Neumatica e hidráulica

NEUMÁTICA E HIDRÁULICA

NEUMÁTICA E HIDRÁULICA

ANTONIO CREUS SOLÉ

Neumática e hidráulica

Segunda edición, enero 2011

© 2011 Antonio Creus Solé

© 2011 MARCOMBO, S.A.

Gran Via de les Corts Catalanes, 594

08007 Barcelona

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ISBN-13: 978-84-267-1861-7

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A mi hija Ariadna

Índice

1.Generalidades

1.1Neumática

1.2Hidráulica

1.3Comparación entre neumática, hidráulica, eléctrica y electrónica

2.Actuadores neumáticos

2.1Generalidades

2.2Servomotor neumático

2.2.1Generalidades

2.2.2Fuerzas en el servomotor neumático

2.3Cilindro neumático de movimiento lineal

2.3.1Generalidades

2.3.2Cálculo de los cilindros neumáticos

2.3.2.1Fuerza del cilindro

2.3.2.2Fuerza de carga del cilindro

2.3.2.3Consumo de aire

2.3.2.4Velocidad del pistón y amortiguamiento

2.3.3Cilindro de doble efecto tipo tándem

2.3.4Cilindros de doble efecto multiposición

2.3.5Cilindro neumático guiado

2.3.6Cilindro neumático sin vástago

2.3.7Cilindro neumático de impacto

2.3.8Cilindro neumático de fuelle

2.3.9Sistemas de accionamiento

2.3.9.1Válvulas distribuidoras

2.3.9.2Cálculo del Cv y Kv de las válvulas distribuidoras

2.3.9.3Accesorios de las válvulas distribuidoras

2.3.9.4Accesorios de los cilindros

2.3.9.4.1Sensores de posición del cilindro

2.3.9.4.2Finales de carrera

2.3.9.4.3Unidad de bloqueo del cilindro

2.3.9.4.4Sistemas de posicionamiento secuencial

2.3.9.4.5Posicionadores

2.3.10Dispositivos hidroneumáticos

2.3.11Dispositivos de función lógica

2.3.12Equipos neumáticos

2.4Cilindro neumático de movimiento giratorio

2.5Músculo neumático

2.6Técnicas de vacío

2.6.1Generalidades

2.6.2Obtención del vacío

3.Actuadores hidráulicos

3.1Generalidades

3.2Cilindro hidráulico

3.2.1Generalidades

3.2.2Cálculo del cilindro

3.2.2.1Tamaño del cilindro

3.2.2.2Carrera del pistón

3.2.3Sistemas de accionamiento

3.2.3.1Válvulas distribuidoras

3.2.3.2Dispositivos de función lógica

3.2.3.3Cálculo de Cv y del Kv de las válvulas distribuidoras

3.2.3.4Accesorios

3.3Equipos hidráulicos

3.3.1Circuito hidráulicos típicos

3.3.2Accionamiento de turbinas

3.3.3Prensas hidráulicas

3.3.4Ejemplo de dimensionamiento de un circuito hidráulico. Grúa

3.3.5Diagramas de representación de circuitos

4.Actuadores eléctricos y digitales

4.1Generalidades

4.2Servomotor de c.a.

4.3Motor de corriente continua (c.c.)

4.4Motor paso a paso sin escobillas (brushless)

4.5Servomotores de c.c. sin escobillas

4.6Motor eléctrico de accionamiento lineal

4.7Conversión de movimientos de motores

4.8Mando digital de los motores de accionamiento lineal

4.9Servomotor digital

5.Motores neumáticos

5.1Generalidades

5.2Selección del motor neumático

5.3Motores de pistón axiales

5.4Motores de pistón radiales

5.5Motor de engranajes

5.6Turbomotores

5.7Motores de aletas

5.8Herramientas neumáticas

5.9Instalación del motor neumático

5.10Accesorios

5.11Instrucciones generales de mantenimiento

6.Motores hidráulicos

6.1Generalidades

6.2Cálculo de la potencia de los motores hidráulicos

6.3Motor de paletas

6.4Motores de pistón radial o axial

6.5Motor de engranajes

6.6Motor gerotor

6.7Aplicaciones de los motores hidráulicos

7.Instalaciones

7.1Generalidades

7.2Circuitos neumáticos

7.2.1Método intuitivo

7.2.2Circuitos de un cilindro

7.2.3Cilindro de mando manual

7.2.4Cilindro de mando semiautomático (ciclo único)

7.2.5Cilindro de ciclo continuo

7.2.6Circuitos de dos o más cilindros

7.2.6.1Generalidades

7.2.6.2Método de cascada

7.2.6.3Método paso a paso

7.2.6.4Método de secuenciador

7.3Circuitos electroneumáticos

7.4Programación con PLC (Controladores Lógicos Programables)

7.5Circuitos electrohidráulicos

7.6Simuladores de circuitos

8.Centrales neumática e hidráulica

8.1Introducción

8.2Aire comprimido

8.2.1Generación del aire comprimido

8.2.2Alimentación directa de los dispositivos neumáticos

8.2.3Ejemplo de dimensionamiento de una red de alimentación de dispositivos neumáticos

8.2.4Coste del aire comprimido

8.3Central hidráulica

8.3.1Generalidades

8.3.2Bomba hidráulica

8.3.3Acumulador hidráulico

8.3.4Juntas y sellos hidráulicos

8.3.5Fluido hidráulico

9.Mantenimiento de los sistemas neumático e hidráulico

9.1Introducción

9.2Mantenimiento de sistemas neumáticos

9.3Mantenimiento de sistemas hidráulicos

10.Apéndice

10.1Generalidades

10.2Símbolos neumáticos

10.3Símbolos hidráulicos

10.4Símbolos eléctricos y electrónicos

10.5Unidades en Neumática, Hidráulica y Eléctrica

Glosario de términos

Referencias

Agradecimientos

Este libro ha sido posible gracias a 28 años de experiencia industrial en fábricas realizando puestas en marcha y mantenimiento con una visión directa de las máquinas de proceso y de su control.

Desde el punto de vista industrial, unas palabras de agradecimiento a las empresas CERESTAR y HONEYWELL por la experiencia acumulada durante los 25 años de trabajo como responsable de control y automatismos que me han permitido tener una amplia visión de los procesos industriales y el papel que juegan en la neumática e hidráulica, en particular como elementos finales de control.

Prólogos

La neumática y la hidráulica forman parte de nuestro entorno. Nos ofrecen la posibilidad real de realizar esfuerzos y movimientos de forma prácticamente mágica. Basta con oprimir un pulsador para que toda la cadena de acciones que tienen lugar en el sistema de energía neumático e hidráulico se efectúe y podamos realizar un trabajo sin esfuerzo personal alguno. La neumática y la hidráulica nos permiten mover máquinas, posicionar componentes para realizar con precisión trabajos de mecanizado, horadar túneles, transportar materias pesadas, etc.

La evolución continua de la industria en la obtención de nuevas materias, su mecanización y la obtención de un producto final elaborado obliga a conocer y entender el funcionamiento de los dispositivos neumáticos e hidráulicos, su control, sus limitaciones y la forma de realizar un correcto diseño de las instalaciones.

Este libro va dirigido a los jefes y operadores de procesos, a los usuarios, al estudiante y a toda persona relacionada directa o indirectamente con la neumática y la hidráulica.

La obra, en su segunda edición, consta de nueve capítulos y un apéndice.

En el primer capítulo se examinan los conceptos de neumática e hidráulica y se comparan las diversas técnicas de neumática, hidráulica, eléctrica y electrónica.

En el segundo capítulo se estudian los actuadores neumáticos con especial descripción de sus movimientos y de los accesorios que completan su control, el cálculo del Kv (Cv) de las válvulas distribuidoras, las técnicas de vacío y los sistemas de preparación y utilización del aire comprimido.

En el tercer capítulo se examinan los actuadores hidráulicos con los cálculos de cilindros, válvulas distribuidoras, accesorios, la central hidráulica y equipos hidráulicos.

En el cuarto capítulo se estudian los actuadores eléctricos y digitales describiendo los cilindros eléctricos y los motores de accionamiento lineal.

En el quinto capítulo se estudian los motores neumáticos en sus diversas formas de pistón, engranajes, aletas y las herramientas neumáticas.

En el sexto capítulo se examinan los motores hidráulicos con los cálculos de potencia, y los modelos de paletas, pistones, engranajes y gerotor y sus aplicaciones.

En el séptimo capítulo se estudia el diseño de las instalaciones neumáticas e hidráulicas con los métodos intuitivo, cascada, paso a paso y secuencial.

En el octavo capítulo figuran las centrales neumática e hidráulica.

En el noveno capítulo se comentan las características de mantenimiento de los sistemas neumático e hidráulico.

Finalmente, en el apéndice figuran los símbolos neumáticos, hidráulicos, eléctricos y electrónicos, una tabla de conversión de unidades, un glosario y una lista de referencias.

Espero que la obra cumpla su objetivo de ofrecer una mejor comprensión de los dispositivos hidráulico y neumáticos y ser una herramienta que permita al personal de proceso y al usuario la forma de enfocar los cálculos o la comprensión de la técnica que se mueve alrededor de los dispositivos neumáticos e hidráulicos.

1GENERALIDADES

Los sistemas de movimiento y control basados en fluidos pueden ser neumáticos, hidráulicos, eléctricos y mecánicos.

1.1 Neumática

La palabra neumática se refiere al estudio del movimiento del aire. Así, en sus comienzos el hombre utilizó el viento en la navegación y en el uso de los molinos para moler grano y bombear agua. En 1868 George Westinghouse fabricó un freno de aire que revolucionó la seguridad en el transporte ferroviario. Es a partir de 1950 cuando la neumática progresa ampliamente en la industria con el desarrollo paralelo de los sensores.

Los sistemas de aire comprimido proporcionan un movimiento controlado con el empleo de cilindros y motores neumáticos, y se aplican en herramientas, válvulas de control y posicionadores, martillos neumáticos, pistolas para pintar, motores neumáticos, sistemas de empaquetado, elevadores, herramientas de impacto, prensas neumáticas, robots industriales, vibradores, frenos neumáticos, etc.

Las ventajas que presenta el uso de la neumática son el bajo coste de sus componentes, su facilidad de diseño e implementación y el bajo par o la fuerza escasa que puede desarrollar a las bajas presiones con que trabaja (típico 6 bar), lo que constituye un factor de seguridad. Otras características favorables son el riesgo nulo de explosión, su conversión fácil al movimiento giratorio así como al lineal, la posibilidad de transmitir energía a grandes distancias, una construcción y mantenimiento fáciles y la economía en las aplicaciones.

Entre las desventajas, figura la imposibilidad de obtener velocidades estables debido a la compresibilidad del aire, los altos costes de la energía neumática y las posibles fugas que reducen el rendimiento.

La neumática precisa de una estación de generación y preparación del aire comprimido formada por un compresor de aire, un depósito, un sistema de preparación del aire (filtro, lubricador y regulador de presión), una red de tuberías para llegar al utilizador y un conjunto de preparación del aire para cada dispositivo neumático individual (Figura 1.1).

Figura 1.1. Preparación del aire.

Los sistemas neumáticos se complementan con los eléctricos y electrónicos, lo que les permite obtener un alto grado de sofisticación y flexibilidad. Utilizan válvulas de solenoide, señales de realimentación de interruptores magnéticos, sensores e interruptores eléctricos de final de carrera. El PLC (Programmable Logic Controller) les permite programar la lógica de funcionamiento de un cilindro o de un conjunto de cilindros realizando una tarea específica.

En determinadas aplicaciones, tales como en movimientos de aproximación rápida y avance lento, típicos de las fresadoras y rectificadoras, en la sujeción de piezas utilizada en los cortes a alta velocidad sobre materiales duros y en la automatización de procesos de producción, se combinan la neumática y la hidráulica en un circuito oleoneumático, utilizando la parte neumática para el accionamiento y control y la parte hidráulica para el actuador.

1.2 Hidráulica

La hidráulica utiliza básicamente los fluidos hidráulicos como medios de presión para mover los pistones de los cilindros. En la figura 1.2 se representa el movimiento típico de un pistón dentro del cilindro gracias a la energía proporcionada por un sistema hidráulico formado por una bomba, un depósito y un conjunto de tuberías que llevan el fluido a presión hasta los puntos de utilización

Figura 1.2. Circuito típico de un pistón dentro del cilindro en un sistema hidráulico. LVDT (Linear Variable Differential Transformer) es un captador lineal de desplazamiento.

Dentro de estos sistemas se encuentran los motores hidráulicos con velocidades que abarcan desde 0,5 rpm hasta 10.000 rpm, y el par que proporcionan va desde 1 Nm (baja velocidad) hasta 20.000 Nm (alta velocidad).

Los sistemas hidráulicos se aplican típicamente en dispositivos móviles tales como maquinaria de construcción, excavadoras, plataformas elevadoras, aparatos de elevación y transporte, maquinaria para agricultura y simuladores de vuelo.

Sus aplicaciones en dispositivos fijos abarcan la fabricación y montaje de máquinas de todo tipo, líneas transfer, aparatos de elevación y transporte, prensas, máquinas de inyección y moldeo, máquinas de laminación y ascensores y montacargas.

Tienen las siguientes ventajas: Gran potencia transmitida con pequeños componentes; posicionamiento preciso; arranque con cargas pesadas; movimientos lineales independientes de la carga, ya que los líquidos son casi incompresibles y pueden emplearse válvulas de control; operación suave e inversa; buen control y regulación y disipación favorable de calor.

Y entre sus desventajas figuran: Polución del ambiente con riesgo de incendio y accidentes en el caso de fuga de aceite; sensibilidad a la suciedad; peligro presente debido a las excesivas presiones y dependencia de la temperatura por cambios en la viscosidad.

Análogamente a los sistemas neumáticos, los sistemas hidráulicos se complementan con los eléctricos y electrónicos mediante dispositivos tales como válvulas de solenoide, señales de realimentación de interruptores magnéticos, sensores e interruptores eléctricos de final de carrera. Es fácil, en particular en sistemas complejos, acoplarles un PLC (Programmable Logic Controller) que les permite programar la lógica de funcionamiento de varios cilindros.

En determinadas aplicaciones, tales como en movimientos de aproximación rápida y avance lento, típicos de las fresadoras y rectificadoras, en la sujeción de piezas utilizada en los cortes a alta velocidad sobre materiales duros y en la automatización de procesos de producción, se combinan los sistemas neumático, hidráulico y eléctrico en la forma siguiente:

–Circuito electroneumático: Accionamiento eléctrico – Actuador neumático.

–Circuito oleoneumático: Accionamiento neumático – Actuador hidráulico.

–Circuito electrohidráulico: Accionamiento eléctrico – Actuador hidráulico.

1.3 Comparación entre neumática, hidráulica, eléctrica y electrónica

En la tabla 1.1 se muestran las características comparativas entre los sistemas neumático e hidráulico; y en la tabla 1.2, entre la neumática/hidráulica y la electricidad/electrónica.

Tabla 1.1. Características comparativas de los sistemas neumático e hidráulico.

Tabla 1.2. Características comparativas de los sistemas neumático/hidráulico y eléctrico/ electrónico