Ejercicios: Circuitos neumáticos e hidráulicos

Explica la función de cada bloque básico de un circuito neumático: compresor, unidad de mantenimiento (filtro, regulador y lubricador), válvula distribuidora y cilindro. ¿Cuál aporta la energía y cuál la transforma en movimiento?

Describe la diferencia entre un cilindro de simple efecto y uno de doble efecto: cuántas conexiones tiene cada uno, cómo retorna el vástago y una aplicación típica de cada tipo.

El esquema de la figura muestra un circuito neumático que acciona un cilindro de doble efecto, pero uno de sus componentes está tapado. Indica qué componente falta, qué función cumple en el circuito y qué le ocurriría al cilindro si ese componente no estuviera.

Dibuja o describe el símbolo normalizado de un cilindro neumático de simple efecto con retorno por muelle: cuántas conexiones de aire tiene, qué hace el muelle y una aplicación donde el retorno por muelle es suficiente.

Explica qué es una válvula $3/2$ (tres vías, dos posiciones): qué tres conexiones tiene (alimentación, salida al actuador, escape) y por qué es la válvula típica para cilindros de simple efecto.

Un regulador de caudal instalado en la salida de un cilindro controla su velocidad. Explica cómo lo consigue (restricción variable del flujo) y por qué se suele regular el caudal de escape y no el de entrada (movimiento más estable contra variaciones de carga).

La unidad de mantenimiento agrupa filtro, regulador de presión y lubricador. Explica la función de cada uno y por qué deben instalarse en ese orden. ¿Qué ocurre con un cilindro si el filtro está saturado de agua?

Los escapes de las válvulas neumáticas llevan silenciadores. Explica qué problema resuelven (ruido del aire al expandirse, entrada de suciedad por el escape) y qué ocurre con la velocidad del cilindro si el silenciador se obstruye.

Una válvula distribuidora $5/2$ accionada por pulsador controla el cilindro de doble efecto de una puerta automática. Explica qué significan los números «5» y «2» (vías y posiciones) y describe el recorrido del aire cuando se pulsa y cuando se suelta el pulsador.

En un circuito hidráulico, la bomba impulsa aceite a $6\ \text{MPa}$ hacia un cilindro cuyo émbolo tiene $80\ \text{cm}^2$ de superficie. a) Calcula la fuerza máxima teórica que puede ejercer el cilindro ($F = p \cdot S$; cuidado con las unidades: $1\ \text{MPa} = 100\ \text{N/cm}^2$). b) Explica qué elemento del circuito limita la presión si la carga se atasca (válvula de seguridad o limitadora) y qué ocurre entonces con el aceite.

Un taller neumático monta tres cilindros alimentados por un único compresor. Explica qué ocurre con la presión y la velocidad de los cilindros cuando los tres trabajan a la vez, qué papel juega el depósito acumulador de aire y cómo dimensionarías el compresor.

Un cilindro de doble efecto con émbolo de $40\ \text{cm}^2$ recibe un caudal de $24\ \text{L/min}$. a) Calcula la velocidad de avance del vástago ($v = \frac{Q}{S}$) en $\text{m/s}$. b) Razona por qué la velocidad de retroceso es mayor con el mismo caudal (el vástago resta sección en la cámara trasera). c) ¿Qué presión mínima necesita para vencer una carga de $1\,000\ \text{N}$?

La figura muestra el símbolo de una válvula distribuidora $5/2$ con sus cinco vías numeradas. Identifica cada vía (alimentación, dos salidas al cilindro y dos escapes) y explica el recorrido del aire en cada una de las dos posiciones del carrete.

En una puerta automática de autobús, el cilindro debe abrir despacio y cerrar rápido. Explica cómo se consiguen velocidades distintas en cada sentido con reguladores de caudal unidireccionales (estranguladores con antirretorno) y dónde se colocan en el circuito.

Una válvula selectora (función «O») permite mandar un cilindro desde dos puntos distintos. Explica su funcionamiento (deja pasar la señal de uno u otro pulsador) y dibuja el circuito de un cilindro de simple efecto que se acciona desde dos pulsadores en extremos de una máquina.

Un taller usa un cilindro de $80\ \text{mm}$ de diámetro que realiza $10$ ciclos por minuto con carrera de $200\ \text{mm}$ a $6\ \text{bar}$. a) Estima el volumen de aire a presión consumido por minuto (volumen de ambas cámaras por ciclo, sin contar el vástago). b) Convierte a aire libre aspirado por el compresor (multiplica por la relación de presiones, unas $7$ veces). c) Comenta el coste energético del aire comprimido frente a otras energías.

Diseña el circuito neumático de una prensa de marcado que solo debe bajar cuando el operario pulse DOS pulsadores a la vez (uno con cada mano, por seguridad). Indica qué válvulas usarías (función lógica «Y» o válvula de simultaneidad), cómo se conectan y por qué este montaje protege al operario.

Una excavadora hidráulica mueve tres cilindros (pluma, brazo y cuchara) con una sola bomba. Explica cómo permite el distribuidor de varias secciones moverlos de forma independiente, qué ocurre con el caudal disponible cuando se mueven dos a la vez y por qué el sistema hidráulico (y no neumático) es el adecuado para esta máquina.

Un circuito hidráulico se calienta en exceso tras una hora de trabajo continuo. Analiza las causas posibles (válvula limitadora abriendo a menudo, tuberías infradimensionadas, bomba sobredimensionada con caudal sobrante que retorna por la limitadora) y propón dos soluciones de diseño (bomba de caudal variable, refrigerador de aceite), justificando cada una energéticamente.

Diseña el circuito neumático de una prensa que baja al pulsar un botón y sube automáticamente al llegar abajo (final de carrera con rodillo). Indica los componentes (válvula $5/2$ con dos pilotajes, final de carrera $3/2$, reguladores de caudal) y describe la secuencia completa de señales.

Una estación debe ejecutar la secuencia A+ B+ A− B− (el cilindro A sujeta la pieza, el B la taladra, se retiran en orden inverso). Explica cómo se encadenan los finales de carrera para que cada paso habilite el siguiente y por qué este control «cascada» evita que el taladro trabaje antes de sujetar la pieza.

Un cilindro que siempre fue rápido ahora se mueve lento en ambos sentidos. Elabora el diagnóstico diferencial: al menos cuatro causas (presión de red baja, filtro saturado, silenciador obstruido, fugas en juntas del émbolo, estrangulador mal regulado), la prueba sencilla que distingue cada una y la reparación correspondiente.

El aire comprimido es de las energías más caras de una fábrica: del $100\,\%$ de electricidad que consume el compresor, apenas un $10\,\%$ llega al actuador. Analiza por dónde se pierde el resto (calor de compresión, fugas, usos indebidos) y evalúa un plan de ahorro: detección de fugas con ultrasonidos, bajar la presión de red de $7$ a $6\ \text{bar}$ y sustituir soplados por aire por alternativas eléctricas.

Compara el control de una máquina con lógica neumática pura (válvulas y finales de carrera) frente a control electroneumático (electroválvulas gobernadas por PLC): coste, flexibilidad ante cambios de secuencia, diagnóstico de averías, robustez en ambientes duros (polvo, explosivos) y mantenimiento. ¿Cuándo sigue siendo preferible la neumática pura?