Neumatica e hidráulica

1GENERALIDADES

Los sistemas de movimiento y control basados en fluidos pueden ser neumáticos, hidráulicos, eléctricos y mecánicos.

1.1 Neumática

La palabra neumática se refiere al estudio del movimiento del aire. Así, en sus comienzos el hombre utilizó el viento en la navegación y en el uso de los molinos para moler grano y bombear agua. En 1868 George Westinghouse fabricó un freno de aire que revolucionó la seguridad en el transporte ferroviario. Es a partir de 1950 cuando la neumática progresa ampliamente en la industria con el desarrollo paralelo de los sensores.

Los sistemas de aire comprimido proporcionan un movimiento controlado con el empleo de cilindros y motores neumáticos, y se aplican en herramientas, válvulas de control y posicionadores, martillos neumáticos, pistolas para pintar, motores neumáticos, sistemas de empaquetado, elevadores, herramientas de impacto, prensas neumáticas, robots industriales, vibradores, frenos neumáticos, etc.

Las ventajas que presenta el uso de la neumática son el bajo coste de sus componentes, su facilidad de diseño e implementación y el bajo par o la fuerza escasa que puede desarrollar a las bajas presiones con que trabaja (típico 6 bar), lo que constituye un factor de seguridad. Otras características favorables son el riesgo nulo de explosión, su conversión fácil al movimiento giratorio así como al lineal, la posibilidad de transmitir energía a grandes distancias, una construcción y mantenimiento fáciles y la economía en las aplicaciones.

Entre las desventajas, figura la imposibilidad de obtener velocidades estables debido a la compresibilidad del aire, los altos costes de la energía neumática y las posibles fugas que reducen el rendimiento.

La neumática precisa de una estación de generación y preparación del aire comprimido formada por un compresor de aire, un depósito, un sistema de preparación del aire (filtro, lubricador y regulador de presión), una red de tuberías para llegar al utilizador y un conjunto de preparación del aire para cada dispositivo neumático individual (Figura 1.1).

Figura 1.1. Preparación del aire.

Los sistemas neumáticos se complementan con los eléctricos y electrónicos, lo que les permite obtener un alto grado de sofisticación y flexibilidad. Utilizan válvulas de solenoide, señales de realimentación de interruptores magnéticos, sensores e interruptores eléctricos de final de carrera. El PLC (Programmable Logic Controller) les permite programar la lógica de funcionamiento de un cilindro o de un conjunto de cilindros realizando una tarea específica.

En determinadas aplicaciones, tales como en movimientos de aproximación rápida y avance lento, típicos de las fresadoras y rectificadoras, en la sujeción de piezas utilizada en los cortes a alta velocidad sobre materiales duros y en la automatización de procesos de producción, se combinan la neumática y la hidráulica en un circuito oleoneumático, utilizando la parte neumática para el accionamiento y control y la parte hidráulica para el actuador.

1.2 Hidráulica

La hidráulica utiliza básicamente los fluidos hidráulicos como medios de presión para mover los pistones de los cilindros. En la figura 1.2 se representa el movimiento típico de un pistón dentro del cilindro gracias a la energía proporcionada por un sistema hidráulico formado por una bomba, un depósito y un conjunto de tuberías que llevan el fluido a presión hasta los puntos de utilización

Figura 1.2. Circuito típico de un pistón dentro del cilindro en un sistema hidráulico. LVDT (Linear Variable Differential Transformer) es un captador lineal de desplazamiento.

Dentro de estos sistemas se encuentran los motores hidráulicos con velocidades que abarcan desde 0,5 rpm hasta 10.000 rpm, y el par que proporcionan va desde 1 Nm (baja velocidad) hasta 20.000 Nm (alta velocidad).

Los sistemas hidráulicos se aplican típicamente en dispositivos móviles tales como maquinaria de construcción, excavadoras, plataformas elevadoras, aparatos de elevación y transporte, maquinaria para agricultura y simuladores de vuelo.

Sus aplicaciones en dispositivos fijos abarcan la fabricación y montaje de máquinas de todo tipo, líneas transfer, aparatos de elevación y transporte, prensas, máquinas de inyección y moldeo, máquinas de laminación y ascensores y montacargas.

Tienen las siguientes ventajas: Gran potencia transmitida con pequeños componentes; posicionamiento preciso; arranque con cargas pesadas; movimientos lineales independientes de la carga, ya que los líquidos son casi incompresibles y pueden emplearse válvulas de control; operación suave e inversa; buen control y regulación y disipación favorable de calor.

Y entre sus desventajas figuran: Polución del ambiente con riesgo de incendio y accidentes en el caso de fuga de aceite; sensibilidad a la suciedad; peligro presente debido a las excesivas presiones y dependencia de la temperatura por cambios en la viscosidad.

Análogamente a los sistemas neumáticos, los sistemas hidráulicos se complementan con los eléctricos y electrónicos mediante dispositivos tales como válvulas de solenoide, señales de realimentación de interruptores magnéticos, sensores e interruptores eléctricos de final de carrera. Es fácil, en particular en sistemas complejos, acoplarles un PLC (Programmable Logic Controller) que les permite programar la lógica de funcionamiento de varios cilindros.

En determinadas aplicaciones, tales como en movimientos de aproximación rápida y avance lento, típicos de las fresadoras y rectificadoras, en la sujeción de piezas utilizada en los cortes a alta velocidad sobre materiales duros y en la automatización de procesos de producción, se combinan los sistemas neumático, hidráulico y eléctrico en la forma siguiente:

–Circuito electroneumático: Accionamiento eléctrico – Actuador neumático.

–Circuito oleoneumático: Accionamiento neumático – Actuador hidráulico.

–Circuito electrohidráulico: Accionamiento eléctrico – Actuador hidráulico.

1.3 Comparación entre neumática, hidráulica, eléctrica y electrónica

En la tabla 1.1 se muestran las características comparativas entre los sistemas neumático e hidráulico; y en la tabla 1.2, entre la neumática/hidráulica y la electricidad/electrónica.

Tabla 1.1. Características comparativas de los sistemas neumático e hidráulico.

Tabla 1.2. Características comparativas de los sistemas neumático/hidráulico y eléctrico/ electrónico

Actividades propuestas

1.Realiza un listado de circuitos y dispositivos de un taller típico que funcionan empleando el aire comprimido

2.Enumera las máquinas manuales de accionamiento neumático que conoces e indica si necesitan lubricación.

3.Comenta si en la línea de distribución de aire deben haber purgadores de agua. Si tu contestación es afirmativa, explica el motivo.

4.Explica los tratamientos que se realizan al aire comprimido antes de su utilización y los componentes que se emplean.

5.¿Qué es un acumulador de aire y qué función realiza?

Actividades. Evaluación de conocimientos

1.¿Por qué motivo se utilizan los sistemas hidráulicos y neumáticos?

a)La energía neumática presenta un riego de incendio por el oxígeno del aire que está a gran presión.

b)Ambos sistemas amplifican la fuerza aplicada.

c)Está de moda su empleo.

d)Es preferible la energía neumática que la hidráulica porque es más limpia.

2.El sistema neumático:

a)Sólo puede trabajar con aire.

b)Utiliza un gas presurizado para realizar un movimiento mecánico.

c)El movimiento de pistones se efectúa con aire limpio sin aceite y sin humedad.

d)Los gases de elección pueden ser aire, dióxido de carbono, nitrógeno y oxígeno comprimido.

3.Una de las diferencias importantes entre los sistemas neumático e hidráulico es:

a)El sistema hidráulico es capaz de mover cargas ligeras a gran velocidad.

b)El fluido hidráulico debe eliminar la presión en la carga que mueve mediante un resorte.

c)La velocidad de operación en el fluido hidráulico es más alta que en el sistema neumático.

d)Las fuerzas ejercidas con el sistema hidráulico son más altas que en el sistema neumático.

4.El sistema neumático:

a)Es más preciso que el hidráulico.

b)Es más barato de instalar y operar que el hidráulico.

c)El oxígeno que contiene el aire comprimido hace que el sistema neumático tenga un mayor riesgo de incendio que el hidráulico.

d)Las fuerzas ejercidas con el sistema hidráulico son inferiores a las proporcionadas por el sistema neumático.

5.El circuito oleoneumático:

a)Es un sistema de accionamiento que utiliza un fluido especial aceite con aire disuelto.

b)Es un sistema mixto de accionamiento que utiliza la parte neumática para el accionamiento y control y la parte hidráulica para el actuador.

c)Es un sistema mixto de accionamiento que utiliza la parte hidráulica para el accionamiento y control y la parte neumática para el actuador.

d)Todo lo anterior es falso.

6.La central de aire comprimido:

a)Consta de compresor, filtro, lubricador y regulador de presión y una red de tuberías de pendiente positiva para que el agua condensada del aire regrese al compresor.

b)Si alimenta un circuito neumático de instrumentos de control, debe proporcionar aire lubricado con aceite.

c)El aire comprimido que sale directamente del compresor no tiene humedad, ya que sale muy caliente.

d)Dispone de una red de tuberías de distribución con purgadores de condensado y un filtro-manorreductor con lubricador para cada herramienta neumática.

7.Los sistemas hidráulicos tienen las siguientes características:

a)Al utilizar fluidos hidráulicos incompresibles, no dependen de la temperatura de funcionamiento de los mismos.

b)No pueden utilizar PLC (controladores lógicos programables) debido a las excesivas presiones de funcionamiento.

c)No pueden complementarse con dispositivos eléctricos y electrónicos.

d)Nada de lo anterior es cierto.

8.Los sistemas neumáticos tienen las siguientes características:

a)Debido a la complejidad de sus partes internas, son muy caros.

b)Su operación es barata, ya que el aire que utilizan es gratis.

c)Tiene problemas de seguridad, ya que trabajan a altas presiones.

d)Todo lo anterior es falso.

9.Uno de los defectos importantes del sistema neumático es:

a)No permiten obtener velocidades estables debido a la compresibilidad del aire.

b)No pueden utilizarse en aplicaciones que requieren una fuerza elevada.

c)Presentan un riesgo nulo de explosión.

d)Todo lo anterior es cierto.

10.Ventajas y desventajas de los sistemas neumáticos e hidráulicos:

a)La sobrecarga de un circuito neumático es peligrosa.

b)El sistema hidráulico se puede utilizar sin problemas en aplicaciones farmacéuticas y alimenticias.

c)El aire utilizado en los sistemas neumáticos se puede recuperar fácilmente.

d)Todo lo anterior es falso.

2 ACTUADORES NEUMÁTICOS

2.1 Generalidades

Los actuadores neumáticos convierten la energía del aire comprimido en trabajo mecánico generando un movimiento lineal mediante servomotores de diafragma, pistones o cilindros o bien un movimiento giratorio con motores neumáticos.

Fig. 2.1. Servomotores de diafragma, pistones, cilindros y actuadores de movimiento giratorio.

La aplicación principal de los servomotores de diafragma reside en las válvulas de control neumáticas en las que el servomotor está accionado por la señal neumática de 0,2-1 bar (3-15 psi) y actúa directamente sobre un vástago que posiciona el obturador con relación al asiento (Figura 2.1). La posición relativa entre el obturador y el asiento permite que el fluido pase desde un caudal nulo hasta el caudal máximo.

Fig. 2.2. Servomotor y cilindro neumático lineal.

Los cilindros neumáticos de movimiento lineal son utilizados comúnmente en aplicaciones donde la fuerza de empuje del pistón y su desplazamiento son elevados (Figura 2.1). Entre éstos se encuentran los cilindros de simple y doble efecto, el cilindro tándem (dos cilindros de doble efecto que forman una unidad), el de multiposición, el cilindro neumático guiado, el cilindro sin vástago y el cilindro neumático de impacto.

Los actuadores neumáticos de movimiento giratorio pueden ser: cilindro giratorio de pistón-cremallera–piñón y de dos pistones con dos cremalleras en los que el movimiento lineal del pistón es transformado en un movimiento giratorio mediante un conjunto de piñón y cremallera; y cilindro de aletas giratorias de doble efecto para ángulos comprendidos entre 0° y 270°.

Fig. 2.3. Servomotor neumático giratorio.

Los músculos neumáticos (músculos fluidos) son dispositivos que emulan el músculo humano. Consisten en una manguera de material especial que, al ser alimentada con aire, ejerce una gran fuerza de tracción inicial, hasta 10 veces superior a la de un cilindro convencional del mismo diámetro, y con muy poco recorrido. Es de aplicación en ordenadores, robots y máquinas de todo tipo. Es más sencillo que cualquier otro tipo de accionamiento. Se trata de una tecnología de múltiples aplicaciones en la industria.

Fig. 2.4. Músculo neumático.

El motor neumático típico es el de paletas, donde un eje excéntrico dotado de paletas gira a gran velocidad por el aire que llena y vacía las cámaras formadas entre las paletas y el cuerpo del motor.

Fig. 2.5. Motor neumático.

2.2 Servomotor neumático

2.2.1 Generalidades

El servomotor neumático (Figura 2.1a) consiste en un diafragma con resorte que trabaja (con algunas excepciones) entre 0,2-1 bar (3 y 15 psi), es decir, que las posiciones extremas de la válvula corresponden a 0,2-1 bar (3 y 15 psi).

Al aplicar una cierta presión sobre el diafragma, el resorte se comprime de tal modo que el mecanismo empieza a moverse y sigue moviéndose hasta que se llega a un equilibrio entre la fuerza ejercida por la presión del aire sobre el diafragma y la fuerza ejercida por el resorte.

El servomotor puede ser de acción directa o inversa.

Es de acción directa cuando la presión de gobierno actúa en la cámara superior del servomotor, es decir, cuando la fuerza sobre el diafragma es ejercida hacia abajo.

Es de acción inversa cuando la presión de gobierno actúa en la cámara inferior del servomotor, es decir, cuando la fuerza sobre el diafragma es ejercida hacia arriba.

Al acoplar el servomotor a la válvula, los términos aplicables desde el punto de vista de seguridad son: en fallo de aire (o sin aire) la válvula cierra, o en fallo de aire (o sin aire) la válvula abre.

Los cuerpos de las válvulas de control pueden tener dos tipos de acciones. Se dividen en válvulas de acción directa, cuando tienen que bajar para cerrar; e inversa cuando tienen que bajar para abrir (derivado de los grifos domésticos donde al girar el volante a derechas, el vástago baja y la válvula cierra) (Figura 2.6).

Fig. 2.6. Tipos de acciones en las válvulas de control.

Esta misma división se aplica a los servomotores: son de acción directa cuando, aplicando aire, el vástago se mueve hacia abajo; e inversa cuando, al aplicar aire, el vástago se mueve hacia arriba.

Al combinar estas acciones se considera siempre la posición de la válvula sin aire sobre su diafragma, con el resorte manteniendo el diafragma y por tanto la válvula en una de sus posiciones extremas.

Cuando la válvula se cierra al aplicar aire sobre el diafragma o se abre cuando se quita el aire debido a la acción del resorte, se dice que la válvula sin aire abre o aire para cerrar (acción directa).

Al abrir la válvula cuando se aplica aire sobre el diafragma y se cierra por la acción del resorte cuando se quita el aire, se dice que la válvula sin aire cierra o aire para abrir (acción inversa).

Desde el punto de vista de la seguridad, si hay un fallo de aire en la línea la válvula pasa naturalmente a una de sus posiciones extremas, que debe ser la más segura para el proceso. En las válvulas de acción inversa en las que el resorte del servomotor neumático o eléctrico asienta el obturador en el asiento, cerrando así la válvula, es importante consultar las tablas del fabricante para comprobar la presión diferencial máxima con la que la válvula pueda cerrar.

Fig. 2.7. Válvulas de acción directa e inversa. La válvula de acción inversa cierra en caso de fallo del aire sobre el diafragma.

Tabla 2.1. Presión diferencial máxima del fluido para que la válvula de acción inversa cierre. Fuente: Spirax Sarco.

Por ejemplo, en el caso de un intercambiador de calor en el que una alta temperatura sea perjudicial para el producto, interesará que la válvula de control cierre sin aire (válvula neumática).

2.2.2 Fuerzas en el servomotor neumático

Idealmente, con una señal de 0,2 bar (3 psi) la válvula debe estar en la posición 0% de su carrera, y para una señal de 1 bar (15 psi) en la posición 100%. Asimismo, debe existir una proporcionalidad entre las señales intermedias y sus correspondientes posiciones. En la práctica las válvulas de control se desvían de este comportamiento debido a las causas siguientes:

1. Rozamientos en la estopada, es decir, el sello o empaquetadura por donde desliza el vástago y que impide la salida del fluido al exterior.

2. Histéresis y falta de linealidad del resorte.

3. Área efectiva del obturador que varía con la carrera del vástago de la válvula.

4. Esfuerzo en el obturador de la válvula creado por la presión diferencial del fluido.

5. Fuerza adicional del servomotor necesaria para conseguir un cierre efectivo entre el obturador y el asiento (fuerza de asentamiento).

En la válvula existe un equilibrio entre estas diversas fuerzas que viene dado por la siguiente fórmula (Figura 2.8).

Fa ≥ Fr + Fs + Fw + Fb1 ± Fb2 + Fp

En la que:

Fa = Fuerza resultante obtenida por el servomotor, en kg

Fr = Fuerza de rozamiento, en kg

Fs = Fuerza de asentamiento, en kg

Fw = Peso del obturador, en kg

Fb1 = Fuerza elástica del fuelle de estanquidad, en kg

Fb2 = Fuerza de desequilibrio del fuelle de estanquidad, en kg

Fp = Fuerza estática y dinámica sobre el obturador, en kg

La fuerza resultante Fa obtenida por el actuador depende de la acción de la válvula: b)

Fig. 2.8. Fuerzas que actúan en una válvula de control.

En una válvula de acción directa (la válvula abre al aumentar la señal de aire) la fuerza Fa vale:

Fa = Ad x Pa x 1,02 - Fsr = Ad (Pa - F2) x 1,02con Fsr = Ad F2 x 1,02

en la que:

Ad = Área efectiva del diafragma, en cm²

Pa = Presión de aire sobre el diafragma, en bar

Fsr = Fuerza debida a la compresión final del muelle a carrera total, en kg

F2 = Compresión final del muelle a carrera total, en bar

1,02 = Coeficiente para pasar de bar a kg/cm²

En una válvula de acción inversa (la válvula abre con disminución de la señal de aire) es:

Fa = AdFl x 1,02

en la que F1 = Compresión inicial del muelle a carrera cero, en bar.

Los fabricantes de válvulas normalizan los tamaños de los servomotores de acuerdo con el tamaño de los cuerpos de las válvulas donde van montados.

La fuerza de rozamiento Fr en la estopada se produce entre el vástago de la válvula y la empaquetadura y depende del tipo de empaquetadura (teflón, teflón-asbestos, grafito-asbestos, etc.), de su longitud, de la compresión a que está sometida, de la temperatura, de los coeficientes de rozamiento estático y dinámico, del estado de la superficie del vástago, etc. Es prácticamente imposible calcular exactamente estas influencias en una válvula de control. Una regla práctica da los valores siguientes.

Las válvulas con obturador de movimiento circular y con servomotor de acoplamiento directo con oscilación libre del vástago sólo tienen un rozamiento en la estopada en la superficie en contacto con el árbol de giro del obturador.

La fuerza de asentamiento permite cerrar la válvula y conseguir que la fuga de fluido sea mínima. Su valor depende del grado de mecanización del asiento y del obturador.

La fuerza de asentamiento en kilos equivale aproximadamente a 0,5 veces la circunferencia en centímetros del aro del asiento.

Fs = 0,5 π Ds

en la que:

Fs = Fuerza de asentamiento, en kg

Ds = ∅ interior del asiento, en cm

Varios ejemplos aclararán este estudio al lector.

Ejemplo 1. Determinar la fuerza máxima (P1) del servomotor en una válvula de control de las siguientes características:

Área del diafragma (Ad)= 940 cm²

Campo de trabajo del muelle = 0,4-2 bar

Carrera del servomotor = 51 mm

Válvula de tamaño 2" (50 mm) con obturador en V

Ø interior del asiento = 5,08 cm

Área del asiento (As)= 20,27 cm²

Carrera del obturador = 23,8 mm

Área transversal del vástago (Ast) = 0,97 cm²

Peso del obturador (Fw) = 8 kg

Acción inversa = aire abre

Margen de trabajo del muelle para un recorrido del obturador de 23,8 mm (carrera).

Compresión inicial del muelle (F1): 2 – 0,74 = 1,26 bar

Margen de compresión será: 1,26 – 2 bar

Luego la fuerza del actuador con la válvula en posición de cierre es:

Fa = Ad * F1 = 940 x 1,26 x 1,02 = 1.208 kg

La fuerza de rozamiento es aproximadamente:

Fr = 10 kg (válvulas de 1½ a 2 ½)

La fuerza de asentamiento es:

Fs = 0,5 * (circunferencia del área del asiento) = 0,5 * π * 5,08 cm = 8 kg

El peso del obturador: Fw = 8 kg

La fuerza estática sobre el obturador:

Fp = (As - Ast) · P1 * 1,02 = (20,27 - 0,97) P1 * 1,02

y finalmente: 1208 kg = Fa ≥ 10 + 8 + 8 + (20,27 - 0,97) P1 x 1,02

Resolviendo esta ecuación P1 = 58,8 bar (60 kg/cm²), es decir, la máxima presión de cierre o la presión de entrada del fluido será de 58,8 bar (60 kg/ cm²).

Ejemplo 2. Válvula de obturador excéntrico rotativo de las siguientes características:

Campo de trabajo del muelle = 0,4 a 1 bar

Carrera del servomotor = 89 mm

Área del servomotor (A) = 89 cm²

Válvula de tamaño 2" (50 mm) con obturador excéntrico rotativo

Diámetro interior del asiento = 5,2 cm

Área del asiento (As) = 21,2 cm²

Área transversal del brazo del obturador (Ast) = 1 cm²

Giro del obturador (α) = 60º

Longitud del brazo del obturador = 5,5 cm

Distancia entre el eje del árbol