BLOQUE TEMÁTICO III: CIRCUITOS NEUMÁTICOS Y

OLEOHIDRÁULICOS

TEMA 15. NEUMÁTICA Y OLEOHIDRÁULICA

1. NEUMÁTICA

Es la parte de la tecnología que estudia los fenómenos y las aplicaciones del aire

comprimido y deprimido.

1.1. Presión

Es la fuerza ejercida por un fluido sobre una superficie y viceversa.

𝑃 =𝐹

𝑆

Siendo la superficie: 𝑆 =𝜋

4𝐷2

Y midiéndose en Pa = N/m2, bar, atm

• Presión atmosférica (Patm): fuerza ejercida por la columna de aire existente

sobre una determinada superficie.

• Presión absoluta (Pa): fuerza ejercida por un fluido sobre una determinada

superficie.

• Presión relativa (Pr): 𝑷𝒓 = 𝑷𝒂 − 𝑷𝒂𝒕𝒎

1.2. Caudal (Q)

Se define como el volumen de fluido que atraviesa una determinada sección por

unidad de tiempo.

𝑄 =𝑉

𝑡=

𝑆 · 𝑙

𝑡= 𝑆 · 𝑣

Se mide en l/s o m3/s.

V=volumen; v=velocidad; t=tiempo

1.2.1. Ley de continuidad.

La ley de continuidad dice que en una tubería que se estrecha o ensancha, el caudal

que atraviesa dos secciones cualesquiera de dicha tubería será siempre el mismo.

Q1 = S1·v1

Q2 = S2·v2

Q1 = Q2

S1·v1 = S2·v2

La conclusión que obtenemos de esta ley es que, según disminuye la sección en una

tubería, aumenta la velocidad del fluido y viceversa.

1.3. Humedad

Es la cantidad variable de vapor de agua que tiene el aire.

1.3.1. Humedad absoluta (ha)

Es la masa de vapor de agua que realmente contiene cada unidad de volumen de

aire seco.

ℎ𝑎 =𝑔 𝑑𝑒 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎

𝑚3𝑑𝑒 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑠𝑒𝑐𝑜

1.3.2. Humedad específica de saturación (hs)

Es la masa de vapor de agua que, como máximo, puede tener cada unidad de

volumen de aire seco. También se denomina punto de condensación y cantidad de

saturación.

La cantidad de vapor de agua que puede contener un volumen determinado de aire

atmosférico depende únicamente de la temperatura; sin embargo, si lo comprimimos,

depende de la temperatura y de la presión, ya que la misma cantidad de aire y vapor

ocupan un espacio menor cuando se han comprimido.

1.3.3. Humedad relativa (hr)

Es la relación entre el contenido real de vapor de agua en el aire y el punto de

saturación. Se expresa en tanto por ciento.

ℎ𝑟 =ℎ𝑎

ℎ𝑠· 100 =

𝑐𝑎𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑟𝑒𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎

𝑐𝑎𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑠𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛· 100

1.4. Leyes de los gases perfectos

El comportamiento de muchos gases, tales como el aire, oxígeno o helio, se

aproximan en determinadas condiciones a un gas perfecto. Por tanto, pueden ser

estudiados por las leyes de ecuaciones que rigen a los gases perfectos.

P·V=n·R·T

1.5. Ley de Boyle-Mariotte

Cuando se comprime un gas a temperatura constante, el producto de la presión y

volumen inicial es igual al producto de la presión y volumen final y, por tanto, igual a una

constante.

P1·V1=P2·V2=n·R·T

1.6. Ventajas e inconvenientes de los sistemas neumáticos

Ventajas

- El aire es abundante y gratuito

- Es fácilmente transportable en conductos muy baratos.

- Permite su almacenamiento en depósitos mediante compresores que reducen

considerablemente su volumen.

- Su función es independiente de la temperatura.

- Es muy limpio y no contamina.

- Es antideflagrante.

- Es desechable

- Admite sobrecargas, sin que los elementos del circuito revienten.

- Fácil obtención de movimientos lineales.

- Componentes baratos, debido a que la presión utilizada en los circuitos neumáticos

es baja.

Desventajas

- La energía utilizada en su funcionamiento es más cara.

- -el aire contiene suciedad que hay que eliminar para que no se deterioren los

componentes de la instalación.

- Están limitados sus desplazamientos.

- Es compresible. Esto significa que no podemos detener un actuador neumático en

un punto intermedio de su recorrido fijo puesto que una variación de carga hará

variar dicha posición al comprimir el aire que se encuentra dentro del actuador.

- Permite poca regulación

- No responden bien ante pequeños esfuerzos.

- Es muy ruidoso.

2. HIDRÁULICA Y OLEOHIDRÁULICA

Los sistemas hidráulicos están basados en la utilización de fluidos no compresibles,

como el agua o el aceite, para transmitir energía de un punto a otro y producir un trabajo.

No siguen las leyes de los gases.

2.1. Viscosidad

La viscosidad es una propiedad de los fluidos que define la resistencia que ofrecen

las moléculas al deslizarse unas sobre otras.

2.1.1. Viscosidad dinámica (µ)

Se trata de la definida anteriormente y disminuye con la temperatura.

- Sistema técnico: 𝑘𝑔·𝑠

𝑚2

- Sistema c.g.s: 𝒑𝒐𝒊𝒔𝒆 =𝒅𝒊𝒏𝒂·𝒔

𝒄𝒎𝟐

2.1.2. Viscosidad cinemática (ν)

Se define como el cociente entre la viscosidad dinámica y la densidad:

𝜈 =µ

𝜌

Su unidad es el Stokes (St): 𝑆𝑡 =𝑚2

𝑠

2.1.3. Número Reynolds (Re)

Se distinguen dos tipos de flujos:

- Flujo laminar: Se dice que un fluido fluye laminarmente, cuando cada capa

del fluido se desliza con independencia de las demás, pasando cada partícula

de dicha capa por el sitio exacto por donde pasó la anterior, siguiendo

idénticas trayectorias que se denominan líneas de flujo.

- Flujo turbulento: es el que se produce cuando se interponen obstáculos que

varían las líneas de flujo o trayectoria del fluido. Si el fluido fluye a través de

una tubería con cambios de sección, también se pueden producir

turbulencias por los cambios de presión que se suceden en esos puntos. En

general, las turbulencias están producidas por las fuerzas de inercia que

acompañan a las moléculas del fluido.

Los líquidos poco viscosos como el agua, son más susceptibles de producir

turbulencias que uno más viscoso. Esto es así porque las fuerzas de rozamiento producidas

por la viscosidad dinámica (Fµ) del líquido contrarrestan a las fuerzas de inercia Fi de las

moléculas del fluido. A la relación entre ambas fuerzas se la denomina número de Reynolds

(Re) que es adimensional:

𝑅𝑒 =𝐹𝑖

𝐹µ

𝑅𝑒 =𝑑 · 𝑣 · 𝐷

µ

d: densidad del fluido

v: velocidad del fluido

D: diámetro de la tubería

µ: viscosidad dinámica del fluido

- Re < 2000 : el fluido fluye en régimen laminar

- Re > 2000: el fluido fluye en régimen turbulento

2.2. Compresibilidad

Todo fluido sometido a una presión se comprime. Sin embargo, esta

compresibilidad, que es muy acusada en los gases, apenas si es apreciable en los líquidos,

por lo que supondremos que son incompresibles.

2.3. Principio de Pascal

El principio de Pascal dice que la presión ejercida sobre un fluido, confinado en un

recipiente, se transmite de forma instantánea y con igual intensidad en todos los sentidos.

Según este principio, las presiones ejercidas sobre un fluido se transmiten en el seno de

éste de igual forma en todas direcciones y actúan de manera perpendicular sobre las

paredes del recipiente que lo contiene

Consecuencia de este principio es que, si tenemos dos cilindros comunicados, el

primero de un diámetro D1 y el segundo de un diámetro D2 (D2>D1), al aplicar una fuerza F1

en el primer cilindro, la fuerza F2 recogida en el segundo será:

𝑃1 = 𝑃2

𝐹1

𝑆1=

𝐹2

𝑆2

𝐹2 = (𝐷2

𝐷1)

2

· 𝐹1

Sobre este principio se fundamenta la prensa hidráulica en la cual la aplicación

de una presión en el cilindro de control permite elevar cargas pesadas.

En general, este principio demuestra que con circuitos hidráulicos podremos

obtener grandes esfuerzos en los actuadores de salida, realizando pequeños esfuerzos en

los elementos de mando de la entrada del sistema.

2.4. Teorema de Bernouilli

Si un líquido fluye de forma constante y en régimen laminar, a través de una tubería

de diámetro variable sin pérdidas por rozamiento o viscosidad y, por tanto, sin pérdidas de

energía, podemos asegurar que:

La energía total en cualquier punto de la tubería es la misma.

Por tanto, cuando se produce un estrechamiento en una tubería, la presión

disminuye, pero la velocidad aumenta.

Al aplicar un flujo permanente de fluido por la tubería, se observa cómo en

la parte más ancha de la tubería la columna de agua sube a una altura superior que en la

parte más estrecha de la tubería. Esto es así porque la presión existente en la zona más

ancha es mayor que la existente en la zona estrecha. De modo contrario, la velocidad del

fluido aumenta al estrecharse la tubería. Todo esto queda reflejado en la ecuación de

Bernouilli.

𝛥𝑃 = 𝑃1 − 𝑃2 =1

2· 𝜌 · (𝑣2

2 − 𝑣12)

2.4.1. Efecto Venturi

Consiste en que un fluido en movimiento dentro de un conducto cerrado disminuye

su presión al aumentar la velocidad después de pasar por una zona de sección menor. Si

en este punto del conducto se introduce el extremo de otro conducto, se produce una

aspiración del fluido que va a pasar al segundo conducto. Este efecto, demostrado en 1797,

recibe su nombre del físico italiano Giovanni Battista Venturi.

2.5. Cavitación

Es un efecto que ocurre cuando en una determinada sección de una tubería

desciende por debajo de la presión de vapor del aceite o el agua, produciendo unas

burbujas de vapor denominadas cavidades. Estas burbujas producen choques del fluido con

las paredes de las tuberías, de las bombas y de las válvulas del circuito oleohidráulico. Estos

choques, que producen un ruido característico, son muy perjudiciales para los elementos

del circuito, ya que producen la erosión de las partes metálicas de los elementos del

circuito.

2.6. Otros aspectos a tener en cuenta en los aceites hidráulicos

• Presión de vapor: presión a la cual un fluido se evapora.

• Punto de fluidez: es la temperatura más baja a la que puede fluir un líquido.

• Poder antiespumante: Capacidad del aceite para no mezclarse con el aire.

• Poder antiemulsivo: Propiedad que posee el aceite para no mezclarse con el

agua.

• Punto de congelación: temperatura a la cual el líquido se solidifica.

2.7. Ventajas e inconvenientes de los circuitos oleohidráulicos.

Ventajas

➢ Es incompresible, por lo que permiten una buena regulación y responden bien ante

pequeños esfuerzos.

➢ Permite realizar esfuerzos muy superiores a los realizados por actuadores

neumáticos.

➢ No son tan ruidosos.

➢ El fluido se utiliza por un periodo largo de tiempo.

➢ Es fácilmente transportable mediante tuberías

➢ Fácil obtención de movimientos lineales.

➢ Fácil instalación.

Desventajas

➢ El aceite no es muy abundante y su precio es alto.

➢ Es muy sucio y contamina

➢ Es inflamable

➢ No es desechable.

➢ No admite sobrecargas.

➢ Componentes más caros que en los neumáticos, debido a que suelen trabajar con

presiones superiores.

➢ Su uso y mantenimiento es muy peligroso.

3. PREPARACIÓN Y DEPURACIÓN DEL AIRE COMPRIMIDO.

El aire, al recogerlo de la atmósfera viene unido a otros elementos indeseados

como: polvo, humedad y aceites. Estos elementos indeseados pueden ser la causa del mal

funcionamiento de los circuitos neumáticos o, lo que es peor, de su deterioro. Por este

motivo, antes de utilizar el aire atmosférico en los circuitos neumáticos, es necesario

prepararlo convenientemente y esto implica filtrarlo, secarlo, desolearlo y enfriarlo o

calentarlo si fuera necesario.

3.1. Filtrado.

El filtrado del aire consiste en la eliminación del mayor número de partículas de

polvo o impurezas a las que está unido en la atmósfera. Durante el filtrado también se

elimina gran cantidad de la humedad que conlleva el agua y también puede ser eliminado

el aceite que porta el aire.

El elemento que realiza esta función se denomina filtro y, en su forma más básica,

consiste en un vaso en cuyo interior se dispone un elemento flitrante estándar, a través del

cual se hace pasar todo el fluido que se desea flitrar.

El elemento filtrante consiste en un tejido con orificios de tamaño inferior a las

partículas que debe retener o filtrar.

Para mejorar la eliminación del agua y favorecer el secado del aire, se recurre a crear

corrientes circulares en el interior del filtro, de forma que el aire dé varias vueltas en el

filtro antes de penetrar en el elemento filtrante, favoreciendo la condensación del agua

que se depositará en la parte inferior del vaso.

3.2. Secado.

El método de secado más utilizado es la extracción de agua por enfriamiento o

refrigeración. El secador va a consistir en un intercambiador de calor que enfría el aire,

condensando el vapor de agua y los aceites ligeros que se encuentran en suspensión.

3.3. Lubricador.

El más utilizado es el lubricador proporcional que crea una depresión entre la

entrada y salida del aire del lubricador, que hace subir aceite del depósito mezclándolo con

el aire del circuito (efecto Venturi).

3.4. Regulador de presión.

Se utiliza para asegurar la regularidad de la presión de trabajo y el caudal de fluido

necesario para que los elementos del sistema estén bien alimentados en todo momento.

Se busca también que originen una pérdida mínima de carga y deberán cerrar

perfectamente la línea de alimentación cuando sea preciso.

Consiste en una válvula accionada por medio tornillo y un muelle. Para mantener

independencia entre la presión del circuito y la atmosférica, se sitúa una membrana de

cierre hermético entre el muelle y la válvula.

Cuando se aprieta el tornillo que empuja el muelle, la válvula se abre dejando pasar

más cantidad de fluido y viceversa.

Cuando la presión en la salida del regulador aumenta, la membrana comprime el

muelle y la válvula se cierra, de forma que la presión de salida del regulador disminuye.

3.5. Unidad de mantenimiento.

Constituye un equipo completo de preparación del aire. Suelen incorporar un

manómetro para medir la presión del aire en el interior del circuito.

4. OBTENCIÓN DEL AIRE COMPRIMIDO

Para un mejor aprovechamiento del aire atmosférico, se procede a su

almacenamiento después de comprimirlo.

4.1. Compresor

Máquina que toma el aire en unas determinadas condiciones y lo impulsa a una

presión superior a la de entrada.

4.1.1. Compresores alternativos

Son los más utilizados debido a su precio y a su flexibilidad de funcionamiento, ya

que permiten trabajar con diferentes caudales y relaciones de compresión. Pueden

alcanzar de 6 a 10 bares.

Funcionamiento: un eje en el que va soldada una excéntrica, acciona la biela que

produce un movimiento alternativo del pistón. Al bajar el pistón, entra aire por la válvula

de aspiración. En ese momento la válvula de cierre está cerrada. Cuando el pistón ha

descendido hasta el máximo posible, entonces las dos válvulas se cierran. En este momento

comienza la compresión del aire que entra en la cámara de compresión. Cuando este aire

se ha comprimido al máximo, entonces la válvula de cierre se abre y el aire ya comprimido

comienza a viajar hacia el circuito a través de los conductos.

Para realizar la compresión del aire, los compresores de émbolo suelen utilizar más

de una etapa, y en cada una de ellas se produce un aumento de la presión del aire (hasta

15 bares). Estos compresores suelen refrigerarse con agua o aceite o con aletas.

4.1.2. Compresores rotativos

Consiguen aumentar la presión del aire mediante el giro de un rotor.

• Compresor rotativo de paletas: poseen una serie de paletas radiales sobre el rotor

que presionan las paredes de la cámara de compresión cuando giran (por acción de

la fuerza centrífuga). Entre cada dos paletas se crea una especie de cámara de

compresión que va comprimiendo el aire. Son muy silenciosos y proporcionen un

nivel de caudal constante.

• Compresor rotativo de tornillo: son relativamente nuevos y, además, caros, debido

a su bajo desgaste y a ser silenciosos. Su funcionamiento se basa en el giro de dos

tornillos helicoidales que comprimen el aire que ha entrado por el orificio de

aspiración, y lo expulsan hacia el orificio de salida.

4.2. Depósitos

Acumulan aire a presión en su interior. Su principal misión es mantener un nivel de

presión adecuado en el circuito neumático.

5. DISTRIBUCIÓN DEL AIRE

La red de distribución de aire constituye un entramado de tuberías que parten del

depósito y distribuyen el aire hacia los puntos de conexión y hacia los actuadores del

sistema neumático.

Existen dos configuraciones básicas de trazado de las tuberías de conducción: final

de carrera muerta y conducto principal en anillo.

5.1. Dimensionado de las tuberías.

El diámetro de la tubería debe ser función de:

- La velocidad del aire

- La pérdida de presión

- La presión de trabajo

- La longitud de la conducción

6. PREPARACIÓN DEL FLUIDO HIDRÁULICO

Para que el fluido oleohidráulico funcione óptimamente, es conveniente que el

fluido se encuentre en unas condiciones determinadas de limpieza, presión y temperatura.

Para ello, los sistemas oleohidráulicos deben disponer de una unidad hidráulica con:

- Filtros

- Intercambiador de calor

- Depósito

- Bomba

- Elementos de control: manómetros, termómetros, indicadores de nivel,

presostatos y termostatos.

6.1. Filtros

Su función consiste en retirar o retener las impurezas que transporta el fluido

principal. Las fuentes de contaminación del fluido suelen ser por la exposición de los

vástagos de los cilindros hidráulicos a la contaminación atmosférica, puesto que los

contaminantes se pegan a las paredes de los vástagos y, al retraerse éstos, la suciedad

se introduce en el cilindro y de ahí al circuito de aceite.

6.2. Intercambiador de calor

Elimina el exceso de calor del aceite. Su temperatura es muy importante para el

buen funcionamiento del sistema ya que:

- Una temperatura baja aumenta la viscosidad del fluido, produciendo un

aumento en la pérdida de carga que hace que la bomba cavite.

- Una temperatura demasiado elevada disminuye la viscosidad del fluido,

favoreciendo el desgaste prematuro.

6.3. Bombas

El aceite no es compresible, pero sí es necesario introducir el fluido en las tuberías

a una cierta presión para que las máquinas hidráulicas funcionen correctamente. Esta

presión suele ser muy superior a la utilizada en los circuitos neumáticos y se consigue por

medio de bombas hidráulicas.

6.3.1. Bombas de paletas

Constan de un cárter en cuyo interior se sitúa el estator cilíndrico. Este estator,

mediante tornillos de ajuste adquiere un cierto grado de excentricidad respecto al rotor

cilíndrico que gira en su interior y cuya posición es fija.

El rotor está compuesto por unas paletas, de forma que al girar se crea un vacío en

la bomba que aspira al aceite hacia las cámaras formadas por las paletas. El volumen

contenido por las paletas inicialmente se expande y posteriormente disminuye para

empujar con fuerza el fluido hacia la salida, por lo que adquiere presión.

6.3.2. Bombas de pistones

El movimiento alternativo de los pistones lo realiza una excéntrica que mueve los

tres pistones, manteniendo entre cada uno de ellos un desfase de 120º. Por tanto cada vez

es uno de los pistones el que expulsa el aceite de su cámara de compresión.

6.3.3. Bombas de engranajes

Consta de una carcasa en cuyo interior se alojan dos rotores con forma de piñón

que engranan entre sí.

Al girar los engranajes en direcciones opuestas, crean un vacío parcial en la entrada

de aspiración de la bomba que hace que el aceite se introduzca en la cámara de aspiración.

El fluido llena el espacio entre la carcasa y los dientes de los rotores y es arrastrado

por estos hacia la cámara de presión.

6.3.4. Bombas de tornillo

Están constituidas por dos o tres tornillos helicoidales que engranan y ajustan

perfectamente entre sí.

El tornillo motor transmite el movimiento a los otros y el aceite sufre una traslación

axial. El caudal se conduce de manera uniforme y sin vibraciones. Por ello, son muy

silenciosas.

6.3.5. Cálculo de bombas

Potencia hidráulica: 𝑃 =𝑝·𝑄

ŋ

P: Potencia hidráulica (W)

p: Presión (N/m2)

Q: caudal (m3/s)

ŋ: rendimiento