Tecnologa Autor: Antonio Bueno

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Autor: Antonio Bueno Juan

Unidad didctica: Neumtica e hidrulica

CURSO 4 ESO versin 1.0

Tecnologa Autor: Antonio Bueno

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NDICE 1.- Introduccin. 2.- Historia. 3.- Propiedades de los fluidos, principios bsicos.

3.1.- El aire comprimido. 3.1.1.- Fundamentos fsicos.

3.2.- Fluidos hidrulicos. 4.- Smbolos bsicos. 5.- Elementos bsicos de un circuito neumtico.

5.1.- Produccin y distribucin del aire comprimido. 5.2.- Elementos de trabajo: actuadores. 5.3.- Elementos de mando: vlvulas.

6.- Diseo de circuitos neumticos. 7.- Aplicaciones bsicas. 8.- Simulacin de circuitos neumticos. 9.- Actividades. 1.- Introduccin. Los sistemas neumticos e hidrulicos se encuentran difundidos por todos los mbitos, riego de campos, instalaciones de agua potable y de desechos, en los vehculos autopropulsados utilizados en el transporte, aire acondicionado, etc. Sin embargo es en la industria donde nos interesa conocer cual ha sido su implantacin. 2.- Historia. El fluido que utiliza la neumtica es el aire comprimido, y es una de las formas de energa ms antiguas utilizadas por el hombre. Su utilizacin se remonta al Neoltico, cuando aparecieron los primeros fuelles de mano, para avivar el fuego de fundiciones o para airear minas de extraccin de minerales.

Catapulta de aire comprimido

Hasta el siglo XVII, la utilizacin del aire a presin como energa, se realiza en algunas mquinas y mecanismos, como la catapulta de aire comprimido del griego KTESIBIOS, o la descripcin en el siglo I de diversos mecanismos que son accionados por aire caliente. A partir del siglo XVII, se comienza el estudio sistemtico de los gases, y con ello, comienza el desarrollo tecnolgico de las diferentes aplicaciones del aire comprimido.

Primera mquina neumtica de Robert Boyle

En el siglo XVIII se construye el primer compresor alternativo, en el XIX, se utiliza como fuente energtica para perforadoras de percusin,

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sistemas de correos, frenos de trenes, ascensores, etc.. A finales del siglo XIX, se deja de desarrollar debido a la competencia de otros tipos de energa (mquinas de vapor, motores y electricidad). A finales de la Segunda Guerra Mundial, reaparece de nuevo la utilizacin a gran escala del aire comprimido como fuente de energa, debido, sobre todo, a las nuevas exigencias de automatizacin y racionalizacin del trabajo en las industrias. Estando hoy en da ampliamente implantado en todo tipo de industrias. Por otra parte el fluido que se utiliza en la hidrulica es el agua. La utilizacin del agua data de muy antiguo. Se conocen obras riego que ya existan en la antigua Mesopotmica. En Nipur (Babilonia) existan colectores de agua negras, desde 37510 AC.

Rueda hidrulica

En Egipto tambin se realizaron grandes obras de riego, 25 siglos AC. El primer sistema de abastecimiento de agua estaba en Asira ao 691 AC. El tratado sobre el cuerpo flotante de Arqumedes y algunos principios de Hidrosttica datan de 250 AC. La bomba de Pitn fue concebida 200 AC. Los grandes acueductos romanos empiezan a construirse por todo el imperio a partir del 312 AC.

En el siglo XVI, la atencin de los filsofos se centra en los proyectos de fuentes de agua monumentales. Contribuyen en este sentido Leonardo Da vinci, Galileo, Torricelles, y Bernoulli.

Hidrulica ilustrada

A Euler se deben las primeras ecuaciones para el movimiento de fluidos. En el siglo XIX, con el desarrollo de tubos de hierro fundido, capaces de resistir presiones internas elevadas, la hidrulica tuvo un desarrollo rpido y acentuado. Sin embargo hoy en da se utiliza el aceite en buena parte de aplicaciones industriales, ya que produce menor corrosin sobre los conductos y adems se puede utilizar como refrigerante. Las aplicaciones son muy variadas. En el transporte: excavadoras, tractores, gras, en frenos, suspensiones, etc. En la industria, para controlar, impulsar, posicionar, y mecanizar elementos propios de la lnea de produccin. 3.- Propiedades de los fluidos, principios bsicos. Algunas magnitudes que definen a los fluidos son la presin, el caudal y la potencia. Presin: se define como la relacin entre la fuerza ejercida sobre la superficie de un cuerpo.

Presin = Fuerza / Superficie

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Las unidades que se utilizan para la presin son:

1 atmsfera 1 bar = 1 kg/cm2 = 105 pascal Caudal: es la cantidad de fluido que atraviesa la unidad de superficie en la unidad de tiempo.

Caudal = Volumen / tiempo Potencia: es la presin que ejercemos multiplicada por el caudal.

W(potencia) = Presin * Caudal 3.1.- El aire comprimido. El aire comprimido que se emplea en la industria procede del exterior. Se comprime hasta alcanzar una presin de unos 6 bares de presin, con respecto a la atmosfrica (presin relativa).

Presin absoluta = P. atmosfrica + P. relativa

Presin absoluta, relativa y atmosfrica

Los manmetros indican el valor de presin relativa que estamos utilizando. Para su estudio se considera como un gas perfecto. Las ventajas que podemos destacar del aire comprimido son: - Es abundante (disponible de manera ilimitada). - Transportable (fcilmente transportable, adems los conductos de retorno son innecesarios). - Se puede almacenar (permite el almacenamiento en depsitos). - Resistente a las variaciones de temperatura. - Es seguro, antideflagrante (no existe peligro de explosin ni incendio). - Limpio (lo que es importante para industrias como las qumicas, alimentarias, textiles, etc.). - Los elementos que constituyen un sistema neumtico, son simples y de fcil comprensin). - La velocidad de trabajo es alta. - Tanto la velocidad como las fuerzas son regulables de una manera continua.

- Aguanta bien las sobrecargas (no existen riesgos de sobrecarga, ya que cuando sta existe, el elemento de trabajo simplemente para sin dao alguno). Las mayores desventajas que posee frente a otros tipos de fuente de energa, son: - Necesita de preparacin antes de su utilizacin (eliminacin de impurezas y humedad). - Debido a la compresibilidad del aire, no permite velocidades de los elementos de trabajo regulares y constantes. - Los esfuerzos de trabajo son limitados (de 20 a 30000 N). - Es ruidoso, debido a los escapes de aire despus de su utilizacin. - Es costoso. Es una energa cara, que en cierto punto es compensada por el buen rendimiento y la facilidad de implantacin. La composicin aproximada en volumen es: N2=> 78,084%; O2=> 20,9476%; CO2 => 0,0314%; Ne => 0,00181%; He => 0,000524%; CH4 => 0,0002%; SH4 => de 0 a 0,0001%; H2 => 0,00005% y una serie de componentes minoritarios (Kr, Xe, O3) => 0,0002%. 3.1.1.- Fundamentos fsicos. Las relaciones matemticas utilizadas para presiones del aire inferior a los 12 bares, son las correspondientes a las de los gases perfectos. La ley de los gases perfectos relaciona tres magnitudes, presin (P), volumen (V) y temperatura (T), mediante la siguiente frmula:

P * V =m * R * T Donde : P = presin (N/m2). V = volumen especifico (m3/kg) . m = masa (kg). R = constante del aire (R = 286,9 J/kg*k). T = temperatura (k) Las tres magnitudes pueden variar. - Si mantenemos constante la temperatura tenemos:

P * V = cte. Luego en dos estados distintos tendremos:

P1 * V1 = P2 * V2

P1 / P2 = V2 /V1

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De manera que cuando modificamos la presin de un recipiente que contiene aire comprimido, se ve modificado el volumen y a la inversa si modificamos su volumen se ve modificada la presin a la que se encuentra, a esta ley se la conoce como ley de Boyle-Mariotte.

Ley de Boyle-Mariotte

- Si ahora mantenemos la presin constante tenemos.

V/T = cte. Luego en dos estados distintos tendremos:

V1/T1 = V2/T2 Ahora cuando modificamos el volumen se ve modificada la temperatura y a la inversa una variacin de la temperatura hace que vare el volumen, a esta ley se la conoce como ley de Gay-Lussac. - Si ahora mantenemos el volumen constante tenemos.

P/T = cte. Luego en dos estados distintos tendremos:

P1/T1 = P2/T2 En este caso cuando modificamos la presin se ve modificada la temperatura y a la inversa una variacin de la temperatura hace que vare la presin, y esta es la ley de Charles. Por ejemplo: Si tenemos una jeringuilla que contiene 0,02 m3 de aire comprimido a presin 1 atmsfera, cul ser el volumen que ocupa dicho aire si sometemos dicha jeringuilla a una presin de 2 atmsferas?

2211 VPVP =

33

2

112 01,02

02,01 matm

matmPVP

V ==

=

3.2.- Fluidos hidrulicos. Cuando el fluido que utilizamos no es el aire, si no un lquido que no se puede comprimir, agua, aceite, u otro. Los fundamentos fsicos de los gases se cumplen considerando el volumen constante. Una consecuencia directa de estos fundamentos es el Principio de Pascal, que dice as: Cuando se aplica presin a un fluido encerrado en un recipiente, esta presin se transmite instantneamente y por igual en todas direcciones del fluido.

Principio de Pascal

Como aplicacin podemos ver como dos pistones unidos mediante un fluido encerrado, si le aplicamos una fuerza (F1) a uno de ellos, se transmite la presin hasta el otro, y produce una fuerza (F2) en el segundo. Las ecuaciones que rigen este principio son:

P = F1/S1 y P = F2/S2 Donde: P = presin, F = fuerza, S = superficie. Por lo que podemos poner

F1/S1 =F2/S2 otra forma de expresarlo es:

F1*S2 = F2 * S1 Nos dice que en un pistn de superficie pequea cuando aplicamos fuerza, esta se transmite al pistn de superf