circuitos neumaticos e hidraulicos
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CIRCUITOS NEUMATICOS E HIDRAULICOS
La Neumática y la Hidráulica son dos ciencias y, a la vez, técnicas 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 estas palabras derivan de
las griegas pneuma e hydro, que significan viento y agua, respectivamente.
Las diferencias entre ambas vienen marcadas por la naturaleza de los fluidos
que se consideran: aire (muy compresible) y aceite o similares (casi incompresibles).
Aunque esto no impide que un mismo proceso se pueda resolver de forma práctica, en
unos casos mediante sistema hidráulico y en otros por medio de uno neumático.
La Neumática se puede considerar adecuada para fuerzas no superiores a las 3
Tn., aunque su ámbito preferente de utilización se extiende hasta fuerzas menores de
1,2 Tn., con desplazamientos rápidos. También se utiliza en el accionamiento de
pequeños motores, como es el caso de herramientas portátiles, o de motores de alta
velocidad que pueden alcanzar las 500.000 r.p.m.
La Hidráulica es apropiada para grandes esfuerzos tanto en actuadores lineales
como en motores de par elevado, y permite un control exacto de velocidad y parada.
Su utilización se extiende a las industrias metalúrgicas, a las máquinas-herramientas,
prensas, maquinaria de obras públicas, industria naval y aeronáutica, sistemas de
transporte, etc.
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
líquido, se ha de conseguir que el fluido transmita la energía necesaria para el
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sistema. En los sistemas neumáticos 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.
Elemento de tratamiento de los fluidos. En el caso de los sistemas
neumáticos, debido a la humedad existente en la atmósfera, 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 depósito 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 neumáticos como en
hidráulicos, se encargan de conducir de forma adecuada la energía
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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.
Conceptos Básicos de Neumática e Hidráulica
La palabra "Hidráulica" proviene del griego "hydor" que significa "agua",
cubrió originalmente el estudio del comportamiento físico del agua en reposo y en
movimiento. El uso ha ampliado su significado para incluir el comportamiento de
todos los líquidos, aunque se refiera sobre todo al movimiento de líquidos. La
hidráulica incluye la manera de la cual los líquidos actúan en los tanques y las
cañerías, se ocupa de sus características, y explora maneras de aprovechar las
mismas. Hoy el término hidráulica se emplea para referirse a la transmisión y control
de fuerzas y movimientos por medio de líquidos, es decir, se utilizan los líquidos para
la transmisión de energía, en la mayoría de los casos se trata de aceites minerales pero
también pueden emplearse otros fluidos, como líquidos sintéticos, agua o una
emulsión agua-aceite.
La potencia fluida es un término que fue creado para incluir la generación,
control, y el uso de la energía en forma continua y eficaz de fluidos bombeados o
comprimidos (líquidos o gases) cuando se utiliza esta energía para proporcionar la
fuerza y el movimiento a los mecanismos. Esta fuerza y movimiento puede estar en
forma de empuje, tracción, rotación, regulación, o conducción. La potencia fluida
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incluye la hidráulica, que se relaciona con los líquidos, y la neumática, que se
relaciona con los gases. Los líquidos y los gases son similares en muchos aspectos.
Desarrollo de la hidráulica
Aunque el desarrollo moderno de la hidráulica sea comparativamente reciente,
las antiguas civilizaciones estaban familiarizadas con muchos principios hidráulicos y
sus usos. Los egipcios y la población antigua de Persia, India, y China transportaron
el agua a lo largo de canales para la irrigación y propósitos domésticos, usando las
presas y esclusas para controlar el caudal. Los antiguos cretenses tenían un sistema de
fontanería avanzado. Arquímedes estudió las leyes de la flotación y cuerpos
sumergidos. Los romanos construyeron los acueductos para llevar el agua a sus
ciudades.
Después de la desintegración del mundo antiguo, hubo pocas novedades por
muchos siglos. Luego, durante un período comparativamente corto, comenzando
cerca del final del siglo XVII, el físico italiano, Evangelista Torricelle, el físico
francés, Edme Mariotte, y posteriormente, Daniel Bernoulli condujeron experimentos
para estudiar los elementos de fuerza en la descarga del agua a través de pequeñas
aberturas a los lados de los tanques y a través de cañerías cortas. Durante el mismo
período, Blaise Pascal, científico francés, descubrió la ley fundamental de la ciencia
de la hidráulica.
La ley de Pascal indica que el aumento en la presión sobre la superficie de un
líquido confinado es transmitido sin disminución a través del recipiente o del sistema
que lo contiene. (Éste es el principio básico de la hidráulica).
Para que la ley de Pascal sea útil en usos prácticos, era necesario tener un
pistón que “encajara exactamente.” No fue sino hasta la última parte del siglo XVIII
en que fueron encontrados métodos para hacer piezas que encajaran con precisión
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según los requerimientos de los sistemas hidráulicos. Esto fue logrado por la
invención de máquinas que fueron utilizadas para cortar y para dar forma a las piezas,
logrando el encastre necesario, particularmente, por el desarrollo de juntas y
empaquetaduras. Desde entonces, componentes tales como válvulas, bombas,
cilindros actuadores, y motores han progresado y perfeccionado para hacer de la
hidráulica una de tecnologías principales para transmitir potencia.
La prensa hidráulica, inventada por el inglés John Brahmah, fue uno de los
primeras partes realizables de maquinaria desarrolladas que utilizaron la hidráulica en
su operación. Consistió en una bomba de émbolo canalizada por tubos a un cilindro
grande y a un pistón. Esta prensa encontró uso amplio en Inglaterra porque
proporcionó medios más eficaces y más económicos de aplicar grandes fuerzas en
aplicaciones industriales. .
Campos de aplicación de la hidráulica y la neumática.
En la actualidad las aplicaciones de la oleohidráulica y neumática son muy
variadas, esta amplitud en los usos se debe principalmente al diseño y fabricación de
elementos de mayor precisión y con materiales de mejor calidad, acompañado
además de estudios mas acabados de las materias y principios que rigen la hidráulica
y neumática. Todo lo anterior se ha visto reflejado en equipos que permiten trabajos
cada vez con mayor precisión y con mayores niveles de energía, lo que sin duda ha
permitido un creciente desarrollo de la industria en general.
Hoy, se utiliza la potencia hidráulica para hacer funcionar muchas y variadas
herramientas y mecanismos. En un garaje, un mecánico levanta el extremo de un
automóvil con un gato hidráulico. Los dentistas y los peluqueros utilizan transmisión
hidráulica, a través pequeños movimientos de una palanca de mando, para levantar y
colocar sus sillas a una altura de trabajo conveniente. Los cierres hidráulicos evitan
que puertas pesadas se cierren de golpe. Los frenos hidráulicos han sido un equipo
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estándar en los automóviles desde los años 30. La mayoría de los automóviles se
equipan con transmisiones automáticas que son accionadas hidráulicamente. La
dirección hidráulica es otro uso de la potencia hidráulica. Los trabajadores de
construcción dependen de la energía hidráulica para la operación de varios
componentes de su equipamiento. Por ejemplo, la pala de una niveladora es
accionada normalmente por energía hidráulica. Durante el período precedente a la
Segunda Guerra Mundial la marina de guerra comenzó a aplicar la hidráulica a los
mecanismos navales extensivamente. Desde entonces, los usos navales han
aumentado al punto donde muchos dispositivos hidráulicos ingeniosos se utilizan en
la solución de problemas de artillería, de aeronáutica, y de navegación. A bordo de la
nave, se utiliza la transmisión hidráulica para operar equipos tales como el guinche de
ancla, las grúas, dirección, dispositivos teledirigidos, y los impulsores hidráulicos de
elevación y de entrenamiento para el armamento y los lanzacohetes. Los elevadores
en portaaviones utilizan potencia hidráulica para transferir los aviones de la cubierta
de hangar a la cubierta de vuelo y viceversa.
El uso extenso de la hidráulica y de la neumática para transmitir energía es
debido al hecho de que los sistemas fluidos correctamente construidos poseen un
número de características favorables. Eliminan la necesidad de sistemas complicados
de engranajes, de levas, y de palancas. El movimiento se puede transmitir sin la
holgura inherente en el uso de las piezas sólidas de máquina. Los líquidos usados no
están sujetos a roturas al igual que las piezas mecánicas, y los mecanismos no se
están expuestos a un gran desgaste. Las diversas piezas de un sistema de energía
fluido se pueden situar convenientemente en puntos muy distanciados, puesto que las
fuerzas generadas se transmiten rápidamente a distancias considerables con pequeñas
pérdidas. Estas fuerzas se pueden desplazar hacia arriba y hacia abajo o a través de
codos con pequeñas pérdidas en eficacia y sin mecanismos complicados. Fuerzas
muy grandes se pueden controlar por otras más pequeñas y se pueden transmitir a
través de líneas y de orificios comparativamente pequeños.
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Si el sistema se adapta bien al trabajo que se requiere realizar, y si no se
emplea mal, puede proporcionar una acción continua, flexible, uniforme y sin
vibraciones, y no es afectado por variaciones de la carga. En caso de una sobrecarga,
una reducción automática de la presión puede ser garantizada, de manera de proteger
el sistema contra averías o tensiones excesivas. Los sistemas de potencia mediante
fluidos pueden proporcionar amplios movimientos variables, tanto en la transmisión
de energía rotatoria como en forma rectilínea. La necesidad del control manual puede
ser reducida al mínimo. Además, los sistemas de potencia fluida son económicos para
operar.
La pregunta que puede presentarse es porqué usar la hidráulica en ciertos usos
y neumática en otros. Muchos factores son considerados por el usuario y/o el
fabricante al determinar qué tipo de sistema utilizar en un uso específico. No hay
reglas claras e inmediatas a seguir; sin embargo, la experiencia pasada ha
proporcionado algunas conclusiones que se consideran generalmente cuando se
toman tales decisiones. Si la necesidad del sistema requiere velocidad, una cantidad
media de presión, y solamente un control relativamente exacto, un sistema neumático
puede ser utilizado. Si el uso requiere solamente una cantidad media de presión y de
un control más preciso, una combinación de hidráulica y de neumática puede ser
utilizada. Si el uso requiere una gran cantidad de presión y/o control extremadamente
exacto, un sistema hidráulico deberá ser le opción a elegir.
La hidráulica y la neumática se combinan para algunos usos. Esta
combinación se refiere como hidroneumática. Un ejemplo de esta combinación es la
elevación usada en garajes y estaciones de gasolina. La presión de aire se aplica a la
superficie del fluido hidráulico en un depósito. La presión de aire fuerza el líquido
hidráulico a levantar el elevador.
Dentro de las aplicaciones se pueden distinguir dos, móviles e industriales:
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Aplicaciones Móviles
El empleo de la energía proporcionada por el aire y aceite a presión, puede
aplicarse para transportar, excavar, levantar, perforar, manipular materiales, controlar
e impulsar vehículos móviles tales como:
Tractores, Grúas, Retroexcavadoras, Camiones recolectores de basura,
Cargadores frontales, Frenos y suspensiones de camiones, Vehículos para la
construcción y mantención de carreteras, Etc.
Aplicaciones Industriales
En la industria, es de primera importancia contar con maquinaria especializada
para controlar, impulsar, posicionar y mecanizar elementos o materiales propios de la
línea de producción, para estos efectos se utiliza con regularidad la energía
proporcionada por fluidos comprimidos. Se tiene entre otros:
Maquinaria para la industria plástica, Máquinas herramientas, Maquinaria
para la elaboración de alimentos, Equipamiento para robótica y manipulación
automatizada, Equipo para montaje industrial, Maquinaria para la minería,
Maquinaria para la industria siderúrgica, Etc.
Otras aplicaciones se pueden dar en sistemas propios de vehículos
automotores, como automóviles, aplicaciones aerospaciales y aplicaciones navales,
por otro lado se pueden tener aplicaciones en el campo de la medicina y en general en
todas aquellas áreas en que se requiere movimientos muy controlados y de alta
precisión, así se tiene:
Aplicación automotriz: suspensión, frenos, dirección, refrigeración, etc.
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Aplicación Aeronáutica: timones, alerones, trenes de aterrizaje, frenos, simuladores,
equipos de mantenimiento aeronáutico, etc.
Aplicación Naval: timón, mecanismos de transmisión, sistemas de mandos, sistemas
especializados de embarcaciones o buques militares
Medicina: Instrumental quirúrgico, mesas de operaciones, camas de hospital, sillas e
instrumental odontológico, etc.
La hidráulica y neumática tienen aplicaciones tan variadas, que pueden ser
empleadas incluso en controles escénicos (teatro), cinematografía, parques de
entretenciones, represas, puentes levadizos, plataformas de perforación submarina,
ascensores, mesas de levante de automóviles, etc.
Ventajas y desventajas de la hidráulica y la neumática.
Los sistemas de transmisión de energía oleohidráulicos y neumáticos son una
garantía de seguridad, calidad y fiabilidad a la vez que reducen costos.
La flexibilidad extrema de los elementos de potencia fluida presenta un
número de problemas a tener en cuenta. Puesto que los fluidos no tienen ninguna
forma propia, éstos deben ser confinados seguramente a lo largo de todo el sistema.
Consideraciones especiales se deben dar a la integridad estructural de las partes de un
sistema de potencia fluido. El sistema deberá estar compuesto por cañerías y envases
resistentes. Las pérdidas deberán ser evitadas. Esto es un problema grave con la alta
presión obtenida en muchas instalaciones de potencia fluida.
La operación del sistema implica el movimiento constante del líquido dentro
de las líneas y de los componentes. Este movimiento causa fricción dentro del líquido
mismo y contra las superficies que lo contienen que, si son excesivas, pueden llevar a
las pérdidas serias en eficiencia. No se debe permitir que materiales extraños se
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acumulen en el sistema, donde éstos pueden taponar los pequeños pasos o trabar
piezas con ensamble muy preciso. La acción química puede causar la corrosión.
Cualquier persona que trabaje con sistemas de potencia fluida debe saber cómo
funciona dichos sistema y sus componentes, tanto en términos de principios generales
comunes a todos los mecanismos físicos, así como las particularidades del dispositivo
actual en uso.
La Seguridad es de vital importancia en la navegación aérea y espacial, en la
producción y funcionamiento de vehículos, en la minería y en la fabricación de
productos frágiles. Por ejemplo, los sistemas oleohidráulicos y neumáticos se utilizan
para asistir la dirección y el frenado de coches, camiones y autobuses. Los sistemas
de control oleohidráulico y el tren de aterrizaje son los responsables de la seguridad
en el despegue, aterrizaje y vuelo de aviones y naves espaciales. Los rápidos avances
realizados por la minería y construcción de túneles son el resultado de la aplicación
de modernos sistemas oleohidráulicos y neumáticos.
La Fiabilidad y la Precisión son necesarias en una amplia gama de
aplicaciones industriales en las que los usuarios exigen cada vez más una mayor
calidad. Los sistemas oleohidráulicos y neumáticos utilizados en la manipulación,
sistemas de fijación y robots de soldadura aseguran un rendimiento y una
productividad elevados, por ejemplo, en la fabricación de automóviles.
En relación con la industria del plástico, la combinación de la oleohidráulica,
la neumática y la electrónica hacen posible que la producción esté completamente
automatizada, ofreciendo un nivel de calidad constante con un elevado grado de
precisión.
Los sistemas neumáticos juegan un papel clave en aquellos procesos en los
que la higiene y la precisión son de suma importancia, como es el caso de las
instalaciones de la industria farmacéutica y alimenticia, entre otras.
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La Reducción en el costo es un factor vital a la hora de asegurar la
competitividad de un país industrial.
La tecnología moderna debe ser rentable y la respuesta se encuentra en los
sistemas oleohidráulicos y neumáticos. Entre otros ejemplos, cabe citar el uso
generalizado de estos sistemas en la industria de carretillas elevadoras controladas
hidráulicamente, las máquinas herramientas de alta tecnología, así como los equipos
de fabricación para procesos de producción automatizada, las modernas excavadoras,
las máquinas de construcción y obras públicas y la maquinaria agrícola.
Con respecto a la manipulación de materiales y para citar unos ejemplos, los
sistemas oleohidráulicos permiten que una sola persona pueda trasladar, fácil y
rápidamente, grandes cantidades de arena o de carbón.
Ventajas de la Oleohidráulica
-Permite trabajar con elevados niveles de fuerza o mementos de giro
-El aceite empleado en el sistema es fácilmente recuperable
-Velocidad de actuación fácilmente controlable
-Instalaciones compactas
-Protección simple contra sobrecargas
-Cambios rápidos de sentido
Desventajas de la Oleohidráulica
-El fluido es más caro
-Perdidas de carga
-Personal especializado para la mantención
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-Fluido muy sensible a la contaminación.
Estados de la materia.
El material que compone el universo se conoce como materia. La materia se
define como cualquier sustancia que ocupe el espacio y tenga peso. La materia existe
en tres estados: sólido, líquido, y gaseoso; cada uno tiene distintas características. Los
sólidos tienen un volumen y una forma definidos; los líquidos tienen un volumen
definido, pero toman la forma de los recipientes que los contienen; los gases no tienen
ni una forma definida ni un volumen definido. Los gases no sólo toman la forma del
recipiente que los contiene, sino también se expanden y llenan el recipiente, sin
importar su volumen. Los ejemplos de los estados de la materia son hierro, agua, y
aire.
La materia puede cambiar de un estado a otro. El agua es un buen ejemplo. A
temperaturas altas está en estado gaseoso conocido como vapor. A temperaturas
moderadas es un líquido, y a bajas temperaturas se convierte en hielo, que es
definitivamente estado sólido. En este ejemplo, la temperatura es el factor dominante
en la determinación del estado que la sustancia asume.
La presión es otro factor importante que afectará a cambios en los estados de
la materia. A presiones inferiores a la presión atmosférica, el agua hervirá y se
transformará en vapor a temperaturas menores a 212° Fahrenheit (F). La presión es
también un factor crítico en el cambio de algunos gases a líquidos o sólidos.
Normalmente, cuando presión y enfriamiento son aplicadas a un gas en forma
simultánea, el gas se transforma en estado líquido. El aire líquido, que es una mezcla
de oxígeno y de nitrógeno, se produce de este modo.
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En el estudio de la potencia de los fluidos, nos referimos sobre todo a las
características y propiedades de líquidos y gases. Sin embargo, usted deberá tener
presente que las características de los sólidos también afectan a las características de
líquidos y gases. Las líneas de tuberías y los componentes, que son sólidos, contienen
y controlan el líquido o el gas en sus respectivos sistemas.
Simbologías básicas para representar los esquemas hidráulicos y neumáticos.
La norma UNE-101 149 86, se encarga de representar los símbolos que se
deben utilizar en los esquemas neumáticos e hidráulicos.
La norma establece las reglas de representación de las válvulas así como su
designación.
Los símbolos más utilizados son los siguientes:
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