Capítulo 5: Sistemas neumáticos e hidráulicos

Dos circuitos de potencia de fluido

La mayoría de los circuitos de potencia de fluidos utilizan aire comprimido o Aceite hidráulico como su medio operativo. Si bien estos sistemas son idénticos en muchos aspectos, pueden tener características muy diferentes en algunos aspectos.

Por ejemplo: Las aplicaciones remotas al aire libre pueden usar nitrógeno seco en lugar de aire comprimido para eliminar los problemas de congelamiento. El nitrógeno fácilmente disponible no es dañino para la atmósfera ni para los humanos. Dado que el nitrógeno generalmente se suministra en cilindros de alta presión, su punto de rocío es muy bajo a presiones normales del sistema. Los gases pueden ser diferentes, pero las características operativas del sistema son las mismas.

Los sistemas hidráulicos pueden usar una variedad de líquido – que van desde agua (con o sin aditivos) resistencia a altas temperaturas Refractario . Nuevamente, los fluidos son diferentes, pero las características operativas no cambian mucho.

Sistema neumático

La mayoría de los circuitos neumáticos funcionan a baja potencia, generalmente alrededor de 2 a 3 caballos de fuerza. Las dos ventajas principales de los circuitos neumáticos son el bajo costo inicial y la simplicidad del diseño. Debido a que los sistemas de aire funcionan a presiones relativamente bajas, los componentes se pueden fabricar con materiales relativamente económicos, a menudo a través de procesos de producción en masa como moldeo por inyección , o fundición a presión de zinc o aluminio. Cualquiera de los dos procesos puede reducir las operaciones y los costos de mecanizado secundario.

El coste inicial de un circuito de aire puede ser inferior al de un circuito hidráulico, pero el coste de funcionamiento puede ser de cinco a diez veces superior. Se necesitan muchos caballos de fuerza para comprimir la atmósfera a la presión nominal de trabajo. El motor neumático es uno de los componentes más caros de operar. Se necesita aproximadamente 1 caballo de fuerza para comprimir 4 cfm de atmósfera a 100 psi. Un motor neumático de 1 hp puede funcionar hasta 60 cfm, por lo que un motor neumático de 1 hp requiere (60/4) o 15 caballos de fuerza del compresor cuando está funcionando. Afortunadamente, los motores neumáticos no tienen que funcionar continuamente, sino que pueden funcionar con la frecuencia necesaria.

Las máquinas neumáticas son generalmente más silenciosas que las hidráulicas. Esto se debe principalmente a que la fuente de alimentación (compresor de aire) está alojada en un recinto alejado de la máquina, lo que ayuda a controlar el ruido.

Debido a que el aire es comprimible, los actuadores neumáticos no pueden sostener la carga en su lugar con tanta seguridad como los actuadores hidráulicos. La neumática puede superar este problema usando una combinación de aire como potencia y aceite como medio impulsor, pero esta combinación aumenta el costo del circuito.( capitulo 17 Hay información sobre el circuito aire-aceite. )

Los sistemas neumáticos son siempre más limpios que los sistemas hidráulicos porque la atmósfera es el transmisor de fuerza. Las fugas en el circuito de aire no causan problemas de limpieza, pero son muy costosas. Se necesitan alrededor de 5 caballos de fuerza para suministrar aire a una boquilla de purga manual estándar y mantener una presión de 100 psi. Varias hojas de datos tienen gráficos que muestran pérdidas de cfm a través de orificios de diferentes tamaños a diferentes presiones. Tal diagrama da una idea de la pérdida de energía debido a fugas o desvíos.

Sistema hidráulico

El sistema hidráulico hace circular repetidamente el mismo fluido desde un tanque fijo que forma parte del motor primario. El fluido es un líquido casi incompresible, por lo que los actuadores que impulsa pueden controlarse con una posición, velocidad o fuerza muy precisas. La mayoría de los sistemas hidráulicos utilizan aceite mineral como medio de trabajo, pero no son infrecuentes otros fluidos como el agua, el glicol o los tipos sintéticos. Los sistemas hidráulicos suelen tener una unidad de potencia dedicada para cada máquina. Las plantas de moldeado de caucho se desviaron de ese plan. Por lo general, tienen una unidad de energía central con tuberías que se extienden entre las prensas de la planta. Dado que estas prensas no requieren flujo durante tiempos prolongados de parada, una sola bomba grande puede operar varias de ellas. Estos sistemas hidráulicos funcionan más como una unidad de aire comprimido porque la fuente de energía está en un solo lugar.

Si bien la fábrica tiene muchas máquinas que utilizan sistemas hidráulicos, algunos otros fabricantes están instalando unidades de energía central. Algunas de las ventajas de este arreglo son: niveles de ruido de la máquina muy reducidos, disponibilidad de bombas de respaldo si la bomba en funcionamiento falla, menos potencia y flujo en general, y mayor tiempo de actividad para todas las máquinas.

Otra ventaja de las máquinas accionadas hidráulicamente sobre las neumáticas es que funcionan a presiones más altas, típicamente de 1500 a 2500 psi. Una presión más alta produce más fuerza de un actuador más pequeño, lo que significa menos desorden en el área de trabajo.

La principal desventaja de los sistemas hidráulicos es el mayor costo inicial, ya que la unidad de potencia es parte de la máquina. Si la máquina tiene una vida útil de más de dos años, el mayor costo inicial a menudo se compensa con menores costos de operación debido a que el sistema hidráulico es mucho más eficiente. Otra área problemática que se menciona a menudo con los sistemas hidráulicos es la limpieza. Las fugas causadas por malas prácticas de plomería y la falta de soporte de plomería pueden ser numerosas. Los fluidos de baja viscosidad que se sobrecalientan debido a un mal diseño del circuito pueden exagerar esta situación. Con los procedimientos de plomería correctos, los materiales correctos y el mantenimiento preventivo, las fugas hidráulicas pueden eliminarse virtualmente.

Otra desventaja puede ser que los sistemas hidráulicos son generalmente más complejos y requieren personal de mantenimiento más capacitado. Muchas empresas no cuentan con ingenieros de potencia de fluidos o personal de mantenimiento para hacer frente a los problemas hidráulicos.

Circuito neumático típico

Figura 5-1 Incluye diagramas y esquemas de circuitos neumáticos típicos. También tiene diagramas y esquemas de instalaciones típicas de compresores para circuitos de accionamiento (y otras máquinas neumáticas). Rara vez, si alguna vez, es el compresor parte del esquema neumático. Un circuito neumático típico se alimenta desde una instalación de compresor central con tuberías para suministrar aire presurizado a la planta. Una caída neumática es similar a una toma de corriente y se puede utilizar en muchos lugares.

¿Por qué un esquema?

Los esquemas pueden mostrar la funcionalidad del circuito cuando se usan componentes de diferentes fabricantes. Una válvula de cuatro vías u otro componente de un proveedor puede tener poca semejanza física con uno de otro proveedor. El uso de una vista en corte real de la válvula para mostrar cómo funciona la máquina está bien para los circuitos que usan una sola válvula de proveedor. Sin embargo, otra máquina con diferentes partes tendrá un dibujo completamente diferente. Cualquiera que intente trabajar en estas diferentes máquinas debe comprender los entresijos de cada marca…y cómo afectan las operaciones. Esto significa que diseñar y solucionar cada circuito requiere conocimientos especiales y diferentes. El uso de símbolos esquemáticos solo requiere aprender un conjunto de información para cualquier componente.

Los símbolos esquemáticos también brindan más información que las imágenes parciales. Es casi imposible saber si una válvula de 4 vías es de 3 posiciones mirando la representación gráfica. Por otro lado, su notación aclara inmediatamente todas las características. Otra ventaja es que personas de diferentes países pueden leer el dibujo utilizando la notación ISO. Las notas o listas de materiales pueden ser ilegibles debido a las diferencias de idioma, pero cualquier persona con capacitación en semiótica puede seguir y comprender la función del circuito.

Componentes de un sistema neumático típico

el esquema esta en Figura 5-1 Comience con una combinación de filtro, regulador y lubricador (FRL) conectada al suministro de aire de la planta. Las unidades FRL son importantes porque aseguran aire limpio y lubricado a presión constante. Es importante mantener estas unidades correctamente abastecidas, drenadas y configuradas para que el circuito funcione sin problemas y de manera eficiente.

El filtro primero elimina los contaminantes y el condensado en línea. Debe drenarse regularmente o equiparse con un drenaje automático. El regulador debe ajustarse a la presión más baja para producir piezas de calidad a la velocidad de ciclo especificada. El lubricador debe ajustarse de modo que el aceite entre en el flujo de aire a un ritmo razonable. En una planta con mantenimiento deficiente, el filtro puede estar completamente lleno de contaminación, el regulador está completamente atornillado y el lubricador está completamente drenado.

Control lógico de aire

La microválvula neumática se llama Control lógico de aire circuito de control en Figura 5-1 . El control lógico de aire funciona con el aire del taller y se acciona mediante un botón de palma de aire y una válvula de límite para iniciar y continuar un ciclo.

El circuito cuenta con un control de activación de botón pulsador de palma dual anti-restricción de seguridad OSHA. Ambos botones de palma deben operarse casi simultáneamente, de lo contrario, el cilindro no se extenderá. Atar un botón de la palma de la mano desactiva el circuito hasta que se suelta. El resto del circuito lógico extiende la broca y mantiene los cilindros de sujeción hacia abajo hasta que todos se retraen y se detienen. El circuito también es antirrepetición, lo que significa que el ciclo solo se ejecuta una vez, incluso si el operador continúa presionando el botón de la palma. Las características de seguridad como esta son fáciles de implementar.

Válvula de control direccional

Una válvula de control direccional operada por piloto dual de 5 vías opera el cilindro. La válvula expande y contrae el cilindro según la señal del controlador lógico de aire en el gabinete. El movimiento también requiere la entrada de los botones de la palma para garantizar que el operador esté a salvo del cilindro antes de la operación. Esta válvula de control direccional tiene un silenciador de control de velocidad en su puerto de escape para controlar la velocidad del cilindro en ambas direcciones. Estos dispositivos también reducen el ruido producido por el escape.

Una válvula de límite en la carrera extendida del cilindro asegura que llegue a la pieza antes de que comience la perforación. La válvula de límite controla la posición, pero no puede determinar si el cilindro ha alcanzado la fuerza de sujeción total. En la mayoría de las aplicaciones, cuando el cilindro está lo suficientemente cerca para formar una válvula de límite, estará en o cerca de la fuerza de sujeción antes de que la siguiente operación comience a funcionar. En algunas aplicaciones, puede ser necesario agregar una válvula de secuencia de presión para garantizar que el cilindro alcance cierta presión antes de que continúe el ciclo.

taladro de aire

Los dispositivos de salida giratorios, como los motores neumáticos con válvulas de circulación integradas y los actuadores giratorios que giran solo una fracción de vuelta, se pueden utilizar para realizar muchas funciones. Dado que el aire comprimido es la fuerza motriz, estos dispositivos son a prueba de explosiones y pueden operar en ambientes sucios o húmedos sin los problemas que presentan los equipos eléctricos. En muchos casos, la aplicación cuidadosa de equipos neumáticos puede brindar mejoras.

Estos y otros componentes neumáticos se explican y aplican en las siguientes secciones.

Circuito Hidráulico Típico

Figura 5-2 Se proporcionan ilustraciones y esquemas de circuitos hidráulicos típicos. Tenga en cuenta que la unidad de potencia hidráulica está dedicada a esta máquina. A diferencia de los circuitos neumáticos, la mayoría de los sistemas hidráulicos tienen una unidad de potencia que solo opera una máquina.(Como se mencionó, algunas unidades más nuevas utilizan una fuente de energía hidráulica central, con tuberías en toda la planta para transportar fluidos presurizados y de retorno).

5-2. Un diagrama esquemático de un circuito de aire con controles lógicos de aire y un diagrama físico de los componentes del circuito.

¿Por qué un esquema?

Los esquemas pueden mostrar la funcionalidad del circuito cuando se usan componentes de diferentes fabricantes. Las válvulas de cuatro vías u otros componentes de diferentes proveedores pueden tener poca semejanza con los componentes de otros proveedores. El uso de una vista en corte real de la válvula para mostrar cómo funciona la máquina está bien para los circuitos que usan la válvula de un proveedor. Sin embargo, otra máquina con diferentes partes tendrá un aspecto completamente diferente. Las personas que intentan trabajar en estas diferentes máquinas deben comprender cada marca y cómo afectan las operaciones. Esto significa que cada circuito requiere conocimientos especiales y diferentes para diseñar y solucionar problemas. El uso de símbolos esquemáticos solo requiere aprender un conjunto de información para cualquier componente.

Los símbolos esquemáticos también brindan más información que las imágenes parciales. Puede ser difícil o incluso imposible saber si una válvula de 4 vías es de 3 posiciones mirando la representación gráfica, y su notación aclara todas las características inmediatamente. Otra característica es que al usar símbolos ISO, los dibujos pueden ser leídos por personas de diferentes idiomas. Cualquier nota o lista de materiales puede estar en un idioma con el que no está familiarizado, pero seguir y comprender la función del circuito no debería ser un problema.

Parte de un esquema hidráulico típico

Un buen punto de partida para cualquier esquema hidráulico es unidad de poder . Este unidad de poder Consta de depósito, bomba o bomba, motor eléctrico, acoplamiento y protección del acoplamiento, tubería de entrada y salida, caudalímetro y filtro de retorno. También puede incluir válvulas de seguridad, válvulas de descarga, filtros de presión, circuitos de filtro fuera de línea y válvulas de control. Este unidad de poder Debe ser posible realizar un ciclo de todas las funciones a una presión lo suficientemente alta como para realizar el trabajo previsto dentro del tiempo asignado. Un circuito bien diseñado funcionará de manera eficiente, con poca o ninguna energía generadora de calor desperdiciada. Si el filtro se mantiene bien y no se sobrecalienta, funcionará durante años con un mantenimiento mínimo.

Al instalar elementos como manómetros y medidores de flujo, es fácil solucionar cualquier falla del sistema de manera rápida y precisa. El medidor de flujo siempre muestra el flujo de la bomba (o la ausencia del mismo) y evita el reemplazo prematuro de la bomba. Son un buen indicador de una falla inminente de la bomba antes de que falle el sistema. Además, los puertos de conexión de desconexión rápida ubicados estratégicamente facilitan la verificación de la presión en cualquier punto.

Válvula de control direccional

circuito en Figura 5-2 sólo uno Válvula de control direccional Extienda y retraiga el cilindro maestro. Válvula de control de presión Una vez que se extiende el cilindro y se establece la presión preestablecida, el motor hidráulico y el actuador giratorio se hacen funcionar en secuencia.(Esta no es la mejor manera de controlar un actuador, pero se muestra aquí para demostrar el uso de diferentes válvulas).

Las válvulas de retención de aislamiento entre las bombas evitan que la bomba de alta presión ingrese al tanque cuando la bomba de baja capacidad está descargada. Una válvula de retención operada por piloto en la línea en el extremo de la cabeza del cilindro maestro atrapa el fluido en el cilindro mientras el motor y el actuador giratorio están funcionando.

Válvula de control de presión

Una válvula de reducción de presión Protección automática del sistema contra sobrepresión en la bomba. La válvula de descarga descarga la bomba a granel en el tanque después de alcanzar la presión preestablecida. La válvula de control de presión de secuencia de reducción empuja todo el aceite hacia el cilindro hasta que se alcanza una presión preestablecida. Una vez que se alcanza esta presión, la válvula se abre y envía todo el flujo de la bomba al motor hidráulico primero. Una válvula de secuencia aguas arriba del actuador rotativo impide su movimiento hasta que el motor hidráulico detiene su carga. Una válvula de alivio de presión frente al motor hidráulico permite al operador establecer el par máximo ajustando la presión en la entrada del motor.(Todos estos controles están incluidos en el texto de este manual).

otro Válvula de control de presión – Conocida como válvula de contrapeso, ubicada en la línea del extremo del vástago del cilindro maestro para evitar la pérdida de control cuando cambia la válvula de control direccional. La válvula de equilibrio se ajusta a una presión para evitar que el cilindro se estire, aunque el peso sobre su varilla podría causar que esto suceda.

Acumulador

Debido a que el aceite hidráulico es casi incompresible, lleno de gas acumulador Permite el almacenamiento de un volumen de fluido para realizar un trabajo. Cuando la presión externa trata de caer, el gas expandible en el acumulador empuja el aceite hacia afuera. Un acumulador en este circuito compensa las fugas en el circuito del extremo de la culata de cilindros, mientras que el flujo de la bomba hace funcionar el motor hidráulico y el actuador giratorio. Tenga cuidado al especificar y usar acumuladores, ya que pueden ser un problema de seguridad.

Estos y otros componentes hidráulicos se explicarán y aplicarán en las siguientes secciones.

Circuitos en serie y en paralelo

Hay circuitos paralelos y en serie en los sistemas de potencia de fluidos. Los circuitos neumáticos e hidráulicos pueden ser del tipo paralelo, mientras que sólo el circuito hidráulico es del tipo serie. Sin embargo, en aplicaciones industriales, más del 95% de los circuitos hidráulicos son paralelos. Todos los circuitos neumáticos están diseñados en paralelo porque el aire es comprimible y no es práctico usarlo en circuitos en serie.

En un circuito paralelo, el fluido se puede dirigir a todos los actuadores simultáneamente. Un circuito paralelo hidráulico generalmente consta de una bomba que alimenta múltiples válvulas direccionales que operan uno o más actuadores que operan simultáneamente a la vez.

Figura 5-3 Se muestra un diagrama esquemático de un sistema paralelo neumático típico. Todos los actuadores en este circuito pueden funcionar simultáneamente y, si tienen un suministro suficiente, pueden funcionar a toda velocidad. La combinación de filtro, regulador y lubricador debe dimensionarse para manejar el flujo máximo de todos los actuadores en movimiento simultáneamente. Cuando el suministro de aire es bajo, el cilindro con la menor resistencia se moverá primero.

5-3. Esquema de tres cilindros en un circuito paralelo neumático típico.

Figura 5-4 Se muestra un diagrama esquemático de un sistema paralelo hidráulico típico. Cualquier actuador en este circuito puede moverse en cualquier momento y puede funcionar a toda velocidad cuando la bomba produce suficiente flujo. Los circuitos paralelos con actuadores que se mueven simultáneamente deben incluir un control de flujo para evitar que todo el flujo vaya al camino de menor resistencia.

5-4. Esquema de tres cilindros en un circuito paralelo hidráulico típico.

A menudo se requiere control de flujo para evitar el exceso de velocidad del movimiento de un solo cilindro.circuito en Figura 5-4 Se muestra el control del acelerador en la entrada de cada válvula de control direccional para controlar la velocidad en ambas direcciones. La colocación de controles de flujo en los puertos del cilindro permitirá velocidades de extensión y retracción separadas.

Figura 5-5 Ilustre un cilindro o motor hidráulico en un circuito en serie típico. Estos circuitos síncronos son el uso más común de los actuadores en tándem. El esquema de la izquierda muestra cómo se pueden controlar dos o más cilindros para que se muevan simultáneamente a la misma velocidad. El aceite se introduce en el cilindro de la izquierda y comienza a extenderse. El aceite atrapado en su otro extremo se desvía hacia el cilindro derecho, lo que hace que se extienda a la misma velocidad al mismo tiempo. El aceite del cilindro derecho va al tanque. La placa se mueve y permanece nivelada independientemente de la ubicación de la carga. Tenga en cuenta que este circuito utiliza un cilindro con extremo de biela doble, por lo que el volumen es el mismo en ambos extremos.(Otras variantes de este circuito se muestran en el capítulo de cilindros, donde también se explica en detalle el circuito de sincronización.)

5-5. Diagrama esquemático de dos circuitos hidráulicos sincronizados.


Circuito del motor hidráulico a la derecha Figura 5-5 Muestra una forma sencilla de hacer funcionar dos o más motores a la misma velocidad. El fluido que va al primer motor fluye hacia la entrada del segundo motor, lo que hace que gire a la misma velocidad al mismo tiempo. Funcionarán exactamente a las mismas RPM excepto por la fuga interna del motor. Dependiendo de la carga y la velocidad, se pueden hacer funcionar hasta diez motores en serie.

Hidráulica y Neumática

En la mayoría de los casos, el fluido presurizado funciona de alguna manera. Sin embargo, en algunos casos, los fluidos a base de gas no funcionan tan bien como sus contrapartes líquidas. Como se mencionó anteriormente en este capítulo, los actuadores neumáticos no pueden mantener su posición contra una mayor fuerza externa porque el aire puede comprimirse más. En el texto principal se presentarán y explicarán otras situaciones, como los bucles de control de flujo, la contrapresión de la línea de retorno, las consideraciones de transferencia de energía, etc.

Convenciones utilizadas en este manual

Todos los símbolos y dibujos esquemáticos se ajustan al formato de la Organización Internacional de Normalización (ISO). Estos símbolos y partes representativas se enumeran total o parcialmente en el Capítulo 4. Algunos símbolos constan de varias partes estándar y no se muestran en su totalidad Capítulo 4 .

Cuando no se muestran los símbolos, es mejor utilizar los símbolos que se muestran en el catálogo de proveedores. Si no se proporciona ningún símbolo allí, se utiliza la sección de símbolos estándar para representar el nuevo elemento.

Al igual que con todas las situaciones de dibujo que usan símbolos esquemáticos, el diseñador de circuitos puede usar su experiencia u opiniones para interpretar ciertas partes. Esto generalmente no hace que el esquema sea más difícil de leer, simplemente marca la diferencia. Si la representación de la pieza no está clara, consulte la lista de materiales y consulte el catálogo del proveedor para obtener una descripción de la función de la válvula.

codificación de color

Para comprender mejor cómo funciona una pieza o un circuito, considere usar códigos de colores para el cableado y los componentes. El código de colores lo desarrolla un instructor, diseñador o ingeniero y se basa en su interpretación, por lo que puede no ser consistente en cada caso. La mayoría de los manuales de capacitación y los fabricantes utilizan los siguientes códigos de colores.

  • Rojo : La ruta de flujo del fluido de trabajo, generalmente desde la bomba hasta el equipo. Esta línea es siempre sólida. Puede representar tuberías de plástico tan pequeñas como 5/32 de pulgada. El diámetro exterior es adecuado para aire o cualquier tamaño de tubería o aceite hidráulico.
  • azul : Válvulas de circuitos hidráulicos y tuberías de retorno de aceite de otros dispositivos. Esta línea siempre es sólida y puede representar tuberías o conductos de cualquier tamaño.
  • amarillo : Un fluido medido o controlado por flujo con una velocidad reducida en relación con la misma línea sin limitación. Si se debe medir el flujo del piloto, esta línea puede ser una línea continua o una serie de guiones largos.
  • naranja : Líneas de descompresión, como líneas de presión piloto o líneas que suministran gas de precarga del acumulador. Esta línea puede ser una línea sólida después de la válvula reductora de presión o una línea discontinua larga para el flujo piloto.
  • verde : Línea de entrada de la bomba (línea de succión) o línea de descarga. Las líneas serán sólidas para la entrada de la bomba y una serie de guiones para el drenaje. No se confundirán dos tipos de líneas con el mismo color, incluso si están muy cerca una de la otra.
  • púrpura o índigo : Estos colores normalmente representan fluidos de trabajo que tienen una mayor presión debido a diferencias de área o condiciones inducidas por la carga. Estas presiones suelen ser mayores que el ajuste de la válvula de alivio principal o la válvula de alivio de presión que alimenta el circuito.
  • Las líneas sin color se consideran que no funcionan o que actualmente no fluyen.

este tecnología de codificación de colores Utilizado junto con este manual, el Capítulo 4 .

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