Sistemas neumáticos e hidráulicos

Para entender estos sistemas, debemos definir tres magnitudes clave:

1. Presión ($P$): Es la fuerza ejercida por unidad de superficie. En el Sistema Internacional se mide en Pascales ($Pa$), aunque en industria es común el uso del Bar. $P = \frac{F}{S}$
2. Caudal ($Q$): Es el volumen de fluido que atraviesa una sección por unidad de tiempo ($Q = V/t$).
3. Viscosidad y densidad: La viscosidad es la resistencia de un fluido a fluir. Es crítica en hidráulica para evitar fricciones excesivas.

La diferencia fundamental reside en la compresibilidad: los gases (neumática) son altamente compresibles, lo que permite almacenar energía pero dificulta el control preciso de la velocidad. Los líquidos (hidráulica) son prácticamente incompresibles, permitiendo movimientos muy precisos y fuerzas elevadas.

El Principio de Pascal es la base de la hidráulica: "La presión ejercida sobre un fluido poco compresible y en equilibrio dentro de un recipiente de paredes indeformables se transmite con igual intensidad en todas las direcciones".

Esto permite la multiplicación de fuerza. Si aplicamos una fuerza $F_1$ en un émbolo pequeño $S_1$, obtendremos una fuerza mucho mayor $F_2$ en un émbolo grande $S_2$: $\frac{F_1}{S_1} = \frac{F_2}{S_2}$

Cuando el fluido se mueve, entran en juego otros factores:

• Ecuación de continuidad: En una tubería sin derivaciones, el caudal es constante ($Q = S_1 \cdot v_1 = S_2 \cdot v_2$). Si la sección disminuye, la velocidad aumenta.
• Teorema de Bernoulli: Expresa la conservación de la energía en un fluido (energía cinética, potencial y de presión).
• Pérdida de carga: En la práctica, parte de la energía se pierde por rozamiento con las paredes de las tuberías y en codos o válvulas, lo que provoca una caída de presión.

El corazón del sistema es el compresor. Los más comunes son:

• De émbolo (pistón): Para presiones altas y caudales moderados.
• Rotativos (tornillo): Ideales para suministros continuos y grandes caudales.

El aire comprimido se almacena en un depósito acumulador, que estabiliza la presión y permite que el compresor no trabaje continuamente. Todo depósito debe incluir una válvula de seguridad y un presostato para controlar el arranque/parada del motor.

El aire del ambiente contiene humedad y polvo que dañarían los actuadores. Por ello, se utiliza la unidad FRL (Filtro, Regulador, Lubricador):

1. Filtro: Elimina impurezas y condensa el agua.
2. Regulador: Mantiene una presión de trabajo constante, independientemente de las fluctuaciones de la red.
3. Lubricador: Añade una niebla de aceite para reducir la fricción en las partes móviles (aunque hoy existen muchos componentes "sin lubricación").

La red de tuberías debe diseñarse con una ligera pendiente (1-2%) en la dirección del flujo para conducir el agua condensada hacia puntos de purga. Las tomas de aire deben realizarse desde la parte superior de la tubería principal (cuello de cisne) para evitar que el agua baje hacia las máquinas.

• Simple efecto: El fluido solo realiza trabajo en un sentido. El retorno se produce mediante un muelle interno.
• Doble efecto: El fluido actúa en ambas cámaras, permitiendo realizar trabajo tanto en el avance como en el retroceso. Suelen incluir amortiguación ajustable al final de la carrera para evitar impactos secos.

Cálculo de fuerza teórica:

• Avance: $F_a = P \cdot S_{émbolo}$
• Retroceso (doble efecto): $F_r = P \cdot (S_{émbolo} - S_{vástago})$ Para obtener la fuerza real, debemos restar la fuerza de rozamiento (aprox. 10-20%).

A diferencia de los cilindros, proporcionan un movimiento circular continuo o limitado. Los motores de paletas son comunes en herramientas neumáticas por su alta velocidad, mientras que los cilindros de giro limitado (piñón-cremallera) se usan para rotaciones de 90º o 180º en brazos robóticos.

Al elegir un actuador, debemos considerar el consumo de aire, la longitud de la carrera y el riesgo de pandeo del vástago si la carrera es muy larga. El material (aluminio, acero inoxidable) dependerá de si el entorno es corrosivo o alimentario.

Se definen por el número de vías (orificios) y posiciones (estados). Ejemplo: una válvula 3/2 tiene 3 vías y 2 posiciones.

• Simbología ISO 1219: Los cuadrados representan posiciones, y las flechas la dirección del flujo.
• Accionamientos: Pueden ser manuales (pulsador), mecánicos (final de carrera), neumáticos o eléctricos (solenoide).

• Antirretorno: Solo permite el paso en un sentido.
• Selectora (OR): Permite el paso si hay presión en cualquiera de sus dos entradas.
• De simultaneidad (AND): Solo permite el paso si hay presión en ambas entradas simultáneamente. Es una medida de seguridad típica para mandos a dos manos.

Para controlar la velocidad de un cilindro, se usan reguladores de caudal unidireccionales. En neumática, lo ideal es regular el aire que sale del cilindro (escape) para obtener un movimiento más estable. La válvula de escape rápido se usa cuando queremos aumentar la velocidad de retroceso al evacuar el aire directamente a la atmósfera.

• Mando directo: La válvula que acciona el operario alimenta directamente al cilindro. Solo para cilindros pequeños.
• Mando indirecto: El operario acciona una válvula pequeña que envía una señal neumática para pilotar una válvula distribuidora de mayor caudal.
• Autorretención: Circuito que mantiene su estado tras pulsar un botón, hasta que se pulsa un botón de paro (similar a un relé eléctrico).

Para sistemas con varios cilindros que actúan en orden (ej. A+ B+ A- B-):

1. Diagrama fase-trayectoria: Representa el estado de cada cilindro en cada paso.
2. Método de cascada: Técnica sistemática para eliminar las "señales permanentes" que bloquean las válvulas, dividiendo el ciclo en grupos de presión.

Herramientas como FluidSim permiten verificar el diseño antes de montarlo físicamente. La simulación ayuda a detectar errores de lógica y a analizar cómo afectan las pérdidas de presión al rendimiento del sistema.

• Bombas: A diferencia de los compresores, las bombas hidráulicas (de engranajes o pistones) mueven un volumen fijo de aceite por revolución.
• Depósito: El aceite debe retornar a un tanque para enfriarse y liberar burbujas de aire antes de volver a circular.
• Filtros: Son críticos en el retorno para evitar que partículas metálicas desgasten la bomba.

Suelen utilizarse aceites minerales con aditivos antiespumantes y antioxidantes. El índice de viscosidad es el parámetro más importante: si el aceite está muy frío, es demasiado espeso; si está muy caliente, pierde capacidad de lubricación.

Seguridad: En hidráulica, el riesgo principal es la alta presión, que puede causar inyecciones de fluido bajo la piel o latigazos de tuberías si estas fallan. Es obligatorio el uso de válvulas limitadoras de presión y el mantenimiento preventivo de los latiguillos.