NEUMÁTICA E HIDRÁULICA
¿QUE ES NEUMÁTICA?
La neumática es la tecnología que emplea el aire comprimido como modo de transmisión de la energía necesaria para mover y hacer funcionar mecanismos.
Mediante un fluido, ya sea aire (neumática), aceite o agua (hidráulica) se puede conseguir mover un motor en movimiento giratorio o accionar un cilindro para que tenga un movimiento rectilíneo de salida o retroceso de un vástago (barra).
Esto, hoy en día, tiene infinidad de aplicaciones como pueden ser la apertura o cierre de puertas en trenes o autobuses, levantamiento de grandes pesos, accionamientos para mover determinados elementos, entre otros.
El control del motor o del cilindro, para que realice lo que nosotros queremos, se hace mediante válvulas. Estas válvulas, si lo comparamos con la electricidad, hacen las veces de interruptores, pulsadores, conmutadores, entre otros, y mediante tubos conductores por los que circula el fluido (equivalente a los conductores eléctricos) se transmite la energía de un sitio a otro.
En esta unidad vamos a estudiar como se realizan los montajes de los circuitos neumáticos o hidráulicos.
Todo lo que vamos a estudiar en este curso de neumática hace referencia a circuitos neumáticos, pero cambiando aire por agua o aceite, valdría igualmente para los hidráulicos.
Neumática e hidráulica prácticamente solo se diferencia en el fluido, en uno es aire y en el otro agua. Antes de empezar puedes ver aquí todos los símbolos de Neumática o ir aprendiéndolos según avances, que creemos que es mejor.
HISTORIA
Día a día el Ingenio y la creatividad del ser humano han hecho que hagamos automatismos para facilitarnos las cosas. Desde el principio, siempre hemos desarrollado herramientas, mecanismos que nos ayuden a realizar una tarea, aprendimos a hacer fuego para calentarnos, hacíamos cuchillos a partir de rocas para tajar la carne, descubrimos la rueda y nos facilitó trasportar las cosas, las escritura nos da otra forma de comunicación, de conocer la historia y de preservar el conocimiento adquirido, siempre hemos estado en continua evolución. En esta escala evolutiva de la tecnología y desarrollo de los sistemas de automatización solo me enfocare en dos ramas la neumática y la hidráulica
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. Muchos de sus principios ya eran utilizados por el hombre primitivo. Por ejemplo, la primera aplicación del aire comprimido consistió en el soplado de las cenizas para reavivar el fuego. El aire empleado había sido “comprimido” en los pulmones, a los que podemos considerar como un compresor natural. Produce cierta impresión conocer la capacidad y el rendimiento de este compresor
Los pulmones son capaces de tratar 100 L/min o 6 m3/h; ejercen una presión de 0,02~0,08 bar. Además, en estado de salud normal, este compresor posee una seguridad insuperable. Quizás nuestra cultura fuese muy diferente si nuestros pulmones no hubiesen sido capaces de producir fuego. Pero el compresor humano resultó inadecuado por completo cuando el hombre comenzó a fundir metales (~3.000 a.C.). Para alcanzar temperaturas entorno a 1.000ºC se necesitaba un compresor más potente; este también lo suministraba la naturaleza en el viento que se comprimía contra una colina y ascendía por sus laderas.Los orfebres egipcios y sumerios inventaron un método más conveniente y seguro para la producción del aire comprimido que necesitaban para fundir metales nobles. Empleaban un tubo-soplete, al igual que hacen sus colegas de hoy. Este resulta adecuado para pequeñas cantidades, pero no para grandes volúmenes. 2500 a.c Primeras aplicaciones en forma de fuelles de soplado
- Construcción de órganos musicales Posteriormente se utilizó para: Minería –Siderurgia.
El primer compresor mecánico, el fuelle manual, fue inventado hacia la mitad del tercer milenio a.c. y el fuelle de pie no se empleó hasta 1.500 años a.C. Esto ocurrió cuando la fundición de la aleación de Cobre y Estaño (Bronce) se convirtió en un proceso estable de producción, como quedó registrado en algunas tumbas egipciasEn la antigüedad, el aire, uno de los cuatro elementos por los que los griegos fueron cautivados, parecía por su naturaleza volátil y transparente, la más fina expresión de la materia, que en otras “densidades” o “estados” constituía el resto de “elementos”. Era considerado por ellos algo similar a lo que entendían por alma. Como se ha indicado antes, en griego, la palabra “pneuma” significa “alma” y en consecuencia la técnica que utiliza el aire como medio de transmisión de energía se llamó Pneumática.
Hace aprox. más de 20 siglos un griego construyó un cañón neumático, que actuado manualmente se comprimía aire en los cilindros, y que al realizarse el disparo la expansión del aire aumentaba el alcance del cañón.
El primero del que sabemos con seguridad que se ocupó de la neumática y su estudio, es decir, de la utilización del aire comprimido como elemento para realizar trabajo, fue el matemático e inventor griego Ktesibios (285 A.C.– 222 A.C.), que escribió los primeros tratados acerca de este tema y es considerado el padre de la Neumática. Hace más de dos mil años, construyó una catapulta de aire comprimido, basada en un cañón neumático que, rearmado manualmente comprimía aire en los cilindros. Al efectuar el disparo, la expansión restituía la energía almacenada, aumentando de esta forma el alcance del mismo. Todos los grandes historiadores hablan de él pero, lamentablemente, todos sus trabajos se han perdido.
Uno de los primeros libros acerca del empleo del aire comprimido como energía procede del siglo I de nuestra era, y describe mecanismos accionados por medio de aire caliente. Posteriormente, pasada la Edad Media, fue utilizada en la construcción de órganos musicales, en la minería y en siderurgia.
A partir de entonces el aire se usó de muy variadas maneras, en algunos casos, tal como se presenta en la naturaleza, en movimiento, el viento (energía Eólica) fue transformado en energía mecánica mediante los molinos de viento, permitiendo diversas acciones, como mover moliendas. Por otra parte, quizás la navegación a vela fue la más antigua forma de aprovechamiento de este tipo de energía.
SISTEMAS NEUMÁTICOS
Los sistemas neumáticos son sistemas que utilizan el aire u otro gas como medio para la transmisión de señales y/o potencia. Dentro del campo de la neumática la tecnología se ocupa, sobre todo, de la aplicación del aire comprimido en la automatización industrial (ensamblado, empaquetado, entre otros.)
Los sistemas neumáticos se usan mucho en la automatización de máquinas y en el campo de los controladores automáticos. Los circuitos neumáticos que convierten la energía del aire comprimido en energía mecánica tienen un amplio campo de aplicación (martillos y herramientas neumáticas, dedos de robots, entre otros.) por la velocidad de reacción de los actuadores y por no necesitar un circuito de retorno del aire.
En los sistemas neumáticos, el movimiento del émbolo de los cilindros de los actuadores es más rápido que en los mecanismos hidráulicos. (Por ejemplo, el taladro y el martillo neumático, responden muy bien a las exigencias requeridas en estos casos).
Un circuito neumático básico puede representarse mediante el siguiente diagrama funcional.
MANDOS NEUMÁTICOS
Los mandos neumáticos están constituidos por elementos de señalización, elementos de mando y un aporte de trabajo. Los elementos de señalización y mando modulan las fases de trabajo de los elementos de trabajo y se denominan válvulas. Los sistemas neumáticos e hidráulicos están constituidos por:
- Elementos de información.
- Elementos de trabajo.
- Elementos artísticos.
Para el tratamiento de la información de mando es preciso emplear aparatos que controlen y dirijan el fluido de forma preestablecida, lo que obliga a disponer de una serie de elementos que efectúen las funciones deseadas relativas al control y dirección del flujo del aire comprimido.
En los principios de la automatización, los elementos rediseñados se mandan manual o mecánicamente. Cuando por necesidades de trabajo se precisaba efectuar el mando a distancia, se utilizan elementos de comando por símbolo neumático (cuervo).
Actualmente, además de los mandos manuales para la actuación de estos elementos, se emplean para el comando de procedimientos servo-neumáticos, electro-neumáticos y automáticos que efectúan en su totalidad el tratamiento de la información y de la amplificación de señales.
La gran evolución de la neumática y la hidráulica han hecho, a su vez, evolucionar los procesos para el tratamiento y amplificación de señales, y por tanto, hoy en día se dispone de una gama muy extensa de válvulas y distribuidores que nos permiten elegir el sistema que mejor se adapte a las necesidades.
Hay veces que el comando se realiza manualmente, y otras nos obliga a recurrir a la electricidad (para automatizar) por razones diversas, sobre todo cuando las distancias son importantes y no existen circunstancias adversas.
Las válvulas en términos generales, tienen las siguientes misiones:
- Distribuir el fluido
- Regular caudal
- Regular presión
Las válvulas son elementos que mandan o regulan la puesta en marcha, el paro y la dirección, así como la presión o el caudal del fluido enviado por el compresor o almacenado en un depósito. Ésta es la definición de la norma DIN/ISO 1219 conforme a una recomendación del CETOP (Comité Européen des Transmissions Oléohydrauliques et Pneumatiques).
Según su función las válvulas se subdividen en cinco grupos:
- Válvulas de vías o distribuidoras
- Válvulas de bloqueo
- Válvulas de presión
- Válvulas de caudal
- Válvulas de cierreVENTAJAS DE LA NEUMÁTICA- El aire se puede obtener fácilmente y es abundante en la tierra.- No es explosivo, por lo tanto no hay riesgo de chispas.- Los elementos del circuito neumático pueden trabajar a velocidades bastante altas y se pueden regular bastantefácilmente.- El trabajo con aire no daña los componentes del circuito por ejemplo por golpe de ariete.- Los cambios de temperaturas no afectan de forma significativa en el trabajo.- Energía limpia.- Se pueden hacer cambios de sentido de forma instantánea
DESVENTAJAS DE LA NEUMÁTICA
- Si el circuito es muy largo se producen pérdidas de carga considerables.
- Para poder recuperar el aire previamente utilizado se necesitan instalaciones especiales.
- Las presiones a las que se trabaja habitualmente no permiten obtener grandes fuerzas y cargas.
- Bastante ruido al descargar el aire utilizado a la atmósfera.
Por último aquí te dejamos los componentes de un circuito neumático. si quieres aprender neumática te recomendamos ir a Neumática e Hidráulica y ver su curso gratis y fácil.
¿QUE ES HIDRÁULICA?
La Hidráulica es la tecnología que emplea un líquido, bien agua o aceite (normalmente aceites especiales), como modo de transmisión de la energía necesaria para mover y hacer funcionar mecanismos.
HISTORIA
Desde la creación el hombre ha estado empeñado en multiplicar su fuerza física. Inicialmente se asocio con otros para aplicar cada uno su fuerza individual a un solo objeto. Posteriormente un ilustre desconocido inventó la rueda y otros la palanca y la cuña. Con estos medios mecánicos se facilitaron enormemente las labores. Pronto estos elementos se combinaron y evolucionaron hasta convertirse en ingenios mecánicos muy diversos, que fueron utilizados en la construcción de los pueblos, en las guerras y en la preparación de la tierra.
También el hombre al lado del desarrollo de los dispositivos mecánicos, empezó desde muy temprano la experimentación de la utilización de recursos naturales tan abundantes como el agua y el viento. Inicialmente se movilizo en los lagos y ríos utilizando los troncos de madera que flotaban. Mas adelante la navegación se hizo a ve la aprovechando la fuerza de los vientos.
La rueda hidráulica y el molino de viento Son preámbulos de mucho interés para la historia de los sistemas con potencia fluida, pues familiarizaron al hombre con las posibilidades d los fluidos para generar y transmitir energía y le enseñaron en forma empírica los rudimentos de la Hidromecánica y sus propiedades.
La primera bomba construida por el hombre fue la jeringa y se debe a los antiguos egipcios, quienes la utilizaron para embalsamar las momias. CTESIBIUS en el siglo II A.C., la convirtió en una bomba de doble efecto.
En la segunda mitad del siglo XV, LEONARDO DA VINCI en su escrito sobre flujo de agua y estructuras para ríos, estableció sus experiencias y observaciones en la construcción de instalaciones hidráulicas ejecutadas principalmente en Milán y Florencia.
GALILEO en 1612 elaboro el primer estudio sistemático de los fundamentos de la Hidrostática.
Un alumno de Galileo, TORRICELI, enunció en 1643 la ley del flujo libre de líquidos a través de orificios. Construyo El barómetro para la medición de la presión atmosférica. BLAISE PASCAL, aunque vivió únicamente hasta la edad de 39 años, fue uno de los grandes científicos y matemáticos del siglo XVII. Fue responsable de muchos descubrimientos importantes, pero en relación con la mecánica de fluidos son notables los siguientes:
· La formulación en 1650 de la ley de la distribución de la presión en un liquido contenido en un recipiente. Se conoce esta, como ley de Pascal.
· La comprobación de que la potencia del vacío se debe al peso de la atmósfera y no a un "horror natural" como se creyó por mas de 2000 años antes de su época.
A ISAAC NEWTON, además de muchas contribuciones a la ciencia y a las matemáticas, se le debe en Mecánica de Fluidos:
· El primer enunciado de la ley de fricción en un fluido en movimiento.
· La introducción del concepto de viscosidad en un fluido.
· Los fundamentos de la teoría de la similaridad hidrodinámica.
Estos, sin embargo, fueron trabajados aislados de los cuales resultaron leyes y soluciones a problemas no conexos. Hasta la mitad del siglo XVIII no existía aun una ciencia integrada sobre El comportamiento de los fluidos.
Los fundamentos teóricos de la Mecánica de Fluidos como una ciencia se deben a Daniel Bernoulli y a Leonhard Euler en el siglo XVIII.
DANIEL BERNOULLI, 1700-1782, perteneció a una famosa familia suiza en la cual hubo once sabios celebres, la mayoría de ellos matemáticos o mecánicos. Gran parte de su trabajo se realizo en San Peterburgo, como miembro de la academia rusa de ciencias. En 1738 en su "Hidrodinámica", formulo la ley fundamental del movimiento de los fluidos que da la relación entre presión, velocidad y cabeza de fluido.
LEONHARD EULER, 1707-1783, también suizo, desarrollo las ecuaciones diferenciales generales del flujo para los llamados fluidos ideales (no viscosos). Esto marco El principio de los métodos teóricos de análisis en la Mecánica de Fluidos. A Euler se le debe también la ecuación general del trabajo para todas las maquinas hidráulicas rotodinamicas (turbinas, bombas centrifugas, ventiladores, etc.), además de los fundamentos de la teoría de la flotación.
En 1985, después de 135 años de la formulación de la ley de Pascal, JOSEFINO BRAMAH, construyo en Inglaterra la primera prensa hidráulica. Esta primera prensa utilizaba sello de cuero y agua como fluido de trabajo. El accionamiento se realizaba por medio de una bomba manual y no superaba los 10 bares de presión. Sin embargo, la fuerza desarrollada por ella fue algo descomunal e inesperada para el mundo técnico e industrial de entonces.
Inmediatamente siguieron sin numero de aplicaciones y como era de esperarse, se abrió un mercado para el mismo sin precedentes y que superaba las disponibilidades tanto técnicas como financieras de su tiempo.
El segundo periodo, que comprende los últimos años del siglo XVIII y la mayoría del XIX, se caracterizó por la acumulación de datos experimentales y por la determinación de factores de corrección para la ecuación de Bernoulli. Se basaron en el concepto de fluido ideal, o sea que no tuvieron en cuenta una propiedad tan importante como la viscosidad. Cabe destacar los nombres de experimenta listas notables como ANTOINE CHEZY, HENRI DARCY, JEAN POISEUILLE en Francia; JULIUS WEISBACH Y G. HAGEN en Alemania. De importancia especial fueron los experimentos de Weisbach y las fórmulas empíricas resultantes que fueron utilizadas hasta hace poco tiempo.
Entre los teóricos de la Mecánica de Fluidos de este período, están LAGRANGE, HELMHOLTZ Y SAINT VENANT.
En los años posteriores a 1850 las grandes ciudades de Inglaterra instalaron centrales de suministros de energía hidráulica, la cual era distribuida a grandes distancias por tuberías hasta las fabricas donde accionaban molinos, prensas, laminadores y grúas.
Todavía funcionan en algunas ciudades europeas las redes de distribución de energía hidráulica. En Londres, por ejemplo, esta aun en servicio la empresa " The London Hydraulic Power Co.", con capacidad instalada de 700 HP y 180 millas de tubería de distribución. En la misma ciudad, el famoso Puente de la Torre, es accionado hidráulicamente, así como el ascensor principal en el edificio de la institución de los Ingenieros Mecánicos.
En el periodo siguiente, al final del siglo XIX y principios del XX, se tomó en cuenta la viscosidad y la teoría de la similaridad. Se avanzó con mayor rapidez por la expansión tecnológica y las fuerzas productivas. A este período están asociados los nombres de GEORGE STOKES y de OSBORNE REYNOLDS, 1819-1903 y 1942-1912, respectivamente.
En la Hidráulica contemporánea se deben mencionar a: LUIDWIG PRANDTL, THE ODOR VON KARMAN Y JOHAN NIKURADSE. Los dos primeros por sus trabajos en Aerodinámica y Mecánica de Fluidos que sirvieron para dilucidar la teoría del flujo turbulento; el último sobre flujo en tuberías.
En 1906 la Marina de los EE.UU. botó El U.S.Virginia, primer barco con sistemas hidráulicos para controlar su velocidad y para orientar sus cañones.
En 1930 se empezaron a construir las bombas de paletas de alta presión y se introdujeron los sellos de caucho sintético. Diez años después los servomecanismos electro hidráulicos ampliaron el campo de aplicación de la oleo hidráulica (rama de la hidráulica que utiliza aceite mineral como fluido). Desde los años sesenta el esfuerzo investigativo de la industria y las entidades de formación profesional ha conducido hasta los sofisticados circuitos de la fluídica.
MECANISMOS HIDRÁULICOS
Los cilindros solo tienen recorrido de avance y retroceso en movimiento rectilíneo, es por eso que si queremos otro movimiento deberemos acoplar al cilindro un mecanismo que haga el cambio de movimiento.
En un sistema hidráulico el aceite sustituye al aire comprimido que se usa en neumática. Muchas excavadoras, el camión de la basura, los coches, etc utilizan sistemas hidráulicos para mover mecanismos que están unidos a un cilindro hidráulico movido por aceite.
Al llamarse hidráulica puede pensarse que solo usa agua, cosa que no es así, es más casi nunca se usa agua suele utilizarse con más frecuencia el aceite. En la teoría si se usa aceite debería llamarse Oleohidraúlica, pero no es así. En la práctica cuando hablamos de sistemas por aceite, agua o cualquier fluido líquido usamos la palabra hidráulica. En la imagen siguiente puedes ver un cilindro hidráulico:
Si comparamos un sistema neumático con uno hidráulico podemos apreciar lo siguiente:
- Al funcionar con aceite admite mucha más presión, con lo que también se puede efectuar más fuerza hidraúlica. Por la tanto cuando necesitemos un sistema con mucha fuerza usaremos el sistema hidraúlico y no el neumático.
- Es más facil regular la velocidad de avance o retroceso de los cilindros, incluso se puede llegar a detener el cilindro hidraúlico.
- En los sistemas hidraúlicos el aceite es en circuito cerrado.
- Una de las cosas más importantes de la Hidráulica es auto-lubricante. El aceite que usa ya es su propio mecanismos de lubricación.
- Para acabar diremos que estos sistemas tienen las desventajas de que son más sucios que los neumáticos, el aceite es infamable y explosivo, que los elementos de los circuitos son más costosos que los neumaticos, el aceite es más sensible a los cambios de la temperatura que el aire, y que hay que cambiar el aceite cada cierto tiempo con el consiguiente gasto añadido.
Aqui podemos ver las partes básicas de un circuito hidráulico, aunque si quieres saber más te recomendamos que aprendas en Neumática (pincha en el enlace subrayado) y aprenderás neumática fácilmente, pero la hidráulica es exactamente igual, solo cambia el fluido que va por dentro de los elementos.
VENTAJAS DE LA HIDRÁULICA
– Debido al ciclo del agua su disponibilidad es inagotable.
– Es una energía totalmente limpia, no emite gases, no produce emisiones toxicas, y no causa ningún tipo de lluvia acida.
– Es una energía barata, los costes de operación son muy bajos, existen mejoras tecnológicas constantemente que ayudan a explotar de manera más eficiente los recursos.
– Permite el almacenamiento de agua para abastecer fácilmente a actividades recreativas o sistemas de riego.
– Se pueden regular los controles de flujo en caso e que haya riesgo de una inundación.
DESVENTAJAS DE LA HIDRÁULICA
– La construcción de las platas requiere una gran inversión, por otra parte, los sitios donde se pueden construir centrales en condiciones económicas son muy limitadas.
– Las presas se convierten en obstáculos para las especies como el salmón
– por otra parte, las represas afectan al lecho de los ríos, causando erosión y afectar el ecosistema del lugar.
– Las presas tienden a estar lejos de las grandes poblaciones, entonces es necesario transportar la electricidad producida a través de redes costosas.
LINEAS DE TIEMPO
MAPAS MENTALES
VÍDEO
BIBLIOGRAFIAS
* http://www.areatecnologia.com/que-es-hidraulica.htm
* http://fluidos.eia.edu.co/hidraulica/articuloses/historia/historiadelahidraulica/historiadelahidraulica.html
* http://ingenieriamecanicacol.blogspot.com.co/2015/05/historia-de-la-automatizacion-neumatica.html
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