Conceptos Esenciales de Neumática e Hidráulica: Aplicaciones y Seguridad

Normas de Seguridad en la Conexión y Manipulación de Circuitos

• Colocar en el circuito un elemento de parada de seguridad que permita interrumpir la alimentación en caso de necesidad (si es posible, también se debe permitir la descarga de accionadores).
• Conectar todos los tubos y comprobarlos antes de alimentar el circuito.
• Cuando alimentamos el circuito, prestar mucha atención, pues algunos elementos pueden avanzar o retroceder en ese momento.
• No accionar nunca con los dedos finales de carrera para verificar funcionamientos; si es necesario, utilizar herramientas para este fin.
• Debe distinguirse en los finales de carrera entre accionamientos desde la derecha o desde la izquierda para su instalación.
• Los finales de carrera no deben ser nunca atacados de forma frontal.
• No sobrepasar la presión de trabajo máxima admitida por los elementos.
• Con componentes eléctricos, respetar siempre la tensión de alimentación adecuada, por lo general 12 o 24 V en continua (ver especificaciones técnicas), prestar atención a la polaridad de conexión y evitar cortocircuitos.
• Cortar la alimentación de aire comprimido antes de desconectar el circuito.

Características de un Aceite Hidráulico

Las principales características o propiedades que debe tener un aceite hidráulico son:

• Punto de fluidez: Determina la temperatura más baja a la que puede fluir.
• Compresibilidad.
• Poder antiespumante.
• Poder antiemulsivo.
• Resistencia al envejecimiento: Determina su resistencia a la oxidación, factor que determina su sustitución periódica por tiempo de uso e incluso almacenaje.
• Punto de congelación.
• Punto de anilina: Relacionado con la aplicación y duración de gomas y juntas de estanqueidad.
• Punto de inflamación: Determina la temperatura del aceite a la cual prende en presencia de chispa o llama.
• Punto de autoinflamación: Determina la temperatura a la cual los vapores de aceite prenden de forma espontánea.
• Temperatura de funcionamiento: Sirve para determinar el rango de temperaturas de funcionamiento.
• Untuosidad: Poder de adherencia a las superficies a lubricar.
• Viscosidad: Afecta a las propiedades de fricción del fluido, funcionamiento de la bomba, cavitación, consumo de energía y la capacidad de control del sistema.

Leyes Fundamentales de los Gases

Los procesos más importantes que tienen lugar en termodinámica son:

• Isotérmicos: En ellos la temperatura permanece constante.
• Isobáricos: La presión permanece constante.
• Isócoros: El volumen permanece constante.
• Adiabáticos: No se produce transferencia de calor.

Además, los sistemas termodinámicos pueden ser:

• Aislados: En ellos no hay transferencia de masa o energía con el entorno (por ejemplo, un termo).
• Cerrados: No transfieren masa, pero sí energía en forma de calor, trabajo o radiación (por ejemplo, un recipiente cerrado no ideal -una taza de café caliente al enfriarse-).
• Abiertos: Transfieren masa y energía con su entorno (por ejemplo, el cuerpo humano).

Debemos distinguir entre aceites hidráulicos:

• Minerales: Para su obtención se emplean bases de aceites minerales.
• Fluidos resistentes al fuego: Su propio nombre indica su principal característica y aplicaciones.
• Sintéticos: Se obtienen por síntesis química y están totalmente libres de aceites minerales. Se aplican en aquellos circuitos en los cuales el aceite mineral no alcanza los resultados satisfactorios.
• Fluidos “HWBF” (High Water Base Fluid): De aplicaciones específicas y con un alto contenido en agua.
• Fluidos biodegradables o compatibles con el medio ambiente: Igualmente para aplicaciones específicas, por ejemplo, maquinaria forestal o de dragados, donde las posibles fugas supongan un riesgo especial para el medio ambiente.

Conceptos Físicos: Fuerza, Potencia, Trabajo, Presión y Densidad

Una fuerza es toda causa o motivo capaz de modificar el estado de reposo o movimiento de un cuerpo. La potencia se define como el trabajo realizado por unidad de tiempo. En el S.I. la unidad de medida es el vatio (W). El trabajo que realiza una fuerza sobre un cuerpo equivale a la energía necesaria para desplazar este cuerpo. En el S.I. la unidad de medida es el julio (J). La presión es el resultado de aplicar una fuerza sobre una superficie. En el S.I. la unidad de medida es el pascal (Pa). La densidad específica o absoluta de un cuerpo es la magnitud que expresa la relación entre la masa y el volumen de un cuerpo.

Viscosidad, Compresibilidad y Tensión Superficial

Viscosidad dinámica: Se define como la fuerza que hay que ejercer por unidad de superficie, para mover una superficie paralela a una velocidad de un centímetro por segundo, sobre otra superficie paralela separada por una película de fluido de un centímetro de grosor. Viscosidad cinemática: Es la capacidad que tiene un líquido de fluir a través de un tubo capilar. La compresibilidad representa la relación entre los cambios de volumen y los cambios de presión a que está sometido un fluido. La tensión superficial de un líquido puede definirse como la resistencia de las moléculas de los líquidos a cualquier fuerza que tiende a expandir su superficie.

Hidrodinámica e Hidrostática

La hidrodinámica se aplica al flujo de líquidos o gases a baja velocidad. Parte de tres consideraciones básicas:

1. El fluido no se puede comprimir.
2. La pérdida de energía por viscosidad es despreciable.
3. El flujo de los líquidos es en régimen estable.

La hidrostática estudia los fluidos cuando se comportan como perfectos, en estas circunstancias: No hay velocidad, por lo que no existen esfuerzos cortantes y como consecuencia no existe viscosidad.

Energía de un Fluido

La energía de un fluido en cualquier momento consta de tres componentes:

• Cinética: Es la energía debida a la velocidad que posea el fluido. Ejemplos: huracanes y olas del mar (los generadores eólicos aprovechan esta energía).
• Potencial gravitacional: Es la energía debida a la altitud que un fluido posee. Ejemplos: depósitos de agua y riego (las estaciones hidroeléctricas aprovechan esta energía).
• Energía de flujo: Es la energía que un fluido contiene debido a la presión que posee. Ejemplos: aire comprimido (instalaciones neumáticas e hidráulicas aprovechan esta energía).

Flujo Laminar y Turbulento

Osborne Reynolds dijo:

• Flujo laminar: A bajas velocidades las partículas del fluido se mueven siguiendo líneas de corriente (movimiento en forma de láminas o capas).
• Flujo turbulento: A velocidades más elevadas surgen fluctuaciones o remolinos de forma impredecible.

Leyes de los Gases: Boyle-Mariotte y Charles

Ley de Boyle-Mariotte: A temperatura constante, el volumen de una determinada masa de gas es inversamente proporcional a su presión absoluta.

Ley de Charles: A presión constante, el volumen de una determinada masa de gas es directamente proporcional a su temperatura absoluta. A volumen constante, la presión de una determinada masa de gas es directamente proporcional a su temperatura absoluta.

Teorema de Torricelli

Torricelli: Bajo la sola acción de la gravedad, la velocidad de salida de un fluido por un orificio pequeño practicado en la pared de un recipiente, es igual a la que adquiriría un sólido cayendo libremente en el vacío desde la superficie libre a la altura del orificio.

Factores que Afectan a la Pérdida de Carga

Los factores que afectan a la pérdida de carga son:

• La velocidad de flujo (superficie de la sección, caudal volumétrico).
• El tipo de flujo (laminar o turbulento).
• La viscosidad del fluido (temperatura, presión).
• La longitud de los tubos y cambios de dirección.
• Características de superficies (rugosidad, materiales constructivos).
• Elementos de acoplamiento (conexiones y uniones).

Neumática: Ventajas e Inconvenientes

Entre las principales ventajas de la neumática encontramos:

• Fácil almacenamiento.
• Sistema seguro, en cuanto a fugas, no contamina, sin riesgo de incendio o explosión.
• Mayor velocidad de transmisión.
• No necesita conductos de retorno.
• Fugas limpias.
• Menos sensible a cambios de temperatura.

Pero también tiene inconvenientes:

• Presión de trabajo limitada.
• Ruido en escapes.
• Su compresibilidad supone un problema en determinadas aplicaciones (efecto rebote).

Diseño de una Red de Distribución de Aire Comprimido

Para diseñar correctamente una red de distribución de aire comprimido debemos tener en cuenta:

• Optimizar su diseño para reducir pérdidas de carga (longitud, codos, accesorios, etc.).
• Siempre aéreas (fácil reparación, modificación, drenaje, etc.).
• Separada de instalación eléctrica.
• Diámetro adecuado al caudal máximo de demanda.
• Inclinación (mínimo 1% en la dirección del flujo del aire).
• Número adecuado de llaves de corte.
• Bajantes con cuello de cisne y salida por la parte superior del conducto principal.
• Purgas automáticas o manuales en bajantes y final de instalación.
• Acoplamientos rápidos de sección adecuada.

Para la elección del diámetro:

• El caudal.
• La longitud de la instalación.
• La pérdida de presión admisible (<0,3 bar).
• La presión de servicio.

Aplicaciones de la Neumática e Hidráulica en Vehículos

Se relaciona la neumática e hidráulica y electroneumática y electrohidráulica con la industria y producción, pero no debemos olvidar que también se aplican en multitud de sistemas de los vehículos modernos, por ejemplo:

• Alimentación.
• Suspensión.
• Dirección.
• Frenos.
• Transmisión.

Componentes de un Circuito Neumático

En todo circuito neumático encontramos básicamente:

• Unidad de alimentación y mantenimiento:
• Compresor + acumulador.
• Filtro.
• Regulador.
• Lubricador.
• Elementos de control.
• Elementos de accionamiento o actuación.
• Elementos de conexión.

Se debe incluir para preparar el aire antes de su uso, pero su constitución, ubicación e instalación siempre estará supeditada a las características propias de cada caso.

Unidad de Alimentación y Mantenimiento

Consta de:

• Filtro.
• Regulador.
• Lubricador.
• Debe incluir válvula de paso (mantenimiento y reparación).

Red de Distribución

Red cerrada (forma de anillo):

• Reduce las pérdidas de carga y facilita la compensación de importantes caudales de consumo.
• Más complejas (las unidades FRL tienen sentido de paso).
• En caso de avería, permiten evitar el corte de suministro a parte de la instalación.

Red abierta (una sola línea):

• Cilindros.
• Motores.
• (Accionadores de membrana).

El Compresor

Comprime el aire y los más habituales son de pistones (una o dos etapas) y tornillo.

Consta de:

• Cabezal.
• Filtro.
• Presostato.
• Válvula de descarga.
• Válvula antirretorno.
• Válvula de seguridad.
• Calderín (acumulador).
• Válvula de purga.
• Enfriador de aire (también se puede emplear un equipo de posenfriamiento).

Válvulas: Tipos y Funciones

Las válvulas son elementos que, al recibir un comando externo, denominado habitualmente como pilotaje, pueden liberar, regular, detener o redirigir el fluido que la atraviesa.

Dependiendo de su función específica, se distinguen varios tipos de válvulas:

• Direccionales: Controlan el inicio, parada y dirección del medio presurizado.
• De bloqueo: Bloquean el flujo en un sentido y lo liberan en sentido contrario.
• De caudal: Influyen sobre el caudal de medio que está fluyendo.
• De presión: Influyen sobre la presión del medio presurizado o bien se controlan con esta presión.

Las podemos clasificar en tres tipos y permiten:

• Reguladoras: Establecen la presión de trabajo del circuito en cuestión.
• Limitadoras o de seguridad: Limitan la presión máxima de funcionamiento por seguridad, por ejemplo, en caso de obstrucción del circuito.
• De control o accionamiento: Permiten controlar el paso, caudal o sentido de paso del fluido.

Acumuladores: Funciones

Los acumuladores permiten:

• Mantener una reserva de fluido a presión (presiones de trabajo más estables y fuente auxiliar).
• Amortiguar oscilaciones de presión generadas por la bomba en el circuito (pulsaciones).
• Compensar fugas del circuito (mantenimiento de presión en paradas).
• Amortiguar golpes de ariete.

Mecánica de Fluidos: Principios y Leyes

La mecánica de fluidos es la rama de la física que estudia el comportamiento de los fluidos en reposo o en movimiento, así como de las aplicaciones y mecanismos de ingeniería que utilizan fluidos. De esta forma puede dividirse la mecánica de fluidos en dos partes: En los casos en que el fluido esté comprimido habrá que tener en cuenta también los principios de la termodinámica.

• Principios:
• La hidrostática o estática de los fluidos, que estudia los fluidos en reposo.
• La hidrodinámica o dinámica de los fluidos, que estudia los fluidos en movimiento.

En mecánica de fluidos se asume que los fluidos verifican las siguientes leyes:

• El principio de conservación de la masa (ecuación de la continuidad).
• El principio de la cantidad de movimiento.
• Primera y segunda ley de la termodinámica.

Hidrostática

• Principio fundamental de la hidrostática.
• Principio de Pascal.
• Principio de Arquímedes.

Hidrodinámica

• Ecuación de continuidad (principio de conservación de la masa).
• Ecuación de Bernoulli (principio de conservación de la energía).
• Ley de Torricelli.