NEUMÀTICA I HIDRÀULICA

4º ESO

Índex Primera part: pneumàtica

Què són els sistemes pneumàtics? algunes aplicacions Una mica d'història Magnituds i instruments Avantatges i desavantatges de l'aire comprimit Circuits pneumàtics

Principis físics Paral·lelismes amb els circuits elèctrics Components i simbologia Simulació

Segona part: hidràulica Avantatges i desavantatges de la oleohidràulica Circuits hidràulics

Principis físics Components i diferències amb els circuits pneumàtics Simulació

Primera part: NEUMÀTICA

Què són els sistemes pneumàtics? Els sistemes pneumàtics són circuits que utilitzen aire

comprimit per transmetre energia. Els sistemes hidràulics són similars als pneumàtics, però

en lloc d'aire comprimit utilitzen fluids incompressibles com aigua o oli. A la indústria s'usa més l'oli per produir menys corrosió sobre els conductes i servir de refrigerant.

Tots dos es troben en tots els àmbits: regadiu, instal·lacions d'aigua potable, frens, suspensions, obertura de portes, etc.

Anem a conèixer com s'implanten aquests sistemes en la indústria.

Un poc de història - Neumàtica

A finals del s. XVII el físic francès Denis Papin realitza la primera transmissió pneumàtica.

Al s. XIX s'utilitza com a font d'energia per a frens de trens, perforadores de percussió, ascensors ... A finals de segle es deixa de desenvolupar a causa de la competència d'altres tipus d'energia (màquines de vapor, motors i electricitat).

Després de la Segona Guerra Mundial reapareix a gran escala per l'automatització del treball en les indústries.

L'ús de l'aire comprimit es remunta al Neolític, quan van aparèixer les manxes de mà per avivar el foc de les foses o per airejar mines d'extracció de minerals.

Un poc de història - Hidràulica

Al s. XV, Leonardo da Vinci comença l'estudi de la hidràulica. El segueixen Galileu, Pascal, Bernoulli ...

Al s. XIX, amb el desenvolupament de tubs de ferro colat, capaços de resistir altes pressions internes, la hidràulica es va estendre ràpidament en la indústria fins als nostres dies.

La utilització de l'aigua data de fa molts anys. Es coneixen obres de regadiu a Mesopotàmia, 45 segles AC.

Els grans aqüeductes romans comencen a construir-se al 312 AC, i l'aigua arribava als habitatges per tubs de plom.

Pressió: força exercida sobre la superfície d'un cos.

Les unitats que s'utilitzen per a la pressió són: En el Sistema Internacional: el Pascal (Pa)

Però el Pascal es massa petit per les pressions amb les que hem de treballar, per això utilitzarem el bar.

L’aire comprimit que s’utilitza a la industria es comprimeix fins

a obtenir una pressió aproximada de 6 bars respecta l’atmosfèrica (pressió relativa).

Magnituds i instruments (1)

1 Pa = 1 N/m2

Pressió = Força / Superficie

105 Pa = 1 bar ≈ 1 atmosfera

Magnituds i instruments (2)

Els manòmetres són instruments que ens indiquen el valor de la pressió relativa que estem utilitzant.

Pressió absoluta = P. atmosfèrica + P. relativa

El manòmetre mesura això

Magnituds i instruments (3) Cabal: és la quantitat de fluid que travessa una secció de

la canonada en una unitat de temps.

Les unitats que s'utilitzen per el caudal son litres/segons. Els instruments per mesurar el cabal s’anomenen

cabalímetres. Les magnituds que utilitzem en neumàtica e hidràulica

equivalen a altres magnituds elèctriques que hem utilitzat anteriorment.

Cabal = Volum / Temps

Magnitudes eléctricas

Magnitudes neumáticas e hidráulicas

Intensitat CabalTensió (v.) Pressió

Avantatges de l'aire comprimit La matèria primera, l'aire, és abundant i gratuïta. Es pot transportar fàcilment mitjançant canonades. Es pot emmagatzemar en dipòsits. És segur, no hi ha perill d'explosió ni incendi. És net (important per a indústries químiques,

alimentàries, etc.). No li afecten les temperatures extremes. No hi ha risc de sobrecàrrega. La velocitat de treball és alta i es pot regular.

Desavantatges de l'aire comprimit Ha de ser preparat abans d'usar-lo, eliminant la

humitat i les impureses que pugui contenir. Com que l'aire es comprimeix, no permet velocitats

dels elements de treball regulars i constants. Els esforços de treball són limitats (fins a 30.000

N). És sorollós a causa de les fuites d'aire. És costós, perquè encara que l'aire és gratuït cal

gastar energia per comprimir.

Circuits neumàtics

Principis físics L’aire, per pressions inferiors a 12 bars es comporta segons

la llei dels gasos perfectes:P * V = m * R * T

Si es manté constant la temperatura tenim:

Si es manté constant la pressió tenim:

Si es manté constant el volum tenim:

P = pressió (N/m2)V = vol. Específic (m3/kg)m = massa (kg)R = cte. del aire (286,9 J/kg * K)T = temperatura (K)

Modificant la pressió, la temperatura canvia i viceversa

P / T = cte.

Modificant la pressió, el volum canvia i viceversa

P * V = cte.

Modificant el volum, la temperatura canvia i viceversa

V / T = cte.

Paral·lelisme amb circuits elèctrics Per comprendre com funcionen els circuits neumàtics els

podem comparar amb els elèctrics.Circuits elèctrics

Circuits neumàtics o hidràulics

Pila Compressor o bombaCables TuberiesInterruptores Vàlvules de controlActuadors Cilindres neumàtics o

hidràulics

v=0

2

1

Funcionament del circuit neumàtic Fer clic en el professor per veure el funcionament del circuit.

21

3

Components – El compressor El compressor és una màquina que comprimeix l’aire

atmosfèric fins que arriba a la pressió necessària pel funcionament de la instal·lació. L’aire del compressor s’emmagatzema en un dipòsit per deprés

poder utilitzar-ho, el seu nom és acumulador.

La unitat de manteniment prepara l’aire per a que no deteriori les canonades i els actuadors.

Filtre Regulador de pressió Rubricador Manòmetre

Símbol

Símbol

Símbol

Components – El compressor

Alguns tipus de compressors:

Compressor d’èmbol: són els més utilitzats. Funcionen com el motor d’un automòbil, produeixen el moviment alternatiu d’un pistó.

Compressor rotatius: El gir d’un rotor aspira l’aire i el comprimeix, augmentant la pressió. Son més silenciosos que els anteriors i proporcionen un flux d’aire més uniforme.

Símbol del compressor

Components – Canonades Les canonades son els conductes a

través dels quals es canalitza l’aire per a que arribi a tots els elements. Poden ser: Rígides: coure o acer Flexibles: goma reforçada amb malla

metàl·lica

v=0

2

1

Components - Actuadors Els actuadors neumàtics, com cilindres i motors,

transformen la pressió de l’aire en treball mecànic o moviment.

Els cilindres s’utilitzen quan es desitja un moviment rectilini alternatiu, per desplaçar objectes o moure braços de robots.

Cilindre d’efecte simple

Cilindre de doble efecte

Components - Actuadors Cilindre d’efecte simple :

Es un tub cilíndric tancat dins del qual hi ha un èmbol unit a una tija. En un extrem hi ha orifici d’entrada/sortida d’aire i a l’altre, la molla facilita el retorn de la tija.

Aquest tipus de cilindre treballa en un única direcció: quan l’aire a pressió entra impulsa la tija i la molla. El retrocés i desallotjament del aire es produeix per la força de la molla, que retorna el sistema a la seva posició inicial.

Símbol del cilindre de

simple efecte

Components - Actuadors Cilindre de doble efecte:

Es molt similar al cilindre d’efecte simple, però sense la molla. El retorn es realitza introduint aire a pressió per l’altre entrada d’aire.

Aquest tipus de cilindre treballa en els dos sentits: l’aire entra a pressió per una de les entrades i surt per l’altre, de forma que treu l’aire del compartiment.

Símbol del cilindre de

doble efecte

Componentes - Actuadores

2

1 3

Accionament d’un cilindre de simple

efecte

Accionament d’un cilindre de doble

efecte

4 2

1 3

Components - Actuadors Els actuadors rotatius, com el

motor de paletes, s'utilitzen per fer girar objectes o màquines eines, el motor d’una trepadora, cargolar, etc.

També s'utilitzen els cilindres basculants per produir moviments circulars alternatius.

Símbol del cilindre

basculant

Motor neumàtic de 1 i 2 sentits

de gir

Components - Vàlvules Les vàlvules son elements de comandament i

control que permeten i controlen el pas de l’aire en una direcció o l’altre. Són l’equivalent neumàtic dels interruptors

elèctrics. Es classifiquen en:

Vàlvules distribuïdores Vàlvules de control del cabal

v=0

2

1

Válvula de 2/n vías

Components - Vàlvules Una vàlvula és una espècie de caixa amb uns orificis que

serveixen d’entrada i sortida de l’aire comprimit. La vàlvula té un element mòbil, que segons la seva posició determinarà la direcció de l’aire.

Els paràmetres que defineixen una vàlvula són: Nombre de vies: les entrades i sortides que té la vàlvula. Nombre de posicions: el nombre d’estats possibles de la vàlvula. Sistemes d’accionament i retorn (pilotatge): són mecanismes

per accionar i retornar la vàlvula. Els més utilitzats són el polsador, l’enclavament, els sistemes de retorn por molla i el neumàtic.

Les vàlvules s’identifiquen per el nombre de vies i el de posicions. Així, una vàlvula 2/2 té 2 vies i 2 posicions, una vàlvula 3/2 té 3 vies i 2 posicions.

Exemple: vàlvula 2/2 NC (normalment

tancada)

2

1

Components - Vàlvules Cada posició de la vàlvula es representa amb un quadrat. Les vies de la vàlvula es representen mitjançant línies a la

part exterior d’un dels quadrats que representen les posicions.

Components - Vàlvules Tipus de sistemes d'accionament i retorn: els més utilitzats són el

polsador, l’enclavament, els sistemes de retorn per molla i el neumàtic.

Exemple: vàlvula 3/22

1 3

Exemple: vàlvula 4/34 2

1 3

Vàlvula 3/2 amb accionament

manual i retorn manual

2

1 3

Exercici Designa las següents vàlvules:

2

1 3

4 2

1 3

Solució 1: Vàlvula 3/2 d’accionament manual i retorn per molla.

Solució 2: Vàlvula 4/3 d'accionament manual i retorn per polsador amb enclavament.

Solució 3: Vàlvula 5/2 d’accionament per pedal i retorn per molla.

4 2

51

31

Components - Vàlvules

Componentes - Válvulas

21

3

Funcionament d’una vàlvula 3/2

Components - Vàlvules

4

2

5

13

Funcionamient d’una vàlvula 5/2

1

Components - Vàlvules Vàlvula antiretorn:

Permet el pas de l’aire lliurament quan circula des del terminal 2 al 1, i ho impedeix en sentit contrari.

2 1

Símbol de la vàlvula

antiretorn

Components - Vàlvules Vàlvula reguladora de flux unidireccional:

Regula el cabal d’aire comprimit que passa en un sentit de circulació, mentre que en l’altre sentit el deixa passar lliurament.

Vàlvula reguladora

unidireccional

2

1 3

2

1 3

50%

Components - Vàlvules Vàlvula lògica “AND”:

Aquest tipus de vàlvula disposa de dues entrades i una sortida. L’aire podrà circular cap a la sortida només si les dues entrades reben simultàniament aire a pressió. També és coneguda com vàlvula de simultaneïtat.

2

1 3

2

1 3

1 12

Símbol de la vàlvula AND

1 12

Components - Vàlvules Vàlvula lògica “OR”:

Disposa de dues entrades i una sortida. L’aire podrà circular cap a la sortida si una de les entrades rep alimentació de pressió. També és coneguda com vàlvula selectora.

2

1 3

2

1 3

1 12

Símbol de la vàlvula OR

1 12

SimbologiaVàlvules distribuïdores

Símbol Descripció

Vàlvula 3/2 NC

Vàlvula 4/2

Vàlvula 5/2

Vàlvula 5/3 NC

Vàlvula 5/3 en posició d’escapament

SimbologiaVàlvules de control

Símbol Descripció

Vàlvula antiretorn

Vàlvula reguladora de flux unidireccional

Vàlvula AND

Vàlvula OR

Exercici Copia al teu quadern els següents circuits, anomena cada un

dels seus elements, explica el seu funcionament i cerca una aplicació pràctica.

2

1 3

2

1 350

%2

1 3

2

1 3

1 12

Simulació – Circuits neumàtics Utilitzarem el programa fluidsim per circuits neumàtics,

la versió de demostració és gratuïta i la podeu trobar aquí:

Enllaç a la pàgina de fluidsim

Segunda parte: HIDRÁULICA

Avantatges de la oleohidràulica Permet treballar amb forces més grans que la

neumàtica. L’oli utilitzat al circuit es recupera fàcilment. La velocitat d’actuació és fàcilment controlable. Les instal·lacions són compactes. Protecció simple davant sobrecarregues. Poden realitzar-se canvis ràpids de sentit.

Desavantatges de la oleohidràulica El fluid es més car.

El fluid es molt sensible a la contaminació.

Es produeixen pèrdues de càrrega por fregament.

És necessari personal especialitzat pel seu manteniment.

Circuits hidràulics

F1/S1 = P = F2/S2 Es decir: si sobre el pistón de

poca superficie aplicamos una fuerza pequeña, ésta se transmite al pistón de superficie grande, amplificada.

Pero aunque la fuerza se amplifique, no sucede lo mismo con la energía, que se conserva.

Principis físics Principi de Pascal: Cuando se aplica presión a un fluido

incompresible encerrado en un recipiente, esta presión se transmite instantáneamente y por igual a todo el fluido.

Principios físicos Principio de Bernoulli o Ley de Continuidad: El caudal de

un fluido incompresible se mantiene constante en los circuitos hidráulicos en serie.

Por otro lado cuando la velocidad del fluido aumenta, disminuye la presión (efecto Venturi).

Q1 = Q2 = cte.

A1 * v1 = A2 * v2Como A1 >

A2, entonces v2 > v1

Q = caudalA = sección del tubov = velocidad del fluido

v2 > v1

P2 < P1

Simbología – Comparación con neumática

Bombas, compresores y motoresSímbolo Descripción

Compresor para aire comprimidoBomba hidráulica de flujo unidireccionalDepósito neumáticoDepósito hidráulicoMotor neumático 1 sentido de giroMotor neumático 2 sentidos de giroCilindro basculante 2 sentidos de giroMotor hidráulico 1 sentido de giroMotor hidráulico 2 sentidos de giro

Simulación – Circuitos hidráulicos Utilizaremos el programa fluidsim para circuitos hidráulicos,

cuya versión de demostración, gratuita, podéis encontrar aquí:

Enlace a la página de fluidsim