Mecánica de Fluidos
Introducción
Los circuitos neumáticos e hidráulicos son recorridos por fluidos que, al igual que la electricidad, están sometidos a un conjunto de leyes. Su estudio se conoce como mecánica de fluidos. Algunas cuestiones de mecánica de fluidos que tienen mayor influencia en el diseño, análisis y montaje de circuitos neumáticos e hidráulicos son:
Presión
Sus unidades son el pascal y la baria. La presión atmosférica es la presión que ejerce el aire atmosférico sobre los cuerpos que están inmersos en él.
Principio de Pascal
La presión aplicada a un fluido confinado en un recipiente se transmite por todo él y actúa en todas las direcciones con el mismo valor.
Ejemplo: El freno hidráulico de un automóvil permite transmitir la fuerza ejercida por el pie hasta los discos de freno.
Caudal (Q)
Es la cantidad de fluido que atraviesa una sección dada por unidad de tiempo. Normalmente, esta cantidad se expresa en volumen.
Q = V/t
Leyes Fundamentales de los Gases Perfectos
Ley de Boyle-Mariotte
Si en un gas, sin variar su temperatura, se modifica su volumen o su presión.
Propiedades de los Líquidos
- Fluidez: Es la capacidad de un líquido para fluir.
- Viscosidad: Es la capacidad de las moléculas de un líquido para desplazarse unas sobre otras.
- Compresibilidad: Si se ejerce una presión sobre un líquido, no existe apenas disminución de su volumen.
- Régimen de flujo: Es una característica que afecta al tipo de fluidez, puede ser laminar o turbulento.
Cuando un líquido o gas fluye por un conducto o tubería, se produce una pérdida de presión debido a la resistencia que ofrecen las diferentes partes del circuito, a las características físicas del fluido y al régimen de circulación. Matemáticamente, esta pérdida de presión, también llamada pérdida de carga.
El Circuito Neumático
El Aire Comprimido
Cuando se dispone de aire a mayor presión que la atmosférica, se tiene una energía que puede ser liberada en forma de trabajo del modo más conveniente. Algunas de las aplicaciones más características son:
- Sistema de limpieza por aire a presión
- Pintado por proyección
- Herramientas portátiles: destornilladores neumáticos, remachadoras, etc.
- Modificación de trayectorias en cintas transportadoras
- Elevación de cuerpos
- Sujeción de piezas
- Sistemas de verificación de medidas
- Frenado de movimientos
- Apertura y cierre de puertas
La materia prima en la instalación neumática es el aire comprimido. Al igual que en un circuito eléctrico, las partes del circuito neumático son:
- Generador de aire comprimido: Comprime el aire de la atmósfera hasta la presión requerida por la instalación. En cierta forma, podríamos decir que mientras un generador eléctrico viene caracterizado por la tensión y la potencia, un compresor neumático está definido por la presión y el caudal de aire.
- Actuadores o motores neumáticos: Transforman la presión del aire en trabajo mecánico útil.
- Las tuberías y conductos: A través de ellos se canaliza el aire. Deben ser calculados según procedimientos técnicos que, con frecuencia, operan con gráficos y tablas.
- Elementos de control: Garantizan la seguridad en el suministro y un sistema de mando apropiado.
Redes de Aire Comprimido
La distribución del aire comprimido entre diferentes dispositivos y máquinas se hace mediante redes que son similares a las redes eléctricas. Con frecuencia, alrededor de una nave industrial se cierra una tubería en anillo con las correspondientes tomas de aire. El caudal máximo de aire que circula por las tuberías es un concepto que tiene cierta analogía con la corriente eléctrica máxima que circula por un conductor, y la pérdida de presión de una red neumática corresponde a la caída de tensión eléctrica.
Componentes de los Circuitos Neumáticos
Compresores
Son máquinas encargadas de comprimir el aire de los circuitos neumáticos. Hay dos tipos:
- Alternativos: Son los más extendidos. Un pistón sube y baja comprimiendo el aire que entra en una cámara.
- Rotativos: Son mejores, ya que suministran un flujo de aire constante y tienen menor nivel de ruido.
Actuadores
Dispositivos encargados de transformar la energía potencial del aire comprimido en energía mecánica. Podemos distinguir dos tipos:
- Cilindros: Los cuales producen movimientos rectilíneos. Son los actuadores más usados.
- Motores: Producen movimiento circular a partir de aire comprimido.
Funcionamiento
Cilindro de Simple Efecto
Actúa cuando el aire comprimido entra por un extremo y vuelve a su posición de reposo mediante un muelle cuando deja de llegarle presión y la entrada de alimentación está conectada al exterior.
- Las pérdidas de fuerza por rozamiento son aproximadamente del 10%.
- El margen de seguridad es aproximadamente del 30%.
Cilindro de Doble Efecto
Tanto la salida como la entrada del vástago del cilindro se realiza mediante aire a presión. Cuando por un extremo del cilindro entra aire a presión, en el otro ha de darse salida al exterior. La fuerza del vástago no es la misma a la entrada que a la salida, ya que las áreas del pistón no son las mismas.
Válvulas Distribuidoras
Están encargadas del control del aire a presión que llega a los cilindros. Son como los contactores de un circuito eléctrico. Existen múltiples válvulas distribuidoras que pueden clasificarse según el número de posiciones y de vías, y según el método para activarlas. La mayor parte de ellas tienen 2 posiciones y 3 o 5 vías.
Funcionamiento
- Accionamiento manual: Como si se tratara de un interruptor o pulsador.
- Accionamiento mecánico: En el que un contacto mecánico acciona la válvula distribuidora.
- Accionamiento neumático: En el que es el propio aire a presión el que pilota la válvula.
- Accionamiento eléctrico: Un impulso eléctrico pilota el distribuidor.
Otras Válvulas y Elementos de Control
Antirretorno del aire (válvulas antirretorno), control de la presión (presostato), función lógica Y (válvula de simultaneidad), filtrado de aire (filtro), lubricación neumática (lubricador), almacenamiento del aire comprimido (depósito), control del tiempo (temporizador neumático), etc.
El Circuito Hidráulico
La neumática tiene límites de fuerza y precisión en el movimiento. Industrialmente, resulta excepcional comprimir el aire a más de 20 atmósferas, siendo frecuentes presiones del orden de 6 atmósferas. Ello significa que para obtener fuerzas suficientes para sujetar o prensar algunas piezas se necesitarían cilindros neumáticos de gran tamaño. Como no es rentable, se utiliza la tecnología hidráulica (hidro = agua -> fluido).
En las instalaciones hidráulicas se pueden obtener hasta presiones de 200 atmósferas y más. Con frecuencia se diseñan circuitos mixtos en los que el aire y el aceite son los transmisores de energía.
Ejemplo: En los procesos de mecanizado, algunas máquinas herramienta suelen poseer movimientos compuestos de dos tipos: un primer movimiento rápido de aproximación de la herramienta, y un segundo movimiento, más lento, que ajusta la posición y hace presión. El primer movimiento se hace con un circuito neumático y el segundo con uno hidráulico. Este tipo de circuitos oleo-neumáticos aprovechan las propiedades de la regularidad de velocidad de los actuadores hidráulicos (oleo-hidráulicos si el fluido es aceite). El aire es compresible, y el aceite no.
Aplicaciones Hidráulicas
- Máquinas herramienta: Movimientos de avance en unidades de mecanizado, sujeción de piezas, movimientos de mesa en rectificadoras, etc.
- Vehículos: Frenos, cambios automáticos, elevación y basculación de cargas, etc.
- Prensas: Compresión de piezas, sujeción, elevación y manipulación de la carga.
- Aviones: Trenes de aterrizaje retráctiles, movimiento de timones, alerones y flaps.
- Grúas y brazos robotizados: Levantamiento, traslado y manipulación de cargas.
Circuitos Hidráulicos Elementales
En neumática está el compresor, en hidráulica la bomba. Existen diferentes bombas: de émbolo, de paletas, de engranajes, etc. En hidráulica existen componentes y funciones esenciales que básicamente coinciden entre sí. Las elevadas presiones en este tipo de circuitos obligan a adoptar dispositivos de seguridad.
Cuando la presión aumenta, la fuerza ejercida por esta vence la resistencia del muelle y el aceite retorna al depósito, disminuyendo la presión.