Accionamientos neumáticos e hidráulicos

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Tecnología Mecánica avanzada aplicada a los
automóviles de muy alta performance
Orientación Técnica Técnico Industrial
Claudio Fernández - H.C.D.S.C
Compilación y armado Sergio Pellizza
Dto. Apoyatura académica I.S.E.S
Accionamientos neumáticos e
hidráulicos
Compilación y armado Sergio Pellizza
Dto. Apoyatura académica I.S.E.S
Tipos de accionamientos
Aplicaciones
Ventajas e inconvenientes de su utilización
Teoría
Tipos de accionamientos
Accionamientos lineales
Accionamientos
rotativos
Cilindro de simple efecto
Movimiento continuo
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Cilindro de doble efecto
Cilindros especiales
Movimiento discreto
Cilindro de simple
efecto
Dispone de una entrada de aire para producir una carrera de trabajo en un sentido

Con recuperación por fuerza no definida (Figura 1: elevación hidráulica de tractor
agrícola)

Con recuperación por resortes
o
Resortes exteriores (Figura 2: gato hidráulico)
o
Resortes interiores (Figura 3: transmisión "power shift", R: resortes de
recuperación, D: discos de embrague)
Figura 1
Figura 2
Figura 3
Cilindro de doble
efecto
Dispone de dos entradas de aire para producir carreras de trabajo de salida y retroceso.

Cilindro de vástago simple (Figura 4: Cilindro con dos carreras motrices)

Cilindro de vástago doble pasante (Figura 5: Cilindro con dos carreras motrices)

Cilindro de camisa móvil y vástago fijo (Figura 6)

Cilindro diferencial (Figura 7: Cilindro con dos carreras motrices. La superficie del pistón
es igual al doble de la del vástago)
Figura 4
Figura 5
3
Figura 6
Figura 7
Ventajas e
inconvenientes

HIDRÁULICA
Ventajas
o
o

Inconvenientes
Consiguen fuerzas estáticas
elevadas con relativamente poco espacio
La conversión de energía es
mediante mecanismos mecánicos, por
tanto, no existen problemas eléctricos
o
Existe un amplio rango de
potencias
o
La incompresibilidad del aceite
lo hace ideal para mantener posiciones
de presión durante tiempos elevados
o
Son accionamientos caros
o
Son pesados porque tienen
sistemas mecánicos rígidos para poder
aportar fuerzas elevadas
o
Son sensibles a la suciedad.
Pueden dar problemas de
mantenimiento, por gripaje de los
vástagos
o
Necesitan muchas medidas
de seguridad por las fuerzas elevadas
con las que trabajan
NEUMÁTICA
Ventajas
o
o
Su instalación es
fácil de realizar y
económica
El fluido que se
maneja es gratuito y las
posibles fugas no suponen
ningún problema grave
Inconvenientes
o
o
No se alcanzan presiones tan elevadas
Normalmente se descuida el
mantenimiento (por no necesitarlo en exceso) y la
instalación acaba fallando porque se alcanzan
frecuencias muy elevadas y la vida de las válvulas y
de los cilindros está limitada
Teoría
Los accionamientos neumáticos e hidráulicos se emplean fundamentalmente para accionamientos lineales,
aunque, como se vio, existen también motores.
Los sistemas hidráulicos permiten un mejor control de la posición y la velocidad del accionamiento que los
neumáticos, debido a la incompresibilidad del fluido. En el caso de los accionamientos neumáticos lo más
importante del accionamientos es el mando (paso de una posición a la otra), siendo difícil la regulación de la
posición y velocidad.
En ambos casos la velocidad de desplazamiento es directamente proporcional al caudal entrante al cilindro.
En efecto:
En el caso de los accionamientos neumáticos la expresión no es del todo correcta pues
, por lo que
en la fase transitoria inicial no será válido lo anterior. Esto hace además que el tiempo de respuesta no sea tan
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rápido como en los sistemas hidráulicos. Sin embargo, una vez el pistón empieza a desplazarse la variación de
la densidad es despreciable, por lo que la velocidad, es también proporcional al caudal entrante.
La velocidad del pistón es controlable: por tanto regulando el caudal entrante al cilindro o saliente, mediante
una válvula de estrangulación. Sin embargo, el caudal entrante o saliente no depende sólo de la posición de la
válvula de estrangulación, sino también de la carga pues debe cumplirse:
Con lo cual, como una de las presiones Pi o Pd será fija (Pi=Pe con estrangulación en la salida, Pd=Ps con
estrangulación en la entrada), la otra dependerá de la carga F y por tanto el valor de F afectará al caudal
circulante.

Escape estrangulado
Si la carga es constante: Cuando se conmuta alimentando Pi=Pe (presión alimentación) y en el
instante inicial Pd=Pe pues estaba a presión. El pistón empezará a moverse cuando Pd=Pe-F/a y el
caudal saliente dependerá de la relación Pd/Ps=(Pe-F/a)/Ps.
Dicho caudal puede calcularse empleando la Ec. de Saint-Vanante para flujo compresible:

Si se varía la carga F cambiará la relación Pd/Ps y por tanto también lo hará el caudal, a no ser que se
esté en la zona de flujo crítico, en cuyo caso no variará el caudal ni la velocidad.

Admisión estrangulada
Al alimentar con la presión Pe a la izquierda tenemos que Pi será inicialmente inferior a Pe por la
estrangulación y Pd=Ps. El pistón empezará a moverse cuando Pi, que va creciendo sea: Pi=Ps+F/A
y el caudal entrante dependerá de la relación Pi/Pe=(Ps+F/A)/Pe.
Si se varía la carga cambiará la relación Pi/Pe y por tanto el caudal, a no ser que se esté funcionando
en la zona de flujo crítico.
Sin embargo hay que señalar que en este caso será menos normal esta situación (flujo crítico). En
efecto, como ejemplo supongamos F/A=4 bar, Pe=7bar, Ps=1 bar.
Para estrangulación en la salida la relación crítica da Pdcri=Ps/0.528=1.89, pero Pd=Pe-F/A=3, luego
se trabaja en zona crítica.
Para estrangulación en la entrada la relación crítica da Picri=Pe·0.528=3.7, pero Pi=Pd+F/A=5, luego
se trabaja en zona subcrítica.
Como conclusión, para una mejor regulación de la velocidad independientemente de la carga se usa
estrangulación en el escape de forma que se mantenga siempre una presión Pd superior a los 2 bar.
En el caso de cilindros de simple efecto el muelle activa modificando la carga por lo que la regulación para
conseguir velocidad constante es más difícil.
Una opción para conseguir velocidades más controladas es el uso de una regulación hidroneumática. Para ello
se acopla un cilindro hidráulico de freno en paralelo al neumático.
En cuanto a la regulación de las posiciones límite, el recorrido del pistón puede variarse usando topes
ajustables que impidan una carrera completa o bien fines de carrera que marcan la posición límite, dando la
orden correspondiente para detener el pistón.