TEMA 9. AUTOMATISMOS OLOEHIDRÁULICOS 9.… · mgh 1 + p 1S1l1 + ½ mv 1 2 = mgh 2 + p 2S2l2 + ½...

Tecnología Industrial II, 2º BACTema 9. Automatismos oleohidráulicos

TEMA 9. AUTOMATISMOS OLOEHIDRÁULICOS

1. INTRODUCCIÓN............................................................................................................................22. PRENSA HIDRÁULICA. PRINCIPIO DE PASCAL.....................................................................23. LEY DE CONTINUIDAD...............................................................................................................34. TEOREMA DE BERNOULLI. ENERGÍA HIDRÁULICA ...........................................................35. CIRCUITOS OLEOHIDRÁULICOS: ELEMENTOS....................................................................3

A) Grupo de accionamiento............................................................................................................3B) Elementos de transporte..............................................................................................................4C) Elementos de regulación y control: válvulas..............................................................................4D) Elementos de trabajo..................................................................................................................5

6. CIRCUITOS OLEOHIDRÁULICOS CARACTERÍSTICOS.........................................................5A) Mando de un cilindro de simple efecto......................................................................................5B) Mando de un cilindro de doble efecto mediante válvula 4/2......................................................6C) Mando de un cilindro de doble efecto mediante una válvula 4/3...............................................7

7. NEUMÁTICA E HIDRÁULICA: SEMEJANZAS Y DIFERENCIAS, VENTAJAS E INCOVENIENTES..............................................................................................................................7

A) Semejanzas y diferencias entre las instalaciones neumáticas e hidráulicas...............................7B) Ventajas de las instalaciones hidráulicas sobre las instalaciones neumáticas.............................7C) Inconvenientes de las instalaciones hidráulicas sobre las neumáticas........................................7D) Ejemplos de aplicación...............................................................................................................8


1. INTRODUCCIÓN En la automatización neumática se trabaja con un fluido compresible, el aire, como medio detransportar energía y producir trabajo. Ahora, en la automatización oleohidráulica, el fluido es elaceite hidráulico, que se considera incompresible. Esta propiedad, junto con la necesidad de uncircuito de retorno para recoger el aceite una vez utilizado, marcan parte de las diferencias con losautomatismos neumáticos.2. PRENSA HIDRÁULICA. PRINCIPIO DE PASCAL El principio de Pascal se enuncia del siguiente modo: “ La presión aplicada en un punto de un líquido se transmite de manera instantánea y con la mismaintensidad en todas las direcciones” Este principio es de extraordinaria utilidad en los sistemas oleohidráulicos. Como la presión sedefine como la fuerza por unidad de superficie, cuanto mayor sea la superficie sobre la que actúa lapresión de un líquido, mayor será la fuerza resultante. Así, si ejercemos una fuerza FA sobre un líquido por medio de un émbolo de superficie SA ,obtendremos una determinada presión P. Como la presión P se transmite a toda la masa del líquido, la fuerza FB que se obtendrá en elémbolo de superficie SB será notablemente mayor. El valor de esta fuerza puede deducirse a a partirdel concepto de presión:

Estas ecuaciones son el fundamento de la prensa hidráulica. Ahora bien, el desplazamiento delémbolo de menor diámetro debe ser superior al del émbolo de mayor superficie, por lo quenormalmente se debe disponer de un depósito auxiliar para desplazar el émbolo mayor con variasemboladas o carreras del menor. Para calcular el número de emboladas o carreras, se tiene en cuentaque los volúmenes de líquido que salen del cilindro menor han de ser iguales al volumen que llegaal mayor.Ejemplo. Un cilindro de prensa tiene una sección de 2,5cm2 y una carrera de 7cm. Se ejerce sobre él unafuerza de 50N; se quiere determinar cuál será la fuerza resultante sobre el otro cilindro, que tiene150cm2, así como el número de emboladas precisas para que se produzca un desplazamiento de10cm.Aplicamos las ecuaciones estudiadas:

El volumen de aceite bombeado por ambos cilindros debe ser el mismo, aunque el de menorsección lo realiza con un número n de emboladas que se calcula:


3. LEY DE CONTINUIDAD (ley de conservación de la masa) El aceite es un líquido incompresible y, por tanto, con densidad constante, de tal forma que si poruna conducción con diferentes secciones circula de forma continua nuestro líquido, por cada tramode conducción pasará el mismo volumen por unidad de tiempo, es decir, será igual el caudal enambas secciones (si no existen fuentes de líquido o sumideros). O, lo que es lo mismo, lasvelocidades y las secciones son inversamente proporcionales.

Q1 = Q2 → S1 . v1 = S2 . v2

4. TEOREMA DE BERNOULLI. ENERGÍA HIDRÁULICA (ley de conservación de la energía) El teorema de Bernoulli describe el comportamiento de un líquido moviéndose a través de unatubería y expresa que la energía que posee el fluido permanece constante a lo largo de surecorrido . La energía del fluido consta de tres componentes:

• Cinética: debido a la velocidad que posee. Su valor ½.mv2

• Potencial: debida a la altitud. Su valor mgh• Energía hidrostática: debido a la presión que posee. Su valor p.V (presión por volumen)

Entonces, si la energía del fluido permanece constante:mgh1 + p1S1l1 + ½ mv12 = mgh2 + p2S2l2 + ½ mv22

Considerando que S.l representa el volumen, que ha de ser igual en las dos zonas, y que m=d.V,dividiendo entre V la ecuación anterior:

dgh1 + p1 + ½ dV12 = dgh2 + p2 + ½ dV2

2

Si la conducción es horizontal h1=h2 , entonces: p1 + ½ dV1

2 = p2 + ½ dV22

que indica que si disminuye la velocidad debe aumentar la presión para que la igualdad semantenga.

Nota: La ley de continuidad y el teorema de Bernoulli, tal y como se han estudiado corresponden afluidos ideales, es decir, no viscosos e incompresible (densisdad constante) y que están sometidos aflujos laminares o estables. Un flujo laminar se caracteriza por una trayectoria lineal del fluido(las líneas de flujo no se cruzan), es decir, no hay remolinos ni turbulencias, y por una velocidadconstante (sino hay variación de sección)

5. CIRCUITOS OLEOHIDRÁULICOS: ELEMENTOS Los circuitos oleohidráulicos están formados por una serie de elementos que utilizan el aceitecomo agente de transporte y con los que se pueden obtener energía mecánica, es decir, trabajo útil.


Los elementos básicos de un circuito oleohidráulico son: grupo de accionamiento (motor másbomba), elementos de transporte (tuberías), válvulas distribuidoras, elementos de trabajo oactuadores (cilindros o motores).

A) Grupo de accionamiento El grupo de accionamiento o unidad hidráulica, que produce la presión necesaria para el

funcionamiento de los elementos de trabajo, está constituida por: bomba, motor eléctrico, depósitoy válvula reguladora de presión.

• El motor eléctrico acciona la bomba, pemitiendo el giro de ésta. • La bomba, accionada por un motor eléctrico, se encarga de absorber aceite del depósito e

impulsarlo a una presión y caudal determinados hacia las conducciones y los elementos detrabajo. En este sentido, realiza una función análoga al compresor en los circuitosneumáticos.

• La válvula reguladora de presión está situada a continuación de la bomba y dispone de unmanómetro. Cuando se sobrepasa la presión adecuada del aceite, la válvula abre unadescarga de aceite al depósito, con lo que la presión disminuye.

• En el grupo de accionamiento también se incluye un filtro que tiene como misión eliminarlas partículas sólidas.

B) Elementos de transporte Los elementos de transporte, tuberías y racores, se encargan de la conducción del fluido hasta ellugar de consumo. C) Elementos de regulación y control: válvulas Se distinguen, al igual que en neumática, dos tipos de válvulas: distribuidoras, que permitengobernar los elementos de trabajo, y válvulas denominadas genéricamente de bloqueo dondeencontramos válvulas antirretorno, selectora, simulataneidad, reguladoras de caudal y reguladorasde presión.Válvulas distribuidorasLas válvulas distribuidoras oleohidráulicas controlan el paso del aceite y permiten gobernar loselementos de trabajo. La representación de estas válvulas es similar a la indicada para las neumáticas, aunque con algunasdiferencias que vamos a ver.

• La simbología es idéntica a la empleada en las válvulas neumáticas. Se utilizan dos cifras:


la primera corresponde al número de orificios o vías; y la segunda, al número de posiciones.Para representarlas simbólicamente se emplean tantos cuadros como posiciones de trabajoposee la válvula.La única diferencia con las neumáticas es que, en las válvulas oleohidráulicas de dosposiciones, el cuadro de la izquierda representa la posición de reposo.

• Las conexiones de los orificios se indican de forma distinta a como se hace en neumática, yaque, en la oleohidráulicas, se trata de entrada y salida de aceite.

• El sentido de circulación del aceite, como en las válvulas neumáticas, se señala medianteflechas.

• Los órganos de mando (accionamiento) se representan en la posición contraria a la queocupan en las válvulas neumáticas: el órgano de mando (pulsador, rodillo, …) se sitúa a laderecha y el de retorno a la izquierda.

• Para el pilotaje de válvulas distribuidoras la punta de la flecha se dibuja rellena. Enneumática se dibuja hueca.

• En oleohidráulica es más común el uso de válvulas de 3 posiciones. Estas válvulas poseenuna posición intermedia en la que el aceite es devuelto directamente al depósito y las vías detrabajo están cerradas.

D) Elementos de trabajo Los elementos de trabajo transforman la energía contenida en el aceite a presión en trabajo útil.Según el tipo de movimiento que realizan se distinguen los cilindros y los motores oleohidráulicos. Cilindros oleohidráulicos: el funcionamiento, elementos y simbología son iguales a los de loscircuitos neumáticos. Distinguiéndose también cilindros de simple efecto (solo realizan trabajo ensu carrera de avance; se emplean para levantar, sujetar, expulsar, etc.) y cilindros de doble efecto(realizan trabajo en las dos carreras, la de avance y la de retroceso).Motores oleohidráulicos: convierten la energía oleohidráulica en energía mecánica de rotación,entregando un par motor en el eje de salida. Su funcionamiento es, en cierto modo, inverso al de lasbombas. Los motores hidráulicos se emplean para accionar vehículos de todo tipo, comoaccionamiento de rodillos en plantas siderúrgicas y de laminado, como elementos de accionamientopara toda clase de movimientos de rotación en la construcción naval, etc.


Existen muchos tipos diferente de motores, los más empleados son: de paletas, de engranajes y depistones. 6. CIRCUITOS OLEOHIDRÁULICOS CARACTERÍSTICOSA) Mando de un cilindro de simple efecto

El grupo de accionamiento suministra el caudal de líquido a presión. Para que la presión en elsistema, que puede leerse en un manómetro no sobrepase un cierto valor admisible, se monta unaválvula limitadora de presión. Para llevar a cabo el mando del cilindro de simple efecto se intercalauna válvula distribuidora 3/2 (cerrada en la posición de reposo, a). Al accionar esta válvula se abreel paso de P a A (posición b) y el émbolo de trabajo se desplaza hasta alcanzar su posición final.Para volver a la posición inicial, la válvula distribuidora se conmuta a la posición a, lo que traecomo consecuencia que el émbolo descienda por la acción de la pesa m. De esta manera, el líquidoa presión sale del cilindro y regresa al depósito a través de A-T. Si el cilindro estuviese provisto deun muelle de recuperación, éste actuaría en sustitución de la pesa.B) Mando de un cilindro de doble efecto mediante válvula 4/2


Al accionar la válvula distribuidora 4/2, se abre el paso de P a B, y el émbolo se desplaza hasta suposición final, saliendo el vástago hacia el exterior. Simultáneamente, el líquido a presión que seencuentra en el lado del vástago es empujado por el pistón y sale del cilindro, regresando aldepósito a través de A-T. Cuando la válvula distribuidora se conmuta a la posición de reposo, seabre el paso de P a A; el émbolo de trabajo se desplaza en sentido contrario al anterior, penetrandoel vástago en el interior del cilindro. De esta manera, el líquido a presión que existe en el lado delémbolo se descarga al depósito a través de B a T.C) Mando de un cilindro de doble efecto mediante una válvula 4/3

Un cilindro de doble efecto también se puede pilotar por medio de una válvula 4/3. Cuando laválvula se encuentra en la posición media, el líquido puede pasar sin obstáculo alguno al depósito,las vías A y B están cerrados. Al conmutar la válvula a la posición de avance (a), se abre el paso deP a A y de B a T, y el vástago del émbolo del cilindro sale. Si la válvula se conmuta a la posición deretorno (b), se abre el paso de P a B y de A a T, y el vástago del émbolo entra. Si en el transcurso delmovimiento de avance la válvula se conmuta a la posición media, el émbolo se detiene y no puedemoverse aplicando fuerza exterior. 7. NEUMÁTICA E HIDRÁULICA: SEMEJANZAS Y DIFERENCIAS, VENTAJAS EINCOVENIENTES.A) Semejanzas y diferencias entre las instalaciones neumáticas e hidráulicas .Las principales diferencias vienen marcadas por la naturaleza de los fluidos:

• Aceite o similares, prácticamente incompresibles, en las instalaciones hidráulicas.• Aire comprimido en las instalaciones neumáticas.

Por eso, si comparamos ambas instalaciones, las mayores diferencias, se encuentran en loselementos generadores de energía, por las características de los fluidos:

• Compresores, en las instalaciones neumáticas.• Bombas, en las instalaciones oleohidráulicas.

Por lo demás, ambas instalaciones son muy similares. En las dos se emplean el mismo tipo deelementos de trabajo, y de válvulas (distribuidoras y reguladoras de caudal). Si bien, en lasinstalaciones hidráulicas es más común el uso de válvulas distribuidores de 3 posiciones, siendo lasválvulas usadas en neumática comunmente de dos posiciones. Además, un mismo proceso se puederesolver mediante cualquiera de las dos instalaciones.


B) Ventajas de las instalaciones hidráulicas sobre las instalaciones neumáticas .• Se consiguen fuerzas más elevadas.• Mejor control del movimiento del actuador: control exacto de velocidad y de parada (esto es

debido a que el fluido es incompresible).• Son más silenciosas.• Con una válvula limitadora de presión se protege al circuito de cualquier sobrecarga.

C) Inconvenientes de las instalaciones hidráulicas sobre las neumáticas .• El aceite cuesta dinero y es preciso cambiarlo, ya que se deteriora con el uso.• La instalación es más costosa y voluminosa.• Las pérdidas de presión son mayores.

D) Ejemplos de aplicación .• Neumática: estampador de sellos, apertura y cierre de puertas en trenes y auttobuse;

herramientas: taladros, martillos, pistolas de pintor, …; construcción de automóviles:sujección de piezas, de extracción,...

• Oleohidráulica: prensa hidráulica, grúas y brazos robotizados, excavadoras y perforadorasde túneles...

Cuestiones (Justifica la respuesta en un máximo de dos líneas)

1. La energía puesta en juego en una instalación de automatización oleohidráulica provienefundamentalmente de:a) La altura desde la que cae el aceite.b) La velocidad con la que circula el

aceite.

c) La presión que suministra el grupohidráulico.

d) En realidad de todas igualmente. 2. El cilindro de una prensa tiene cuatro veces más diámetro que el pequeño. La presión que

soporta el fluido de la prensa es:a) 4 veces la presión que soporta el fluido próximo al pequeño.b) 16 veces la presión que soporta el fluido próximo al pequeño.c) Igual en todo el líquido.d) 10 veces la presión que soporta el fluido próximo al pequeño.

3. El cilindro mayor de una prensa que tiene cuatro veces más diámetro que el pequeño. Lafuerza que puede hacer es:a) 4 veces la aplicada en el pequeño.b) 16 veces la aplicada en el pequeño.

c) Igual que la aplicada en el pequeño.d) 10 veces la aplicada en el pequeño.

4. Las válvulas distribuidora se emplean para:a) Cerrar el paso del aceite.b) Permitir que el aceite cambie de conducción.c) Aumentar la presión a la que circula el aceite.d) Que el aceite entre en el elemento de trabajo.

5. Las válvulas reguladoras se emplean para:a) Cambiar el sentido de circulación del aceite.b) Permitir el paso del régimen laminar al turbulento.c) Permitir variar al caudal o la presión del aceite, según el modelo.d) Abrir el paso del aceite.

6. Un cilindro hidráulico de doble efecto realiza una fuerza en la carrera de retroceso:a) Igual a la de la carrera de avance.b) Depende del diámetro del vástago.c) Mayor a la de la carrera de avance.d) En la carrera de retroceso no se puede realizar una fuerza aprovechable.


Problemas1. Los radios de los émbolos de una prensa hidráulica son 10cm y 50cm, respectivamente.

¿Con qué fuerza actuará el émbolo mayor si le aplicamos al menor 30kp? (Sol. 7350N)2. Una prensa hidráulica dispone de dos cilindros, uno grande de 5cm de diámetro y otro

pequeño de 8mm. ¿Qué fuerza se ejercerá sobre el émbolo grande si sobre el menor actúauna fuerza 20kp? (Sol. 7656,25N)

3. ¿Hasta qué altura puede elevar un aceite hidráulico de densidad 0,9kg/dm3 una bombahidráulica que suministra una presión máxima de 40bar? Si la distancia media ente pisos deun edificio es de 3m, ¿hasta cuántos pisos se puede elevar la bomba anterior si impulsaseagua? (Sol. 454m; 136 pisos)

4. Por una conducción cuyo diámetro mide 30mm circula un caudal de 30l/min de líquido.Determina la velocidad media de paso. ¿Cuál sería esta velocidad si el diámetro de laconducción disminuye a 10mm? Sol. 0,7m/s, 6,3m/s

5. Una tubería horizontal de agua tiene un tubo de 2m de diámetro que se reduce a un diámetrode 1m. Si el agua fluye por el tubo de diámetro grande con una rapidez de 1,5m/s, ¿cuál serála rapidez del flujo de agua en el tubo de 1m? Sol. 6m/s

6. Disponemos de un circuito hidráulico de las siguientes características: diámetro de latubería= 3/8”; velocidad del aceite hidráulico=2,5m/s, a una presión de 50bar; densidad delaceite hidráulico 0,9kg/l. Calcula:

a) El caudal que atraviesa la tubería. (Sol. 1,78. 10-4m3/s)b) La potencia absorbida, suponiendo un rendimiento del 75%. (Sol. 1187W)

7. Se dispone de un circuito hidráulico con las siguientes características: diámetro de latubería= 3/8”; velocidad del aceite hidráulico=2m/s, a una presión de 45bar; densidad delaceite hidráulico 0,9kg/l.Calcula:

a) El caudal que atraviesa la tubería. (Sol. 8,55l/min)b) La potencia absorbida, suponiendo un rendimiento del 70%. (Sol. 1,22cV)

FORMULARIO-RESUMEN• Presión en función de la densidad y la altura: p=dgh• Caudal: Q=V/t=S.v• Potencia hidráulica: P = p.Q• 1 pulgada (”) = 25,4mm• Prensa hidráulica:

• Ley de continuidad: S1 . v1 = S2 . v2

• Teorema de Bernoulli: dgh1 + p1 + ½ dV12 = dgh2 + p2 + ½ dV2

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