Sistemas neumáticos y oleohidráulicos

Para entender el comportamiento de estos sistemas, debemos analizar tres propiedades críticas:

1. Compresibilidad y elasticidad: El aire es altamente compresible, lo que permite almacenar energía pero dificulta el control preciso de la velocidad. En cambio, los líquidos son prácticamente incompresibles, permitiendo movimientos mucho más rígidos y exactos.
2. Viscosidad y temperatura: La viscosidad es la resistencia de un fluido a fluir. En los sistemas oleohidráulicos, la viscosidad disminuye al aumentar la temperatura, lo que puede provocar fugas internas y pérdida de rendimiento.
3. Presión estática y dinámica: La presión estática es la que ejerce el fluido en reposo, mientras que la dinámica aparece cuando el fluido está en movimiento debido a su energía cinética.

El principio rector de la hidráulica es el Principio de Pascal, que establece que la presión ejercida sobre un fluido incompresible y en equilibrio dentro de un recipiente de paredes indeformables se transmite con igual intensidad en todas las direcciones.

Matemáticamente, si aplicamos una fuerza $F_1$ sobre una superficie $S_1$, la presión generada es $P = \frac{F_1}{S_1}$. Esta misma presión se transmite a una superficie $S_2$, generando una fuerza $F_2$:

$F_2 = P \cdot S_2 = F_1 \cdot \frac{S_2}{S_1}$

Este fenómeno permite la multiplicación de fuerzas, base de las prensas hidráulicas y los frenos de los vehículos.

Cuando el fluido se mueve, entran en juego tres conceptos clave:

• Ecuación de continuidad: En un conducto, el caudal ($Q$) 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 (presión + cinética + potencial = constante).
• Pérdida de carga: Es la pérdida de energía mecánica debido al rozamiento del fluido con las paredes de la tubería y en accesorios (codos, válvulas). Depende del régimen de flujo (laminar o turbulento).

El aire comprimido se genera mediante compresores, máquinas que absorben aire atmosférico y reducen su volumen para aumentar la presión. Los más comunes son:

• De émbolo (pistón): Para altas presiones y caudales moderados.
• Rotativos de tornillo: Para suministros continuos y grandes caudales en la industria.

El aire generado se almacena en depósitos o acumuladores, que estabilizan la presión, refrigeran el aire y permiten que el compresor no trabaje de forma ininterrumpida.

El aire atmosférico contiene humedad, polvo y restos de aceite que dañarían los componentes. Por ello, es imperativo el uso de la Unidad FRL (Filtro, Regulador, Lubricador):

1. Filtro: Elimina partículas sólidas y condensa el agua.
2. Regulador: Mantiene la presión de trabajo constante independientemente de las fluctuaciones de la red.
3. Lubricador: Añade una niebla de aceite para reducir el desgaste de los actuadores (opcional en sistemas modernos "sin aceite").

El diseño de la red debe garantizar que el aire llegue a los puntos de consumo con la presión y caudal necesarios. Las tuberías deben tener una inclinación del 1-2% en la dirección del flujo para favorecer el drenaje de condensados hacia las purgas. Las tomas de servicio siempre deben realizarse desde la parte superior de la tubería principal (cuello de cisne) para evitar la entrada de agua en las herramientas.

Son los encargados de transformar la energía neumática en trabajo mecánico rectilíneo.

• Cilindro de simple efecto: El aire solo realiza trabajo en un sentido. El retorno se produce por un muelle interno.
• Cilindro de doble efecto: El aire actúa en ambas caras del émbolo, permitiendo realizar fuerza tanto en el avance como en el retroceso.

La fuerza teórica de un cilindro en avance se calcula como: $F = P \cdot S = P \cdot \frac{\pi \cdot D^2}{4}$ Donde $D$ es el diámetro del émbolo. En el retroceso, debe restarse la sección del vástago.

Transforman la energía del fluido en movimiento circular. Los motores de paletas son comunes por su alta velocidad y tamaño compacto. También existen actuadores de giro limitado (piñón-cremallera) que permiten rotaciones precisas de 90º o 180º para tareas de volteo.

En la manipulación de piezas delicadas o planas, se utilizan ventosas. El vacío se genera habitualmente mediante un eyector (efecto Venturi), donde el paso de aire comprimido a alta velocidad crea una succión. Las pinzas neumáticas, por otro lado, actúan como dedos mecánicos para el agarre de componentes.

Son el "cerebro" del circuito, encargadas de dirigir el flujo de aire. Se definen por el número de vías (orificios) y posiciones (estados).

• Ejemplo: Una válvula 5/2 tiene 5 vías y 2 posiciones.
• Accionamientos: Pueden ser manuales (pulsador), mecánicos (rodillo), neumáticos (pilotaje) o eléctricos (solenoide).

Permiten realizar funciones lógicas y de seguridad:

• Válvula de simultaneidad (AND): Solo hay salida de aire si recibe señal por ambas entradas.
• Válvula selectora (OR): Hay salida si recibe señal por cualquiera de sus dos entradas.
• Antirretorno: Permite el paso en un solo sentido.
• Escape rápido: Permite vaciar el cilindro velozmente para aumentar su velocidad.

Para controlar la velocidad de un cilindro, se utilizan reguladores de caudal unidireccionales, que estrangulan el paso de aire en un sentido y lo dejan libre en el otro. Es práctica estándar regular el aire de escape y no el de alimentación para evitar movimientos bruscos (tirones).

Cuando un sistema requiere que varios cilindros actúen en orden (ej. A+ B+ A- B-), se utilizan herramientas de diseño:

• Diagrama Fase-Tiempo: Representa el estado de cada actuador frente al tiempo.
• Método de Cascada: Técnica sistemática para eliminar las "señales contradictorias" (cuando una válvula recibe aire por ambos lados a la vez, bloqueándose).

Combina la fuerza de la neumática con la flexibilidad del control eléctrico. Las válvulas se activan mediante electroimanes (solenoides). Los sensores de posición dejan de ser mecánicos para ser finales de carrera eléctricos o detectores magnéticos de proximidad. Se emplean relés para implementar la autorretención (memoria eléctrica).

El uso de software (como FluidSim) permite validar el diseño antes del montaje físico. En cuanto a seguridad, todo circuito debe incluir una parada de emergencia que despresurice el sistema o bloquee los actuadores para evitar accidentes.

A diferencia de la neumática, la hidráulica es un circuito cerrado. El grupo hidráulico incluye:

• Depósito: Almacena el aceite y ayuda a disipar el calor.
• Bomba: Normalmente de engranajes o pistones, transforma la energía mecánica del motor eléctrico en energía hidráulica.
• Filtros: Mucho más críticos que en neumática, ya que la suciedad en el aceite erosiona las bombas.

Debido a las altas presiones, se requieren componentes especiales como las válvulas limitadoras de presión (imprescindibles para evitar explosiones en las tuberías) y los acumuladores de nitrógeno, que almacenan energía hidráulica para picos de demanda o emergencias. Las servoválvulas permiten un control proporcional de extrema precisión, utilizado en robótica pesada y aviación.