Fundamentos de la Tecnología Hidráulica y Neumática: Principios y Componentes

Fundamentos de la Tecnología Hidráulica y Neumática

1. Definiciones Clave

La hidráulica y la neumática son ciencias y técnicas que estudian las leyes que rigen el comportamiento y movimiento de líquidos y gases. Son pilares fundamentales en la automatización y transmisión de energía en la industria.

2. Magnitudes Fundamentales

2.1 Presión

La presión se define como la fuerza perpendicular ejercida por un fluido sobre la superficie de un recipiente que lo contiene. Su unidad en el Sistema Internacional es el Pascal (Pa), equivalente a un Newton por metro cuadrado (N/m²).

• 1 Pa = 10⁵ Ba
• Presión Absoluta (P_abs) = Presión Atmosférica (P_atm) + Presión Relativa (P_relat.)
• Fórmula general: P = F_aplicada / Superficie de trabajo

2.2 Caudal

El caudal es una magnitud esencial en neumática, representando la cantidad de aire comprimido que atraviesa una sección de tubería de una determinada superficie y longitud en un intervalo de tiempo específico.

• Fórmula: Q = Volumen / Tiempo = Superficie × Longitud / Tiempo = Superficie × Velocidad
• Unidades: m³/s

5. Principios de Funcionamiento

5.1 Principio de Pascal

Establece que la presión ejercida por un fluido incompresible y en reposo dentro de un recipiente se transmite con la misma intensidad y en todas las direcciones a cada punto del fluido y a las paredes del recipiente.

Matemáticamente: P₁ = P₂ ⇒ F₁/S₁ = F₂/S₂

5.2 Ecuación de Continuidad

Para fluidos incompresibles en flujo estacionario, la velocidad de cualquier punto de la tubería es inversamente proporcional al área de su sección transversal. Esto se basa en el principio de conservación de la masa.

• Conservación de masa: Q₁ = Q₂
• Fórmula: S₁ × v₁ = S₂ × v₂

8. Componentes de los Circuitos Hidráulicos y Neumáticos

Los circuitos hidráulicos y neumáticos se componen de varios elementos esenciales para su funcionamiento:

1. Grupos Generadores de Presión:

• Hidráulica: Bombas.
• Neumática: Compresores. Destinados a aumentar la presión del aire atmosférico. Existen dos tipos principales:
  • Volumétricos: Alternativos (pistón, diafragma) y Rotativos (paletas, tornillos, roots).
  • Dinámicos o Turbocompresores: Radiales, axiales.

Estos elementos son cruciales para impulsar los fluidos, aumentando su presión desde la entrada.

Elementos de Tratamiento de Fluido: Red de Distribución: Tuberías y conductos. Elementos de Control y Mando: Principalmente válvulas. Actuadores: Cilindros y motores.

8.2.4 Unidad de Mantenimiento

Generalmente montada en bloque, consta de:

• Filtro: Retiene impurezas presentes en el aire comprimido.
• Regulador de Presión con Manómetro: Mantiene la presión del aire de salida constante.
• Lubricador: Mezcla aceite con el aire para aumentar la vida útil y el rendimiento de los componentes neumáticos, reduciendo el rozamiento y la oxidación.

10. Elementos de Control y Mando

En los circuitos hidráulicos y neumáticos, las válvulas son los elementos encargados de regular y controlar la presión (P) y el caudal (Q) del aire comprimido en las tuberías y redes de distribución.

10.1 Válvulas Distribuidoras

Controlan la entrada y salida del aire comprimido, gestionando la presión y el caudal. Se caracterizan por el número de vías (orificios) y posiciones (estados de reposo o trabajo).

10.2 Tipos de Válvulas Reguladoras

• 10.2.2 Válvula Reguladora Unidireccional: Regula el caudal en una sola dirección.
• 10.2.3 Válvula Reguladora Bidireccional: Regula el caudal tanto en avance como en retroceso.
• 10.2.4 Válvula de Simultaneidad o "Y" (AND): Permite el paso de aire a la salida solo cuando ambas entradas están presurizadas.
• 10.2.5 Válvula Selectora de Circuito (OR): Permite el paso de aire a la salida cuando al menos una de las entradas está presurizada.

11. Actuadores: Cilindros y Motores

Los actuadores son los elementos que transforman la energía contenida en el aire comprimido en energía de trabajo o movimiento. Se dividen principalmente en cilindros (movimiento lineal) y motores (movimiento rotativo).

11.1 Cilindro de Simple Efecto

Realiza trabajo en un solo sentido. La presión del aire desplaza el émbolo; el retorno a la posición de origen se produce por la acción de un muelle interno. La distancia total de desplazamiento del pistón se denomina carrera.

11.2 Cilindro de Doble Efecto

Permite realizar trabajo en ambos sentidos. Posee cámaras independientes para la entrada de aire a presión. Para su funcionamiento, el aire debe entrar en una cámara y salir de la opuesta. Incluyen elementos como muelle, vástago y escape a la atmósfera.

Cálculos de Potencia y Fuerza en Actuadores Neumáticos

2. Actuación de Cilindros Neumáticos de Doble Efecto

• Avance: La fuerza (F) se calcula como Presión (P) multiplicada por el área del émbolo (S).
  F = P × S = P × π × R² (área del émbolo)
• Retroceso: La fuerza (F) se calcula como Presión (P) multiplicada por el área del émbolo menos el área del vástago.
  F = P × S = P × π × (R² - r²) (área del vástago)

3. Potencia Hidráulica

La potencia (W) en sistemas hidráulicos se calcula como el producto de la presión (P) y el caudal (Q).

• Potencia (W) = P × Q
• Donde el caudal (Q) también puede expresarse como Q = P / Resistencia (si se considera un modelo simplificado).