SISTEMAS HIDRÁULICOS Y NEUMÁTICOS
Conceptos Básicos de Hidráulica y Neumática
Definiciones:
Fluido: elemento en estado líquido o gaseoso, en los sistemas neumáticos "aire comprimido y en los sistemas hidráulicos "líquidos generalmente aceites derivados de petróleo".
Sistema de transmisión de energía Neumática e Hidráulica.
Es un sistema en el cual se genera, transmite y controla la aplicación de potencia a través del aire comprimido y la circulación de aceite en un circuito. El sistema puede dividirse en tres grandes grupos que observamos en el diagrama de bloques de la figura 1.1.
Comenzando desde la izquierda del diagrama, la primera sección corresponde a la conversión de Energía Eléctrica y/o Mecánica en un sistema de energía Neumática ylo Hidráulica.
Un motor eléctrico, de explosión o de otra naturaleza está vinculado a una bomba o compresor, a cuya salida se obtiene un cierto caudal a una determinada presión.
En la parte central del diagrama, el fluido es conducido a través de tubería al lugar de utilización.
A la derecha en el diagrama, el aire comprimido o el aceite en movimiento produce una reconversión en Energía mecánica mediante su acción sobre un cilindro o un motor neumático o hidráulico. Con las válvulas se controla la dirección del movimiento, la velocidad y el nivel de potencia a la salida del motor o cilindro.
Leyes físicas relativas a los fluidos.
Hay infinidad de leyes físicas relativas al comportamiento de los fluidos, muchas de ellas son utilizadas con propósitos científicos o de experimentación, nosotros nos limitaremos a estudiar aquellas que tienen aplicación práctica en nuestro trabajo.
Ley de Pascal
La ley más elemental de la física referida a la hidráulica y neumática fue descubierta y formulada por Blas Pascal en 1653 y denominada Ley de Pascal, que dice:
"La presión existente en un líquido confinado actúa igualmente en todas direcciones, y lo hace formando ángulos rectos con la superficie del recipiente".
La figura 1-2 ilustra la Ley de Pascal. El fluido confinado en la sección de una tubería ejerce igual fuerza en todas direcciones, y perpendicularmente a las paredes.
El principio de Pascal fundamenta el funcionamiento de las genéricamente llamadas máquinas hidráulicas: la prensa, el gato, el freno, el ascensor y la grúa, entre otras.
Ley de Boyle
La Ley de Boyle-Mariotte (o Ley de Boyle), formulada por Robert Boyle y Edme Mariotte, es una de las leyes de los gases ideales que relaciona el volumen (V) y la presión (P) de una cierta cantidad de gas mantenida a temperatura constante.
La ley dice:
"El volumen de un recipiente es inversamente proporcional a la presión que ejerce un gas en el mismo”
donde es constante si la temperatura y la masa del gas permanecen constantes.
Cuando aumenta la presión, el volumen disminuye, mientras que si la presión disminuye el volumen aumenta.
No es necesario conocer el valor exacto de la constante para poder hacer uso de la ley: si consideramos las dos situaciones de la figura, manteniendo constante la cantidad de gas y la temperatura, deberá cumplirse la relación:
Existe entonces una relación inversamente proporcional entre el volumen y la presión de un gas siempre que la temperatura se mantenga constante.
Calculo.
Partiendo con 40 cm³ de gas confinado a una presión manométrica de 3 Kg/cm², fig. 1-5 A, cuál será la presión final después de que el gas haya sido comprimido a un volumen cuatro veces menor?.
Primero convertiremos la presión manométrica en absoluta: 3 + 1,033 = 4,033 Kp/cm².
A continuación aplicaremos la ley de Boyle: Sí el volumen se redujo a 1/4, la presión se habrá multiplicado por 4 es decir: 4,033 x 4 = 16,132 Kp/cm² (absoluta).
Finalmente convertiremos esta lectura absoluta en manométrica:
16,132 - 1,033 = 15,099 Kp/cm²
Transmisión de Potencia
La figura 1-5 muestra el principio en el cual está basada la transmisión de potencia en los sistemas neumáticos e hidráulicos. Una fuerza mecánica, trabajo o potencia es aplicada en el pistón A. La presión interna desarrollada en el fluido ejerciendo una fuerza de empuje en el pistón B.
Según la ley de Pascal la presión desarrollada en el fluido es igual en todos los puntos por la que la fuerza desarrollada en el pistón B es igual a la fuerza ejercida en el fluido por el pistón A, asumiendo que los diámetros de A y B son iguales.
Transmisión de Potencia a través de una tubería
La ley de Pascal no requiere que los dos pistones sean iguales. La figura 1-6 ilustra la versatilidad de los sistemas hidráulicos y/o neumáticos al poder ubicarse los componentes aislantes uno de otro, y transmitir las fuerzas en forma inmediata a través de distancias considerables con escasas perdidas. Las transmisiones pueden llevarse a cualquier posición.
Presión Hidráulica
La presión ejercida por un fluido es medida en unidades de presión. Las unidades comúnmente utilizadas son:
• La libra por pulgada cuadrada = PSI
• El Kilogramo por centímetro cuadrado = Kg/cm²
• El Kilogramo fuerza por centímetro cuadrado = Kp/cm²
• El bar = bar
Existiendo la siguiente relación aproximada:
Kg /cm² ~ Kp/cm² ~ bar
En la figura 1-7A se muestra que la fuerza - acción capaz de cambiar de posición un objeto - total aplicada al vástago de un pistón se distribuye sobre toda la superficie de este. Por ello para encontrar la presión que se desarrollará en el seno de un fluido deberemos dividir el empuje total por la superficie del pistón.
Este principio tiene carácter reversible, en la figura 1-11 la presión interna del fluido actuando sobre el área del pistón produce una fuerza de empuje en el extremo del vástago.
La presión interna indicada por el manómetro 70Kg/cm² actúa sobre 120 cm² de área de pistón produciendo un empuje de 8400 Kg.
No olvidemos que para hallar la superficie de un pistón debemos aplicar la fórmula:
ÁREA = PI * R2
Aplicaciones de los sistemas hidráulicos y neumáticos
Muchas máquinas se basan en los sistemas hidráulicos, equipos como grúas, excavadoras, elevadores, monta-carga e incluso robots usan este tipo de accionamiento.
Es necesario que el diseñador del sistema comprenda la relación entre presión, fuerza y área, para que pueda lograr que el sistema funcione adecuadamente.
Los sistemas neumáticos, son utilizados en las puertas de algunos autobuses y trenes que se accionan con aire comprimido; en la industria son muy útiles estos tipos de sistemas porque proporcionan movimiento lineal y desarrollan grandes fuerzas, utilizándose para empujar y levantar cargas pesadas, en cadenas de montajes automatizados, etc.
Diferencia entre los sistemas neumático e hidráulico
La diferencia fundamental entre los sistemas neumáticos y los hidráulicos es que en estos últimos el sistema de distribución debe ser un circuito cerrado.
En el caso de los automatismos neumáticos, el aire se toma de la atmósfera, y es de nuevo expulsado al exterior tras su utilización. Esto no es posible, sin embargo, en los automatismos hidráulicos, en los que el aceite se toma de un depósito al que vuelve de nuevo a través de un conjunto de tuberías de retorno. Esto hace que los circuitos hidráulicos sean más complejos y más costosos.
Prof. Taboada Nelson
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