Exercicis: Circuits pneumàtics i hidràulics

Explica la funció de cada bloc bàsic d'un circuit pneumàtic: compressor, unitat de manteniment (filtre, regulador i lubricador), vàlvula distribuïdora i cilindre. Quin aporta l'energia i quin la transforma en moviment?

Descriu la diferència entre un cilindre de simple efecte i un de doble efecte: quantes connexions té cadascun, com retorna la tija i una aplicació típica de cada tipus.

L'esquema de la figura mostra un circuit pneumàtic que acciona un cilindre de doble efecte, però un dels seus components està tapat. Indica quin component falta, quina funció fa al circuit i què li passaria al cilindre si aquest component no hi fos.

Dibuixa o descriu el símbol normalitzat d'un cilindre pneumàtic de simple efecte amb retorn per molla: quantes connexions d'aire té, què fa la molla i una aplicació on el retorn per molla sigui suficient.

Pots fer-ho en paper i enviar una foto amb la teva resposta.

Explica què és una vàlvula $3/2$ (tres vies, dues posicions): quines tres connexions té (alimentació, sortida a l'actuador, escapament) i per què és la vàlvula típica per a cilindres de simple efecte.

Un regulador de cabal instal·lat a la sortida d'un cilindre en controla la velocitat. Explica com ho aconsegueix (restricció variable del flux) i per què se sol regular el cabal d'escapament i no el d'entrada (moviment més estable contra variacions de càrrega).

La unitat de manteniment agrupa filtre, regulador de pressió i lubricador. Explica la funció de cadascun i per què s'han d'instal·lar en aquest ordre. Què li passa a un cilindre si el filtre està saturat d'aigua?

Els escapaments de les vàlvules pneumàtiques porten silenciadors. Explica quin problema resolen (soroll de l'aire en expandir-se, entrada de brutícia per l'escapament) i què li passa a la velocitat del cilindre si el silenciador s'obstrueix.

Una vàlvula distribuïdora $5/2$ accionada per polsador controla el cilindre de doble efecte d'una porta automàtica. Explica què signifiquen els nombres «5» i «2» (vies i posicions) i descriu el recorregut de l'aire quan es prem i quan es deixa anar el polsador.

En un circuit hidràulic, la bomba impulsa oli a $6\ \text{MPa}$ cap a un cilindre l'èmbol del qual té $80\ \text{cm}^2$ de superfície. a) Calcula la força màxima teòrica que pot exercir el cilindre ($F = p \cdot S$; compte amb les unitats: $1\ \text{MPa} = 100\ \text{N/cm}^2$). b) Explica quin element del circuit limita la pressió si la càrrega s'encalla (vàlvula de seguretat o limitadora) i què passa llavors amb l'oli.

Un taller pneumàtic munta tres cilindres alimentats per un únic compressor. Explica què passa amb la pressió i la velocitat dels cilindres quan tots tres treballen alhora, quin paper juga el dipòsit acumulador d'aire i com dimensionaries el compressor.

Un cilindre de doble efecte amb èmbol de $40\ \text{cm}^2$ rep un cabal de $24\ \text{L/min}$. a) Calcula la velocitat d'avanç de la tija ($v = \frac{Q}{S}$) en $\text{m/s}$. b) Raona per què la velocitat de retrocés és més gran amb el mateix cabal (la tija resta secció a la cambra posterior). c) Quina pressió mínima necessita per vèncer una càrrega de $1\,000\ \text{N}$?

La figura mostra el símbol d'una vàlvula distribuïdora $5/2$ amb les seves cinc vies numerades. Identifica cada via (alimentació, dues sortides al cilindre i dos escapaments) i explica el recorregut de l'aire en cadascuna de les dues posicions de la corredera.

En una porta automàtica d'autobús, el cilindre ha d'obrir a poc a poc i tancar ràpidament. Explica com s'aconsegueixen velocitats diferents en cada sentit amb reguladors de cabal unidireccionals (estranguladors amb antiretorn) i on es col·loquen al circuit.

Una vàlvula selectora (funció «O») permet comandar un cilindre des de dos punts diferents. Explica el seu funcionament (deixa passar el senyal d'un polsador o de l'altre) i dibuixa el circuit d'un cilindre de simple efecte que s'acciona des de dos polsadors als extrems d'una màquina.

Pots fer-ho en paper i enviar una foto amb la teva resposta.

Un taller utilitza un cilindre de $80\ \text{mm}$ de diàmetre que realitza $10$ cicles per minut amb cursa de $200\ \text{mm}$ a $6\ \text{bar}$. a) Estima el volum d'aire a pressió consumit per minut (volum d'ambdues cambres per cicle, sense comptar la tija). b) Converteix a aire lliure aspirat pel compressor (multiplica per la relació de pressions, unes $7$ vegades). c) Comenta el cost energètic de l'aire comprimit enfront d'altres energies.

En una premsa pneumàtica de marcatge es va instal·lar un comandament bimanual simple connectant dos polsadors $3/2$ en sèrie cap al pilotatge de la vàlvula distribuïdora del cilindre. No obstant això, en una inspecció de seguretat laboral es precinta la màquina perquè un operari ha bloquejat permanentment un dels polsadors amb una brida, accionant la premsa amb una sola mà.

1. a) Demostra tècnicament per què ni la connexió en sèrie ni l'ús aïllat d'una vàlvula de simultaneïtat («I») garanteixen una veritable seguretat bimanual davant d'aquesta manipulació indeguda.
2. b) Dissenya el circuit pneumàtic complet (cilindre de doble efecte, distribuïdors i elements de control) que implementi un comandament bimanual segur amb temporització, de manera que el cilindre només avanci si ambdós polsadors s'accionen amb un desfasament temporal inferior a $\Delta t \le 0,5\text{ s}$, impedint el cicle si un d'ells es deixa accionat permanentment. Justifica el seu principi de funcionament.

El circuit hidràulic d'una màquina d'obra pública alimenta en paral·lel dos cilindres amb una única bomba de cabal constant de $60\text{ l/min}$ i una vàlvula limitadora tarada a $200\text{ bar}$. El cilindre 1 (elevació de ploma) suporta una càrrega que exigeix $140\text{ bar}$, mentre que el cilindre 2 (bolcada de cullera) requereix únicament $50\text{ bar}$.

1. a) Si l'operari obre simultàniament i del tot les dues corredisses del distribuïdor, prediu raonadament el comportament dinàmic d'ambdós actuadors (quin es mourà primer i què passarà amb la pressió a la línia comuna).
2. b) Justifica per què el cilindre 1 queda completament immobilitzat mentre el cilindre 2 es trobi en moviment.
3. c) Proposa i explica el principi de disseny hidràulic (com ara distribuïdors compensats per pressió o sistemes Load Sensing) que permet en maquinària real el moviment simultani i independent d'actuadors sotmesos a càrregues dispars.

Una central hidràulica industrial disposa d'una bomba de cabal constant de $45\text{ l/min}$ i una vàlvula limitadora de pressió tarada a $180\text{ bar}$. En el seu cicle de treball, un actuador realitza una fase de premsatge estàtic de $40\text{ s}$, durant la qual roman en topall mecànic demandant únicament un cabal residual per fuites de $2\text{ l/min}$ a $160\text{ bar}$.

1. a) Calcula la potència hidràulica que es dissipa íntegrament en forma de calor a través de la vàlvula limitadora durant cada fase de premsatge.
2. b) Explica raonadament l'efecte en cadena que aquest sobreescalfament causa en la viscositat cinemàtica de l'oli, en les fuites internes i en el rendiment volumètric de la bomba.
3. c) Dissenya i compara dues alternatives tècniques per solucionar aquest problema energètic: una basada en un circuit d'alta/baixa pressió amb acumulador i descàrrega a tanc ($p \approx 0\text{ bar}$), i una altra mitjançant una bomba de cabal variable amb regulador de pressió. Avalua la viabilitat i l'eficiència de cadascuna.

Una estampadora pneumàtica ha de premsar peces de gruix irregular procedents de fosa. Per aquest motiu, és inviable utilitzar un final de cursa per posició mecànica per ordenar el retrocés, ja que si la peça és més gruixuda la premsa no completaria la cursa i si és més prima no assoliria la força de conformat requerida.

Dissenya l'esquema pneumàtic complet per complir els següents requisits funcionals:

1) El cilindre de doble efecte avança en prémer un botó de marxa.

2) El retrocés no s'ordena per cota geomètrica, sinó quan la cambra posterior del cilindre assoleixi una pressió de conformat d'exactament $5\text{ bar}$ (detectada mitjançant una vàlvula de seqüència), garantint a més un temps de manteniment de la pressió de $3\text{ s}$ mitjançant un temporitzador pneumàtic.

3) Finalitzat el temps, el retorn ha de ser a velocitat regulada independent de l'avanç.

Justifica la selecció i connexió de cada component utilitzant la designació normalitzada de vies i pilotatges.

Per a automatitzar una estació de mecanització es requereix la seqüència pneumàtica $A+ B+ B- A-$.

1. a) Analitza la seqüència pas a pas i identifica en quin moment exacte es produeix un bloqueig per senyals antagònics o permanents (interferència de pilotatges sobre la mateixa vàlvula distribuïdora) si s'intenta connectar el circuit de manera intuïtiva directa.
2. b) Aplica el mètode de cascada: descompon la seqüència en el nombre mínim de grups de pressió, defineix els finals de carrera que activen el canvi de grup enfront dels que actuen dins de cada grup i dibuixa l'esquema pneumàtic corresponent.
3. c) Justifica com la vàlvula inversora de línia de pressió elimina físicament el senyal de pilotatge residual que impedia la inversió del cilindre.

Un cilindre pneumàtic de doble efecte que acciona una cisalla industrial funcionava correctament a gran velocitat, però sobtadament ha començat a desplaçar-se amb extrema lentitud tant en la cursa d'avanç com en la de retrocés, mantenint la mateixa càrrega resistent.

L'equip tècnic proposa tres hipòtesis independents:

• Hipòtesi 1: Fuita massiva interna per deteriorament de les juntes de l'èmbol.

• Hipòtesi 2: Silenciador d'escapament de la vàlvula distribuïdora $5/2$ colmatat de brutícia.

• Hipòtesi 3: Obstrucció severa en l'element filtrant de la unitat FRL d'entrada.

Dissenya un protocol de diagnòstic diferencial sistemàtic: explica quines proves experimentals o mesuraments de pressió realitzaries per confirmar o descartar de manera unívoca cada hipòtesi sense desmuntar el cilindre del seu allotjament, justificant el resultat físic que esperaries observar en cada assaig.

Una planta industrial disposa d'un compressor de caragol de $55\text{ kW}$ que opera $4500\text{ h}$ a l'any a una pressió de xarxa de $8\text{ bar}$. El cost mitjà de l'energia elèctrica és de $0,15\text{ €/kWh}$. Una auditoria energètica revela dos fets: el $20\,\%$ del cabal produït es perd en fuites i la pressió de treball es pot reduir a $6,5\text{ bar}$ (sabent que cada bar de sobrepressió incrementa el consum del compressor aproximadament un $7\,\%$).

1. a) Calcula l'estalvi econòmic anual total que s'obtindria en eliminar completament les fuites i reduir la pressió a $6,5\text{ bar}$.
2. b) En aquesta línia opera un cilindre que ha d'elevar una càrrega neta de $1100\text{ N}$ amb un èmbol de $50\text{ mm}$ de diàmetre. Considerant un rendiment mecànic del cilindre del $85\,\%$ i unes pèrdues de càrrega acumulades en canonades i vàlvules de $0,7\text{ bar}$, calcula la pressió manomètrica mínima que hi ha d'haver a la xarxa i dictamina justificadament si el cilindre operarà amb fiabilitat després de la reducció proposada.

Una planta química de dosificació de dissolvents classificada com a zona ATEX 1 (atmosfera explosiva amb presència de vapors inflamables) ha d'automatitzar un cicle de transvasament seqüencial de dos cilindres.

Es presenten dues propostes tècniques:

• Proposta A: Lògica electroneumàtica convencional (PLC estàndard, sensors magnètics reed switch i electrovàlvules a $24\text{ V}$).

• Proposta B: Lògica pneumàtica pura (captadors de final de cursa pneumàtics, temporitzadors i processament mitjançant vàlvules lògiques).

1. a) Analitza la viabilitat normativa i els sobrecostos tècnics de seguretat intrínseca (barreres Zener, envolupants antideflagrants Ex d, etc.) que exigiria la proposta electroneumàtica per ser legalment apta en Zona 1.
2. b) Avalua el comportament d'ambdues solucions davant d'un entorn amb alta condensació i vapors corrosius quant a taxa de fallada i cost de manteniment preventiu.
3. c) Si l'empresa exigeix integrar a curt termini el cicle en el sistema SCADA global de la factoria, proposa i defensa una solució de compromís tècnic que combini seguretat ATEX i connectivitat digital al menor cost.

Repte del tema. Com aixecaries de manera segura un vehicle industrial elèctric? Dissenya i dimensiona el sistema hidràulic per a un elevador de taller.

1. Presa de dades: Consulta la base de dades oficial de vehicles de l'IDAE (o la fitxa tècnica del fabricant) i anota la massa màxima ($MMA$) d'una furgoneta elèctrica en $\text{kg}$. Adopta una pressió nominal de treball de $p = 160\,\text{bar}$ ($16\,\text{MPa}$).

2. Càlculs físics: Utilitza LibreOffice Calc per determinar, mitjançant el principi de Pascal ($p = F/S$), el diàmetre interior mínim del cilindre necessari per vèncer la càrrega ($g = 9,8\,\text{m/s}^2$). Calcula també, per l'equació de continuïtat, el cabal volumètric ($Q$) en $\text{L/min}$ requerit per elevar el vehicle $1,8\,\text{m}$ en $20\,\text{s}$.

3. Disseny del circuit: Elabora un informe breu que inclogui l'esquema funcional normalitzat (simbologia ISO 1219) amb LibreOffice Draw: integra grup d'accionament, vàlvula limitadora de pressió, vàlvula distribuïdora i antiretorn desbloquejable per evitar caigudes imprevistes.

Es valorarà:

• Correcció matemàtica en l'aplicació de Pascal i continuïtat, amb rigor en les unitats del SI.

• Precisió tècnica i normalització dels símbols del circuit hidràulic.

• Justificació raonada dels elements de seguretat i control seleccionats.