Sistemas neumáticos UNIDAD

Sistemas neumáticos

En esta unidad aprenderás a: • • • • • •

Conocer en qué consiste la energía neumática. Conocer el concepto de presión, sus tipos y sus unidades. Identificar los elementos que forman parte de un circuito neumático. Conocer las características y el funcionamiento de los diferentes tipos de cilindros neumáticos. Realizar cálculos sencillos de la fuerza del émbolo en un cilindro neumático. Conocer las características y el funcionamiento de los elementos de gobierno, mando y regulación de un circuito neumático. • Familiarizarte con la simbología y con los elementos empleados en un circuito neumático. • Diseñar y montar pequeños circuitos neumáticos de aplicación.

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Introducción

A

lo largo de los últimos 150, años el ser humano ha sentido la necesidad de utilizar el aire para construir objetos y máquinas capaces de contribuir a mejorar su calidad de vida. Este es el caso, por ejemplo, de las ruedas de una bicicleta o de un automóvil o el de una pistola de aire comprimido. Pueden enumerarse multitud de máquinas capaces de realizar funciones muy diversas (taladro neumático, destornillador neumático, atracciones de feria, etc.). La neumática es la técnica que se dedica al estudio y a las aplicaciones prácticas del aire comprimido, realizadas mediante circuitos e instalaciones neumáticas. Por su parte, las instalaciones neumáticas abarcan desde las propias máquinas generadoras de aire hasta los aparatos o elementos que transforman la energía que les proporciona el aire en trabajo útil.

Figura 1. Pistola neumática.

Entre las ventajas que presenta la neumática se puede destacar la de que se trata de un tipo de energía abundante, ya que prácticamente en cualquier lugar puede disponerse de cantidades ilimitadas de aire, lo cual hace fácil su transporte y su almacenamiento, así como el mantenimiento, manejo y utilización de los componentes. Entre sus desventajas, quizás las más importantes son la necesidad de tratamiento del aire comprimido (limpiar y secar) antes de su utilización y el coste de la instalaciones.

El aire comprimido. Presión El aire atmosférico es un elemento abundante en la naturaleza, limpio, fácilmente almacenable y de fácil transporte, lo que lo convierte en un fluido (gas) ideal para su utilización como elemento básico en los sistemas neumáticos. Como todo gas, el aire se puede comprimir por medio de una acción mecánica exterior hasta alcanzar una presión determinada (superior a la atmosférica). Supóngase un cilindro de sección (S) en cuyo interior existe un gas y sobre el cual, por medio de un vástago (varilla), se ejerce una fuerza (F1). El cociente entre la magnitud de la fuerza aplicada y el valor de la superficie del cilindro (S) se denomina presión; es decir: Figura 2. Martillo neumático.

P1 =

F1 S

donde: • F1 representa la fuerza aplicada en kilogramos fuerza (kgf) o newtons (N). • S representa la sección en cm2. • P1 representa la presión en kgf/cm2 o N/cm2. Si en un momento determinado se aumenta la fuerza aplicada (F2), como consecuencia de la aplicación de dicha fuerza, la presión en el interior del cilindro habrá aumentado de una presión inicial P1 a una presión final P2 (figura 4), de tal forma que la presión final en el interior del cilindro será ahora: Figura 3. Atracción de feria neumática.

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P2 =

F2 S

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Por otra parte, si se mantiene constante la temperatura (T) en el interior del cilindro, se cumplirá que el producto de la presión absoluta y del volumen es constante para una determinada cantidad de gas (ley de Boyle-Mariotte). Es decir:

F1 émbolo

varilla

P1 · V1 = P2 · V2 = constante temperatura (T)

Gay-Lussac estudió las variaciones de volumen con la temperatura (figura 5), manteniendo constante la presión, y llegó a deducir que:

presión (P1) volumen (V1)

V1 T1 = V2 T2

sección (S)

donde T1 y T2 representan las temperaturas absolutas en grados Kelvin (K), siendo:

F2

Tabsoluta = t (ºC) + 273 temperatura (T)

Ejemplo

presión (P2) volumen (V2)

Un recipiente contiene un volumen V1 = 0,25 m de aire y se encuentra a una temperatura de 20 ºC y a una presión de 3 atmósferas (atm). Calcula el volumen V2 cuando la temperatura del recipiente alcance los 40 ºC si la presión sigue siendo la misma. 3

Figura 4. Variación de la presión en el interior de un cilindro a temperatura constante.

Las temperaturas absolutas en grados Kelvin (K) serán las siguientes: T1 = t1 + 273 = 20 [ºC] + 273 = 293 K

F1 T1

T2 = t2 + 273 = 40 [ºC] + 273 = 313 K Al tratarse de un proceso a presión constante, se debe cumplir la ley de Gay-Lussac: T1 V1 = V2 T2

V2 =

V1 · T2 T1

=

0,25 m3 · 313 K = 0,267 m3 293 K

presión (P) volumen (V1 ) temperatura (T1) T1 < T2

F2

Unidades de presión

T2 presión (P)

Las unidades de presión más utilizadas son: • Pascal (Pa), del Sistema Internacional, que representa la presión ejercida por una fuerza de 1 newton (N) sobre una superficie de 1 metro. Puesto que el pascal es una unidad muy pequeña, en su lugar se utiliza el bar, que equivale a 105 Pa. • Atmósfera (atm), equivalente a la presión atmosférica tomada a nivel del mar. • Milímetro de mercurio (mmHg), que es la unidad de presión más antigua que se conoce y mide la altura que alcanza una columna de mercurio en el interior de un tubo de cristal cuando varía la presión atmosférica.

volumen (V2) temperatura (T2)

Figura 5. Variación del volumen con la temperatura a presión constante. Tecnología - 4º E.S.O.

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En la tabla 1 se resumen estas unidades de presión y algunas de sus equivalencias. UNIDADES DE PRESIÓN

Figura 6. Barómetro.

Unidad

Símbolo

Equivalencia

Atmósfera

atm

1 atm = 1 kgf/cm2

Pascal

Pa

1 Pa = 1 N/m2

Bar

bar

1 bar = 105 Pa = 105 N/m2 = 0,987 atm = 750 mmHg

Milímetro de mercurio

mmHg

1 mmHg = 0,0013 bar

Tabla 1. Unidades de presión

Generalmente, las presiones ideales de utilización en las diferentes instalaciones neumáticas de aire comprimido suelen oscilar entre 4 y 8 bar. Conviene recordar que a efectos prácticos se suele considerar 1 bar = 1 atm = 1 kgf/cm2. Para medir la presión atmosférica se emplean unos aparatos llamados barómetros, los cuales vienen calibrados normalmente en escalas de milímetros de mercurio (mmHg) y de milibares (mbar). Debido a que la presión atmosférica varía con la altura, para medir la presión del aire en un circuito neumático se utilizan los manómetros, los cuales se encargan de medir la diferencia de presión entre aquella a la que realmente está sometida el aire (presión absoluta) y la presión atmosférica. Esta presión que miden los manómetros se llama presión relativa o manométrica. En la figura 8 se puede comprobar que la presión absoluta (P) es igual a la presión relativa (p) más la presión atmosférica (Patm):

P = p + Patm Figura 7. Manómetro de presión para neumáticos.

presión

Recuerda: Para medir la presión atmosférica se utilizan los barómetros, mientras que para medir la presión en un circuito neumático se utilizan los manómetros.

presión absoluta (P)

presión relativa (p)

presión atmosférica (Patm)

tiempo

Figura 8. Presión absoluta, relativa y atmosférica.

Ejemplo Realiza la conversión indicada de las siguientes unidades de presión: a) ¿A cuántas atmósferas y bares equivalen 5·106 Pa? 1 bar = 105 Pa

5 · 106 Pa = 50 bar ≈ 49,35 atm

b) ¿A cuántas atmósferas, bares y pascales equivalen 1.500 mmHg? 1 bar = 750 mmHg 114

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1.500 mmHg = 2 bar = 1,974 atm = 2·105 Pa

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Ejemplo Un recipiente de 0,5 m3 de volumen de aire a una presión de 3 bar ha reducido en un 20% su volumen, permaneciendo constante su temperatura. Calcula: a) El valor de la nueva presión relativa (p2). Considera que 1 bar = 1 atm = 1 kgf/cm2. b) El valor de la fuerza aplicada para reducir el volumen, suponiendo que la superficie del émbolo compresor es de 100 mm2. a) Teniendo en cuenta que la presión relativa en el interior del recipiente es de 3 bar y que la presión atmosférica es aproximadamente de 1 atm = 1 bar, la presión absoluta (P1 ) del recipiente será: P1 = p1 + Patm = 3 [bar] + 1 [bar] = 4 bar Por su parte, el volumen final (V2 ) del recipiente después de haberse reducido en un 20%, será: V2 = V1 −

20 · V1 100

V2 = 0,5 [m3] − 0,2 · 0,5 [m3] = 0,4 m3

Puesto que se trata de un proceso en el cual se mantiene constante la temperatura, se debe cumplir la ley de Boyle-Mariotte: P 1 · V1 4 [bar] · 0,5 [m3] = 5 bar = P2 = P 1 · V 1 = P2 · V 2 V2 0,4 [m3] Pero esta es la presión absoluta final, luego la presión relativa será: p2 = P2 − Patm = 5 [bar] − 1 [bar] = 4 bar b) El valor de la fuerza a aplicar para reducir el volumen será: p2 =

F2 ; F2 = p2 · S = 4 S

[ ]

kgf · 1 [cm2] cm2

F2 = 4 kgf

Producción del aire comprimido El aire comprimido se obtiene por medio de compresores, que son máquinas capaces de elevar la presión del aire que aspiran de la atmósfera hasta un valor conveniente. En las instalaciones neumáticas se utilizan compresores capaces de producir y almacenar aire comprimido y de regular el suministro del circuito donde están conectados los diferentes dispositivos que funcionan con aire comprimido. A la cantidad de aire comprimido que fluye (circula) a través de una sección por unidad de tiempo se la denomina caudal (Q):

Q=

V S·L = =S·v t t

Recuerda: Compresor: se trata de una máquina que transforma la energía mecánica de su árbol motor en energía de presión.

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donde: • V representa el volumen de fluido que atraviesa la sección de la tubería en m3 o litros. • S representa la sección de la tubería en m2. • L representa la longitud de la tubería en metros. • t representa el tiempo en segundos o minutos. • v representa la velocidad de movimiento del fluido. Puesto que el caudal es el cociente entre unidades de volumen y de tiempo, se puede medir en m3/h, m3/min, l/min o l/s. Para instalar dichas máquinas se debe elegir un lugar exento de polvo y lo más fresco posible. En cualquier caso, éstas toman el aire exterior a través de un conducto en cuyo interior se encuentra un filtro en el que quedan atrapadas las impurezas que lleva el aire en suspensión. Figura 9. Compresor de pequeña potencia.

El aire es comprimido en la cámara de compresión y enviado a un depósito (o acumulador) que dispone de una salida regulable de aire, la cual va conectada con el circuito de la instalación neumática. Dicho depósito lleva incorporada, a su vez, otra salida (o grifo) con el fin de eliminar el agua que genera la condensación (figura 12).

toma de aire filtro

válvula motor

cámara de compresión

termómetro manómetro

Figura 10. Elevador neumático de automóviles. válvula de seguridad

regulador de presión

desagüe

salida depósito

Figura 12. Compresor de aire.

Figura 11. Medición de presión en neumáticos.

Generalmente todos los compresores disponen de una serie de dispositivos de seguridad y de control del aire comprimido, tales como: • El regulador de presión. Se encarga de controlar la presión de trabajo del circuito neumático, para lo cual dispone de una llave de paso y de un manómetro que indica la presión de salida. • El presostato. Se encarga de mantener la presión en el interior del depósito dentro de unos márgenes, conectando y desconectando el dispositivo de compresión del aire según proceda. Se trata de un sistema que actúa entre dos márgenes de presión a las órdenes de un manómetro y de un sistema de control.

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• Válvula de seguridad. Cuando la presión del depósito supera una determinada presión de calibración, se abre esta válvula y se deja escapar el aire al exterior. Dicho dispositivo es de vital importancia, pues evita que el depósito pueda romperse por exceso de presión.

Figura 13. Válvula reguladora de presión. Figura 15. Válvula de seguridad.

Ejemplo Calcula el caudal (m3/min y litros/min) de aire que circula por un tramo de tubería de 10 metros de longitud, 2 centímetros de diámetro exterior y 2 milímetros de espesor (e), durante un minuto (figura 16). Calcula también la velocidad a la que circula el fluido. La superficie S, a través de la cual circula el aire comprimido, será: Dint = Dext – 2 · e = 1,6 cm D2int 1,62 [cm2] =π· S=π· = 2 cm2 = 0,0002 m2 4 4 Por su parte, el volumen de aire a lo largo de la tubería será: V = S · L = 0,0002 [m2] · 10 [m] = 0,002 m3 El caudal de aire y su velocidad serán, por tanto: S

0,002[m3] V Q= = 2 litros/min = 1[min] t v=

0,002[m3/min] Q = = 10 m/min S 0,0002[m2] e = 2 mm

v = 0,16 m/s

Øext = 2 cm

Figura 16. Sección de la tubería.

Figura 14. Presostato. Tecnología - 4º E.S.O.

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Tipos de compresores Los más conocidos y usados son los volumétricos o de pistón, los cuales basan su funcionamiento en la transformación del movimiento circular de un eje procedente del motor en movimiento rectilíneo alternativo mediante un mecanismo de biela y manivela. Constan de una válvula de admisión y otra de escape, de modo que, al descender el émbolo, la válvula de admisión se abre, debido a la depresión creada, y se llena el cilindro de aire. Por su parte, al ascender el émbolo, se cierra la válvula de admisión y se abre la de escape, por lo que sale la embolada de aire hacia el acumulador (figura 17).

símbolo

aire atmosférico

Debido a la compresión del aire, la temperatura del pistón se eleva considerablemente (hasta 180 ºC), por lo que para poder evacuar el calor se colocan alrededor del pistón unas aletas de refrigeración. Con este tipo de compresores se pueden conseguir presiones de entre 3 y 10 bar. Dentro de los compresores volumétricos, también existen los compresores rotativos, que consisten en un motor excéntrico provisto de paletas, que giran en el interior de un cárter cilíndrico, con un orificio de entrada y otro de salida (figura 19). Al girar el rotor, las paletas forman unas células o cámaras de volumen variable que encierran aire cada vez más comprimido, hasta que lo expulsan al conducto de salida. Suelen ser compresores muy silenciosos, de pequeñas dimensiones, y su capacidad de compresión no excede de los 8 bar.

émbolo

a) Aspiración del aire

aire comprimido válvula de admisión

válvula de escape

Figura 18. Compresores de pistón. entrada de aire atmosférico

biela eje

rotor

paletas salida de aire a presión

cámara de compresión

b) Expulsión del aire

Figura 17. Compresor de pistón de una sola etapa.

Figura 19. Compresor rotativo de paletas.

Distribución y acondicionamiento del aire comprimido El aire comprimido generado por el compresor no es consumido directamente por el órgano de trabajo. Las instalaciones industriales están provistas también de elementos

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de almacenamiento, distribución y tratamiento del aire, para que éste alcance las condiciones óptimas de empleo. El aire comprimido generado por el compresor se pasa primeramente por un separador, el cual retiene la mayor parte del agua en suspensión que contiene dicho aire, para posteriormente acumularlo en el depósito y así poder pasarlo a la red de distribución, donde se encuentran las tomas de servicio con sus correspondientes unidades de mantenimiento (figura 20). Las impurezas que arrastra el aire (polvo, residuos de aceite, humedad, etc.) son motivo de averías que en ciertos casos pueden llegar a dañar gravemente los componentes neumáticos. La mayor separación del agua y el aceite la realiza el separador, que no es otra cosa que un filtro muy sensible que retiene la humedad del aire y las partículas de aceite procedentes del compresor.

Figura 21. Distribuidor neumático.

inclinación 2%

tubería manómetro depósito compresor separador

refrigerador posterior

unidad de mantenimiento

purga de agua

purga

Figura 20. Instalación neumática.

Por su parte, la red distribuidora está compuesta por diversas tuberías de un diámetro adecuado que conducen el aire comprimido con las menores pérdidas posibles hasta los puntos de consumo. El material con el que están construidos los tubos suele ser de cobre, latón, acero o plástico. Los tubos deben ser de fácil instalación y resistentes a la corrosión, y las tuberías permanentes suelen estar soldadas entre sí para evitar posibles pérdidas de presión. Las mangueras de goma y plástico flexibles se reservan para las derivaciones finales, ya que su resistencia mecánica es superior. La red de distribución siempre debe ser cerrada, con el fin de que la presión de servicio sea más estable, y a ser posible con interconexiones, ya que de este modo se obtiene el control independiente de los diversos tramos. Además, la red debe tener una cierta pendiente (2%) para conseguir la acumulación del agua condensada en el punto más bajo (punto de purga).

Figura 22. Accesorios de una instalación neumática.

Para evitar posibles averías de los diferentes elementos de la instalación, se debe acondicionar el aire comprimido como ya es sabido, puesto que de lo contrario un mal acondicionamiento podría acarrear fallos tales como desgaste de juntas, válvulas encasquilladas por el líquido y las impurezas depositadas, etc.

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La unidad de acondicionamiento, además de retener las impurezas que arrastra el aire por la red, sirve para establecer y mantener una presión de alimentación determinada, así como para proporcionar al aire comprimido el lubricante necesario para disminuir los rozamientos internos de los diversos componentes y reducir, por tanto, su desgaste. Dichas unidades constan de tres partes fundamentales: • Filtro: su función consiste en liberar el aire comprimido de todas las impurezas y del vapor de agua que lleva en suspensión. Figura 23. Unidad de acondicionamiento.

• Regulador: una vez filtrado el aire, se introduce en un regulador de presión, cuya misión es establecer y mantener la presión de salida (presión de trabajo) lo más estable posible, independientemente de las variaciones que sufra la presión de red (mayor que la de salida) y del consumo de aire. • Lubricador: los elementos neumáticos, al tener piezas móviles, deben recibir una pequeña dosis de aceite para su lubricación constante, de ahí que tras filtrarse y regularse la presión del aire, se pase éste a través de un lubricador, donde se mezcla con una fina capa de aceite que arrastra en suspensión.

Receptores neumáticos Figura 24. Regulador más filtro.

La energía del aire comprimido se transforma por medio de cilindros en un movimiento lineal de vaivén y mediante motores neumáticos (figura 34) en movimiento giratorio.

Cilindros de simple efecto Son aquellos que sólo pueden realizar un trabajo cuando se desplaza su elemento móvil (vástago) en un único sentido; es decir, realizan trabajo en una sola carrera de ciclo. El retroceso se produce al evacuar el aire a presión de la parte posterior, lo que permite al muelle comprimido devolver libremente el vástago a su posición de partida (figura 26). Estos cilindros se utilizan para realizar trabajos que exijan desplazamientos cortos, en los que el vástago del cilindro no realice carreras superiores, generalmente, a 100 mm.

Figura 25. Lubricadores.

Cilindros de doble efecto

vástago

muelle

entrada de aire

émbolo

Figura 26. Representación de un cilindro de simple efecto.

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Para aplicaciones de fijación o de remache de piezas, por ejemplo, se emplean también cilindros de membrana, en los cuales una membrana de plástico o metal reemplaza al émbolo. Las carreras en este caso son mucho más cortas que las anteriores (aproximadamente 50-80 mm).

Son capaces de producir trabajo útil en los dos sentidos, ya que se dispone de una fuerza activa tanto en el avance como en el retroceso. Se construyen siempre en forma de cilindros de émbolo y poseen dos tomas para aire comprimido, cada una de ellas situada en una de las tapas del cilindro (figura 28). Se emplea, por tanto, en los casos en los que el émbolo tiene que realizar también una función en su retorno a la posición inicial. La carrera de estos cilindros suele ser más larga (hasta 200 mm) que en los cilindros de simple efecto, si bien hay que tener en cuenta el pandeo o curvamiento que puede sufrir el vástago en su posición extrema. Cuando el aire comprimido entra por la toma situada en la parte posterior (1), desplaza el émbolo y hace salir el vástago (avance). Para que el émbolo retorne a su posición inicial (retroceso), se introduce aire por la toma situada en la tapa delantera (2) (figura 28). De esta

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manera, la presión actúa en la cara del émbolo en la que está sujeta el vástago, lo que hace que la presión de trabajo sea algo menor debido a que la superficie de aplicación es más pequeña. Hay que tener en cuenta que en este caso el volumen de aire es menor, puesto que el vástago también ocupa volumen.

Fuerza del émbolo La fuerza ejercida por un elemento de trabajo (vástago) depende de la presión del aire (P), de la superficie útil del émbolo (S) y de la fuerza de rozamiento de las juntas.

Figura 27. Cilindro de simple efecto. (F) avance

retroceso (F´)

La fuerza teórica (Ft) del émbolo se calcula de la siguiente forma:

Ft = p · S

vástago

(2)

En la práctica, es necesario conocer la fuerza real (F) que es capaz de vencer el vástago, para lo cual habrá que tener en cuenta la fuerza de rozamiento del émbolo. En condiciones normales de servicio (presiones de 4 a 8 bar) se admite que las fuerzas de rozamiento representan aproximadamente un 10% de la fuerza teórica (Fr ≈ 0,1 · Ft). Dicho esto, las fuerzas reales a vencer en un cilindro de simple o doble efecto serán: • Cilindro de simple efecto: en este caso también habrá que tener presente la fuerza del muelle (Fm), que suele tomarse en torno a un 6% de la fuerza teórica:

émbolo

(1)

Figura 28. Representación de un cilindro de doble efecto.

F = Ft − (Fr + Fm ) = Ft − 0,16 Ft = 0,84 Ft Si en lugar de la fuerza de rozamiento conocemos el rendimiento (η), la fuerza real será:

F = 0,9 Ft − Fm = η · Ft - Fm • Cilindro de doble efecto: en este caso, durante el retroceso habrá que tener presente la superficie útil (S’) del lado del vástago: Avance:

F = Ft − Fr = p · S − 0,1 p · S · η = p · S’ · η Retroceso:

Figura 29. Cilindro de doble efecto.

Recuerda: Receptores neumáticos: convierten la energía del aire comprimido en movimiento lineal de vaivén (cilindros neumáticos) o en movimiento giratorio (motores neumáticos).

F’ = F’t − F’r = p · S’ − 0,1 · p · S’ = p · S’ · η

a) De simple efecto.

b) De doble efecto.

Figura 31. Estructura interior de un cilindro.

Figura 30. Cilindros con guías. Tecnología - 4º E.S.O.

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S'

S

S' retroceso

D = 80 mm

En un cilindro de doble efecto como el de la figura 32 se sabe que el diámetro del cilindro es de 80 mm, el diámetro del vástago de 25 mm y la presión de trabajo de 6 kgf/cm2. Calcula la fuerza real de avance y de retroceso del émbolo.

d = 25 mm

Ejemplo

avance

La superficie del émbolo será: Figura 32. Cilindro de doble efecto. π · 64 [cm2] π · D2 2 S= = 50,26 cm = 4 4 La superficie útil en el lado del vástago para el retroceso es: π π (64 − 6,25) = 45,36 cm2 S’ = (D2 − d2) = 4 4 La fuerza teórica de empuje en el avance será: kgf Ft = p · S = 6 · 50,26 [cm2] = 301,56 kgf cm2 Considerando las fuerzas de rozamiento del émbolo un 10% de la fuerza teórica:

[ ]

Fr = 0,1 · Ft = 0,1 · 301,56 [kgf] = 30,156 kgf La fuerza real de avance del émbolo será, por tanto: F = Ft − Fr = 301,56 − 30,15 = 271,41 kgf Por su parte, la fuerza teórica y la de rozamiento en el retroceso del émbolo son: kgf F’t = p · S’ = 6 · 45,36 [cm2] = 272,16 kgf cm2

[ ]

F’r = 0,1 · F’t = 0,1 · 272,16 = 27,216 kgf Finalmente, se obtiene la fuerza real de retroceso: F’ = F’t − F’r = 272,16 − 27,216 = 244,944 kgf Obviamente, la fuerza real del émbolo es ligeramente mayor en el avance que en el retroceso.

Consumo de aire cámara anterior

d

En el supuesto de un cilindro de doble efecto, el volumen de ambas cámaras, según se muestra en la figura 33, será:

cámara posterior

D

Para conocer el gasto de energía y decidir el grupo compresor adecuado es importante conocer el consumo de aire de una instalación. El cálculo de dicho consumo debe estar referido a condiciones normales de funcionamiento (presión de 1 bar, temperatura de 20 ºC y humedad relativa del 65%).

• Cámara posterior: L (carrera)

π · D2 ·L V= 4 donde L es la carrera del pistón.

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Figura 33. Dimensiones de un cilindro de doble efecto.

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• Cámara anterior:

V’ =

π (D2 − d2) · L 4

Sumando los dos volúmenes, obtenemos el volumen total de ambas cámaras:

π (2 · D2 − d2) · L 4

Vcil = V + V’ =

Puesto que el consumo debe estar referido a condiciones normales de funcionamiento, habrá que aplicar la ley de Boyle-Mariotte, suponiendo por tanto que la temperatura en el interior y en el exterior del cilindro es aproximadamente la misma (constante):

Pabsoluta · Vcil = Patm · Vaire Pabsoluta = Pman + Patm Suponiendo que la presión atmosférica es de 1 kgf/cm2, el volumen de aire se obtiene despejando de la expresión anterior:

Vaire =

Figura 34. Motores neumáticos.

(Pman+ 1) · Vcil Patm

Finalmente, el consumo de aire (C), suponiendo que la máquina realiza n ciclos por minuto, será:

C = Vaire · n

Ejemplo Partiendo de los datos del ejemplo anterior y suponiendo que el cilindro de la figura 33 tiene una carrera de 200 mm y efectúa 5 ciclos por minuto, calcula el consumo total de aire. Considera que la presión atmosférica es de 1 kgf/cm2. El volumen total del cilindro es: Vcil =

π (2 · D2 − d2) · L 4

Vcil =

π (128 − 6,25) · 20 = 1.912,4 cm3 4

El volumen de aire, recordando que 1 litro equivale a 1 dm3, será: Vaire =

(Pman + 1 [atm]) · Vcil

Vaire =

Patm

(6 + 1) · 1.912,4 = 13.386,8 cm3 = 13,38 litros 1

Finalmente, se obtiene el consumo de aire: C = Vaire · n = 13,38 [litros] · 5

[

ciclos min

]

= 66,9

litros min

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Elementos de mando y regulación. Representación de esquemas Para el control de los órganos de trabajo es preciso disponer de otros elementos que realicen funciones de mando (puesta en marcha, paro, avance, retroceso, etc.), de acuerdo con el trabajo que aquéllos deben efectuar. Estos elementos de control son las válvulas, las cuales son dispositivos de mando que distribuyen el aire comprimido hacia los elementos de trabajo o utilización (receptores) y controlan su funcionamiento. Las válvulas pueden considerarse una caja negra con una serie de orificios o vías de entrada y de salida de aire comprimido. La forma en que se conectan dichos orificios en una posición estable constituye un estado de la válvula, lo que habitualmente se denomina posición. Figura 35. Elemento de mando y control.

Las válvulas se componen de dos o más posiciones; es decir, de dos o más formas de conectar las vías. Para cambiar de una posición a otra se dispone de unos mandos en la propia válvula; por lo general, existe siempre una posición de reposo, que es aquella en la que no se actúa sobre los mandos. El número de vías y de posiciones de una válvula identifica el funcionamiento de la misma; por este motivo, las válvulas se representan simbólicamente mediante esquemas que dan una idea clara de su funcionamiento, de tal forma que a la hora de definir una válvula primero se menciona el número de vías y posteriormente el número de posiciones que tiene.

a) Dos posiciones

Cada posición que adopta el órgano distribuidor se representa con un cuadro (figura 36). De esta forma, la válvula tendrá tantas posiciones como cuadros existan, dibujados uno a continuación del otro. b) Tres posiciones

Los conductos interiores (o líneas de conducción) que van dentro de los cuadros determinan los orificios de entrada o salida de aire, donde las flechas indican siempre el sentido de circulación del aire. La salida de aire a escape se representa por un triángulo equilátero. Tomando como referencia la válvula de la figura 37, el órgano de accionamiento de la válvula (pulsador manual de seta con enclavamiento) suele indicarse en la posición de trabajo, mientras que el órgano de recuperación (muelle), aquel que devuelve la válvula a su posición inactiva, se dibuja al lado de la posición de reposo.

c) Tres vías

Las conducciones a los diferentes conductos se identifican por medio de letras mayúsculas o de números, para facilitar el montaje de los circuitos. La tabla 2 da buena fe de ello. d) Cuatro vías

Figura 36. Normas de simbología. posición de trabajo

pulsador manual con enclavamiento

2

1

posición de reposo

3

retorno por muelle

Figura 37. Válvula 3/2 normalmente cerrada.

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Letras

Función

Números

Alimentación de presión

P

1

Conductos de trabajo o de utilización

A, B, C...

2, 4, 6...

Escapes o evacuaciones de aire

R, S, T...

3, 5, 7...

Conductos de pilotaje o tomas de mando

X, Y, Z...

12, 14, 16...

Fuga

L

9

Tabla 2. Identificación de conductos.

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Accionamiento de las válvulas distribuidoras Según la naturaleza del sistema, el accionamiento de las válvulas se puede descomponer en cuatro tipos: • Accionamiento manual: se realiza generalmente mediante pulsador, palanca o pedal. • Accionamiento mecánico: se realiza neumáticamente mediante pulsador, rodillo, muelle o enclavamiento mecánico. • Accionamiento neumático: se realiza neumáticamente por presión, por depresión, por presión diferencial, por accionamiento a baja presión o por servopilotaje.

Figura 38. Válvulas de accionamiento mecánico, neumático y manual.

• Accionamiento eléctrico: se realiza mediante un electroimán o relé, o bien mediante un electroimán servopilotado. En la tabla 3 se observan los diferentes accionamientos de las válvulas distribuidoras. Accionamiento manual Manual general

Palanca

Pulsador de seta

Pedal

Accionamiento mecánico

Pulsador mecánico

Rodillo escamoteable

Rodillo

Muelle

Accionamiento neumático Presión

Depresión

Accionamiento eléctrico Electroimán

Electroimán servopilotado

Tabla 3. Accionamiento de las válvulas distribuidoras. Tecnología - 4º E.S.O.

125

Sistemas neumáticos UNIDAD

Estudio funcional de las válvulas distribuidoras (2)

El estudio funcional de estas válvulas tiene en cuenta sus posibilidades de trabajo, es decir, su comportamiento con independencia de sus formas constructivas. De ahí que se tengan en cuenta básicamente las posiciones y las vías disponibles. Esta circunstancia determina la designación de las válvulas que se nombran, como ya hemos visto, por el número de vías y de posiciones.

(1)

Válvulas 2/2

a) Estructura (2)

Son válvulas normalmente cerradas (no circula aire) en su posición de reposo. Tal y como se observa en la válvula de asiento cónico de la figura 39, en posición de reposo, el muelle hace que la bola asiente y el aire de alimentación no pueda circular de 1 a 2. Si se aprieta el pulsador, la bola se separa de su asiento y permite la entrada de aire a presión por 1.

(1) b) Símbolo

Figura 39. Válvula 2/2 de asiento cónico.

Válvulas 3/2 En la figura 40 se puede observar una válvula de asiento plano normalmente cerrada en posición de reposo. En este caso, en la posición inicial de reposo, la vía 1 está cerrada por la presión aplicada sobre el platillo, mientras que la vía 2 se comunica con el escape (3). Cuando se acciona la válvula, la vía 3 queda cerrada y el aire comprimido circula de 1 hacia 2.

2

1

3

Figura 41. Válvula 3/2 normalmente abierta (NA).

Figura 40. Válvula 3/2 normalmente cerrada (NC).

También existen válvulas 3/2 normalmente abiertas en posición de reposo (figura 41), donde la vía de alimentación 1 se comunica con la vía de utilización 2 hasta que, al pulsar, se cierra la entrada de aire (1) y la vía 2 se une con el escape (3).

Válvulas 4/2 Una válvula 4/2 (cuatro vías, dos posiciones) permite el paso del aire en ambas direcciones. Cuando la válvula está en reposo (figura 42-a), la vía de entrada (1) está conectada con

126

Tecnología - 4º E.S.O.

Sistemas neumáticos UNIDAD

la vía de utilización 2, mientras que la otra vía de utilización (4) está puesta a escape (3). Con esta válvula, podemos gobernar un cilindro de doble efecto, ya que al accionar ésta, la entrada de aire (1) se comunica ahora con la vía de utilización 4 y la 2 se pone a escape (figura 42-b).

a)

b)

4 2

1 3

4

3

1

2

4

2

3

1

Figura 42. Válvula distribuidora 4/2.

Válvulas 5/2 Estas válvulas, de cinco vías y dos posiciones, se pueden considerar una ampliación de las válvulas 4/2; la única diferencia está en que éstas poseen una vía más (lleva dos escapes). Sin embargo, resultan más baratas de construir, de ahí que en ocasiones se tienda a utilizar este tipo de válvulas para el control de un cilindro de doble efecto, en lugar de las anteriores. En este caso, cuando la válvula está en reposo (figura 43-a), la corredera permite el paso de 1 hacia 2 y la vía de utilización (4) se pone a escape (5). Al accionar la válvula, 1 se comunica con 4, y 2 se comunica con el escape (3) (figura 43-b).

4

a)

12 5

3 12

2

14

5

4

1

14

1

b)

3

12

5

2

4

1

2

3

14

Figura 43. Válvula distribuidora 5/2. Tecnología - 4º E.S.O.

127

Sistemas neumáticos UNIDAD

Válvulas 4/3 La figura 44 representa una válvula 4/3 con posición central de reposo en la que todas las vías quedan bloqueadas. Dicha válvula es gobernada manualmente por medio de una palanca exterior que hace girar una corredera en forma de disco. Las tres posiciones son fijas y están dotadas de enclavamiento mecánico. En la posición de la izquierda, la alimentación de presión (1) está comunicada con la vía de utilización 4, y la vía de utilización 2, con el escape a la atmósfera (3). En la posición opuesta, 1 se comunica con 2, y 4 con 3. En la tercera posición o posición central, todas las vías se encuentran cerradas, lo cual provoca el bloqueo del aire comprimido.

3 2

3

3 2

4

2

1

1 4

2

1

3

4

4

1

Figura 44. Válvula 4/3.

Válvulas antirretorno Tienen la misión de impedir el paso del aire en un sentido y dejarlo pasar en sentido opuesto. La obturación del paso puede lograrse con una bola, membrana, cono, etc., impulsados por la propia presión de trabajo o bien con la ayuda complementaria de un muelle. La válvula antirretorno de la figura 45 permite el flujo de aire en el sentido que indican la flechas.

Válvulas selectoras a) Válvula abierta

Estas válvulas permiten la circulación de aire desde dos entradas opuestas a una sola salida común. En la figura 46 se puede comprobar que el aire que entra por el conducto de la derecha (1) desplaza la bola hacia la izquierda, bloquea esta salida y se va a través de la vía de utilización (2). En el caso de que el aire entre ahora por la izquierda, la bola se desplazará hacia la derecha y el aire circulará igualmente hacia la vía de utilización (2). Esta válvula se utiliza cuando se desea mandar una señal desde dos puntos distintos; eléctricamente se conoce como montaje en paralelo y también recibe el nombre de módulo O (operador lógico OR), por su denominación en lógica digital.

b) Válvula obturada

c) Símbolo

Figura 45. Válvula antirretorno.

128

Tecnología - 4º E.S.O.

Válvulas de simultaneidad Se utilizan cuando se necesitan dos o más condiciones para que una señal sea efectiva. En la figura 48 se observa que cuando tenemos solamente señal (presión) por una de las dos entradas (1), ella misma bloquea su circulación hacia la vía de utilización (2). Sólo cuando están presentes las dos señales de entrada (1) se tiene salida por 2. Eléctricamente se conoce como montaje en serie y también recibe el nombre de módulo Y (operador lógico AND), por su denominación en lógica digital.

Sistemas neumáticos UNIDAD

2 1

1

2

2

1

1

1

1

Figura 47. Válvula selectora. Figura 46. Estructura y símbolo de una válvula selectora.

Válvulas reguladoras de caudal

2

A veces es necesario el control de la velocidad de un cilindro para sincronizarlo con otros movimientos que se verifican en un sistema. Para conseguirlo se controla el caudal de fluido mediante las válvulas reguladoras de caudal. Existen dos tipos de reguladores: de un solo sentido (unidireccional) y de dos sentidos. De ellos, el primero tiene mayor interés y es el más utilizado. En el primero de ellos (figura 49), el aire penetra en el regulador por el orificio de alimentación (izquierda) y éste presiona sobre las membranas rojas, con lo cual cierra el paso del aire. De esta forma, solamente si la cabeza del tornillo de regulación está regulada (subida) podrá pasar aire entre ésta y las dos membranas. Por el contrario, cuando el aire viene de la derecha, la presión de éste levanta las membranas hasta el punto que permite el paso del aire (a través del dispositivo antirretorno) hacia el orificio de salida sin encontrar obstáculos.

1

1

2

1

1

Figura 48. Estructura y símbolo de una válvula de simultaneidad.

Figura 50. Válvula reguladora de caudal unidireccional.

Figura 49. Regulador unidireccional. Tecnología - 4º E.S.O.

129

Sistemas neumáticos UNIDAD

Por su parte, en la figura 51 se muestra un regulador de caudal de dos sentidos, donde se aprecia que regulando el tornillo se consigue regular el caudal de aire en ambos sentidos hasta poder llegar a obstruirlo por completo.

Válvulas de escape rápido Tal y como indica su nombre, su misión es evacuar rápidamente el aire de cualquier recipiente (normalmente, de la cámara que se está vaciando en un momento determinado en un cilindro de doble efecto), para así conseguir un aumento de su velocidad de actuación (figura 52). El aire que entra por el orificio de alimentación (1) desplaza la membrana de obturación, lo que bloquea el escape (3) y conecta el orificio (2) por el que se llena un determinado recipiente. Cuando cesa la alimentación en (1), el aire a presión acumulado mueve la membrana hacia (1) y sale con rapidez por el escape (3).

Figura 51. Regulador bidireccional.

2

2

2 1

3

1

3

a) Estructura y funcionamiento

1

3

b) Símbolo

Figura 52. Válvula de escape rápido.

Electroválvulas Estas válvulas (figura 53) se controlan mediante una señal eléctrica proveniente de un temporizador eléctrico o de un final de carrera eléctrico. Al activarse la bobina del electroimán (relé) que llevan en su interior, la válvula cambia de posición, mientras que al desactivarse la bobina ésta vuelve de nuevo a su posición de reposo. Figura 53. Electroválvula.

Generalmente se utilizan cuando se necesita activar una válvula desde una distancia extremadamente larga, y de esta forma se consigue también que la activación sea casi instantánea.

Temporizadores neumáticos 2

1

3

Figura 54. Electroválvula distribuidora 3/2 (NC).

130

Tecnología - 4º E.S.O.

Los temporizadores se utilizan para regular el tiempo que transcurre entre la entrada de señal de pilotaje y la respuesta de la válvula. Se trata de una válvula que está compuesta de una estrangulación (regulación) graduable, una cámara de acumulación y un distribuidor pilotado. La señal de mando llega por la entrada a una cámara, a través de una válvula estranguladora. De acuerdo con el ajuste del tornillo, el aire tardará más o menos tiempo en llenar el recipiente y alcanzar la presión deseada. Cuando se llega a esa situación, el aire de la cámara vence la oposición del muelle y la vía de alimentación (1) se comunica con la de utilización (2). Para que el temporizador recupere su posición inicial hace falta purgar la línea de mando, con el fin de que escape el aire del acumulador.

Sistemas neumáticos UNIDAD

2

1

3

Figura 55. Temporizador normalmente cerrado.

Un temporizador normalmente cerrado (NC), como el de la figura 55, se utiliza para retrasar la respuesta a las señales de mando. También existen en el mercado temporizadores normalmente abiertos (NA).

Figura 56. Temporizador neumático.

Simbología neumática En la tabla 4 se representan de forma resumida los principales símbolos neumáticos empleados. Simbología neumática Fuente de presión

Escape de aire

Cruce de conducciones

Filtro

Unidad de mantenimiento

Compresor

Depósito de aire comprimido

Lubricador

Separador de agua

Válvula antirretorno

Llave de paso

Regulador unidireccional

Regulador de caudal

Válvula de simultaneidad

Válvula selectora de circuito

Válvula secuencial

Válvula de escape rápido

Válvula reguladora de presión sin escape

Válvula reguladora de presión con escape

Válvula 3/2

Válvula 2/2 NC

Válvula 5/2

Válvula 4/2

Electroválvula

Cilindro de simple efecto

Temporizador neumático NC

Cilindro de doble efecto

Válvula 4/3

Conducción de mando

Unión entre conductores

Tabla 4. Simbología neumática Tecnología - 4º E.S.O.

131

Sistemas neumáticos UNIDAD

Circuitos neumáticos básicos En este apartado se exponen aquellos circuitos que, por su importancia y por su uso, forman parte de la mayoría de las instalaciones neumáticas de nuestro entorno. Ni qué decir tiene que, para poner en práctica estos circuitos, será necesario disponer al menos de un equipo neumático elemental (compresor, unidad de acondicionamiento, etc.), así como de los elementos necesarios para cada tipo de circuito.

Figura 57. Circuito neumático.

Mando directo de un cilindro de simple efecto mediante pulsador

2

2 P1

P1 3

3

1

1

Alimentación de presión

Figura 58. Mando de un cilindro de simple efecto. Avance.

Figura 59. Mando de un cilindro de simple efecto mediante pulsador.

Mando de un cilindro de simple efecto desde dos puntos

2

3 1

Figura 60. Mando de un cilindro de simple efecto. Retroceso.

2

2 P2

P1 1

3

1

3

Figura 61. Mando de un cilindro de simple efecto desde dos puntos.

132

Tecnología - 4º E.S.O.

Sistemas neumáticos UNIDAD

Control de velocidad de un cilindro de simple efecto

Figura 62. Ejemplo de aplicación.

2

2 P1

P1 1

3 a) Regulación del avance

1

3

b) Regulación del retroceso

Figura 63. Control de velocidad de un cilindro de simple efecto.

Figura 64. Ejemplo de control de velocidad de un cilindro de simple efecto.

Mando condicional de un cilindro de simple efecto

Figura 66. Montaje de circuito neumático.

Figura 65. Mando condicional de un cilindro de simple efecto.

Tecnología - 4º E.S.O.

133

Sistemas neumáticos UNIDAD

Mando indirecto de un cilindro de simple efecto

2 12 1

3

2 P1 1

Figura 68. Entrenadores para circuitos neumáticos.

3

Figura 67. Mando indirecto de un cilindro de simple efecto.

Mando de un cilindro de doble efecto mediante pulsador

Figura 69. Mando de un cilindro de doble efecto mediante pulsador.

Figura 70. Mando de un cilindro de doble efecto (avance).

134

Tecnología - 4º E.S.O.

Figura 71. Mando de un cilindro de doble efecto (retroceso).

Sistemas neumáticos UNIDAD

Control de velocidad de un cilindro de doble efecto

cilindro

Figura 72. Control de velocidad de un cilindro de doble efecto.

2

4 P1

1

3

Figura 73. Control de velocidad de un cilindro de doble efecto.

Mando indirecto de un cilindro de doble efecto

4

P2

2

14 1

3 P1

Figura 75. Ejemplo de aplicación: barrera de aparcamiento.

2

2 P1

P2 1

3

1

3

Figura 74. Mando indirecto de un cilindro de doble efecto. Tecnología - 4º E.S.O.

135

Sistemas neumáticos UNIDAD

Mando de un cilindro de doble efecto con retroceso automático

2

1 3

2

4 14

12 1

Figura 77. Retroceso automático.

3

2 P1 1

3

Figura 76. Mando de un cilindro de doble efecto con retroceso automático.

Mando condicional de un cilindro de doble efecto

4

2

4

14

2

14 1

3

1

3

2 P2 1

3 2

2

2

P1

P1 1

3

P2 1

a) Mediante válvulas 3/2 NC

3

Tecnología - 4º E.S.O.

3

b) Mediante válvula de simultaneidad

Figura 78. Mando condicional de un cilindro de doble efecto.

136

1

Sistemas neumáticos UNIDAD

Mando automático de un cilindro de doble efecto

1

2

1

2

12

14 1 1

3

3

2

4

3

2

3

Figura 79. Mando automático de un cilindro de doble efecto.

Mando de un cilindro de doble efecto con control de tiempo en el retroceso 3 1

2

12 4

2 12

14 2

3

P1

1

2

1 3

1

3

Figura 80. Mando de un cilindro de doble efecto con control de tiempo en el retroceso. Tecnología - 4º E.S.O.

137

Sistemas neumáticos UNIDAD

1. ¿Qué se entiende por presión y cuáles son sus principales unidades de medida? 2.

¿Qué relación existe entre presión absoluta, presión relativa y presión atmosférica?

3.

Convierte las siguientes unidades de presión: a) 1.600 mmHg en bares, atmósferas y pascales. b) 0,2 bares en atmósferas, pascales y milímetros de mercurio. Solución: a) 2,08 bar = 2,12 atm = 2,08 ·105 Pa; b) 0,204 atm = 20.000 Pa = 152 mmHg

4.

Un recipiente provisto de un émbolo compresor de 0,25 m3 de volumen de aire a una presión de 4 bar se somete a un proceso de compresión a temperatura constante, de modo que aumenta la primera en un 25%. Calcula: a) El valor del nuevo volumen (V2) que ocupa dicho aire. b) El valor de la fuerza (F2) aplicada para aumentar dicha presión, suponiendo que la superficie del émbolo es de 500 mm2. Solución: V2 = 0,2 m3; F2 = 250 N

5.

Calcula el caudal de aire (m3/min, litros/min) que circula por un tramo de tubería de 2,5 cm de diámetro interior y 100 m de longitud, durante dos minutos de tiempo. ¿Cuál es la velocidad a la que circula el aire? Solución: Q = 0,0245 m3/min = 24,5 litros/min; v = 0,83 m/s.

6.

Enumera los distintos tipos de compresores más importantes que conozcas y comenta de forma escueta su funcionamiento.

7.

Enumera los distintos tipos de accionamiento de válvulas que existen y sus características fundamentales.

8.

¿Para qué se utiliza una unidad de acondicionamiento y cuáles son sus partes fundamentales?

9.

¿Qué ventajas e inconvenientes presenta un cilindro de simple efecto frente a otro de doble efecto?

10. Calcula la fuerza de avance (F) de un cilindro de simple efecto de 5 cm de diámetro, siendo la presión de trabajo de 4 bar. Considera la fuerza del muelle y la fuerza de rozamiento del émbolo un 6% y un 10%, respectivamente, de la fuerza teórica aplicada. Solución: F = 65,97 kgf 11. Calcula el consumo (C) de aire del cilindro del ejemplo anterior, sabiendo que éste tiene una carrera de 30 cm y que efectúa 6 ciclos por minuto. Supón una presión atmosférica de 1 atm. Solución: C = 17,67 l/min. 12. Dibuja una válvula 4/2 y una 5/2 e indica qué diferencias existen entre ambas válvulas en lo que a construcción y funcionamiento se refiere. 13. Responde a las siguientes cuestiones, que hacen referencia al circuito de la figura 81. a) Identifica y define los diferentes componentes del circuito. b) ¿Qué ocurre si se activa momentáneamente la válvula 1.3 antes de finalizar la carrera de avance? c) ¿Qué ocurre si se mantiene pulsada la válvula 1.2 cuando el vástago llega a la posición extrema en la carrera de avance y se activa la válvula 1.3?

138

Tecnología - 4º E.S.O.

Sistemas neumáticos UNIDAD

1.5 1.0

1.02

1.1

1.7 1.6 1.2

1.4

1.3

1.5

Figura 81. Circuito de control de un cilindro de doble efecto.

14. Responde a las siguientes cuestiones, que hacen referencia al circuito de la figura 82. a) Identifica los diferentes componentes del circuito y explica cómo funciona. b) ¿Qué carrera regula la válvula 1.01? c) ¿Qué misión tiene la válvula 1.5? d) ¿Cómo se consigue que el circuito realice un ciclo automático? e) ¿Qué ocurre si se cambia la válvula 1.6 por un selector de circuito?

1.0 1.4 1.01

1.3

1.02

1.1 1.5 1.6

1.2

1.4

1.3

Figura 82. Circuito de control de un cilindro de doble efecto. Tecnología - 4º E.S.O.

139

Sistemas neumáticos UNIDAD

15. Para el siguiente esquema neumático: a) Identifica cada uno de los elementos. b) Explica la lógica de mando.

1.0

1.3 1.02 1.01 1.1

1.3

1.2

1.4

Figura 83. Distribuidor de piezas.

16. Utilizando un cilindro de doble efecto, una válvula distribuidora 5/2 y dos válvulas 3/2 normalmente cerradas, diseña un circuito neumático que permita dirigir los dos tipos de piezas de tamaños diferentes que llegan, a través de la cinta transportadora, a dos compartimentos diferentes A y B.

cilindro de doble efecto

compartimento A cinta transportadora

piezas compartimento B

Figura 84. Distribuidor de piezas.

140

Tecnología - 4º E.S.O.