Apuntes Neumática

I.E.S. “Parquesol”
Neumática
NEUMÁTICA
1.
Introducción.
2.
Principio de Pascal
3.
Conceptos útiles
4.
Compresores
5.
Unidad de Mantenimiento
6.
Tuberías
7.
Válvulas
8.
Fuerza en cilindros
1.
Introducción.
El aire que empleamos en las instalaciones neumáticas tiene una composición por
unidad de volumen de 78% ce Nitrógeno, 20% de oxígeno y 1,3% de gases nobles como
helio, argón, neón, etc. y cantidades menores de anhídrido carbónico, vapor de agua y
partículas sólidas.
La densidad de este aire es de aproximadamente 1,293 gramos/dm3 o kg/m3, es por lo
tanto el aire que se encuentra en la atmósfera.
Propiedades del aire:
o
o
o
o
o
o
o
2.
Abundante.
Transportable y sin necesidad de tuberías de retorno.
Almacenable.
No le influye demasiado la temperatura.
Antideflagrante.
No ensucia la atmósfera
Es rápido.
Principio de Pascal
La Neumática se basa en el Principio de Pascal, que establece que si se aplica una
presión a un fluido, ésta se distribuye por igual y en todas las direcciones en el seno del
fluido.
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Se aplica una fuerza F1 a un pequeño émbolo de área S1. El resultado es una fuerza F2
mucho más grande en el émbolo de área S2. Debido a que la presión es la misma a la
misma altura por ambos lados, se verifica que
3.
Conceptos útiles
Trabajo: suele definirse (trabajo mecánico) como el producto de la fuerza por la
distancia, aunque hay otros tipos de trabajo que se medirán de otras maneras, desde el
punto de vista neumático que es el que más nos interesa
Siempre medido en Newton x metro (JULIO) en el sistema internacional.
Energía: se define como la capacidad que tiene un cuerpo para realizar trabajo y por lo
tanto también se medirá en julios.
Fuerza: que aunque en el sistema internacional (Newton) no es magnitud fundamental,
sí lo es en el técnico (Kilopondios o kilogramos fuerza.
Caudal: cantidad de volumen que atraviesa una determinada superficie en un tiempo
determinado, en el sistema internacional se mide en m3/s, aunque es también muy
empleada la unidad litros/s.
El caudal es también el producto de la velocidad por la superficie de paso.
Presión: es la fuerza que se ejerce en la unidad de superficie.
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En el sistema internacional se mide en N/m2 (pascal), aunque como la unidad es muy
pequeña, suelen, en este caso, utilizarse otras. Seguramente es una de las magnitudes en
las que más y más diversas unidades se utilizan.
Los factores de conversión entre las unidades más utilizadas son:
1 atmósfera = 1,033 kgf/cm2 =101325 Pascal =1,013 bar
1 bar es aproximadamente 100.000 pascales.
Cuando se habla de presión en un circuito neumático, nos referimos a la presión que
miden los manómetros. Ésta es la presión relativa, es decir lo que tiene el circuito de
presión, sobre la presión atmosférica.
Si deseamos el dato de presión absoluta, deberemos sumar la presión atmosférica que
aproximadamente será de 1 bar.
Por debajo de la presión atmosférica estamos hablando de depresiones o zona de vacío.
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4.
Compresores
4.1
Compresor de Pistón de una etapa
El funcionamiento de un compresor de émbolo se podría explicar de una manera
simplificada de la siguiente manera:
o
Cuando el motor del compresor gira, la biela desciende, este descenso
provoca una absorción de aire atmosférico que hace que la válvula 1 se abra y la
válvula 2 se cierre, estas dos acciones hacen que el aire quede atrapado en la
cámara.
o
Cuando la biela asciende, el pistón reduce el volumen de la cámara, la
presión del aire aumenta y la válvula 1 se cierra a la vez que se abre la válvula 2,
dando como resultado que a la salida del compresor tenemos el aire a mayor
presión que la de de entrada.
Es el tipo de compresor más utilizado junto con los que siguen la misma tecnología pero
tienen más etapas.
4.2
Compresor Rotativo
Este tipo de compresores al igual que los anteriores, reduce el volumen en el que se
aloja el aire para conseguir un aumento de presión, la diferencia es que lo hace mediante
movimientos rotativos en vez de lineales .
La ventaja que proporcionan estos compresores es que son menos ruidosos y dan un
caudal más constante que los de émbolo.
Estos compresores se componen de un rotor excéntrico que gira en el interior del
cuerpo y de unas paletas que siempre están en contacto con las paredes de dicho
cuerpo; este contacto se provoca por la fuerza centrífuga del giro y en algunas ocasiones
por la ayuda de algunos resortes. Gracias a la acción de estas paletas, la cámara de aire
queda dividida en varias celdas en las que queda atrapada, estas celdas van reduciendo
su volumen y como consecuencia, el aire que almacenan irá aumentando su presión y
será conducida hacia el exterior mediante el giro del rotor.
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4.3
Compresor de Roots
El aire es llevado de un lado a otro sin modificar el volumen.
4.4
El Acumulador
El acumulador sirve para estabilizar el suministro de aire comprimido, compensa las
oscilaciones de presión provocadas por la distinta necesidad de aire en cada momento
del ciclo de trabajo.
Evita el trabajo continuo del compresor.
Colabora en la refrigeración del aire.
El tamaño del acumulador debe ser acorde a la instalación de que se trate.
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5.
Unidad de Mantenimiento
Es el conjunto de filtro, regulador de presión y lubricador y disponen de él todas las
instalaciones.
El filtrado se realiza con filtros y suele haber en la instalación con elementos filtrantes
de mayor o menor eficacia según la necesidad.
Los reguladores de presión mantienen la presión de salida en el valor deseado y
establecido por el muelle, sobre el que se actuará por medio del tornillo inferior.
En la figura, el de la izquierda tiene un orificio de escape que evitará sobrepresiones.
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La lubricación previene un desgaste prematuro de las piezas móviles y reduce las
pérdidas por rozamiento y se produce por un aporte al aire de finísimas gotas de aceite.
El aporte se produce en el lubricador debido al conocido efecto vénturi que se basa en
que en la zona estrecha de una tubería la velocidad de paso aumenta provocando una
depresión en esa zona estrecha que provoca la absorción por diferencia de presiones, en
este caso, al aceite del depósito.
6.
Tuberías
Además de calcular las dimensiones correctas de las tuberías también es importante su
colocación.
La tubería ha de tener un descenso en el sentido de la corriente de aproximadamente un
2% así cualquier residuo, incluyendo agua decantada, descenderá por la tubería y se
recogerá en un punto de recogida o purga de la que volverá a salir el tubo por su parte
superior con la misma inclinación. Estas zonas se aprovechan para posibles
disminuciones de sección de la tubería si fuese necesario para asistir a partes del circuito
con menor consumo.
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En la figura se puede observar también cómo se realizan las tomas de consumo (por la
parte superior) para evitar el arrastre por ellas del condensado.
Los tubos de la instalación se pintan de color rojo y azul por tramos.
7.
Válvulas
7.1
Tipos de accionamiento o pilotaje
MANUAL
MECÁNICO
ELÉCTRICO
NEUMÁTICO
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7.2
Posiciones de las válvulas distribuidoras
Se representan por medio de cuadrados: la cantidad de cuadrados del símbolo indica la
cantidad de posiciones distintas de la válvula.
Las direcciones y pasos de aire son representados por flechas.
Representación de conexiones bloqueadas
Las conexiones de tubos a la válvula son representadas por líneas. Siempre en un única
posición que corresponde con la que tendrá en reposo la válvula.
Además puede indicarse si la válvula está normalmente abierta o cerrada en posición
de reposo, si tiene dos posiciones estables (biestable, una vez pilotada por un lado no
cambiará hasta que se pilote por el otro) o únicamente una (monoestable - únicamente
se mantiene en la posición mientras está pilotada).
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7.3
Identificación de una válvula
Para identificar el tipo de válvula es necesario indicar varias cosas, primero dos
números, "válvula 3/2", el primero indica número de vías y el segundo número de
posiciones (vías / posiciones)
También se indica cómo se pilota.
EJEMPLOS
7.4
Válvulas especiales
VÁLVULAS ANTIRRETORNO
Permiten la circulación del aire en un sentido y lo cortan en el contrario.
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VÁLVULA DE ESTRANGULACIÓN
La válvula de estrangulación disminuye la sección del conducto por el que circula el
aire, de esta forma se puede regular el caudal o cantidad de aire que pasa por las
tuberías.
Al regular la cantidad de aire se controla la velocidad del cilindro, si es posible siempre
se regulará el escape de aire en lugar de la entrada.
VÁLVULA DE ESTRANGULACIÓN UNIDIRECCIONAL (REGULADORA DE
CAUDAL)
El aire es regulado en un único sentido.
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VÁLVULA “O”, SELECTORA DE CIRCUITO
Da señal de aire a la salida cuando al menos hay señal en una de las entradas.
VÁLVULA “Y” , DE SIMULTANEIDAD
Da señal de aire a la salida cuando sus dos entradas tienen señal.
VÁLVULA DE ESCAPE RÁPIDO
Son válvulas que permiten evacuar el aire de los cilindros sin que éste tenga que llegar a
los escapes de las distribuidoras con lo cual la evacuación es más rápida.
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VÁLVULA DE TEMPORIZACIÓN
Retrasan una señal un tiempo.
8.
Fuerza en Cilindros
La fuerza que puede desarrollar un cilindro depende de la presión de trabajo, de la
superficie del pistón y de las pérdidas.
Hay que tener cuidado con las unidades, deben ser homogéneas
Superficie: m2
Presión: pascales
Dará lugar a una fuerza expresada en Newton
Aunque lo anterior es lo más normal por ser unidades del sistema internacional son muy
utilizadas también por comodidad otras.
Da lugar a la fuerza expresada en kgf.
Será útil recordar que 1 kgf = 9,8 Nw (se puede utilizar 10 en los cálculos)
PÉRDIDAS
En un cilindro de doble efecto únicamente hay que tener en cuenta las pérdidas por
rozamiento de las juntas, aunque se pueden encontrar en algunos catálogos de cilindros,
lo más normal es aplicar un 10 % de la fuerza teórica.
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En los cilindros de simple efecto existe una pérdida debido a la fuerza que se emplea en
comprimir el muelle recuperados, cuando no se dispone de datos se emplea un valor del
10% de la fuerza teórica, igual que en el caso anterior.
LONGITUD DE LA CARRERA.
Los cilindros no deben tener más de 2 metros de carrera, el consumo de aire es
demasiado grande además los esfuerzos que soporta el vástago y los cojinetes son muy
elevados.
VELOCIDAD DEL ÉMBOLO O PISTÓN
La velocidad depende de algunas variables (presión, sección de tubería, fuerza
antagonista, etc) no obstante suele ser inferior a 1,5 m/s, aunque con cilindros especiales
puede llegar a 10 m/s.
La velocidad del émbolo se regula con válvulas de estrangulación (mejor ponerlas en el
escape) y escapes rápidos.
CONSUMO DE AIRE
Es evidente que el consumo de aire depende de la presión de trabajo, por eso después de
realizar el cálculo de la capacidad del cilindro habrá que realizar la corrección
multiplicando por la relación de compresión.
Poniendo las presiones en una misma unidad por ejemplo si utilizamos pascales y la
presión de trabajo es 600 kpa
Si se utiliza el valor de 100000 pascales para la presión atmosférica el resultado sería
una relación de compresión de 7 que para nuestros cálculos es aceptable.
Calculando la capacidad de aire en un cilindro que suponemos de doble efecto (en caso
de ser de simple efecto únicamente se tendría en cuenta el primer volumen)
VOLUMEN EN LA SALIDA (lado sin vástago)
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¡Ojo con las unidades! Deben ser uniformes
VOLUMEN DE REGRESO (lado del vástago)
VOLUMEN TOTAL
Dependiendo de que el cilindro sea de simple o de doble efecto habrá que tener en
cuenta uno o los dos volúmenes.
CONSUMO POR MINUTO
Además del volumen y la relación de compresión se tendrá en cuenta el número de
veces que el cilindro se mueve en un minuto (ciclos por minuto)
¡Ojo con las unidades! Han de ser homogéneas. La relación de compresión no tiene
unidades.
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NUMERACIÓN DE LOS DIFERENTES ELEMENTOS DE UN CIRCUITO
ÓRGANOS DE TRABAJO (CILINDROS Y
MOTORES): 1.0; 2.0; 3.0
ÓRGANOS DE GOBIERNO (DISTRIBUIDORES): 1.1;
2.1; 3.1
CAPTADORES DE INFORMACIÓN (FINALES DE
CARRERA Y PULSADORES): 1.2; 1.4; 2.2; 2.4;
(Primera letra indica sobre qué cilindro influye y la
segunda si es par es que tiende a abrir) 1.3; 1.5; 2.3; 2.5;
(si la segunda letra es impar tiende a cerrar).
ELEMENTOS AUXILIARES: 0.1; 0.2; (Filtro,
lubricador, etc).
ELEMENTOS DE REGULACIÓN:1.02; 1.03; 2.01; 2.02
(Antirretornos, válvulas de secuencia, etc.)
CILINDROS DE SIMPLE EFECTO
Únicamente reciben aire a presión por uno de sus lados con lo que realizan trabajo sólo
en un sentido, generalmente la salida del vástago.
El regreso lo realizarán por la fuerza de un muelle llamado de recuperación o por una
fuerza externa que hará retroceder al vástago cuando desaparezca el aire a presión de su
cámara delantera.
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CILINDROS DE DOBLE EFECTO
Los cilindros de doble efecto pueden realizar el trabajo en ambas direcciones porque se
les aplica la presión en ambas caras del émbolo.
Hay que tener en cuenta que el trabajo de regreso siempre será inferior al de salida
debido a la pérdida de superficie provocada por el vástago.
En muchos casos el hecho de que sea de doble efecto no significa que vaya a trabajar en
sus dos recorridos, simplemente se utiliza la cámara secundaria para provocar el
retroceso del cilindro a su posición de adentro.
CILINDRO TELESCÓPICO
Los cilindros telescópicos se caracterizan por conseguir largas carreras (mucha longitud
de trabajo) utilizando una camisa relativamente corta pueden ser de doble efecto y de
simple efecto.
El de la figura es de simple efecto
CILINDRO TÁNDEM
Un cilindro tándem son dos cilindros de doble efecto en serie, es decir el vástago de uno
empuja sobre la superficie del émbolo del otro.
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Las fuerzas de los dos cilindros se suman y gracias a esto se pueden conseguir grandes
fuerzas sin la necesidad de utilizar grandes presiones ni cilindros con grandes diámetros.
CILINDRO DE GIRO
Los cilindros oscilantes se utilizan para mover un eje un determinado ángulo, por
ejemplo 90° o 180°.
Se utilizan en manipuladores, cambios de piezas, cambio automático de herramientas,
en general en manipulación.
Están compuestos por dos émbolos entre los cuales se haya una corredera, a esta
corredera está unido el eje a través de un piñón. AI moverse los émbolos se consigue un
giro angular en el eje del elemento.
MOTOR DE PISTONES
Se obtiene movimiento giratorio continuo.
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MOTOR DE PALETAS
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