Sistemas neumáticos e hidráulicos

Un fluido es cualquier sustancia que puede fluir y adaptarse a la forma del recipiente que lo contiene. La principal diferencia entre los sistemas neumáticos y los hidráulicos radica en el tipo de fluido utilizado:

• Neumática: Utiliza aire comprimido. El aire es un gas y es altamente compresible, lo que significa que su volumen disminuye significativamente al aumentar la presión.
• Hidráulica: Utiliza aceite mineral. Los líquidos son prácticamente incompresibles, lo que permite una transmisión de fuerza mucho más rígida y precisa.

Otras propiedades clave son la densidad (masa por unidad de volumen) y la viscosidad (resistencia del fluido a fluir). En hidráulica, una viscosidad adecuada es vital para garantizar la lubricación y evitar fugas.

El funcionamiento de estos sistemas se basa en leyes físicas clásicas:

1. Principio de Pascal: La presión ejercida sobre un fluido incompresible en equilibrio dentro de un recipiente de paredes indeformables se transmite con igual intensidad en todas las direcciones. $P = \frac{F}{S}$ Donde $P$ es presión, $F$ es fuerza y $S$ es superficie.
2. Ley de Boyle-Mariotte: Para una temperatura constante, el volumen de un gas es inversamente proporcional a la presión: $P_1 \cdot V_1 = P_2 \cdot V_2$.
3. Ecuación fundamental de la hidrostática: La presión en el interior de un fluido depende de la profundidad ($h$), la densidad ($\rho$) y la gravedad ($g$): $P = \rho \cdot g \cdot h$.

En el Sistema Internacional, la unidad de presión es el Pascal (Pa), que equivale a $1 N/m^2$. Sin embargo, al ser una unidad muy pequeña, en la industria se utilizan habitualmente el Bar y la Atmósfera.

• $1 \text{ bar} = 10^5 \text{ Pa} = 100.000 \text{ Pa}$
• $1 \text{ bar} \approx 1 \text{ kg/cm}^2$

El caudal ($Q$) mide el volumen de fluido que atraviesa una sección por unidad de tiempo ($Q = V/t$) y suele medirse en $m^3/s$ o $l/min$. Para cálculos térmicos, se utiliza la escala Kelvin (temperatura absoluta), donde $0^\circ C = 273,15 K$.

Para obtener aire comprimido necesitamos un compresor, una máquina que aspira aire atmosférico y lo comprime hasta una presión de trabajo (normalmente entre 6 y 10 bares).

• Compresores de émbolo: Funcionan de forma similar al motor de un coche, mediante un pistón que reduce el volumen de la cámara.
• Compresores de tornillo: Utilizan dos rotores helicoidales para comprimir el aire de forma continua y silenciosa.
• Depósito o acumulador: Un tanque que almacena el aire, estabiliza la presión y permite que el compresor no esté funcionando constantemente. Incluye un presostato para arrancar/parar el motor y una válvula de seguridad para evitar sobrepresiones peligrosas.

El aire aspirado contiene impurezas y humedad que pueden dañar los componentes. Por ello, se utiliza la unidad FRL (Filtro, Regulador y Lubricador):

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

El aire se distribuye mediante tuberías que deben instalarse con una pendiente de entre el 1% y el 2% en la dirección del flujo. Esto facilita que el agua condensada se dirija hacia los puntos bajos, donde se instalan purgadores. Las tomas de aire deben realizarse desde la parte superior de la tubería principal (cuello de cisne) para evitar que el agua residual entre en las máquinas.

Son los más comunes y se dividen en:

• Cilindro de simple efecto: El aire entra por una sola vía para desplazar el émbolo. El retorno se produce mediante un muelle interno.
• Cilindro de doble efecto: El aire entra por ambos lados alternativamente, permitiendo realizar trabajo tanto en el avance como en el retroceso.
• Amortiguación interna: Muchos cilindros incluyen un sistema al final del recorrido para evitar golpes secos del émbolo contra las tapas, prolongando la vida útil del componente.

Transforman la presión en un movimiento de rotación continuo o limitado:

• Motores de paletas: Proporcionan giro continuo a alta velocidad.
• Actuadores de giro limitado: Permiten rotaciones de 90º, 180º o 270º, ideales para voltear piezas en una cadena de montaje.

La fuerza que ejerce un cilindro depende de la presión y de la superficie útil del émbolo.

• Fuerza de avance ($F_a$): Se calcula con el área total del émbolo ($S = \pi \cdot r^2$). $F_a = P \cdot S$
• Fuerza de retroceso ($F_r$): Se debe restar el área del vástago, ya que el aire no empuja en esa zona. $F_r = P \cdot (S_{émbolo} - S_{vástago})$ Es fundamental considerar el rendimiento (rozamiento), que suele reducir la fuerza teórica en un 10-20%.

Son el "cerebro" del sistema, encargadas de dirigir el flujo de aire hacia los actuadores. Se identifican por el número de vías (orificios) y posiciones (estados).

• Ejemplo 3/2: 3 vías y 2 posiciones (típica para cilindros de simple efecto).
• Ejemplo 5/2: 5 vías y 2 posiciones (típica para cilindros de doble efecto). El accionamiento puede ser manual (pulsador), mecánico (final de carrera), neumático o eléctrico (electroválvula).

• Reguladores de caudal unidireccional: Permiten controlar la velocidad del cilindro frenando el aire en un solo sentido.
• Válvula antirretorno: Permite el paso del fluido en un sentido y lo bloquea en el contrario.
• Válvula de escape rápido: Permite que el aire del cilindro salga directamente a la atmósfera sin pasar por la válvula distribuidora, aumentando la velocidad de movimiento.

Permiten condicionar el movimiento a varias señales:

1. Válvula selectora (Función O / OR): El cilindro sale si se pulsa A o B.
2. Válvula de simultaneidad (Función Y / AND): El cilindro sale solo si se pulsan A y B al mismo tiempo (seguridad bimanual).
3. Temporizadores: Retrasan la señal de presión durante un tiempo determinado mediante un pequeño depósito y un regulador de caudal.

La representación gráfica sigue la normativa ISO 1219. En los esquemas:

• Los componentes se dibujan en su estado de reposo (sin presión).
• Las vías se numeran: 1 para presión, 2 y 4 para salidas de utilización, 3 y 5 para escapes.
• Las líneas continuas representan tuberías de potencia y las discontinuas señales de mando.

• Mando directo: Una válvula manual controla directamente al cilindro. Solo para cilindros muy pequeños.
• Mando indirecto: Una válvula pequeña envía una señal de aire para pilotar una válvula de mayor tamaño. Se usa para evitar pérdidas de carga y por seguridad.
• Ciclos automáticos: Utilizando finales de carrera, podemos hacer que un cilindro salga y entre automáticamente al detectar su propia posición.

Antes de montar un circuito real, se utilizan programas como FluidSIM. Estos entornos permiten verificar que la lógica es correcta, calcular presiones y detectar errores de conexión que en la realidad podrían causar averías o accidentes.

A diferencia de la neumática, la hidráulica requiere un circuito cerrado. La central hidráulica incluye:

• Bomba de engranajes: Succiona el aceite del depósito y le imprime presión.
• Depósito: Almacena el aceite, ayuda a refrigerarlo y permite que las burbujas de aire se separen.
• Válvula limitadora de presión: Un elemento de seguridad crítico que devuelve el aceite al depósito si la presión supera el límite establecido.

La hidráulica se elige cuando se requieren:

• Altas presiones: Hasta 700 bares, permitiendo mover toneladas con componentes pequeños.
• Precisión: Al no comprimirse el aceite, los movimientos son suaves y constantes, sin los "tirones" típicos del aire.
• Autolubricación: El propio fluido protege los mecanismos.

El trabajo con fluidos a alta presión exige normas estrictas:

1. Fugas: Una fuga de aceite a alta presión puede perforar la piel (inyección hidráulica). Nunca se debe buscar una fuga con la mano.
2. Limpieza: El aceite debe estar libre de partículas; por ello, el cambio de filtros es la tarea de mantenimiento más importante.
3. Medio ambiente: El aceite es contaminante y debe gestionarse como residuo peligroso según la normativa vigente.