguacin permite este tipo de funcionamiento. Algunos se basan en amortiguacin

externa mediante muelles o amortiguadores hidrulicos; otros se basan en amortiguacin

interna por medio de un colchn de aire cuando el mbolo llega al final de su carrera.

- Cilindro de doble vstago. Este cilindro dispone de dos vstagos, uno a cada lado del cilindro, lo que permitir trabajar a ambos lados del cilindro.

- Cilindro sin vstago. Cuando no se dispone de mucho espacio, la utilizacin de un cilindro como los anteriores es un problema, puesto que para conseguir un desplazamiento til de x, se

necesita ocupar un espacio de 2x, correspondiente al cilindro ms el vstago una vez fuera.

Para solucionar este problema existen cilindros sin vstago, en los cuales el desplazamiento se

produce sobre la camisa del cilindro.

4.2. MOTORES NEUMTICOS

Motores neumticos. Provocan un desplazamiento til giratorio. Los motores neumticos permiten una rpida inversin de giro, una velocidad de giro superior a 500.000 rpm y se pueden

sobrecargar sin problemas hasta provocar su parada. Se emplean especialmente cuando resulte

difcil el mantenimiento de motores elctricos como por ejemplo, ambientes deflagrantes,

corrosivos, de elevadas temperaturas o cuando las condiciones de trabajo sean exigentes como

arranques y paros casi instantneos, fuertes sobrecargas, variaciones bruscas de velocidad, etc.

El smbolo de los motores neumticos es similar al de los compresores, pero en este caso el

tringulo, que indica el sentido de movimiento del fluido, va al revs. Podemos considerar cinco

tipos de motores:

Motor de caudal Motor de caudal Motor de caudal Motor de caudal Motor con doble giro constante y un solo variable y un solo constante y dos variable y dos limitado

sentido de giro sentido de giro sentidos de giro sentidos de giro

Cilindro de doble vstago

Cilindro sin vstago


Segn su forma constructiva, existen tres tipos fundamentales de motores neumticos:

- Motores rotativos de pistones. Estn constituidos por un cierto nmero de cilindros de simple efecto, unidos por medio de bielas a un eje principal en forma de cigeal. Mediante una

vlvula de distribucin de tipo rotativo se introduce el aire comprimido de forma secuencial en

los pistones, garantizando as la rotacin del eje principal. La velocidad mxima de este motor

ronda las 5000 rpm.

- Motores de paletas. Es la versin en motor del generador de paletas. Su velocidad de giro puede alcanzar las 10.000 rpm.

- Motores de engranaje. El aire comprimido hace girar dos engranajes; uno girar en vaco y sobre el otro ser sobre el que coloquemos la carga.

- Motores de turbina. El aire comprimido acta sobre los labes, que estn dotadas de una geometra especial para provocar el giro del eje. Su velocidad de giro alcanza las 500.000 rpm,

como en el caso del torno de los dentistas.

Motor rotativo de pistones Motor de paletas Motor de engranaje Motor de turbina

5. ELEMENTOS DE CONTROL EN CIRCUITOS NEUMTICOS: VLVULAS

Vlvulas. Son los elementos encargados de controlar la energa que se transmite a travs del fluido hacia los elementos actuadores. Segn su funcin se pueden distinguir cuatro tipos:

vlvulas distribuidoras, vlvulas de bloqueo, vlvulas reguladoras de caudal y vlvulas reguladoras

de presin.

- Vlvulas distribuidoras. Permiten detener o dejar paso al fluido a su travs o bien determinan las conducciones por las que circular el flujo y su sentido.

- Vlvulas de bloqueo. Permiten realizar funciones lgicas, impiden el flujo en un sentido determinado, etc.

- Vlvulas reguladoras de caudal. Controlan el caudal que circula por ellas.

- Vlvulas reguladoras de presin. Controlan la presin del aire a su salida desde un valor nulo hasta el valor de entrada.

5.1. VLVULAS DISTRIBUIDORAS

Vlvulas distribuidoras. Estas vlvulas permiten detener o dejar paso al fluido a su travs o bien determinan por qu tuberas circular el flujo y en qu sentido. Ejemplos: 4/2 biestable accionada

neumticamente por presin, 3/2 monoestable NC accionada manualmente por pulsador y

regreso con muelle. Externamente las vlvulas 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. Veamos ahora distintos tipos de clasificaciones de estas vlvulas.


Clasificacin por vas y posiciones. Esta clasificacin es la ms importante y asigna dos nmeros a la vlvula: el primero es su nmero de vas y el segundo es su nmero de

posiciones.

El nmero de vas de una vlvula es el de orificios de conexin externa que dispone la vlvula; no se deben tener en cuenta los orificios que sean de purga, o

las conexiones que disponga la vlvula para su pilotaje.

El nmero de posiciones de una vlvula indica el nmero de formas de conexin de las conducciones que llegan a la vlvula.

Representaremos esquemticamente a una vlvula por medio de cuadrados

adyacentes. El nmero de cuadrados indica el nmero de posiciones de la vlvula.

De cada cuadrado saldr un nmero de trazos, el mismo nmero para todos los

cuadrados; dicho nmero ser el nmero de vas de la vlvula. El funcionamiento

de la vlvula se representa en el interior de los cuadrados mediante flechas que

van de una va a otra, para indicar la direccin y sentido del flujo, o por una T para

indicar que el flujo est cortado para esa va.

En la figura vemos por orden: vlvulas 2/2, 3/2, 4/2, 5/2 y 4/3.

Por convenio el compresor se dibuja en la parte baja del circuito y los elementos actuadores

en la parte alta del mismo; viajando el fluido comprimido desde abajo hacia arriba. En una vlvula,

las vas de abajo se designan por nmeros impares y las de arriba por nmeros pares. El aire que

viene del compresor estar conectado a la va 1 de la vlvula (tambin llamada va P), que suele

ser la va de la izquierda baja en el caso de que haya dos vas abajo o la va central baja en el caso

de que haya tres vas abajo. Por otro lado, un triangulo en la va indica que es una va de escape.

Vlvula 3/2 Vlvula 5/2 acc.manual y neumtico Escapes normales Escape con silenciador

Clasificacin por tipo de accionamiento, pilotaje o mando. Los accionamientos o pilotajes de una vlvula son los responsables de que una vlvula pase de una posicin a otra. Los podemos

clasificar en:

- Accionamiento manual. El accionamiento se lleva a cabo de forma manual por un operador. Segn el dispositivo utilizado

hablaremos de pulsador, pulsador con enclavamiento, palanca,

palanca con enclavamiento, pedal, etc.

- Accionamiento mecnico mvil. Tambin denominados finales de carrera neumticos. El accionamiento se lleva a cabo

mediante leva, rodillo o conjunto de leva y rodillo

unidireccional.

- Accionamiento elctrico. El desplazamiento del elemento mvil de la vlvula se lleva a cabo mediante la fuerza producida

por un electroimn. El accionamiento se lleva a cabo cuando

circule corriente por la bobina del electroimn. Estas vlvulas

accionadas elctricamente son conocidas como electrovlvulas.

General

Rodillo

Rodillo con

enclavam.

Palanca

Pedal

Leva

Rodillo

Rodillo

unidirecc.

Elctrico

Neumtico

(presin)

Neumtico

(depresin)

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