2. HISTORIA

Al contrario de lo que pueda parecer, el uso de la neumática y la hidráulica se remonta a la prehistoria, como veremos a continuación.

2.1. Historia de la neumática

El fluido que utiliza la neumática es el aire comprimido, y es una de las formas de energía más antiguas utilizadas por el hombre.

• • Su utilización se remonta al Neolítico, cuando aparecieron los primeros fuelles de mano, para avivar el fuego de fundiciones o para airear minas de extracción de minerales.

  • Hasta el siglo XVII, la utilización del aire a presión como energía, se realiza en algunas máquinas y mecanismos, como la catapulta de aire comprimido del griego Ktesibios, o la descripción en el siglo I de diversos mecanismos que son accionados por aire caliente.

  • A partir del siglo XVII, se comienza el estudio sistemático de los gases, y con ello, comienza el desarrollo tecnológico de las diferentes aplicaciones del aire comprimido.

  • En el siglo XVIII se construye el primer compresor alternativo, en el XIX, se utiliza como fuente energética para perforadoras de percusión, sistemas de correos, frenos de trenes, ascensores, etc.

  • A finales del siglo XIX, se deja de desarrollar debido a la competencia de otros tipos de energía (máquinas de vapor, motores y electricidad).

  • A finales de la Segunda Guerra Mundial, reaparece de nuevo la utilización a gran escala del aire comprimido como fuente de energía, debido, sobre todo, a las nuevas exigencias de automatización y racionalización del trabajo en las industrias, estando hoy en día ampliamente implantado en todo tipo de industria.

2.2. Historia de la hidráulica

El fluido que se utiliza en la hidráulica en principio es el agua.

• • La utilización del agua data de muy antiguo. Se conocen obras riego que ya existían en la antigua Mesopotámica. En Nipur (Babilonia) existían colectores de agua negras, desde el año 3.750 AC.

  • En Egipto también se realizaron grandes obras de riego, 25 siglos AC.

  • El primer sistema de abastecimiento de agua estaba en Asiría año 691 AC.

  • El tratado sobre el cuerpo flotante de Arquímedes y algunos principios de Hidrostática datan de 250 AC.

  • La bomba de Pitón fue concebida 200 AC. Los grandes acueductos romanos empiezan a construirse a partir del 312 AC.

  • En el siglo XVI, la atención de los filósofos se centra en los proyectos de fuentes de agua monumentales. Contribuyen en este sentido Leonardo Da Vinci, Galileo, Torricelli, y Bernoulli.

  • A Euler se deben las primeras ecuaciones para el movimiento de fluidos.

  • En el siglo XIX, con el desarrollo de tubos de hierro fundido, capaces de resistir presiones internas elevadas, la hidráulica tuvo un desarrollo rápido y acentuado.

Sin embargo hoy en día se utiliza el aceite en buena parte de aplicaciones industriales, ya que produce menor corrosión sobre los conductos y además se puede utilizar como refrigerante.

Las aplicaciones son muy variadas.

• • En el transporte: excavadoras, tractores, grúas, en frenos, suspensiones, etc.

  • En la industria: para controlar, impulsar, posicionar, y mecanizar elementos propios de la línea de producción.

3. PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS, PRINCIPIOS BÁSICOS

Las magnitudes que definen a los fluidos son la presión, el caudal y la potencia:

Presión: se define como la relación entre la fuerza ejercida sobre la superficie de un cuerpo.

Las unidades que se utilizan para la presión son:  1 atmósfera ≈ 1 bar = 1 kg/cm2 = 105 pascal

Caudal: es la cantidad de fluido que atraviesa la unidad de superficie en la unidad de tiempo.

Potencia: es la presión que ejercemos multiplicada por el caudal.

3.1. El aire comprimido

El aire comprimido que se emplea en la industria procede del exterior. Se comprime hasta alcanzar una presión de unos 6 bares de presión, con respecto a la atmosférica (presión relativa).

Los manómetros indican el valor de presión relativa que estamos utilizando.

Para su estudio se considera como un gas perfecto (Que no varía sus propiedades con la temperatura y no se puede comprimir).

Las ventajas que podemos destacar del aire comprimido son:

• • Es abundante (disponible de manera ilimitada).

  • Transportable (fácilmente transportable, además los conductos de retorno son innecesarios).

  • Se puede almacenar (permite el almacenamiento en depósitos).

  • Resistente a las variaciones de temperatura.

  • Es seguro, antideflagrante (no existe peligro de explosión ni incendio).

  • Limpio (lo que es importante para industrias como las químicas, alimentarias, textiles, etc.).

  • Los elementos que constituyen un sistema neumático, son simples y de fácil comprensión.

  • La velocidad de trabajo es alta.

  • Tanto la velocidad como las fuerzas son regulables de una manera continua.

  •  Aguanta bien las sobrecargas (no existen riesgos de sobrecarga, ya que cuando ésta existe, el elemento de trabajo simplemente para sin daño alguno).

Las mayores desventajas que posee frente a otros tipos de fuente de energía, son:

• • Necesita de preparación antes de su utilización (eliminación de impurezas y humedad).

  • Debido a la compresibilidad del aire, no permite velocidades de los elementos de trabajo regulares y constantes.

  • Los esfuerzos de trabajo son limitados (de 20 a 30000 N).

  • Es ruidoso, debido a los escapes de aire después de su utilización.

  • Es costoso. Es una energía cara, que en cierto punto es compensada por el buen rendimiento y la facilidad de implantación.

La composición aproximada en volumen del aire es:

3.1.1. Fundamentos físicos

Las relaciones matemáticas utilizadas para presiones del aire inferior a los 12 bares, son las correspondientes a las de los gases perfectos.

La ley de los gases perfectos relaciona tres magnitudes, presión (P), volumen (V) y temperatura (T), mediante la siguiente fórmula:

Las tres magnitudes P, V y T pueden variar, pero si mantenemos constante una de ellas, la ley de los gases perfectos queda reducida y podemos establecer la relación entre dos estados distintos, según se resume en la siguiente tabla:

Ejemplos:

1. Si tenemos una jeringuilla que contiene 0,02 m3 de aire comprimido a presión 1 atmósfera, ¿Cuál será el volumen que ocupa dicho aire si sometemos dicha jeringuilla a una presión de 2 atmósferas?.

2. Un litro de aire es calentado a presión constante desde 18 °C hasta 58 °C, ¿qué volumen final ocupará el aire?.

3. ¿Cuál será la presión de una masa de aire al ser calentado de 20 °C a 140 °C si su presión inicial es de 4 atmósferas?

3.2. Fluidos hidráulicos

Cuando el fluido que utilizamos no es el aire, si no un líquido que no se puede comprimir, agua, aceite, u otro. Los fundamentos físicos de los gases se cumplen considerando el volumen constante.

Una consecuencia directa de estos fundamentos es el llamado Principio de Pascal, que dice:

Por el Principio de Pascal sabemos que la presión es igual en todos los puntos:

Nos dice que en un pistón de superficie pequeña cuando aplicamos fuerza, esta se transmite al pistón de superficie grande amplificada o a la inversa.

Ejemplo:

4. Disponemos de dos pistones unidos por una tubería de secciones S1= 10 mm2 y S2 = 40 mm2. Si necesitamos levantar un objeto con una fuerza F2= 40 N sobre el pistón segundo. ¿Cuál será la fuerza F1 que debemos realizar sobre el pistón primero?.

El fluido que normalmente se utiliza en los circuitos hidráulicos es aceite y los sistemas se llaman oleohidráulicos.

Las ventajas de la hidráulica son:

• • Permite trabajar con elevados niveles de fuerza o momentos de giro.

  • El aceite empleado en el sistema es fácilmente recuperable.

  • La velocidad de actuación es fácilmente controlable.

  • Las instalaciones son compactas.

  • Protección simple contra sobrecargas.

  • Pueden realizarse cambios rápidos de sentido.

Y las desventajas:

• • El fluido es más caro.

  • Se producen perdidas de carga.

  • Es necesario personal especializado para la manutención.

  • El fluido es muy sensible a la contaminación.

4. ELEMENTOS BÁSICOS DE UN CIRCUITO NEUMÁTICO

Los elementos básicos de un circuito neumático son:

• • El generador de aire comprimido, es el dispositivo que comprime el aire de la atmósfera hasta que alcanza la presión de funcionamiento de la instalación. Generalmente se asocia con un tanque donde se almacena el aire para su posterior utilización.

  • Las tuberías y los conductos, a través de los que se canaliza el aire para que llegue a todos los elementos.

  • Los elementos para el mantenimiento del aire comprimido, aseguran la limpieza del aire y las condiciones adecuadas del mismo para que la instalación funcione con normalidad.

  • Los actuadores, como cilindros y motores, que son los encargados de transformar la presión del aire en trabajo útil.

  • Los elementos de mando y control, como las válvulas distribuidoras, se encargan de permitir o no el paso del aire según las condiciones preestablecidas.

Los circuitos neumáticos tienen similitudes con un circuito eléctrico, ya que ambos tienen los mismos elementos:

4.1. Producción y distribución del aire comprimido

Para la producción se utilizan los compresores con depósito.

Los compresores se pueden clasificar en dos tipos, de émbolo o rotativos.

• • Compresores de émbolo, son los más utilizados debido a su flexibilidad de funcionamiento.

El funcionamiento de este tipo de compresores es muy parecido al del motor de un automóvil. Un eje, mediante una biela y una manivela produce el movimiento alternativo de un pistón. Al bajar el pistón se introduce el aire. Cuando ha bajado totalmente se cierra la válvula de admisión y comienza a subir el pistón y con ello la compresión del aire. Cuando este aire se ha comprimido hasta el máximo, la válvula de escape se abre y sale el aire a presión.

• • Compresores rotativos, consiguen aumentar la presión mediante el giro de un rotor. El aire se aspira y se comprime en la cámara de compresión gracias a la disminución del volumen que ocupa el aire. Los hay de paletas, de tornillo y el turbocompresor.

- Compresor de paletas:

Son muy silenciosos y proporcionan un nivel de caudal prácticamente constante.

La compresión se efectúa como consecuencia de la disminución del volumen provocada por el giro de una excéntrica provista de paletas radiales extensibles que ajustan sobre el cuerpo del compresor.

- Compresor de husillo o Roots:

Son caros aunque pueden suministrar aire a mayor presión que los anteriores.

Emplea un doble husillo de forma que toma el aire de la zona de aspiración y lo comprime al reducirse el volumen en la cámara creada entre ellos y el cuerpo del compresor.

- Compresor de tornillo:

Son caros, silenciosos y tienen un desgaste muy bajo. 

Se basa en el giro de dos tornillos helicoidales que comprimen el aire que ha entrado en su interior.

- Turbocompresor:

Proporciona una presión reducida pero un caudal muy elevado. No suelen utilizarse en aplicaciones neumáticas industriales.

Las álabes recogen el aire de entrada y lo impulsan hacia la salida aumentando su presión.

Para representar cualquier tipo de compresor en los esquemas neumáticos se utiliza en siguiente símbolo:

La mayor parte de los compresores suministran un caudal discontinuo de aire, de manera que se debe almacenar en un depósito. El depósito además sirve para evitar que los compresores estén en funcionamiento constantemente, incluso cuando no se necesita gran caudal de aire, también ayudan a enfriar el aire. Los depósitos generalmente disponen de manómetro que indica la presión interior, una válvula de seguridad que se dispara en caso de sobrepresiones y una espita para el desagüe de las condensaciones que se producen en el interior del depósito.

4.2. Tuberías y conductos

Para transportar el aire es necesario utilizar conductores. Los conductores utilizados son tuberías metálicas o de polietileno de presión. El diámetro de las tuberías depende de las necesidades de caudal que requiere la instalación, teniendo en cuenta la caída de presión producida por las pérdidas y la longitud de las tuberías.

4.3. Elementos para el mantenimiento del aire comprimido

El aire comprimido debe llegar en condiciones propias de presión y limpieza a los circuitos y herramientas neumáticas. Para conseguirlo, tras el depósito se instalan los siguientes elementos.

• • Filtro. Impide el paso de partículas de suciedad que pueden dañar el resto del circuito.

• • Reductor de presión: Que ajusta la presión del aire a las necesidades de la instalación. Cuenta con un manómetro para poder comprobar la presión.

• • Lubricador. Pulveriza pequeñas gotas de aceite lubricante en el aire, para que se engrasen las partes móviles del circuito.

Todos estos elementos se pueden encontrar en el mercado montados en un solo elemento llamado unidad de mantenimiento.

4.4. Elementos de trabajo: actuadores

Los actuadores se pueden clasificar en dos tipos: lineales y rotativos.

4.4.1. Actuadores lineales (cilindros)

Los cilindros se emplean cuando se desea un movimiento rectilíneo alternativo. Pueden utilizarse para desplazar objetos, para mover brazos de robots, etc. Los más conocidos son los de simple efecto y los de doble efecto.

• Cilindro de simple efecto: se trata de un tubo cilíndrico cerrado dentro del cual hay un émbolo unido a un vástago que se desplaza unido a él. Por un extremo hay un orificio para entrar o salir el aire y en el otro está albergado un muelle que facilita el retorno del vástago.

Este tipo de cilindro trabaja en un solo sentido, cuando el aire entra en él. El retroceso y desalojo del aire se produce por la fuerza del muelle que está albergado en el interior del cilindro.

• Cilindro de doble efecto: se trata de un tubo cilíndrico cerrado con un diseño muy parecido al cilindro de simple efecto, pero sin el muelle de retorno, el retorno se hace por medio de otra entrada de aire.

Este tipo de cilindro trabaja en los dos sentidos, cuando el aire entra en él produce fuerza y desaloja el aire que está en el otro compartimento. El retroceso y desalojo del aire se produce cuando el aire entra por el otro orificio.

4.4.2. Actuadores rotativos

Los actuadores rotativos se utilizan para hacer girar objetos o máquinas herramientas, motor de una taladradora, atornillar y destornillar, etc. También se utilizan los cilindros basculantes para producir movimientos circulares alternativos.

• Motor de paletas: genera movimiento rotativo continuo. El aire entra por una parte y hace que giren las paletas, la herramienta se encuentra sujeta sobre el eje de giro. Se trata del motor neumático más utilizado, puede dar una potencia de hasta 20 CV y velocidades desde 3000 a 25000 rpm.

 4.5. Elementos de mando: válvulas

Con el objeto de controlar la circulación del aire en una dirección u otra se necesitan elementos de mando y control.

Existen varios métodos para accionar las válvulas y cada uno tiene su símbolo:

Las válvulas pueden tener 2, 3, 4, o 5 conexiones y pueden tener 2, 3, o 4 posiciones. Para nombrar una válvula se pone primero el número de conexiones, después el número de posiciones, separados ambos por una barra inclinada, a continuación se nombra su forma de accionamiento y por último su forma de retorno.

A continuación estudiaremos los tipos de válvulas más comunes:

• Válvula 3/2: Una de sus principales aplicaciones es permitir la circulación de aire hasta un cilindro de simple efecto, así como su evacuación cuando deja de estar activado.

A continuación se ve su constitución interna. Se trata de una válvula activa por un pulsador y retorno por un muelle. En estado de reposo, permite que el aire pase del terminal 2 hasta el 3 y que no pueda entrar por el 1. Cuando la activamos, el aire puede pasar del terminal 1 al 2 y no puede pasar por el 3.

Una de las principales aplicaciones de la válvula 3/2 es la del control de un cilindro de simple efecto.

• Válvula 5/2: Una de sus principales aplicaciones es controlar los cilindros de doble efecto.

A continuación se ve su constitución interna. Se trata de una válvula activa por un pulsador y retorno por muelle. En estado de reposo, permite la circulación de aire entre los terminales 4 y 5, y entre 1 y 2, el terminal 3 está bloqueado. Cuando la activamos, permite la circulación de aire entre los terminales 1 y 4, y entre 2 y 3, ahora el terminal 5 se encuentra bloqueado.

•  Válvula OR (O): Se trata de una válvula que implementa la función OR, esto es, cuando penetra el aire por cualquiera de sus entradas hace que este salga por la salida. Se utiliza para activar cilindros desde dos lugares distintos.

• Válvula AND (Y): Se trata de una válvula que implementa la función AND, esto es, sólo permite pasar el aire a la salida cuando hay aire con presión por las dos entradas a la vez. Se utiliza para hacer circuitos de seguridad, el cilindro sólo se activará cuando existe presión en las dos entradas.

• Válvula antirretorno: Se encarga de permitir el paso del aire libremente cuando circular desde el terminal 2 al 1. Mientras que no permite circular el aire desde el terminal 1 al 2.

• Válvula estranguladora unidireccional: Se encarga de permitir el paso del aire libremente cuando circular desde el terminal 2 al 1. Mientras que estrangula el aire cuando circula desde el terminal 1 al 2. Se utiliza para hacer que los cilindros salgan o entren más lentamente.

5. DISEÑO DE CIRCUITOS NEUMÁTICOS

Cuando se representa un circuito neumático la colocación de cada elemento debe ocupar una posición en el esquema según realice una tarea u otra. El esquema se divide en varios niveles:

5.1. Circuitos típicos 

Vamos a estudiar los esquemas y el funcionamiento de varios circuitos muy usados, donde se utilizan los elementos neumáticos vistos hasta ahora:

• Pulsador de avance y de retroceso, con cilindro de doble efecto.

En el estado de reposo, el cilindro se encuentra retraído. Cuando se activa la válvula 1.2, el aire llega hasta la entrada 14 de la válvula 1.1 y la activa. Ésta conduce el aire hasta el cilindro hace avanzar, al vástago. Si dejamos de pulsar la válvula 1.2, y el cilindro permanece en este estado.

Cuando activamos la válvula 1.3, ésta conduce el aire hasta la entrada 12 de la válvula 1.1, que la hace cambiar de estado y hace que el vástago se retraiga.

• Utilización de la válvula estranguladora de caudal.

La válvula estranguladora unidireccional de caudal se utiliza para hacer que el aire abandone al cilindro lentamente, y así hacer que el retroceso o el avance del vástago se realice lentamente.

Cuando se activa la válvula 1.2, el aire llega hasta el cilindro por la válvula estranguladora 1.01, pero esta no opone ninguna resistencia al paso del aire y el vástago sale con total normalidad.

Cuando se pulsa la válvula 1.3 para que retorne, el aire que abandona al cilindro por la válvula 1.01, sale por la estrangulación y hace que el vástago retorne lentamente.

Si colocamos otra válvula estranguladora de caudal en la otra entrada del cilindro, podremos regular la velocidad de avance y retroceso del mismo.

• Utilización de un final de carrera.

Un final de carrera es una válvula accionada por rodillo, que es pulsada por el mismo vástago, permitiendo la realización de circuitos automáticos, como prensas, guillotinas, etc.

El funcionamiento es el mismo que la aplicación 3, pero el retorno se produce cuando el vástago llega hasta el final de carrera 1.3 de la válvula 1.3, de forma automática.

Sustitución de la válvula 1.3 por un final de carrera                                       Colocación real del final de carrera

• Utilización de la puerta OR

La puerta OR se suele emplear en circuitos donde haya que pulsar dos válvulas simultáneamente.

Cuando se pulsa la válvula 1.2 o 1.4, o las dos, se hace que avance el cilindro. Si no están pulsadas ninguna de las dos, y pulsamos la válvula 1.3, el cilindro retorna.

• Utilización de la puerta AND.

Mediante la válvula AND podemos controlar un cilindro desde dos sitios distintos.

Cuando se pulsa la válvula 1.2 y la 1.4 las dos a la vez, se hace que avance el cilindro. Si sólo está pulsada una o ninguna de las dos, el cilindro no avanza. Si en esta situación pulsamos la válvula 1.3, el cilindro retorna.

6. ELEMENTOS BÁSICOS DE UN CIRCUITO HIDRÁULICO

Todo lo visto de los circuitos neumáticos es aplicable a los circuitos hidráulicos.

La diferencia más relevante viene marcada por el tipo de fluido; la Neumática utiliza aire comprimido (muy compresible) y la Hidráulica generalmente emplea aceites (prácticamente incompresibles). Por esta razón, los circuitos neumáticos son abiertos (escapes al ambiente), mientras que los hidráulicos son cerrados (escapes a un tanque). Además hay otras diferencias:

Los esquemas de los circuitos hidráulicos son idénticos, a diferencia de que han de llevar un escape a depósito y una bomba hidráulica en lugar de un compresor de aire.

En el esquema hidráulico de la derecha puede apreciarse en símbolo de la bomba hidráulica, que extrae el fluido de la cubeta a través de un filtro y el escape de la válvula 3/2 a la cubeta.

Esta instalación lleva incorporado un limitador de presión, que ha de estar presente en todos los circuitos hidráulicos para evitar roturas en los tubos.

7. SIMULACIÓN DE CIRCUITOS NEUMÁTICOS E HIDRÁULICOS

Al igual que ocurre con los circuitos eléctricos y electrónicos, existen programas de ordenador capaces de simular el funcionamiento de un circuito neumático o hidráulico dibujado previamente.

Los simuladores de neumática son muy útiles por que nos ayudan a comprender el funcionamiento de los circuitos neumáticos sin gastar dinero.

En la actualidad hay muchos en el mercado, pero su elevado coste los hace de difícil adquisición. En los siguiente enlaces encontrarás algunos:

FluidSIM®3 Neumática es una herramienta de simulación para la obtención de los conocimientos básicos de la neumática:

http://mexakin-profesionistas.blogspot.com/2007/10/festo-fluidsim-36full-espaol.html

Varios programas en versión demo de neumática y sus instrucciones:

http://olmo.cnice.mecd.es/~jmarti50/descarga/neumatica.html

Pneusim Pro Software de simulación Neumática.Versión demo en inglés:

http://www.usa.norgren.com/downloads/PneuSimPro/Pneusim.exe

Varios programas de neumática e hidráulica:

http://www.apetega.org/ligazons/lig-fluidos.php

Existen sencillo simuladores de neumática online como los siguientes:

http://www.portaleso.com/portaleso/trabajos/tecnologia/neuma.ehidra/simulador/simulador.HTML

Este es otro sencillo simulador neumático online con la posibilidad de ver los circuitos dibujados en 3D.

http://ares.cnice.mec.es/electrotecnia/a/generales/simulador_neumatica/simulador_neumatica.htm

Y por último, en este enlace encontrarás muchas prácticas de neumática en un laboratorio virtual

http://www.logiclab.hu/index.php