Neumática e hidráulica
Cuando hace falta empujar, sujetar o mover algo con fuerza, la energía casi nunca viaja en forma eléctrica hasta el final: se convierte en aire comprimido o en aceite a presión. El automatismo eléctrico sólo abre y cierra las válvulas.
01El aire comprimido
| Etapa | Qué hace |
|---|---|
| Compresor | Toma aire de la atmósfera y lo comprime, típicamente a 8 bar para distribuir y usar a 6 bar. |
| Enfriador y depósito | Baja la temperatura, condensa buena parte de la humedad y amortigua los picos de demanda. |
| Secador | Quita la humedad restante. Sin él, el agua llega a los cilindros y arruina juntas y válvulas. |
| Red de distribución | Cañería con pendiente y purgas en los puntos bajos. Las derivaciones salen por arriba del caño, para que el condensado no baje con el aire. |
| Unidad de mantenimiento | Filtro, regulador y, si corresponde, lubricador. Es lo que hay inmediatamente antes de cada máquina. |
Producirlo tiene un rendimiento bajísimo: la mayor parte de la energía eléctrica del compresor se va en calor. Por eso una fuga no es un detalle. Un agujero de 3 mm a 6 bar deja escapar del orden de 500 litros por minuto, y ese caudal se paga en electricidad las veinticuatro horas, esté la máquina trabajando o no. Buscar y reparar fugas es de las tareas de mantenimiento que más rápido se pagan solas.
02Cilindros y fuerza
Cilindro de doble efecto, émbolo de 50 mm, vástago de 20 mm, presión de trabajo 6 bar (6 × 10⁵ Pa).
- Área de avance: π × 0,050²/4 = 1963 mm² = 1,963 × 10⁻³ m².
- Fuerza de avance: 6 × 10⁵ × 1,963 × 10⁻³ = 1178 N, unos 120 kgf.
- Área de retroceso: π × (0,050² − 0,020²)/4 = 1649 mm².
- Fuerza de retroceso: 6 × 10⁵ × 1,649 × 10⁻³ = 989 N, un 16 % menos.
A eso hay que restarle todavía el rozamiento, del orden del 10 %. Por eso los cilindros se dimensionan con un margen de al menos 1,5 sobre la fuerza teórica necesaria, y por eso una máquina que empuja bien en un sentido puede quedarse corta en el otro.
| Tipo de cilindro | Características |
|---|---|
| Simple efecto | El aire empuja en un sentido y un resorte devuelve. Consume menos aire y sólo necesita una válvula 3/2. Carrera corta y fuerza de retorno pequeña. |
| Doble efecto | El aire actúa en los dos sentidos. Es el más usado: fuerza controlable en ambos y carreras largas. |
| Con amortiguación | Frena el émbolo en los extremos con un estrangulamiento regulable. Sin ella, el golpe destruye el cilindro y hace un ruido característico. |
| Sin vástago | Carreras muy largas en poco espacio, con la carga acoplada magnética o mecánicamente. |
| Giratorio | Convierte la presión en giro limitado, típicamente de 90 o 180°. |
03Válvulas y mando
- El primer número son las vías —conexiones—, el segundo las posiciones.
- 3/2: tres vías y dos posiciones. Para cilindros de simple efecto y para pilotaje.
- 5/2: cinco vías y dos posiciones. La típica de un cilindro de doble efecto.
- 5/3: agrega una posición central, que puede dejar el cilindro bloqueado o libre.
- Monoestable: vuelve sola por resorte al soltar la señal. Biestable: recuerda la última posición aunque se corte la señal.
- Mando directo: el solenoide mueve la válvula. Simple, para caudales chicos.
- Mando indirecto o pilotado: el solenoide mueve una válvula chica que a su vez mueve la grande con la propia presión de red. Es lo habitual en potencia.
- Regulación de velocidad: con reguladores de caudal en el escape, no en la entrada. Estrangular la entrada da un movimiento a tirones; estrangular la salida da un avance parejo, porque el cilindro trabaja siempre contra un colchón de aire.
Es la pregunta que hay que hacerse antes de elegir la válvula. Con una monoestable, el cilindro vuelve solo a su posición de reposo: puede ser lo más seguro, o exactamente lo contrario si eso libera una pieza sujetada. Con una biestable, se queda donde estaba.
Y hay una tercera situación que se olvida: al restablecerse el aire o la energía, ningún actuador debe moverse solo. Por eso las máquinas llevan una válvula de arranque progresivo y el programa exige un rearme deliberado.
04Hidráulica
| Aspecto | Neumática | Hidráulica |
|---|---|---|
| Presión típica | 6 a 8 bar | 100 a 350 bar |
| Fuerza | Hasta unos pocos miles de newton | Decenas o cientos de toneladas |
| Fluido | Aire: compresible, gratuito, se libera a la atmósfera | Aceite: prácticamente incompresible, retorna al tanque |
| Rigidez | Baja: el aire se comprime, la posición intermedia no es firme | Alta: permite posicionar y sostener con precisión |
| Velocidad | Alta, movimientos rápidos | Menor, movimientos controlados |
| Riesgos | Latigazo de manguera, proyecciones, ruido | Chorro a alta presión que perfora la piel, incendio, temperatura |
- Tanque con filtro de retorno: es también donde el aceite decanta y se enfría.
- Bomba accionada por motor eléctrico, que entrega caudal, no presión.
- Válvula limitadora de presión: fija la presión máxima del sistema devolviendo el exceso al tanque. Sin ella, la presión subiría hasta romper algo.
- Válvulas direccionales, iguales en concepto a las neumáticas.
- Actuadores: cilindros o motores hidráulicos.
- Acumulador: almacena energía para picos de demanda y amortigua pulsaciones.
La idea que ordena todo: la bomba da caudal y la carga determina la presión. Es lo contrario de lo que suele suponerse, y explica por qué la presión sube sola cuando el cilindro llega al final de carrera.
Un chorro de aceite a 200 bar por un pinchazo de manguera atraviesa la piel y produce una lesión grave que al principio casi no se ve. Las fugas nunca se buscan pasando la mano: se usa un cartón. Antes de desconectar cualquier línea se despresuriza el sistema y se verifica con el manómetro, teniendo en cuenta que un acumulador puede seguir cargado con la bomba detenida.
05En el laboratorio
Con un cilindro de doble efecto y un dinamómetro, medir la fuerza de avance y de retroceso a distintas presiones. Comparar con el cálculo y estimar el rendimiento. La diferencia por rozamiento es lo que después justifica el margen de diseño.
Montar reguladores de caudal primero en la entrada y después en el escape del cilindro, y comparar el movimiento con carga. Con estrangulación en la entrada aparece el avance a tirones; en el escape, el movimiento es parejo.
Implementar la secuencia con dos cilindros, válvulas 5/2 y sensores de fin de carrera, gobernada por el PLC con el Grafcet del eje anterior. Agregar después la condición de que la secuencia no arranque si algún cilindro no está en su posición inicial.
Con la instalación presurizada y sin consumo, medir cuánto tarda en caer la presión y cuánto arranca el compresor por hora. Localizar las fugas con agua jabonosa, repararlas y repetir la medición. Estimar el ahorro anual en energía.
06Errores frecuentes
| Error | Consecuencia |
|---|---|
| Dimensionar el cilindro por la fuerza de avance | En el retroceso hay hasta un 20 % menos y la máquina se queda corta. |
| Regular la velocidad estrangulando la entrada | Movimiento a tirones e irregular con carga variable. |
| Sin secador ni purgas | El agua llega a las válvulas y los cilindros, y arruina las juntas. |
| Derivaciones por debajo del caño principal | El condensado baja directamente a la máquina. |
| Elegir monoestable o biestable sin pensarlo | Ante un corte, el actuador hace justo lo que no debía hacer. |
| Sin arranque progresivo | Al restablecerse el aire, los actuadores se mueven de golpe y solos. |
| Ignorar las fugas | Se paga electricidad las veinticuatro horas por aire que no se usa. |
| Buscar una fuga hidráulica con la mano | El chorro a alta presión atraviesa la piel y produce una lesión grave. |
07Autoevaluación
Calcular la fuerza de avance de un cilindro de 63 mm a 6 bar.
A = π × 0,063²/4 = 3,117 × 10⁻³ m². F = 6 × 10⁵ × 3,117 × 10⁻³ = 1870 N, unos 190 kgf, antes de descontar el rozamiento.
¿Por qué la fuerza de retroceso es menor?
Porque el vástago ocupa parte del área del émbolo, y la presión actúa sobre una superficie menor.
¿Qué significa una válvula 5/2?
Cinco vías —conexiones— y dos posiciones. Es la válvula típica de un cilindro de doble efecto.
Diferencia entre válvula monoestable y biestable.
La monoestable vuelve sola a su posición de reposo por resorte al soltar la señal; la biestable recuerda la última posición aunque se corte la señal.
¿Dónde se coloca el regulador de caudal y por qué?
En el escape. Así el cilindro trabaja contra un colchón de aire y el avance es parejo. Estrangulando la entrada, el movimiento sale a tirones.
¿Por qué las derivaciones de aire salen por arriba del caño?
Para que el condensado, que corre por la parte baja del caño, no baje hacia la máquina.
¿Qué función cumple la válvula limitadora de presión en hidráulica?
Fija la presión máxima del sistema devolviendo el exceso de caudal al tanque. Sin ella la presión subiría hasta romper un componente.
¿La bomba hidráulica genera presión?
No: genera caudal. La presión la determina la resistencia que encuentra el fluido, es decir la carga.
¿Por qué la hidráulica permite posicionar con precisión y la neumática no?
Porque el aceite es prácticamente incompresible y el aire no: en neumática, una posición intermedia queda «blanda» y cede ante la carga.
¿Cómo se busca una fuga en un circuito hidráulico?
Con un cartón, nunca con la mano: el chorro a alta presión atraviesa la piel. Y antes de desconectar cualquier línea se despresuriza y se verifica con manómetro, recordando que el acumulador puede seguir cargado.