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MANTENIMIENTO INDUSTRIAL

Módulo 3 Neumática

Autor: Método Estudios Consultores, S.L.U. Edita: Método Estudios Consultores, S.L.U. “Queda rigurosamente prohibida, sin la autorización escrita del editor, la reproducción parcial o total de esta obra por cualquier medio o procedimiento, comprendidos la reprografía y el tratamiento informático, y la distribución de ejemplares mediante alquiler o préstamo públicos”. © 2013 Método Estudios Consultores, S.L.U.

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Módulo 3. Neumática

índice 1. Evolución histórica del aire comprimido ...........................................................................................5

2. Introducción a la neumática práctica ............................................................................................ 6 2.1. Principios físicos y leyes .............................................................................................................. 8 2.2. Simbología neumática ............................................................................................................... 10

3. El sistema neumático básico ............................................................................................................ 16 4. Teoría del aire comprimido............................................................................................................... 18

4.1. Unidades ...................................................................................................................................... 18 4.2. Presión ......................................................................................................................................... 20 4.3. Propiedades de los gases .......................................................................................................... 21 4.4. Humedad del aire ....................................................................................................................... 26 4.5. Presión y caudal .......................................................................................................................... 32

4.5.1. Uso del diagrama ................................................................................................................. 33 4.5.2. Formulario ............................................................................................................................ 34

5. Compresión y distribución del aire .................................................................................................. 35 5.1. Compresores ................................................................................................................................ 35

5.1.1. Compresores alternativos .................................................................................................. 36 5.1.2. Compresores rotativos ....................................................................................................... 38 5.1.3. Capacidad normal del compresor ...................................................................................... 41

5.2. Rendimiento volumétrico ......................................................................................................... 41 5.3. Accesorios del compresor ......................................................................................................... 43 5.4. Deshidratación del aire ............................................................................................................. 44 5.5. Secadores de aire. ...................................................................................................................... 46 5.6. Filtro de línea principal .............................................................................................................. 50 5.7. Distribución del aire ................................................................................................................... 51 5.8. Líneas secundarias ..................................................................................................................... 52 5.9. Purgas automáticas ................................................................................................................... 53 5.10. Selección del tamaño de los conductos principales de aire. ............................................. 55 5.11. Materiales para la tubería ....................................................................................................... 58 5.12. Sistemas de conexión .............................................................................................................. 60

6. Tratamiento del aire .......................................................................................................................... 61 6.1. Filtraje .......................................................................................................................................... 61 6.2. Regulación de la presión ........................................................................................................... 65 6.3. Válvula de arranque progresivo ............................................................................................... 72 6.4. Lubricación del aire comprimido .............................................................................................. 72 6.5. Unidades de filtro-regulador-lubricador (F.R.L.) .................................................................. 77

7. Actuadores .......................................................................................................................................... 77 7.1. Actuadores lineales ................................................................................................................... 77 7.2. Selección de actuadores lineales ............................................................................................. 81 7.3. Amortiguación ............................................................................................................................. 87 7.4. Caudal de aire y consumo .......................................................................................................... 90 7.5. Montaje del cilindro. ................................................................................................................... 92 7.6. Actuadores de giro .................................................................................................................... 94 7.7. Motores neumáticos .................................................................................................................. 94

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8. Actuadores especiales ...................................................................................................................... 95 8.1. Cilindro con unidad de bloqueo ................................................................................................ 95 8.2. Cilindro de vástagos paralelos ................................................................................................. 96 8.3. Cilindro con vástago antigiro .................................................................................................... 96 8.4. Cilindro plano .............................................................................................................................. 97 8.5. Cilindro de doble vástago ......................................................................................................... 97 8.6. Cilindro tándem .......................................................................................................................... 98 8.7. Cilindro multiposicional ............................................................................................................. 98 8.8. Unidades deslizantes .............................................................................................................. 100 8.9. Mesa lineal de traslación. ........................................................................................................ 100 8.10. Cilindro de tope ...................................................................................................................... 101 8.11. Cilindro compacto ................................................................................................................... 102 8.12. Unidades hidroneumáticas .................................................................................................. 103 8.13. Cilindros sin vástago .............................................................................................................. 105 8.14. Actuadores de giro ................................................................................................................ 106 8.15. Pinzas neumáticas ................................................................................................................. 109

8.15.1. Pinzas con apertura angular ......................................................................................... 110 8.15.2. Pinzas con apertura paralela......................................................................................... 111 8.15.3. Pinzas autocentrantes ................................................................................................... 113 8.15.4. Pinzas de tres dedos ...................................................................................................... 113 8.15.5. Pinzas con apertura a 180º ........................................................................................... 114

9. Válvulas de control direccional...................................................................................................... 114 9.1. Funciones de la válvula............................................................................................................ 114 8.2. Tipos de válvula ........................................................................................................................ 115

8.2.1. Válvulas de asiento ........................................................................................................... 116 8.2.2. Válvulas de corredera ....................................................................................................... 117 8.2.3. Válvulas rotativas ............................................................................................................. 119

8.3. Accionamientos de las válvulas ............................................................................................. 119 8.3.1. Accionamiento mecánico ................................................................................................. 119 8.3.2. Accionamiento manual .................................................................................................... 120 8.3.3. Accionamiento por pilotaje neumático ......................................................................... 121 8.3.4. Accionamiento eléctrico (por solenoide) ...................................................................... 123

8.4. Montaje de válvulas ................................................................................................................. 123 8.5. Cálculo del tamaño de la válvula ............................................................................................ 126 9.6. Válvulas auxiliares ................................................................................................................... 130

10. Circuitos básicos ............................................................................................................................ 132 10.1. Funciones elementales ......................................................................................................... 132 10.2. Funciones de tiempo ............................................................................................................. 135 10.3. Control del cilindro ................................................................................................................. 138

10.3.1. Cilindro de simple efecto (control manual)................................................................. 138 10.3.2. Cilindro de doble efecto (control manual) .................................................................. 141

10.4. Detección de la posición de los cilindros ............................................................................ 142 10.5. Control de secuencias .......................................................................................................... 144 10.6. Comandos opuestos .............................................................................................................. 147

10.6.1. Eliminación con una señal de corta duración ............................................................. 147 10.6.2. Sistema de cascada ....................................................................................................... 148

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10.7. Desarrollo de automatismos neumáticos .......................................................................... 150 10.7.1. Localización de señales permanentes. Diagrama espacio-fase ............................. 150 10.7.2. Anulación de señales permanentes ............................................................................ 152

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MÓDULO 3. NEUMÁTICA 1. Evolución histórica del aire comprimido En la antigüedad, los griegos, en su búsqueda de la verdad, fueron cautivados por cuatro elementos que se presentaban con relativa continuidad y abundancia, estos eran: el agua, el aire, el fuego y la tierra. De estos cuatro elementos, uno en particular, el aire, poseía por su naturaleza volátil y presencia transparente, la más fina expresión de la materia, que en otras “densidades” o “estados” constituía además los otros elementos. Era casi el alma. En griego, el vocablo que significa alma es PNEUMA y en consecuencia la técnica que utiliza el aire como vehículo para transmitir energía se llama NEUMÁTICA. A partir de los griegos, el aire se usó de muy diversas formas. En algunos casos, tal como se presenta en la naturaleza, o sea en movimiento. La navegación a vela, fue quizás la más antigua forma de aprovechamiento de la energía eólica. Más tarde, los molinos de viento la transformaron en energía mecánica, permitiendo en algunos casos mover moliendas y en otros bombear caudales importantes de agua unos cuantos metros por encima del nivel del mar en el que estaban operando. El aire presenta connotaciones muy importantes desde el punto de vista de su utilización. Desde su necesidad para la vida (el ser humano, sin saberlo, llena en sus pulmones el compresor más antiguo de la historia, capaz de bombear 100 litros de aire por minuto con una presión entre 0,02 y 0,08 bar) hasta contener olas en el mar o impedir el congelamiento de agua por burbujeo. El conocimiento y la aplicación del aire comprimido tomó consistencia a partir de la segunda mitad del siglo XVII, cuando el estudio de los gases es objetivo de científicos como: Torricelli, Pascal, Mariotte, Boyle, Gay Lussac, etc. Los sucesos más notables acaecidos en el avance del uso del aire comprimido pueden resumirse por orden cronológico como sigue:

Año Suceso 1500 A.C. Fuelle de mano y de pie (fundición no ferrosa)

1688 Máquina de émbolos (Papín) 1762 Cilindro soplante (John Smeaton) 1776 Prototipo compresor (John Wilkinson) 1857 Perforación túnel de Mont Cenis 1869 Freno de aire para FFCC (Westinghouse) 1888 Red de distribución de aire en París (distribución neumática)

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Las investigaciones en el campo de las aplicaciones del aire comprimido no han terminado todavía. Los robots, la manipulación, los autómatas programables y otras diversas prestaciones no han hecho perder ni un ápice el atractivo de la NEUMÁTICA en la nueva generación tecnológica. Actualmente, es posible realizar elevados ciclos de trabajo con una vida larguísima de estos componentes. Utilizando la electrónica como mando, se ofrecen soluciones inmejorables para muchos problemas de automatización industrial. Sectores industriales como: alimentación, ensamblaje y manipulación, sistemas robotizados o industrias de proceso continuo, son automatizados en gran parte neumáticamente por las ventajas que esta tecnología ofrece, tales como:

Elasticidad, puesto que puede ser almacenada en recipientes una vez comprimido. No posee características explosivas, aun habiendo sido comprimido. La velocidad de los actuadores es elevada (1m/s). Los cambios de temperatura no alteran sus prestaciones. Es una técnica limpia (desde el punto de vista macroscópico). Su coste no es elevado. Simplifica enormemente la mecánica.

Por lo tanto, la NEUMÁTICA, es una tecnología imprescindible como interface de potencia entre la electrónica de mando y el trabajo a desarrollar. 2. Introducción a la neumática práctica Neumática: Tecnología capaz de hacer uso del aire comprimido para automatizar procesos, generalmente industriales. El aire comprimido es un aire que está bajo una influencia superior al aire atmosférico, es decir, su presión es superior. Su composición química es de oxigeno, anhídrido carbónico, vapor de agua y nitrógeno. Esta composición química implica:

a. Nula volatilidad, deflagración o explosividad. b. El vapor de agua oxida los elementos mecánicos de los circuitos neumáticos. c. Baja sensibilidad del aire al aumento de la temperatura. d. La viscosidad del aire incrementa con la presión, aumentando el rozamiento de los

elementos mecánicos y disminuyendo el rendimiento óptimo de la instalación neumática. Los límites óptimos de presión para trabajar con aire, están entre 6 y 8 bar.

e. Al necesitar un aire con una presión superior a la atmosférica, es una tecnología más cara que la eléctrica para producir trabajo efectivo.

f. El aire comprimido además de transmitir vapor de agua, puede transmitir otro tipo de sustancias también perjudiciales para el equipo neumático. Dotando al aire de partículas de aceite en suspensión, estaremos engrasando los elementos mecánicos del circuito neumático. Dotando al circuito neumático de filtros se recoge la suciedad del aire.

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g. Al poder limpiar el aire comprimido la neumática emerge como una tecnología ideal para sectores como la alimentación o la farmacológica, frente a otra tecnología como puede ser la hidráulica, ésta es bastante más sucia en todos los sentidos. El aire se puede extraer al exterior, mientras que el aceite hay que recogerlo.

h. El circuito principal de suministro de aire comprimido, no debe sobrepasar los 1000 metros, porque aumentaría considerablemente las pérdidas.

i. Es aconsejable usar un sistema de almacenamiento de aire comprimido, sobre todo, en largas distancias, de esta forma se elimina las posibles fluctuaciones que podamos tener en el circuito neumático a consecuencia de la distancia, de pequeños vaivenes del compresor, etc.

¿Qué puede hacer la neumática? Las aplicaciones del aire comprimido no tienen límites: desde la utilización, por parte del óptico, de aire a baja presión para comprobar la presión del fluido en el ojo humano, a la multiplicidad de movimientos lineales y rotativos en máquinas con procesos robóticos, hasta las grandes fuerzas necesarias para las prensas neumáticas y martillos neumáticos que rompen el hormigón. La breve lista y los diagramas indicados más adelante sirven solamente para indicar la versatilidad y variedad del control neumático en funcionamiento en una industria en continua expansión.

Accionamiento de válvulas para aire, agua o productos químicos. Accionamiento de puertas pesadas o calientes. Descarga de depósitos en la construcción, fabricación de acero, minería e industrias

químicas. Apisonamiento en la colocación de hormigón. Elevación y movimiento en máquinas de moldeo. Pulverización de la cosecha y accionamiento de otro equipamiento tractor. Pintura por pulverización. Sujeción y movimiento en el trabajo de la madera y la fabricación de muebles. Montaje de plantillas y fijaciones en la maquinaria de ensamblado y máquinas

herramientas. Sujeción para encolar, pegar en caliente o soldar plásticos. Sujeción para soldadura fuerte y normal. Operaciones de conformado para curvado, trazado y alisado. Máquinas de soldadura eléctrica por puntos. Ribeteado. Accionamiento de cuchillas de guillotina. Máquinas de embotellado y envasado. Accionamiento y alimentación de maquinaria para trabajar la madera. Plantillas de ensayo. Máquinas herramientas, mecanizado o alimentación de herramientas. Transportadores de componentes y materiales. Manipuladores neumáticos.

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Calibrado automático o verificación. Extracción del aire y elevación por vacío de placas finas. Tornos de dentista Y muchos más...

Algunas razones importantes para la extensa utilización del aire comprimido en la industria son:

Disponibilidad. Muchas fábricas e instalaciones industriales tienen un suministro de aire comprimido en las áreas de trabajo y compresores portátiles que pueden servir en posiciones más alejadas.

Almacenamiento. Si es necesario, se puede almacenar fácilmente en grandes cantidades, en el interior de depósitos o calderines, especialmente diseñados para ello.

Simplicidad de diseño y control. Los componentes neumáticos son de configuración sencilla y se montan fácilmente para proporcionar sistemas automatizados extensos con un control relativamente sencillo.

Elección del movimiento. Se puede elegir entre un movimiento lineal o un movimiento de rotación angular con velocidades de funcionamiento fijas y continuamente variables, pudiéndose regular con facilidad dichas velocidades.

Economía. La instalación tiene un coste relativamente bajo debido al coste modesto de los componentes. También el mantenimiento es poco costoso debido a su larga duración sin apenas averías.

Fiabilidad. Los componentes neumáticos tienen una larga duración que tiene como consecuencia la elevada fiabilidad del sistema.

Resistencia al entorno. A este sistema no le afectan ambientes con temperaturas elevadas, polvo o atmósferas corrosivas en los que otros sistemas fallan.

Limpieza del entorno. El aire es limpio y, con un adecuado tratamiento de aire en el escape, se puede instalar según las normas de "sala limpia", (Clean Room).

Seguridad. No presenta peligro de incendio en áreas de riesgo elevado y el sistema no está afectado por la sobrecarga, puesto que los actuadores se detienen o se sueltan simplemente. Los actuadores neumáticos no producen calor.

2.1. Principios físicos y leyes En este apartado enumeraremos los principios físicos y leyes más importantes que intervienen en la Neumática. Algunos de ellos los explicaremos en profundidad más adelante. Las principales leyes utilizadas son las referidas a:

a. Las diferentes presiones, atmosférica, relativa y absoluta. b. El teorema de hidrostática. c. Las diferentes leyes de los gases ideales.

Presión La presión es el cociente entre la fuerza normal que incide sobre una superficie o cuerpo y el valor del cuerpo o la superficie.

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Existen varios tipos de presión:

a. Presión atmosférica. La presión atmosférica es la presión que ejerce la atmósfera sobre todos los cuerpos de la tierra o que están en el interior de la atmósfera. Torricelli realizó un experimento que consistía en verter mercurio en un tubo de vidrio, colocó el tubo de vidrio en una cubeta rellena de mercurio, dejando la parte abierta del tubo dentro de la cubeta y la parte cerrada en el exterior de la cubeta. Al hacerlo sobre el nivel del mar, la altura del mercurio alcanzaba los 760 mm. A este valor se le denominó 1 atmósfera.

b. Presión absoluta y relativa. Se denomina presión absoluta a la presión que soporta

un sistema respecto al cero absoluto. Sobrepresión: la presión absoluta debe ser superior a la presión atmosférica. Depresión: la presión absoluta es inferior a la presión atmosférica.

Tanto la presión absoluta (Pab) como la presión relativa (Pr) están en función de la presión atmosférica (P0).

Peso específico Se denomina peso específico de un gas o líquido al peso de la unidad de su volumen. Tanto la temperatura como la presión influyen en el peso específico, por este motivo se acostumbra a indicar éstos valores cuando se da el valor del peso específico, normalmente en Kg/m3 o en gr/cm3.

Ley de Boyle-Mariotte A una temperatura constante, los volúmenes ocupados por una misma masa gaseosa son inversamente proporcionales a las presiones que soportan.

Los gases son elásticos y se pueden comprimir, los líquidos no.

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Los gases cuando están encerrados tienden a ocupar el mayor espacio posible y ejercen una presión sobre el recipiente que ocupan. Aumentando la temperatura disminuimos el volumen. Ley de Gay-Lussacc Un gas con presión constante, tiene un volumen directamente relacionado con su temperatura.

Ley de Amonton Un gas con un volumen constante, su presión absoluta varía proporcionalmente con su temperatura.

Ley de Poisson Si no existe intercambio de calor con el entorno, la relación existente entre la presión absoluta y el volumen que ocupa un gas, viene expresado por la fórmula:

“k” es función de la presión y la temperatura. Gases ideales El comportamiento de los gases es bastante más simple que el de los fluidos, por ello se puede predecir fácilmente su comportamiento en el presente y en el futuro de un gas cualquiera. La composición química del aire comprimido, hace que lo podamos tratar como un gas ideal. Usando éstas leyes, se llega a la siguiente fórmula:

2.2. Simbología neumática Aunque existe una estandarización de símbolos, no todos los fabricantes la respetan. Algunos de los símbolos estándar, según las normativas ISO/DIN y Cetop, se muestran en la siguiente tabla.

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SÍMBOLO DEFINICIÓN CONCEPTO

Línea de trabajo Tubo que lleva aire

Línea de mando Tubo que lleva el aire de mando

Línea de conjunto La línea delimita a los elementos de un

conjunto

Conexión Unión de tubos

Enchufe rápido Unión de tubos con válvulas de

retención

Acumulador Recipiente que almacena aire a

presión

Filtro

Elemento para limpiar el aire del circuito

Purga manual

Elemento que recoge las condensaciones de agua del circuito

Purga automática

Elemento que recoge automáticamente las condensaciones

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Filtro con purga Elemento de filtro con purga

Secador Elemento que quita el agua del aire

Lubricador Elemento que vaporiza lubricante en el aire para lubricar otros elementos

Compresor Produce energía neumática

Cilindro simple Cilindro con muelle de retorno

Cilindro simple Cilindro con retorno externo

Cilindro doble Cilindro con dos carreras(sentidos)

Multiplicador de presión Elemento que aumenta la presión en

la cámara Y.

Válvula, símbolo general Flechas: sentido del aire

Líneas: conexiones Trazo cruzado: conductos cerrados

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Escape Escape simple sin tubo de conexión

Escape Escape con tubo de conexión

Escape Escape con elemento silenciador

Válvula 2/2 Válvula de dos posiciones, en una

bloquea y en la otra deja pasar el aire

Válvula 2/2 NC Válvula que estando en reposo

obstruye el paso del aire

Válvula 2/2 NA Válvula que estando en reposo deja

pasar el aire

Válvula 2/2 biestable Válvula con dos posiciones estables

Válvula 3/2 NC Válvula en estado de reposo esta

tarada

Válvula 3/2 NA Válvula en estado de reposo esta

comunicada

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Válvula,3/2 biestable. Válvula estable en todas sus

posiciones.

Válvula 5/2 monoestable

Válvula en reposo tiene la posición derecha

Aislamiento Grifo

Mando manual Símbolo general.

Pulsador Pulsador manual

Electroimán Electroimán de una bobina

Electroimán doble Electroimán con dos bobinas de igual

sentido.

Electroimán doble

Electroimán con dos bobinas de sentido inverso

Accionamiento directo por presión Presión

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Accionamiento directo por depresión Depresión

Accionamiento directo Por diferencia de superficies

Antirretorno El aire solo pasa en un sentido

Selección de circuito Selecciona entre dos puntos

Simultáneo

Activando las dos entradas tenemos una salida

Escape rápido Evacua el aire

Regulador de caudal Limita la salida de aire

Regulador de caudal Ajustable

Regulador unidireccional Regula el caudal en un solo sentido

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Válvula limitadora Limita la presión

Reductora Reduce la presión de entrada

teniendo en la salida una presión constante

Llave de paso Símbolo general

Manómetro Mide la presión

Divisor de caudal Divide el caudal equitativamente

Manorreductor de presión Regula la presión de salida a un valor

fijado.

Selector de circuitos Dependiendo de la entrada selecciona

un circuito u otro

Válvula de seguridad de presión Alivia el exceso de presión por medio

de la descarga a tanque

3. El sistema neumático básico Los cilindros neumáticos, los actuadores de giro y los motores de aire suministran la fuerza y el movimiento a la mayoría de los sistemas de control neumático para sujetar, mover, formar y procesar el material.

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Para accionar y controlar estos actuadores, se requieren otros componentes neumáticos, por ejemplo unidades de acondicionamiento de aire para preparar el aire comprimido y válvulas para controlar la presión, el caudal y el sentido del movimiento de los actuadores. Un sistema neumático básico, ilustrado en la siguiente figura, se compone de dos secciones principales:

El sistema de producción y distribución del aire. El sistema de consumo del aire o utilización.

Sistema neumático básico Sistema de producción de aire Las partes componentes y sus funciones principales son:

1. Compresor: el aire aspirado a presión atmosférica se comprime y entrega a presión más elevada al sistema neumático. Se transforma así la energía mecánica en energía neumática.

2. Motor eléctrico: suministra la energía mecánica al compresor. Transforma la energía eléctrica en energía mecánica.

3. Presostato: controla el motor eléctrico detectando la presión en el depósito. Se regula a la presión máxima a la que desconecta el motor y a la presión mínima a la que vuelve a arrancar el motor.

4. Válvula antiretorno: deja pasar el aire comprimido del compresor al depósito e impide su retorno cuando el compresor está parado.

5. Depósito: almacena el aire comprimido. Su tamaño está definido por la capacidad del compresor. Cuanto más grande sea su volumen, más largos son los intervalos de funcionamiento del compresor.

6. Manómetro: indica la presión del depósito. 7. Purga automática: purga toda el agua que se condensa en el depósito sin necesitar

supervisión. 8. Válvula de seguridad: expulsa el aire comprimido si la presión en el depósito sube por

encima de la presión permitida.

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9. Secador de aire refrigerado: enfría el aire comprimido hasta pocos grados por encima del punto de congelación y condensa la mayor parte de la humedad del aire, lo que evita tener agua en el resto del sistema.

10. Filtro de línea: al encontrarse en la tubería principal, este filtro debe tener una caída de presión mínima y la capacidad de eliminar el aceite lubricante en suspensión. Sirve para mantener la línea libre de polvo, agua y aceite.

Sistema de utilización

1. Purga del aire: para el consumo, el aire es tomado de la parte superior de la tubería principal para permitir que la condensación ocasional permanezca en la tubería principal; cuando alcanza un punto bajo, una salida de agua desde la parte inferior de la tubería irá a una purga automática eliminando así el condensado.

2. Purga automática: cada tubo descendiente, debe tener una purga en su extremo inferior. El método más eficaz es una purga automática que impide que el agua se quede en el tubo en el caso en que se descuide la purga manual.

3. Unidad de acondicionamiento del aire: acondiciona el aire comprimido para suministrar aire limpio a una presión óptima y ocasionalmente añade lubricante para alargar la duración de los componentes del sistema neumático que necesitan lubricación.

4. Válvula direccional: proporciona presión y pone a escape alternativamente las dos conexiones del cilindro para controlar la dirección del movimiento.

5. Actuador: transforma la energía potencial del aire comprimido en trabajo mecánico. En la figura se ilustra un cilindro lineal, pero puede ser también un actuador de giro o una herramienta neumática, etc.

6. Controladores de velocidad: permiten una regulación fácil y continua de la velocidad de movimiento del actuador.

Estos componentes se ilustrarán con más detalle tras estudiar la teoría del aire comprimido. Es imprescindible para comprender qué pasa en un sistema neumático. 4. Teoría del aire comprimido 4.1. Unidades Para la aplicación práctica de los accesorios neumáticos, es necesario estudiar las leyes naturales relacionadas con el comportamiento del aire como gas comprimido y las medidas físicas que se utilizan normalmente. El Sistema Internacional de Unidades está aceptado en todo el mundo desde 1960, pero EEUU, el Reino Unido y Japón siguen utilizando en gran medida el sistema legal de pesas y medidas.

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Magnitud Símbolo Unidad S.I. Nombre

Masa m Kg Kilogramo Longitud L m metro Tiempo t s segundo Temperatura absoluta

T º K Grado Kelvin

Temperatura t,θ º C Grado Celsius

Unidades básicas

Magnitud Símbolo Unidad S.I. Nombre Radio r m metro Angulo α,β,χ,δ,ε 1 Radian Área, superficie A,S m2 metro cuadrado Volumen V m3 metro cúbico Velocidad v m/s metro por segundo Velocidad angular ω rad/s radianes por segundo Aceleración a m/s2 metro/segundo al cuadrado Inercia J m2Kg metro cuadrado por kilogramo Fuerza F N Newton Peso G N Aceleración de la Gravedad Trabajo W J Joule Energía potencial E, W J Joule Energía cinética E, W J Joule Potencia P W Vatio

Unidades compuestas

Magnitud Símbolo Unidad SI Nombre Presión P Pa Pascal Volumen estándar Vn m3 metro cúbico estándar Gasto volumétrico Q m3/s metro cúbico/segundo Energía, Trabajo E,W J Joule Potencia P W Vatio

Unidades S.I. utilizadas en los sistemas neumáticos Para numerar las unidades por potencias de diez, más grandes o más pequeñas que las unidades arriba indicadas, fue acordada una serie de prefijos que se enumeran en la siguiente tabla:

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Potencia Prefijo Símbolo

10-1 deci d 10-2 centi c 10-3 mili m 10-6 micro µ 101 deca da 102 hecto h 103 kilo k

Preposiciones para potencias de diez

Magnitud Sistema Métrico Sistema Inglés Factor m ⇒ i

Factor i ⇒ m

Masa Kg g

Libra Onza

2,205 0,03527

0,4535 28,3527

Longitud M m

mm

pie yarda

pulgada

3,281 1,094

0,03937

0,3048 0,914 25,4

Temperatura º C º F 1,8ºC + 32 (ºF - 32)/1,8

Área, sección m2

cm2 pie cuadrado

pulgada cuadrada 10,76 0,155

0,0929 6,4516

Volumen m3

cm3 dm3 (litro)

yarda cúbica pulgada cúbica

pie cúbico

1,308 0,06102 0,03531

0,7645 16,388 28,32

Gasto volumétrico

m3/min dm3/min

scfm scfm

35,31 0,03531

0,02832 28,32

Fuerza Newton (N) Libra fuerza 0,2248 4,4484

Presión Bar psi 14,5 0,06895

Unidades no métricas. Comparación entre el sistema métrico (ISO) y el sistema legal de pesas

y medidas 4.2. Presión Es necesario recordar que la unidad ISO de presión es el Pascal (Pa):

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1 Pa = 1 N/m2 (Newton por metro cuadrado)

Esta unidad es extremadamente pequeña, así que para evitar trabajar con números grandes, existe un acuerdo para utilizar el bar como unidad de 100.000 Pa, puesto que esta medida es más práctica para utilización industrial.

100.000 Pa = 100 kPa = 1 bar Corresponde, con suficiente precisión para fines prácticos, a kgf/cm2 y kp/cm2 del sistema métrico.

Diferentes sistemas de indicación de presión. Utilizando como referencia una presión atmosférica estándar de 1013 mbar. Hay que señalar que esta no es 1 bar, aunque para

cálculos neumáticos normales se puede ignorar la diferencia En el contexto de los accesorios neumáticos, una presión se considera como presión relativa, es decir por encima de la presión atmosférica, y se denomina comúnmente presión manométrica. La presión se puede expresar también como presión absoluta (ABS), es decir una presión relativa a un vacío total. En la tecnología del vacío, se utiliza una presión por debajo de la atmosférica, es decir bajo presión. 4.3. Propiedades de los gases Ley de Boyle-Mariotte A temperatura constante, el volumen ocupado por una masa gaseosa invariable está en razón inversa de su presión, es decir, que en tales circunstancias se verifica:

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También se puede escribir:

O también de esta otra manera:

Si la temperatura T es constante:

Isoterma del gas Las líneas que unen los puntos que se hallan a la misma temperatura se llaman “isotermas” o “isotérmicas del gas”, siendo su curva representativa la hipérbola equilátera sobre el plano PV como la que aparece en la figura anterior.

Ilustración de la ley de Boyle

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Si el volumen V1=1m3 a una presión absoluta de 100kPa (1 bar ABS) se comprime a temperatura constante a un volumen V2=0,5m3, entonces:

P V P V1 1 2 2⋅ = ⋅ Por lo tanto:

P P VV2

1 1

2

=⋅

Es decir,

P KPa mm

KPa bares ABS2

3

3100 1

0 5200 2=

⋅=

,( )

Nuevamente, si el volumen V1 a 100kPa se comprime a V3=0,2 m3, entonces la presión resultante:

P P VV

KPa mm

KPa bares ABS31 1

3

3

3100 1

0 2500 5=

⋅=

⋅=

,( )

Ley de Gay-Lussac A presión constante, el volumen ocupado por una masa dada de gas, es directamente proporcional a su temperatura absoluta.

VT

VT

VT

Cte1

1

2

2

3

3

= = =

Dichas transformaciones se denominan “isobaras” o “isobáricas del gas”, siendo su línea representativa, sobre el plano PV una línea paralela a V. Esto se comprende fácilmente, pues tanto más se comprime un gas más aumenta su temperatura. El coeficiente de dilatación de un gas viene dado por la fórmula:

α =−⋅

V VV t

0

0 De donde:

V V t= + ⋅0 1( )α

24


Lo que permite calcular el volumen V ocupado por un gas de volumen inicial V0 cuando su temperatura se ha elevado tºK. Ley de Charles A volumen constante, la presión absoluta de una masa de gas determinada, es directamente proporcional a la temperatura, esto es:

PT

PT

PT

Cte1

1

2

2

3

3

= = = .

Las curvas que unen los puntos que tienen el mismo volumen específico se denominan “isocoras”, “isosteras” o “isopléricas”. En un gas perfecto, las isocoras son líneas rectas verticales sobre el plano PV. Esta variación de presión viene dada por β, que es impropiamente llamado coeficiente de dilatación a volumen constante. De este modo se puede obtener la presión del aire contenido en un depósito cuando la temperatura ambiente aumenta, despreciando el aumento del volumen del depósito para esa variación de temperatura, tendremos:

P P t= +0 1( )β El coeficiente de variación de presión a volumen constante (β), es de un valor similar al coeficiente de dilatación a presión constante (α), como él es igualmente independiente de:

La naturaleza del gas. Su presión inicial. Su temperatura.

Prácticamente se puede escribir:

α β= = =1

2730 00366,

En las expresiones superiores, se debe utilizar la escala de temperatura Kelvin, es decir:

ºC+273ºC=ºK Las relaciones anteriores, se combinan para proporcionar la "ecuación general de los gases perfectos".

P VT

P VT

P VT

Cte1 1

1

2 2

2

3 3

3

⋅=

⋅=

⋅=

25


Esta ley proporciona una de las bases teóricas principales para el cálculo a la hora de diseñar o elegir un equipo neumático, cuando sea necesario tener en cuenta los cambios de temperatura. Transformación adiabática Las leyes anteriores se referían siempre a cambios lentos, con solamente dos variables cambiando al mismo tiempo. En la práctica, por ejemplo, cuando el aire entra en un cilindro, no tiene lugar un cambio de estas características, sino un cambio adiabático. La Ley de Boyle conocida:

P V Cte⋅ = . Se transforma según la siguiente expresión:

P V Cte⋅ =κ .

Transformación adiabática Volumen estándar Debido a las interrelaciones entre volumen, presión y temperatura, es necesario referir todos los datos de volumen de aire a una unidad estandarizada, el metro cúbico estándar, que es la cantidad de 1,293Kg de masa de aire a una temperatura de 0ºC y a una presión absoluta de 760mm de Hg (101.325Pa). Gasto volumétrico (caudal) La unidad básica para el gasto volumétrico "Q" es el metro cúbico normal por segundo (m3n/s). En la neumática práctica, los volúmenes se expresan en términos de litros por minuto (l/min.) o decímetros cúbicos normales por minuto (dm3/min). La unidad no métrica habitual para el gasto volumétrico es el "pie cúbico estándar por minuto" (scfm).

26


Ecuación de Bernoulli Bernoulli dice que "si un líquido de peso específico P fluye horizontalmente por un tubo de diámetro variable, la energía total en los puntos 1 y 2 es la misma"

Ecuación de Bernoulli Esto se expresa en la fórmula general:

P V P V1 12

2 221

212

+ ⋅ = + ⋅δ δ

De donde obtendremos:

( )22

212

1 VVP −⋅=∆ δ

Esta ecuación se aplica también a los gases si la velocidad del flujo no supera los 330m/s aproximadamente. Aplicaciones de esta ecuación son el tubo de Venturi y la compensación del flujo en los reguladores de presión. 4.4. Humedad del aire El aire de la atmósfera contiene siempre un porcentaje de vapor de agua. La cantidad de humedad presente, depende de la humedad atmosférica y de la temperatura. La cantidad real de agua que puede ser retenida, depende por completo de la temperatura; 1 m3 de aire comprimido es capaz de retener sólo la misma cantidad de vapor de agua como 1 m3

de aire a presión atmosférica.

27


Puntos de condensación para temperaturas de -30ºC a 80ºC La gráfica anterior nos permite conocer el número de gramos de agua por metro cúbico para una amplia gama de temperaturas, desde -30ºC hasta +80ºC. La línea fina indica la cantidad de agua por metro cúbico estándar. Todo consumo de aire se expresa normalmente en volumen estándar, lo que hace innecesario el cálculo. Para la gama de temperaturas de las aplicaciones neumáticas, la tabla siguiente proporciona los valores exactos. La primera mitad se refiere a las temperaturas bajo cero, mientras que la parte inferior indica las temperaturas sobre cero. La columna central muestra el contenido de un metro cúbico estándar y la de la derecha el contenido en un volumen de un metro cúbico a la temperatura dada.

Temperatura (ºC)

g/m3 n

(estándar) g/m3

(atmosférico) - 40 0,15 0,18 - 35 0,25 0,29 - 30 0,40 0,45 - 25 0,64 0,70 - 20 1,00 1,08 - 15 1,52 1,61 - 10 2,28 2,37 - 5 3,36 3,42 0 4,98 4,98

28


Temperatura (ºC)

g/m3 n

(estándar) g/m3

(atmosférico) 5 6,99 6,86

10 9,86 9,51 15 13,76 13,04 20 18,99 17,69 25 25,94 23,76 30 35,12 31,64 35 47,19 41,83 40 63,03 54,108

Saturación del aire por agua (Punto de condensación)

Humedad relativa A excepción de condiciones atmosféricas extremas, como una repentina caída de la temperatura, el aire atmosférico no se satura nunca. El coeficiente entre el contenido real de agua y el del punto de condensación se llama humedad relativa y se indica como porcentaje.

Humedad relativa contenido real de aguacantidad de saturación

= ×100

Cuando el aire se comprime, su capacidad para contener humedad en forma de vapor es sólo la de su "volumen reducido". Por lo tanto, a menos que la temperatura suba sustancialmente, el agua será expulsada mediante condensación. Punto de rocío Uno de los conceptos clásicos para señalar el grado de humedad de un aire comprimido o de un aire ambiente, es el punto de rocío, que se distingue por las siglas PR. El punto de rocío determina una temperatura t, a la cual el aire llega al punto de saturación; esto es, el aire se convierte en aire saturado. No se producirán condensaciones si la temperatura del aire se mantiene por encima del punto de rocío. Si bien, un enfriamiento del aire por debajo de la temperatura del PR, el vapor contenido en el aire comienza a condensar en forma de agua líquida. Cuando un ambiente de aire atmosférico o de aire comprimido seco se somete a un proceso de enfriamiento, la humedad de saturación va disminuyendo. Como la humedad absoluta permanece constante, la humedad relativa aumentará hasta que la misma alcance el 100%. La temperatura t evidenciada en ese momento corresponderá con el valor del punto de rocío. La principal utilización del concepto del punto de rocío está en el campo del aire seco, en donde es el parámetro para indicar la mayor o menor sequedad del mismo. Puntos de rocío

29


muy bajos reflejan aire muy seco y, por lo tanto, de gran calidad; puntos de rocío elevados suponen aires con altas humedades relativas. De donde se deduce que, para aire con humedad relativa:

Inferior al 100% (aire seco), el punto de rocío será siempre inferior a la temperatura real del ambiente considerado.

Igual al 100% (aire saturado), el punto de rocío coincidirá con el de la temperatura real del ambiente considerado.

Igual al 100%, pero conteniendo fase líquida en suspensión (nieblas), el punto de rocío será superior al de la temperatura real del ambiente considerado.

El punto de rocío puede calcularse a partir de datos psicrométricos tales como:

Humedad relativa y temperatura ambiente. Humedad relativa y humedad de saturación. Humedad absoluta.

Con ayuda de fórmulas, es posible calcular el punto de rocío a partir de la humedad relativa (hr) y de la temperatura ambiente (t). En primer lugar se busca la humedad de saturación (hs) en función de la temperatura y de la presión del sistema:

hs PP P

a

a

=−

0 625,

Luego se obtiene la humedad absoluta (hab) por medio de la ecuación:

hab hr.hs=

100hab hr hs

=⋅

100 Siendo que, en el punto de rocío, la humedad absoluta (hab) se convierte en humedad de saturación, hab=hs, hallando Pa (presión de vapor) y finalmente con ayuda de la tabla de abajo se buscará la temperatura correspondiente al valor calculado para Pa. Dicha temperatura es el valor del punto de rocío deseado.

30


Temperatura (ºC)

Pres. vapor (mm/Hg)

Temperatura (ºC)

Pres. vapor

(mm/Hg)

Temperatura (ºC)

Pres. vapor

(mm/Hg) -100 0.0000099 - 4 3.280 72 254.6 - 98 0.000015 - 3 3.590 73 265.7 - 96 0.000022 - 2 3.880 74 277.2 - 94 0.000033 - 1 4.225 75 289.1 - 92 0.000048 0 4.579 76 301.4 - 90 0.000070 1 4.926 77 314.1 - 88 0.00010 2 5.294 78 327.3 - 86 0.00014 3 5.685 79 341.0 - 84 0.00020 4 6.101 80 355.1 - 82 0.00029 5 6.543 81 369.7 - 80 0.00040 6 7.013 82 384.9 - 78 0.00056 7 7.513 83 400.6 - 76 0.00077 8 8.045 84 416.8 - 74 0.00105 9 8.609 85 433.6 - 72 0.00143 10 9.209 86 450.9 - 70 0.00194 11 9.844 87 468.7 - 68 0.00261 12 10.518 88 487.1 - 66 0.00349 13 11.231 89 506.1 - 64 0.00464 14 11.987 90 525.76 - 62 0.00614 15 12.788 91 546.05 - 60 0.00808 16 13.634 92 566.99 - 59 0.00933 17 14.530 93 588.60 - 58 0.0106 18 15.477 94 610.90 - 57 0.0122 19 16.477 95 633.90 - 56 0.0138 20 17.535 96 657.62 - 55 0.0144 21 18.650 97 682.07 - 54 0.0178 22 19.827 98 707.27 - 53 0.0204 23 21.068 99 733.24 - 52 0.0230 24 22.377 100 760.00 - 51 0.0262 25 23.756 101 787.57 - 50 0.0295 26 25.209 102 815.86 - 49 0.0337 27 26.209 103 845.12 - 48 0.0378 28 28.739 104 875.06 - 47 0.0430 29 30.043 105 906.07 - 46 0.0481 30 31.824 106 937.92 - 45 0.0540 31 33.695 107 967.6 - 44 0.0609 32 35.663 108 1004.42 - 43 0.0679 33 37.729 109 1038.92

31


Temperatura (ºC)

Pres. vapor (mm/Hg)

Temperatura (ºC)

Pres. vapor

(mm/Hg)

Temperatura (ºC)

Pres. vapor

(mm/Hg) - 42 0.0768 34 39.898 110 1074.56 - 41 0.0859 35 42.175 111 1111.20 - 40 0.0966 36 44.563 112 1148.74

Presiones de vapor de agua

Ejemplo Calcular el punto de rocío de un ambiente a 30ºC y 60% de humedad relativa a la presión atmosférica. Siguiendo el orden de cálculo que hemos visto anteriormente, tendremos:

hs PP P

a

a

=−

0 625,

Donde:

Pa=Presión de vapor de agua a 30ºC. (Según tabla → 31,824mmHg) P=Presión atmosférica=760mmHg

hs Kg=−

=0 625 31824760 31824

0 027, ,,

, .

De vapor de agua por kg de aire seco.

hab Kg=×

=60 0 027

1000 0162, , .

De vapor de agua por kg de aire seco con humedad relativa del 60%. La presión con estos valores, será:

P mm Hga =×

+=

0 0162 7600 625 0 0162

19 2014,, ,

, .

Buscando en la tabla anterior (presiones de vapor de agua) hallaremos que la temperatura que proporciona una presión de vapor de 19,2014 está comprendida entre 22ºC y 23ºC. Cabe la posibilidad de realizar este experimento a presión atmosférica o bajo presión. Como existe una variación de la humedad de saturación cuando aumenta la presión también hay una modificación del punto de rocío. La figura 4.12 nos da los valores según lo expuesto.

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Conversión del punto de rocío bajo presión a punto de rocío a presión atmosférica 4.5. Presión y caudal La relación más importante que existe para los componentes neumáticos es la que existe entre presión y caudal. Si no existe circulación de aire, la presión en todos los puntos del sistema será la misma, pero si existe circulación desde un punto hasta otro, esta querrá decir que la presión en el primer punto es mayor que en el segundo punto, es decir, existe una diferencia de presión. Esta diferencia de presión depende de tres factores:

De la presión inicial. Del caudal de aire que circula. De la resistencia al flujo existente entre ambas zonas.

La resistencia a la circulación de aire es un concepto que no tiene unidades propias (como el ohmio en la electricidad) sino que en neumática se usa el concepto opuesto, es decir, conceptos que reflejan la facilidad o aptitud de un elemento para que el aire circule a través de él, el área de orificio equivalente “S” o el “Cv” o el “Kv”. La sección de orificio equivalente “S” es expresada en mm2 y representa el área de un orificio sobre pared delgada que crea la misma relación entre presión y caudal que el elemento definido por él. Estas relaciones son, en cierta manera, similares a la electricidad, donde:

Diferencia de potencial=Resistencia x Intensidad Esto, trasladado de alguna forma a la neumática, sería:

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Caída de presión=Caudal x Área efectiva Sólo que, mientras que las unidades eléctricas son directamente proporcionales, esta relación para el aire es bastante más compleja y nunca será simplemente proporcional. En electricidad, una corriente de un amperio (1A), crea sobre una resistencia de un ohmio (1Ω) una tensión de un voltio (1V). Esto se cumple bien sea desde 100V a 99V o desde 4V a 3V. En cambio, una caída de presión a través del mismo objeto y con el mismo caudal, puede variar con la presión inicial y también con la temperatura. Razón, la compresibilidad del aire. Para definir uno de los cuatro datos interrelacionados que han sido mencionados, a partir de los otros tres, nosotros necesitamos el diagrama que se muestra a continuación:

Diagrama de relaciones entre presión y flujo para sección de 1mm2 El triángulo de la esquina inferior derecha marca el rango del flujo a velocidad “sónica”, cuando el caudal de aire alcanza una velocidad próxima a la velocidad del sonido. En este caso, el caudal ya no se puede incrementar independientemente de la diferencia de presión que puede existir entre la entrada y la salida. Como puede verse, las curvas, en esta zona, caen verticalmente. Esto supone que el caudal no depende de la diferencia de presión sino de la presión de entrada. 4.5.1. Uso del diagrama La escala de presión en la izquierda indica tanto la presión de entrada como la de salida. La primera línea vertical de la izquierda representa el caudal cero y, evidentemente, la presión

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en la entrada y la salida; las diferentes curvas para las presiones de entrada desde 1 hasta 10bar, indican cómo varía la presión de salida con el incremento de caudal. Ejemplo 1

Presión de entrada=6bar. Caída de presión=1bar (presión de salida=5bar).

Seguimos la línea que parte de 6 hasta que corta la horizontal del nivel de 5bar. Desde este punto, nosotros seguimos la línea a trazos que baja verticalmente hasta la escala de caudales, en la que obtenemos un valor de 55l/min. Esta situación concreta, define lo que se ha llamado el “volumen de flujo estándar (Qn)”, un valor encontrado en los catálogos para una rápida comparación de capacidad de caudal de otras válvulas. El caudal obtenido en este diagrama es para un elemento (válvula, racor, tubería, etc.) con una sección equivalente “S” de 1mm2. Si el elemento en cuestión tiene, según catálogo, un “S” de 4,5mm2, el caudal será 4,5 veces mayor. En este caso: 4,5x55=245l/min. Ejemplo 2 Dado un elemento con una sección equivalente “S” de 12mm2, con una presión de alimentación de 7bar y un consumo de aire de 600l/min. ¿Qué presión obtendremos en la salida? Un caudal de 600l/min con una sección equivalente de 12mm2, corresponde un caudal de 50l/min por cada mm2 de sección equivalente (necesitamos esta conversión para poder utilizar el diagrama de relaciones entre presión y flujo para sección de 1mm2). Seguimos ahora la curva que comienza en 7bar hasta que corta la línea vertical de 50l/min de Qn. A partir de este punto, seguimos la línea horizontal hasta la escala de presiones y obtenemos un valor de 6,3bar. 4.5.2. Formulario Cuando se requiera un cálculo más exacto que el que pueda ser obtenido en este diagrama, el caudal puede ser calculado con alguna de las fórmulas siguientes. Un vistazo al diagrama anterior (relaciones entre presión y flujo para sección de 1mm2) nos lo puede aclarar y, lógicamente, deben existir dos fórmulas diferentes para los rangos de “flujo sónico” y para los rangos de “flujo subsónico”. La frontera entre el flujo sónico y el subsónico viene establecida por las siguientes expresiones:

( )

( )013,1+P896,1>013,1+PsubsónicoFlujo

013,1+P896,1013,1+PsónicoFlujo

12

12 ≤

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El caudal Q vendría dado por las siguientes fórmulas: Flujo subsónico:

)PP)013,1+PS2,22=Q 212 -( · ( · ·

Flujo sónico:

( )013,1+PS1,11=Q 1 · · Siendo P1 y P2 presiones relativas o manométricas. Vea cómo un sistema neumático nunca funcionará de forma satisfactoria en condiciones de flujo sónico ya que, por ejemplo, de una presión de alimentación de 6 bar no quedarían nada más que 2,7 bar para trabajar. Ejemplo Repetiremos el cálculo del “Ejemplo 2” del punto 5.1 que acabamos de realizar con los mismos datos:

Presión de trabajo 7bar Presión de salida de 6,3bar Sección equivalente de 12mm2

min/l31,597=7,0·013,7·12·2,22=PP)·(013,1+P(S2,22=Q 212 ) - · ·

Este dato nos muestra que la precisión del diagrama es suficiente para el uso práctico en neumática. 5. Compresión y distribución del aire 5.1. Compresores Un compresor es un elemento, aparato o dispositivo que transforma la energía eléctrica o mecánica en energía neumática, es decir, produce aire comprimido. Este fenómeno puramente mecánico lo realiza el compresor de dos formas bien diferenciadas:

a. Transmitiendo energía cinética al aire. b. Reduciendo el volumen de aire de su alrededor o de un recinto cerrado.

Sabiendo esto, ya podemos clasificarlos, pues usaremos los dos puntos anteriores para hacerlo:

36


Por aumento de energía cinética, disponemos de los compresores radiales y los compresores axiales. También son denominados compresores centrífugos.

Reducción del volumen colindante, disponemos de los que funcionan con pistones, tornillo o los de palas.

Cada sistema compresor es útil en la medida de la necesidad de la instalación neumática que vayamos a alimentar, sin quitarle méritos al coste. Para decidir qué clase de compresor debemos instalar tendremos que seguir las siguientes pautas:

1º. Conocer el caudal que se necesita para la instalación, añadiendo las posibles pérdidas de aire comprimido en la instalación.

2º. Habrá que instalar un compresor con una capacidad de generar presión 1,5 superior al necesitado por la instalación. Sin superar esta cifra, hay que tener muy en cuenta que generar presión es costoso.

3º. Instalaremos el compresor en un lugar que no incremente la temperatura del aire comprimido, de esta forma, eliminaremos en lo posible la generación de vapor de agua, que dicho de paso, este fenómeno es perjudicial para los elementos mecánicos por la oxidación que produce en sus distintas partes.

Los compresores de aire se dividen en dos categorías principales: alternativos y rotativos. Los tipos principales de compresores incluidos en estas categorías se indican en la siguiente figura:

Tipos principales de compresores utilizados en los sistemas neumáticos 5.1.1. Compresores alternativos Compresor de émbolo de una etapa El aire aspirado a presión atmosférica, se comprime a la presión deseada con una sola compresión. El movimiento hacia abajo del émbolo aumenta el volumen para crear una presión más baja que la de la atmósfera, lo que hace entrar el aire en el cilindro por la válvula de admisión.

37


Al final de la carrera, el émbolo se mueve hacia arriba, la válvula de admisión se cierra cuando el aire se comprime, obligando a la válvula de escape a abrirse para descargar el aire en el depósito de recogida. Este tipo de compresor, alternativo, se utiliza generalmente en sistemas que requieran aire en la gama de 3-7bares.

Compresor de émbolo de una sola etapa Compresor de émbolo de dos etapas En un compresor de una sola etapa, cuando se comprime el aire por encima de 6 bares, el calor excesivo que se crea, reduce en gran medida su eficacia. Debido a esto, los compresores de émbolo utilizados en los sistemas industriales de aire comprimido son generalmente de dos etapas.

Compresor de émbolo de dos etapas El aire recogido a presión atmosférica se comprime en dos etapas, hasta la presión final. Si la presión final es de 7 bares, la primera etapa normalmente comprime el aire hasta aproximadamente 3 bares, tras lo cual se enfría. Se alimenta entonces el cilindro de la segunda etapa que comprime el aire hasta 7 bares.

38


El aire comprimido entra en el cilindro de segunda etapa de compresión a una temperatura muy reducida, tras pasar por el refrigerador intermedio, mejorando el rendimiento en comparación con una unidad de una sola compresión. La temperatura final puede estar alrededor de 120ºC. Compresor de diafragma Los compresores de diafragma suministran aire comprimido seco hasta 5 bares y totalmente libre de aceite. Por lo tanto, se utilizan ampliamente en la industria alimenticia, farmacéutica y similar. El diafragma proporciona un cambio en el volumen de la cámara, lo que permite la entrada del aire en la carrera hacia abajo y la compresión y el escape en la carrera hacia arriba.

Compresor de diafragma 5.1.2. Compresores rotativos Compresor rotativo de paletas deslizantes Este compresor tiene un rotor montado excéntricamente con una serie de paletas que se deslizan dentro de ranuras radiales. Al girar el rotor, la fuerza centrífuga mantiene las paletas en contacto con la pared del estator y el espacio entre las paletas adyacentes disminuye desde la entrada de aire hasta la salida, comprimiendo así el aire.

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Compresor de paletas La lubricación y la estanqueidad se obtienen inyectando aceite en la corriente de aire cerca de la entrada. El aceite actúa también como refrigerante para eliminar parte del calor generado por la compresión, para limitar la temperatura alrededor de 190ºC. Compresor de tornillo Dos rotores helicoidales engranan girando en sentidos contrarios. El espacio libre entre ellos disminuye axialmente en volumen, lo que comprime el aire atrapado entre los rotores. El aceite lubrifica y cierra herméticamente los dos tornillos rotativos. Los separadores de aceite, eliminan el mismo del aire de salida. Con estas máquinas se pueden obtener caudales unitarios continuos y elevados, de más de 400m3/min, a presiones superiores a 10 bares. Este tipo de compresor, a diferencia del compresor de paletas, ofrece un suministro continuo libre de altibajos.

40


Principio del compresor de tornillo El tipo industrial de compresor de aire más común, sigue siendo la máquina alternativa, aunque los tipos de tornillo y paletas se están usando cada vez más. Turbo compresor radial Como su denominación lo indica, este compresor funciona de forma muy semejante a una turbina, sólo que aquí los álabes en lugar de producir trabajo, lo consumen. El recorrido del gas se realiza, entre etapa y etapa, siguiendo un camino radial. De ahí su nombre. El gas proyectado contra la carcasa transforma su energía cinética en energía de presión. Tomado de la atmósfera, el aire va recorriendo todas las etapas de compresión. Puede advertirse que a medida que se van superando etapas, la presión acumulada aumenta con la consiguiente disminución de volumen por unidad de masa. Dependiendo del tipo de construcción, pueden conseguirse resultados muy aceptables desde el punto de vista de la energía consumida. La figura de abajo nos presenta una construcción esquemática del eje común en la que todos los álabes son de igual diámetro y giran a la misma velocidad angular. En general, este tipo de compresores permiten manejar grandes caudales a grandes presiones (220.000m3/h y 300bar, como máximo).

41


Turbo compresor radial 5.1.3. Capacidad normal del compresor El caudal de salida de un compresor se indica como gasto volumétrico estándar, en Nm3/s o /min., Ndm3/s o litros/min. El caudal puede describirse también como volumen desplazado o "volumen teórico de entrada", un concepto teórico. Para un compresor de émbolo, se basa en:

Q(l/min)=[Áreaémbolo(dm2)]·[longitudde carrera(dm)]·[Nºcilindros de 1 etapa]·[r.p.m.] En el caso de un compresor de dos etapas, se considera sólo el cilindro de primera etapa. El suministro efectivo es siempre inferior, debido a las pérdidas volumétricas y térmicas. La pérdida volumétrica es inevitable, puesto que no es posible descargar la totalidad del aire comprimido del cilindro al final de la carrera de compresión: queda algo de espacio, el llamado "volumen muerto". La pérdida térmica se produce debido al hecho de que durante la compresión el aire adquiere una temperatura muy elevada, por lo tanto su volumen aumenta y disminuye cuando se enfría a temperatura ambiente. 5.2. Rendimiento volumétrico

El resultado de la fórmula anterior, expresado como porcentaje, se conoce como rendimiento volumétrico y varía según el tamaño, tipo y fabricación de la máquina, número de etapas y presión final. El rendimiento volumétrico de un compresor de dos etapas es inferior a la del compresor de una sola etapa, puesto que tanto los cilindros de la primera como los de la segunda etapa, tienen volúmenes muertos.

42


Rendimiento térmico y global Aparte de las pérdidas descritas anteriormente, existen también efectos térmicos que bajan el rendimiento de la compresión del aire. Estas pérdidas reducen aún más el rendimiento global dependiente del coeficiente de compresión y de la carga. Un compresor, que trabaja a capacidad casi total, acumula una gran cantidad de calor y pierde rendimiento. En un compresor de dos etapas, el coeficiente de compresión por etapa es inferior y el aire, comprimido parcialmente en el cilindro de primera etapa, se enfría en un refrigerador intermedio antes de ser comprimido a la presión final en el cilindro de segunda etapa. Ejemplo Si se comprime el aire atmosférico absorbido por un cilindro de la primera etapa a un tercio de su volumen, la presión absoluta a la salida es de 3bar. El calor desarrollado por esta compresión relativamente baja es consiguientemente bajo. El aire comprimido pasa al cilindro de segunda etapa, a través del refrigerador intermedio, y nuevamente su volumen se reduce a un tercio. La presión final es entonces de 9bar abs. El calor desarrollado al comprimir el mismo volumen de aire en una sola compresión, directamente de la presión atmosférica a 9bar abs, sería mucho más elevado y se reduciría considerablemente el rendimiento global. El diagrama de abajo compara los rendimientos globales típicos de compresores de una y dos etapas, para varias presiones finales. Para presiones finales bajas, es mejor un compresor de una etapa, puesto que su rendimiento volumétrico es más elevado. Sin embargo, con una presión final en aumento, las pérdidas térmicas son cada vez más importantes y son preferibles los compresores de dos etapas, con un rendimiento térmico más elevado.

Diagrama del rendimiento global de compresores de 1 y 2 etapas El consumo específico de energía es una medida del rendimiento global y se puede utilizar para estimar el coste de producción del aire comprimido. Como promedio, se puede estimar que se necesita un KW de energía eléctrica para producir 120-150 l/min (=0,12...0,15m3

n/min/KW) para una presión de trabajo de 7 bares.

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Las cifras exactas deben establecerse según el tipo y el tamaño del compresor. 5.3. Accesorios del compresor Depósito de aire comprimido Un depósito de aire comprimido es un acumulador a presión construida en chapa de acero soldada, montado horizontal o verticalmente, directamente después del refrigerador final para recibir el aire comprimido amortiguando así las oscilaciones en el caudal de aire, a medida que se consume. Sus funciones principales son las de almacenar una cantidad suficiente de aire para satisfacer las demandas que superen la capacidad del compresor y minimizar la carga y descarga frecuentes del compresor; sin embargo, suministra también un enfriamiento adicional para precipitar el aceite y la humedad que llegan del refrigerador, antes de que el aire se distribuya ulteriormente. A este respecto, colocar el depósito del aire en un lugar fresco representa una ventaja. El depósito debe estar provisto de válvula de seguridad, manómetro, purga automática y tapas de inspección para la comprobación o limpieza del interior. El tamaño de los depósitos del aire se selecciona según las salidas del compresor, el tamaño del sistema y el hecho de que la demanda sea relativamente constante o variable. Los compresores con accionamiento eléctrico en plantas industriales, las que suministran una red, normalmente se conectan y desconectan entre una presión mínima y máxima. Este control se llama "automático". Para ello es necesario un volumen mínimo del depósito del aire para evitar que la conexión y desconexión sean demasiado frecuentes. Los compresores móviles con un motor de combustión no se paran cuando se alcanza una presión máxima, sino que se elevan las válvulas de aspiración de forma que el aire puede fluir libremente dentro y fuera del cilindro sin ser comprimido. La diferencia de presión entre la compresión y la carrera en vacío es bastante pequeña. En este caso, se necesita sólo un pequeño depósito. Para el cálculo de volumen puede emplearse la siguiente fórmula:

Donde:

P1 → Presión máxima en el interior del tanque. P2 → Presión mínima en el interior del tanque. Qn → Caudal suministrado por el compresor en m3/h.

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Z → Conexiones/desconexiones por hora del compresor. V0 → Volumen nominal del tanque con P0=1,013 bar.

Filtro de entrada La atmósfera de una ciudad típica puede contener 40 partes por millón/m3 de partículas sólidas, es decir polvo, suciedad, polen, etc. Si se comprime este aire a 7 bares, la concentración sería de 320 partes por millón/m3. Una condición importante para la fiabilidad y duración del compresor debe ser la instalación de un filtro eficaz y adecuado para impedir el desgaste excesivo de cilindros, anillos del émbolo, etc., que es provocado principalmente por el efecto abrasivo de estas impurezas. El filtro no debe ser demasiado fino, puesto que el rendimiento del compresor disminuye debido a la elevada resistencia al paso de aire y así las partículas de aire muy pequeñas (2-5 micras) no se pueden eliminar. La entrada de aire debe estar situada de forma que, en la medida de lo posible, se aspire aire seco limpio, con conductos de entrada de diámetro lo suficientemente grandes para evitar una caída de presión excesiva. Cuando se utilice un silenciador, es posible incluir el filtro de aire que se colocará después de la posición del silenciador, de forma que esté sujeto a efectos de pulsación mínimos. 5.4. Deshidratación del aire Después de la compresión final, el aire está caliente y, al enfriarse, el agua se depositará en cantidades considerables en el sistema de tuberías, lo cual deberá evitarse. La manera más efectiva de eliminar la mayor parte del agua de condensación es someter el aire a la refrigeración posterior, inmediatamente después de la compresión. Los post-enfriadores son intercambiadores de calor que pueden ser unidades refrigeradas por aire o por agua. Refrigeración por aire Consiste en una serie de conductos por los cuales fluye el aire comprimido y sobre los cuales se hace pasar una corriente forzada de aire frío por medio de un ventilador. Un ejemplo típico se ilustra en la figura de abajo. La temperatura de salida del aire comprimido refrigerado debe ser de aproximadamente 15ºC por encima de la temperatura del aire de refrigeración.

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Principio de un post-enfriador refrigerado por aire Refrigeración por agua Se trata esencialmente de un revestimiento de acero que aloja unos conductos en los que el agua circula por un lado y el aire por el otro, normalmente de forma que el flujo de ambos fluidos sea en sentido contrario a través del refrigerador. Este principio se ilustra en la siguiente figura:

Principio de un post-enfriador por agua Un post-enfriador de agua nos asegurará que el aire descargado estará aproximadamente 10ºC por encima de la temperatura del agua de refrigeración.

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Una purga automática acoplada, o integrada, en el post-enfriador elimina el condensado acumulado. Los post-enfriadores podrán estar equipados con una válvula de seguridad, un manómetro y se recomienda que se incluyan termómetros tanto para el aire como para el agua. 5.5. Secadores de aire. Los post-enfriadores enfrían el aire hasta unos 10 ó 15ºC por encima del medio refrigerante. El control y operación de los elementos de un sistema neumático serán normalmente a temperatura ambiente (aprox. 20ºC). Esto nos puede hacer pensar que no se precipitará ningún condensado más y que la humedad remanente es expulsada con el aire de salida de vuelta a la atmósfera. A menudo, la temperatura del aire o la salida del post-enfriador puede ser más alta que la temperatura circundante con la cual pasa por las líneas de tuberías, por ejemplo durante la noche. Esta situación enfría el aire comprimido todavía más, por lo que habrá todavía vapor que se condensará como agua. La medida empleada en el secado de aire es la bajada del punto de rocío, el cual se define como la temperatura a la cual el aire está completamente saturado de humedad (100% h.r.). Cuanto más bajo sea el punto de rocío, menos humedad queda en el aire. Existen tres tipos principales de secadores de aire disponibles que operan por procesos de absorción, adsorción o refrigeración. Secado por absorción (secado coalescente) El aire comprimido es forzado a través de un agente secante, yeso deshidratado o cloruro de magnesio que contiene en forma sólida cloruro de litio o cloruro de calcio, el cual reacciona con la humedad para formar una solución que es drenada desde el fondo del depósito. El agente secante debe ser regenerado a intervalos regulares ya que el punto de rocío se eleva en función del consumo de sales durante el funcionamiento. De todas formas, a presiones de 7bar son posibles puntos de rocío de 5ºC. Las principales ventajas de este método son su bajo coste inicial y de funcionamiento. Por contra, la temperatura de entrada no debe exceder de 30ºC. Los productos químicos implicados son altamente corrosivos, necesitando un filtrado cuidadosamente comprobado para asegurar que ninguna fina partícula corrosiva sea arrastrada al sistema neumático.

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Principio del secador de aire por absorción Secado por adsorción (desecante) En una cámara vertical, está contenido un producto químico tal como el sílicagel o la alúmina activada en forma granular, para que, por métodos físicos, absorba la humedad del aire comprimido que pasa a través de él. Cuando el agente secante se satura, es regenerado mediante secado por calentamientos o, como en la figura de abajo por la pérdida de calor de un flujo de aire secado previamente. El aire comprimido húmedo, entra a través de una válvula de control direccional y pasa atravesando la columna desecante. El aire seco, fluye hacia la vía de salida. Entre un 10% y un 20% del aire seco pasa a través de la columna desecante que no se está utilizando, para reabsorber su humedad con el fin de regenerarla. El flujo de aire de refrigeración va entonces hacia el escape.

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Principio del secador de aire por adsorción, regenerado por pérdida de calor La válvula de control direccional es accionada periódicamente por un temporizador para conseguir alternativamente el suministro de aire a una columna y la regeneración de la otra, para proporcionar aire seco continuo. Con este método, son posibles puntos de rocío extremadamente bajos, por ejemplo de -40ºC. Un indicador de color puede ser incorporado al desecante para comprobar el grado de saturación. El microfiltrado es esencial a la salida del secador para prevenir el arrastre de partículas absorbentes. El coste inicial y de funcionamiento es comparativamente alto, pero los costes de mantenimiento tienden a ser bajos. Secado por refrigeración Es una unidad mecánica que incorpora un circuito de refrigeración con dos intercambiadores de calor. El aire húmedo a alta temperatura es pre-enfriado en el primer intercambiador de calor (1) transfiriendo parte de su calor al aire frío de salida. Entonces, en el intercambiador de calor 2, el aire es enfriado gracias al principio refrigerador de extracción de calor como resultado de la evaporación de gas freón en su propio circuito de

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refrigeración. En ese momento la humedad y las partículas de aceite se condensan y son automáticamente drenadas. El aire frío seco de la tubería de retorno, pasa a través del intercambiador de calor por aire (1) y toma calor del aire entrante a alta temperatura. Esto previene la formación de rocío en la salida de descarga, aumentando el volumen y bajando la humedad relativa.

Principio del secador de aire por refrigeración Mediante los métodos modernos, es posible una temperatura de salida de 2ºC, aunque una temperatura del aire de salida de 5ºC es suficiente para la mayoría de las aplicaciones del aire comprimido. La temperatura de entrada puede ser superior a los 60ºC, pero es más económico pre-enfriarlo para llevarlo a temperaturas de entrada más bajas. Como regla general, el costo del secado de aire comprimido puede representar entre el 10% y el 20% del coste del aire comprimido. Separador de condensados Cuando se desea mejorar la calidad de la red de aire comprimido, y no hace falta necesariamente un secador:

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Porque no se necesite un grado de secado tan alto. Porque no puede ser usado en lugares dende no se admiten fuentes de energía. Porque es demasiado caro y no se justifica la inversión.

Los separadores de agua, son elementos imprescindibles, colocándose a la salida del compresor. Su eficacia en la eliminación de condensados es de un 99%, su tamaño es compacto y no necesita sustitución del elemento interno, con lo cual su mantenimiento es nulo. Hay una extensa gama de tamaños, que van desde ½”, para potencia de compresor de 15 CV, hasta 2” y potencia de 100 CV.

Esquema de instalación de un separador de condensados. 5.6. Filtro de línea principal Un filtro de gran capacidad será instalado después del depósito de aire para eliminar de éste la contaminación, los vapores de aceite procedentes del compresor y el agua. El filtro debe tener una mínima caída de presión y capacidad para eliminar el vapor de aceite procedente del compresor con el fin de evitar la emulsión en la línea con el líquido condensado. El filtro de línea principal no posee deflector para la separación de agua como es el caso de los "filtros estándar" descritos en la sección del "Tratamiento de Aire". Una purga de drenaje automático, bien sea incluida de serie o bien acoplada, nos asegurará la descarga regular del agua acumulada. El filtro es generalmente del tipo de cartucho de cambio rápido.

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Típico filtro de línea 5.7. Distribución del aire Para hacer llegar el aire comprimido a los puntos de consumo, se colocan tomas de aire de distribución, de forma permanente Se instalarán válvulas de aislamiento para dividir la línea de distribución en secciones, con el fin de limitar el área que deba ser vaciada durante períodos de mantenimiento o reparación. Existen dos configuraciones de trazado básicas:

Final en línea muerta. Conducto principal en anillo.

Final en línea muerta Para favorecer el drenaje, las tuberías de trabajo tienen una pendiente de cerca del 1% en la dirección del fluido y deberán ser adecuadamente purgadas. A intervalos ajustables, la línea principal puede ser devuelta a su altura original mediante dos largos tubos curvados en ángulo recto y disponiendo una derivación de purga en el punto más bajo.

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Típica configuración de línea principal con final en línea muerta Conducto principal en anillo En un sistema de conducto principal en anillo, es posible alimentar el aire por dos lados a un punto de consumo elevado, lo que permite minimizar la caída de presión. De cualquier forma, el agua es llevada en cualquier dirección y se deben proveer tomas de salida para el agua con purgas automáticas.

Conducto principal en anillo 5.8. Líneas secundarias A menos que estén instalados un post-enfriador eficiente y un secador de aire, el conducto de distribución del aire comprimido actúa como una superficie refrigerante y el agua y el aceite se acumulan a lo largo de su longitud. Las derivaciones de la línea se toman de la parte superior del conducto, para impedir que el agua del conducto principal entre en ellas. Mientras, deberá purgarse la parte inferior de la caída del conducto.

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Los puntos de purga deben estar provistos de empalmes en “T” iguales instalados en puntos idóneos a lo largo del recorrido, en cada punto bajo. Deben purgarse manualmente a intervalos regulares, o bien estar provistos de purga automática.

Salidas de aire (a) y agua (b) Las purgas automáticas son un poco más caras de instalar al principio, pero compensa, si se consideran las horas de trabajo que se ahorran con respecto al funcionamiento de tipo manual. Con la purga manual, la negligencia conlleva problemas debido a la contaminación del conducto principal. 5.9. Purgas automáticas En el tipo de purga con flotador, el tubo guía y el flotador, están conectados internamente a la atmósfera por medio de un filtro, una válvula de alivio, un orificio en el pistón de resorte y a lo largo del vástago del accionamiento manual. El agua de condensación se acumula en el fondo de la cavidad y, cuando sube lo suficiente para levantar el flotador de su asiento, la presión se transmite al émbolo que se mueve a la derecha para abrir el asiento de la válvula de alivio y expulsar el agua. El flotador baja entonces, para cerrar el suministro de aire al émbolo. La válvula de alivio limita la presión por detrás del émbolo cuando el flotador cierra la tobera. Esta válvula pre-regulada asegura un tiempo adecuado de reinicialización al émbolo, puesto que el aire capturado es purgado por un escape funcional de la válvula de seguridad.

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Purga automática de flotador La figura de abajo ilustra un tipo de purga accionada eléctricamente que drena periódicamente el agua de condensación por medio de una leva que dispara una válvula de vástago vertical accionada por palanca. Ofrece las ventajas de poder trabajar con cualquier orientación y es extremadamente resistente a la vibración, así que resulta idóneo para compresores móviles y en los sistemas neumáticos de autobuses o camiones.

Purga automática motorizada

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5.10. Selección del tamaño de los conductos principales de aire. El coste de los conductos de aire representa una porción elevada del coste inicial de una instalación de aire comprimido. Una reducción en el diámetro de la tubería, aunque baja el coste inicial de la instalación, hace aumentar la caída de presión en el sistema, incrementando así el coste de funcionamiento y superando el coste adicional de una tubería de diámetro más grande. También, puesto que los costes de la mano de obra representan gran parte del coste global y dado que dicho coste varía muy poco entre diferentes tamaños de tubería, el coste de la instalación, por ejemplo, de una tubería de diámetro interior de 25mm es parecido al de una tubería de 50mm de diámetro, mientras que la capacidad de caudal de una tubería de 50mm es cuatro veces la de una tubería de 25mm. En un sistema de conducto principal en anillo de circuito cerrado, el suministro por cualquier punto de salida particular se alimenta por dos derivaciones de tubería. A la hora de determinar el tamaño de la tubería, deberá ignorarse esta alimentación doble, estimando que, en cualquier momento, el aire se suministra sólo por una tubería. El tamaño del conducto del aire y de las derivaciones se calcula por la limitación de la velocidad del aire, que normalmente se recomienda que sea de 6m/s, mientras que los sub-circuitos -a una presión de aproximadamente 6 bares y de pocos metros de longitud- pueden funcionar a velocidades de hasta 20m/s. La caída de presión desde el compresor al extremo de la derivación de la tubería no debe superar los 0,3 bares. El nomograma de abajo permite determinar el diámetro de tubería más idóneo.

Nomograma para el cálculo del diámetro de la tubería de los conductos principales

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Los codos y las válvulas pueden provocar rozamiento adicional. Este rozamiento se puede expresar como longitud adicional (equivalente) de la tubería, con el fin de determinar la pérdida de presión global. La tabla siguiente indica las longitudes equivalentes para los distintos tipos de accesorios utilizados comúnmente.

Accesorio 15 20 25 30 40 50 65 80 100 125 Codo Elbow

0,3 0,4 0,5 0,7 0,8 1,1 1,4 1,8 2,4 3,2

Curva a 90º 0,1 0,2 0,2 0,4 0,5 0,6 0,8 0,9 1,2 1,5 Codo de 90º

1,0 1,2 1,6 1,8 2,2 2,6 3,0 3,9 5,4 7,1

Curva de 180º

0,5 0,6 0,8 1,1 1,2 1,7 2,0 2,6 3,7 4,1

Válvula esfér.

0,8 1,1 1,4 2,0 2,4 3,4 4,0 5,2 7,3 9,4

Válvula comp.

0,1 0,1 0,2 0,3 0,3 0,4 0,5 0,6 0,9 1,2

“T” estándar

0,1 0,2 0,2 0,4 0,4 0,5 0,7 0,9 1,2 1,5

“T” lateral 0,5 0,7 0,9 1,4 1,6 2,1 2,7 3,7 4,1 6,4

Longitudes de tubería equivalentes para accesorios del conducto principal Ejemplo 1 Determinar el tamaño de una tubería en la que pasarán 16800 l/min. de aire libre con una caída de presión de no más de 0,3 bares en un tubo de 125 m. El compresor, de dos etapas, se conecta a 8 bares y se detiene a 10 bares; la media es 9 bares. La caída de presión de 30 kPa (0'3bar=30kPa) en un tubo de 125 m es equivalente a:

30125

0 24KPa KPa mm

= , / .

Haciendo referencia al nomograma de la nomograma: dibujar un trazo a partir de 9 bares en la línea de presión pasando por 0,24kPa/m en la línea de la caída de presión para cortar la línea de referencia en el punto X. Unir la X con 0,28Nm3/s y prolongar el trazo hasta que corte la línea del tamaño de la tubería, a aproximadamente 61mm en nuestro ejemplo. Se puede utilizar una tubería con un diámetro interno de 61mm. Una tubería con un diámetro interno nominal de 65mm (ver tabla de longitudes) tiene un diámetro interno real de 68mm. y puede satisfacer los requisitos con cierto margen.

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Ejemplo 2 Si la tubería de 125m de longitud en el “Ejemplo 1” tiene cierto número de accesorios en la línea, por ejemplo dos codos, dos tubos curvos de 90º, seis empalmes en “T” estándar y dos válvulas de compuerta ¿sería necesaria una tubería de tamaño mayor para limitar la caída de presión a 30kPa? En la tabla de longitudes, en la columna de 65mm de diámetro se encuentra la siguiente longitud de tubería:

2 codos: 2 x 1,37m = 2,74m 2 curvas de 90º: 2 x 0,76m = 1,52m 6 “T” estándar: 6 x 0,67m = 4,02m 2 válvulas de compuerta: 2 x 0,49m = 0,98m

Total: 9,26m

Los doce accesorios tienen una resistencia a la fluencia equivalente a aproximadamente 10m de longitud adicional de la tubería. La "longitud efectiva" de la tubería es entonces de 135m y la caída de presión equivalente será:

30135

0 22KPam

KPa m= , / .

Haciendo nuevamente referencia al nomograma de la figura anterior: la línea que representa el tamaño de la tubería se intersecciona ahora a aproximadamente 65mm de diámetro interno, así que una tubería de diámetro interno nominal de 65mm, con un diámetro interno real de 68mm será aún satisfactoria en este caso. Nota: A la hora de determinar el tamaño de los conductos principales para una nueva instalación, hay que tener en cuenta la posibilidad de extensiones futuras. Podemos calcular también analíticamente la pérdida de carga según la fórmula siguiente:

∆pR T

VD

L P=⋅

⋅ ⋅ ⋅β 2

En donde:

∆p → Caída de presión, bar. P → Presión, bar. R → Constante del gas (29,27 para el aire). T → Temperatura absoluta (tºC+273). D → Diámetro de la tubería, mm. L → Longitud de la tubería, m.

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G → Cantidad de aire suministrada en Kg/h (1Kg/h=60x1,3m3n/min.) β → Índice de resistencia, variable con la cantidad de aire suministrado (según la tabla de abajo).

G β G β G β G β 10 2,03 100 1,45 1000 1,03 10000 0,73 15 1,92 150 1,36 1500 0,97 15000 0,69 25 1,78 250 1,26 2500 0,90 25000 0,64 40 1,66 400 1,18 4000 0,84 40000 0,595

Índices de resistencia β para G Kg de peso del aire comprimido que circula por hora.

5.11. Materiales para la tubería Tubería de gas estándar (SGP) El conducto de aire es normalmente un tubo de acero o de hierro maleable. Se puede obtener en negro o galvanizado, que está menos sujeto a la corrosión. Este tipo de tubería puede ser roscada, para aceptar la gama de accesorios normalizados. Para diámetros de más de 80 mm., es más económico instalar bridas soldadas que hacer roscas en tuberías largas. Las especificaciones de las tuberías de gas estándar de acero al carbono (SGP) son:

Diámetro (mm)

Diámetro (pulgadas)

Diámetro ext. (mm)

Espesor tubo (mm)

Masa (Kg/m)

6 1/8 10,5 2,00 0,419 8 1/4 13,8 2,30 0,652

10 3/8 17,3 2,30 0,851 15 1/2 21,7 2,80 1,310 20 3/4 27,2 2,80 1,680 25 1 34,0 3,20 2,430 32 1 1/4 42,7 3,50 3,380 40 1 1/2 48,6 3,50 3,890 50 2 60,3 3,65 5,100 65 2 1/2 76,1 3,65 6,510 75 3 88,9 4,05 8,470

100 4 114,3 4,50 12,100

Especificaciones de las tuberías de gas estándar de acero al carbono (SGP) Tuberías de acero inoxidable Se utilizan sobre todo, cuando se requieren grandes diámetros en líneas de conductos largos y rectos.

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Tubos de cobre Cuando se requieren resistencia a la corrosión, al calor y una rigidez elevada, se pueden utilizar tubos de cobre con un diámetro nominal de hasta 40mm., pero resultarán relativamente caros para diámetros mayores de 28mm. Los accesorios fabricados para tubos de este material son fáciles de instalar. Tubos de goma (manguera de aire) La manguera de goma o de plástico reforzado es la más adecuada para herramientas de mano neumáticas manuales, puesto que ofrece flexibilidad para la libertad de movimiento del operador. Las dimensiones de las mangueras neumáticas de goma son:

Diámetro nominal (Pulgadas)

Diámetro exterior (mm)

Diámetro interior (mm)

Sección interna (mm2)

1/8 9,2 3,2 8,04 1/4 10,3 6,3 31,2 3/8 18,5 9,5 70,9 1/2 21,7 12,7 127 5/8 24,1 15,9 199 3/4 29,0 19,0 284

1 35,4 25,4 507 1 1/4 45,8 31,8 794 1 1/2 52,1 38,1 1140 1 3/4 60,5 44,5 1560

2 66,8 50,8 2030 2 1/4 81,1 57,1 2560 2 1/2 90,5 63,5 3170

Especificaciones de mangueras neumáticas de goma

La manguera de goma se recomienda principalmente para herramientas y otras aplicaciones en que el tubo está expuesto a desgaste mecánico. Tubos de PVC o de nylon Se utilizan normalmente para la interconexión de componentes neumáticos. Dentro de sus limitaciones de temperatura de trabajo, presentan obvias ventajas de instalación, permitiendo un fácil corte de la longitud deseada y una conexión rápida con otros accesorios bien por compresión o bien mediante enchufes rápidos. Si se requiere una mayor flexibilidad para curvas más cerradas o movimiento constante, está disponible un nylon de grado más suave o poliuretano, que sin embargo presenta menores presiones admisibles de trabajo.

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5.12. Sistemas de conexión Dentro de los sistemas, los componentes neumáticos se conectan mediante varios métodos. En la figura de abajo se ilustra una típica conexión rápida. El tubo se introduce y queda firmemente enganchado firme y herméticamente cerrado. La conexión por inserción proporciona una fuerza de retención fiable tanto por dentro como por fuera del tubo. El mismo está presionado por el anillo exterior cuando se atornilla la conexión. El tubo insertado al entrar dentro del alojamiento, reduce su diámetro anterior y representa así una resistencia extra.

Ejemplo de conexión por inserción

La conexión por introducción presenta una gran fuerza de retención del tubo y la utilización de una junta de perfil especial asegura la estanqueidad para presión y vacío. No hay resistencia adicional al flujo, puesto que la conexión tiene la misma sección de paso interior que el diámetro interior del tubo que se conecta.

Ejemplo de conexión por inserción, en codo orientable. La conexión autoestanca tiene un mecanismo, de antirretorno, incorporado de forma que el aire no se escapa tras retirar el tubo y, además, se puede utilizar también en aplicaciones de tubo de cobre.

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a. Si no se introduce ningún tubo, la conexión queda cerrada por una válvula de retención. b. Cuando se introduce un tubo, se abre el caudal de aire, empujando la válvula de

retención fuera de su asiento.

Ejemplo de conexión autoestanca 6. Tratamiento del aire Como se ha descrito anteriormente, el aire atmosférico lleva polvo y humedad. Tras la compresión, la humedad se condensa en el post-enfriador y en el depósito, pero siempre queda algo. Además, finas partículas de aceite carbonizado, cascarillas de la tubería y otras materias extrañas como por ejemplo material de sellado desgastado forman sustancias gomosas. Todo esto, puede producir efectos nocivos al equipo neumático, incrementando el desgaste de las juntas y de los componentes, la deformación de las juntas, la corrosión y atasco de las válvulas. Para eliminar estos contaminantes, es necesario limpiar el aire lo más cerca posible del punto de utilización. El tratamiento de aire incluye también la regulación de presión y, a veces, la lubricación. 6.1. Filtraje Filtro standard El filtro standard consta de un separador de agua y un filtro combinados. Si el aire no ha sido deshidratado anteriormente, se recogerá una cantidad considerable de agua y el filtro retendrá impurezas sólidas como partículas de polvo y de óxido.

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Típico filtro separador y purga automática opcional La separación del agua se produce principalmente por una rotación rápida del aire, provocada por un deflector en la entrada. Las partículas más pesadas de suciedad, agua y aceite son expulsadas al impactar contra el vaso del filtro antes de ir a depositarse en el fondo. Entonces, el líquido puede ser purgado por un drenaje de purga manual o automática. La placa separadora crea una zona de calma debajo del torbellino de aire, impidiendo que el líquido separado vuelva a entrar en la corriente de aire. El elemento filtrante elimina las partículas más finas de polvo, de cascarilla, de óxido y de aceite carbonizado al fluir el aire hacia la salida. El elemento filtrante standard, elimina todas las partículas contaminantes de hasta 5 micras. Este elemento puede retirarse fácilmente, lavarse y reutilizarse un cierto número de veces antes de que sea necesario sustituirlo debido a una caída de presión excesiva. El vaso se fabrica normalmente en policarbonato. Por seguridad, debe estar protegido por un protector metálico. En ambientes químicamente peligrosos, deben utilizarse materiales especiales para el vaso. Cuando el mismo esté expuesto a calor, chispas, etc. es recomendable utilizar un vaso metálico. Si el agua de condensación se acumula a gran velocidad, es aconsejable instalar una purga automática. Filtro micrónico Cuando la contaminación por vapor de aceite es desaconsejable, se utiliza un filtro micrónico. Al ser un filtro puro, no está provisto de deflector.

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Filtro micrónico típico El aire fluye desde la entrada al centro del cartucho filtrante y luego hacia la salida. El polvo queda atrapado dentro de los elementos microfiltrantes. El vapor de aceite y la neblina de agua se convierten en líquido por una acción coalescente dentro del material filtrante, formando así unas gotas en el cartucho filtrante que se recogen en el fondo del vaso. Filtro sub-micrónico Un filtro sub-micrónico elimina virtualmente todo el aceite y el agua y también las partículas más finas hasta 0,01 micras, para proporcionar la máxima protección a los: dispositivos neumáticos de medición, pintura pulverizada electrostática, limpieza y secado de accesorios electrónicos, etc. El principio de su funcionamiento es el mismo que el del filtro micrónico, pero su elemento filtrante tiene capas adicionales con una mayor eficacia filtrante. Selección del filtro El tamaño del filtro que se requiere para una aplicación específica depende de dos factores:

El caudal máximo de aire comprimido utilizado por el equipo neumático. La caída de presión máxima aceptable para la aplicación.

Los fabricantes suministran diagramas de caudal/presión para permitir la correcta selección del tamaño del filtro.

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Debe observarse que la utilización de un filtro standard puede no resultar muy eficaz para bajas velocidades de flujo. Calidad del aire La figura de abajo ilustra los distintos niveles de pureza para diferentes aplicaciones. El aire procedente del compresor pasa por un post-refrigerador provisto de purga automática para eliminar el agua de condensación y la suciedad. Más agua de condensación se elimina por la purga automática, puesto que el aire se enfría posteriormente en el depósito del aire. Se pueden instalar purgas adicionales en todos los puntos bajos del conducto.

Definición esquemática de 7 grados de filtraje: a. Filtro micrónico; b. Filtro sub-micrónico; c. Filtro eliminador de olores; d. Secador por absorción

El sistema se divide en tres partes principales:

Las derivaciones (1 y 2) proporcionan el aire directamente del depósito. Las derivaciones (3 y 6) utilizan el aire acondicionado por un secador de tipo refrigerado. La derivación 7 incorpora un secador adicional de absorción.

Los filtros standard de las sub-derivaciones 1 y 2, provistos de purgas automáticas, eliminan el agua de condensación: la sub-derivación 2 es de mayor pureza debido al filtro micrónico. Las sub-derivaciones 3 y 5 utilizan aire seco refrigerado, por lo tanto, la derivación 3 no requiere purga automática, la derivación 4 no necesita filtraje previo y la derivación 5 proporciona un nivel de pureza del aire utilizando un filtro micrónico y un

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filtro sub-micrónico, mientras que la humedad ha sido eliminada por un secador de aire refrigerado.

La sub-derivación 6 incorpora un filtro para la eliminación de los olores. Un secador de absorción elimina todo riesgo de condensación a temperaturas más bajas en la sub-derivación 7.

Las aplicaciones típicas se indican en la siguiente tabla:

Nº ELIMINACIÓN DE … APLICACIÓN EJEMPLOS TÍPICOS

1

Partículas de polvo mayores de 5µm

Aceite líquido >99% Humedad saturada <96%

Cuando son aceptables impurezas sólidas, humedad y aceite

Aire para sujetar, soplado y accionamientos neumáticos

sencillos

2

Partículas de polvo mayores de 0,3µm

Neblina de aceite >99% Humedad saturada 99%

Cuando no es aceptable polvo fino, aunque puede

haber aceite y cierta cantidad de condensación

Controles y accionamientos neumáticos para equipos

industriales en general Juntas metálicas no herméticas, herramientas de aire y motores

3 Humedad hasta un punto de

rocío de -17ºC. Lo demás como en (1)

Cuando la eliminación de la humedad es imperativa

pero son aceptables restos de polvo fino y aceite

Análogo a (1), pero el aire es seco. Pintura adicional por

pulverización

4


Neblina de aceite >99% Humedad hasta un punto de

rocío de -17ºC

Cuando no son aceptables humedad, polvo fino ni

vapor de aceite

Control de proceso, equipos de medición, pintura por

pulverización de gran calidad, enfriamiento de fundición y

troqueles de inyección

5


Neblina de aceite >99,999% Humedad hasta un punto de

rocío de -17ºC

Cuando se requiere aire sin, prácticamente, ninguna impureza

Dispositivos neumáticos para medición de precisión, pintura

por pulverización electrostática, limpieza y secado de conjuntos

electrónicos

6 Como en (5) con eliminación

adicional de los olores

Como en (5) pero cuando se requiere el aire también

sin olores.

Farmacia, industria alimenticia, transporte aéreo, fermentación,

aire para respirar

7 Todas las impurezas como en

(6) pero con un punto de rocío de -30ºC

Cuando es necesario evitar cualquier riesgo de

condensación durante la expansión y a bajas

temperaturas

Secado de componentes electrónicos, almacenamiento de

productos farmacéuticos, equipos de medición marinos,

transporte aéreo de pólvora

Definición y aplicaciones típicas de las siete calidades de aire 6.2. Regulación de la presión La regulación de la presión es necesaria porque, a presiones por encima del nivel óptimo, se produce un desgaste rápido con un incremento mínimo o nulo de efectividad. Cuando la presión del aire es demasiado baja, resulta antieconómica puesto que tiene como consecuencia un rendimiento escaso.

66


Regulador standard Los reguladores de presión pueden tener un émbolo o diafragma para equilibrar la presión de salida contra la fuerza regulable de un resorte, tal como aparece en la figura siguiente:

Principio del regulador de presión La presión de salida se predispone regulando el tornillo que carga el resorte de regulación para mantener abierta la válvula principal, permitiendo que fluya desde el orificio de entrada de presión P1 al orificio de la presión de salida P2. Cuando el circuito conectado con la salida se encuentra a la presión preestablecida, actúa sobre el diafragma creando una fuerza elevadora contra la carga del resorte. Si desciende el nivel de consumo, P2 aumenta ligeramente, lo que hace aumentar la fuerza sobre el diafragma contra la fuerza del resorte; el diafragma de la válvula se eleva entonces hasta que la fuerza del resorte sea nuevamente igualada. El caudal de aire que pasa por la válvula se reduce hasta que se equilibre el nivel de consumo y se mantenga la presión de salida. Si el nivel de consumo aumenta, P2 disminuye ligeramente, lo que hace disminuir la fuerza del diafragma contra la del resorte; el diafragma y la válvula descienden hasta que la fuerza del resorte se iguale nuevamente, lo que hace aumentar el caudal de aire por la válvula hasta que se equilibra el nivel de consumo.

67


Gráfica de caudal

Sin consumo de aire la válvula está cerrada. Si la presión de salida sube por encima del valor regulado debido a:

Una nueva regulación del regulador a una presión de salida más baja o bien. Un impulso contrario externo desde el actuador

El diafragma se eleva para abrir el asiento de alivio de forma que la presión en exceso puede ser evacuada por el orificio de escape en la cápsula del cuerpo del regulador.

Función de descarga Con caudales unitarios muy elevados, la válvula se queda completamente abierta. Por lo tanto el resorte se estira y se queda más débil y el equilibrio entre P2 en el área del diafragma y el resorte se produce a un nivel más bajo. Este problema se puede solucionar creando una tercera cámara con una conexión al canal de salida. En este mismo canal la velocidad del caudal es elevada. La presión estática es baja (Bernoulli). Puesto que P3 se encuentra ahora a una presión estática más baja, el equilibrio contra el resorte debilitado a caudales unitarios elevados queda compensado.

68


El efecto se puede mejorar insertando un tubo en la conexión, cortado en ángulo con la apertura orientada hacia la salida (Principio del regulador de caudal compensado).

Principio del regulador de caudal compensado

P V P V1 12

2 221

212

+ ⋅ = + ⋅δ δ

Teorema de Bernoulli

Queda aún un inconveniente en el regulador de la figura de arriba: si la presión de salida P1 aumenta, una fuerza mayor está actuando sobre la parte inferior de la válvula, tratando de cerrarla. Esto significa que un aumento de la presión de entrada hace disminuir la presión de salida y viceversa. Esto se puede obviar por medio de una válvula cuyas áreas de superficie sean iguales para la presión de entrada y salida en ambos sentidos. Así lo demuestra el regulador de la figura siguiente:

69


Detalle del regulador de caudal compensado

Regulador de presión completamente compensado Regulador pilotado internamente El regulador accionado por piloto ofrece una mayor precisión en la regulación de la presión dentro de una amplia gama de caudales. Esta precisión se obtiene sustituyendo el resorte de regulación de un regulador standard por una presión piloto a partir de un pequeño regulador de pilotaje situado en la unidad (figura siguiente). El regulador de pilotaje en la parte superior de la unidad suministra aire de piloto sólo durante las correcciones de la presión de salida. Por lo tanto, su resorte no se alarga con caudales unitarios muy elevados.

70


Regulador de presión por piloto. Filtro-regulador El filtraje del aire y la regulación de la presión se combinan en un sólo filtro-regulador que proporciona una unidad compacta que ahorra espacio (figura siguiente).

Filtro-regulador.

71


Selección del tamaño de un regulador de presión: características El tamaño de un regulador de presión, se selecciona para obtener el caudal deseado para la aplicación, con una variación mínima de presión en toda la gama de caudales de la unidad.

Diagrama típico de caudal/presión Los fabricantes suministran información gráfica con respecto a las características de caudal de sus equipos. El más importante es el diagrama caudal/presión que ilustra cómo evoluciona P2 al aumentar el caudal (diagrama anterior). La curva tiene tres partes distintas:

I. Poco consumo, con un pequeño intersticio en la válvula que no permite aún una regulación real.

II. La gama de caudales en los que es efectiva la regulación. III. La gama de saturación; la válvula está completamente abierta y una regulación es

imposible. Regulador de presión con válvula antirretorno El regulador de presión que se muestra en la figura siguiente, dispone de una válvula antirretorno en el interior del propio cuerpo, esto permite el paso del aire comprimido en sentido contrario al regulado. De esta forma, al no tener que pasar el aire evacuado por la cámara del actuador, puesta a escape a través del regulador, el retroceso del actuador, se realiza sin ningún tipo de impedimento y a gran velocidad. Estos reguladores están especialmente indicados en aplicaciones en las que sea necesaria una regulación entre los órganos de gobierno y los actuadores.

72


Regulador de presión con válvula antirretorno 6.3. Válvula de arranque progresivo Tiene como misión, poner bajo presión un circuito neumático, de una manera progresiva. De esta forma, el aire penetrará en las válvulas de potencia y los cilindros paulatinamente, evitando accidentes a causa de movimientos muy rápidos e incontrolados. Se coloca a continuación de la unidad de mantenimiento y su misión es evitar movimientos incontrolados de los actuadores en la puesta en marcha de la instalación. Después de todo paro de una instalación neumática que haya implicado su purga, es decir que la instalación esté sin aire a presión en ninguna de las cámaras de los elementos de trabajo, si el arranque se realiza sin tomar precauciones se pueden producir movimientos bruscos de los actuadores y choques destructivos. Las válvulas de arranque progresivo garantizan un aumento gradual de la presión en la instalación actuando sobre la velocidad de llenado. Así cada uno de los elementos de trabajo retorna a su posición de partida de una forma lenta y controlada 6.4. Lubricación del aire comprimido La lubricación ya no es una necesidad para los componentes neumáticos modernos, puesto que están prelubricados para toda su vida. La duración y el rendimiento de estos componentes satisfacen por completo los requisitos de la moderna maquinaria de procesos de gran número de ciclos. Las ventajas de los sistemas "no lubricados" incluyen:

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Ahorro en el coste del equipo de lubricación, aceite de lubricación y de mantenimiento de los niveles de aceite.

Es más limpio. Los sistemas son más higiénicos y esto es especialmente importante en las industrias alimenticia y farmacéutica.

La atmósfera queda limpia de aceite, para un ambiente de trabajo más sano y más seguro.

Algunos equipos aún requieren lubricación. Para asegurarse de que estén continuamente lubricados, se añade cierta cantidad de aceite al aire comprimido por medio de un lubricador. Lubricadores proporcionales En un lubricador (proporcional) se crea una caída de presión entre la entrada y la salida, directamente proporcional al caudal unitario y se hace subir el aceite del vaso al visualizador del goteo. Con un tamaño fijo de restricción, un caudal unitario muy alto crearía una caída de presión excesiva y produciría una mezcla de aire/aceite que contendría demasiado aceite y que inundaría el sistema neumático. Al contrario, un caudal unitario disminuido puede no crear la caída de presión suficiente, lo que tendría como consecuencia una mezcla demasiado pobre. Para solventar estos problemas, los lubricadores tienen secciones transversales auto-reguladas para producir una mezcla constante. El aire que entra sigue dos caminos: fluye por la paleta amortiguadora hacia la salida y también entra en el vaso del lubricador por la válvula de retención. Cuando no hay caudal, existe la misma presión sobre la superficie del aceite en el vaso, en el tubo del aceite y en el visualizador del goteo. Por consiguiente, no hay movimiento de aceite. Cuando el aire fluye por la unidad, el restrictor del visualizador de goteo provoca una caída de presión entre la entrada y la salida. Cuanto más elevado es el caudal, más grande es la caída de presión. Puesto que el visualizador del goteo está conectado por un orificio capilar a la zona de baja presión inmediatamente después del mismo, la presión es inferior a la del vaso. Esta diferencia de presión fuerza la subida del aceite en el tubo, por la válvula de retención del aceite y el regulador del caudal hasta el visualizador. Una vez en el visualizador, el aceite se infiltra por el orificio capilar en la corriente de aire principal de mayor velocidad. El aceite se rompe en partículas minúsculas, se atomiza y mezcla homogéneamente con el aire debido al torbellino creado por la lengüeta amortiguadora.

74


Lubricador proporcional La lengüeta amortiguadora está fabricada en material flexible para permitir que se doble al aumentar el caudal, ensanchando el paso de este, para regular automáticamente la caída de presión y mantener siempre una mezcla constante. El regulador del caudal permite la regulación de la cantidad de aceite para una caída de presión determinada. La válvula de retención del aceite retiene el aceite en la parte superior del tubo, en el caso en que se detuviera temporalmente el caudal de aire. La válvula de retención del aire posibilita el rellenado de la unidad sin necesidad de desconectar el suministro de aire. El avance correcto del aceite depende de las condiciones de funcionamiento, aunque, como norma general, se permiten una o dos gotas por ciclo de la máquina. Se recomienda un aceite mineral puro de 32 centistokes de viscosidad (ISO VG32). Lubricación por inyección Especialmente para la lubricación de herramientas neumáticas (rotativas) existen lubricadores que inyectan una pequeña cantidad de aceite en la manguera que provee aire comprimido a la herramienta. Estos requieren una señal de presión para accionar el pistón de una pequeña bomba de vástago.

75


Lubricador por inyección En la figura, se muestra la forma en que opera este lubricador: El pistón mueve el vástago hacia la derecha y así expulsa aceite alimentado por la conexión ACEITE a través de la válvula de retención hasta llegar a la salida A, cada vez que una señal de presión llega al punto AIRE PILOTO. Después que esta conexión desaparece, el pistón es reposicionado por el resorte. La presión de aire piloto, con un valor mínimo de 3bar, debe durar un mínimo de 0,5 segundos. Las herramientas con válvula de accionamiento incorporada, no requieren el uso de una válvula direccional externa para producir la señal requerida por el pistón. En este caso, es necesario contar con un “transformador de señal”.

Circuito de lubricador de inyección con herramienta manual El transformador de señal, antes mencionado, deberá estar montado en la tubería neumática, como se muestra en la figura anterior y emite una señal de presión cada vez que se inicia el flujo de aire hacia la herramienta. El transporte del aceite se efectúa a través de un tubo capilar (usualmente un conducto de nylon de 2,5 x 1,5mm de diámetro) ubicado en el interior de la tubería de aire y con su extremo a corta distancia antes de la entrada de la herramienta. En este punto, se prevé que el aire atomice el aceite que emerge del tubo capilar.

76


Lubricador de micro-niebla Este lubricador, representado en la figura de abajo, tiene como característica principal, asegurar una pulverización extra fina, necesaria en casos especiales de lubricación, como por ejemplo instalaciones que cuentan con circuitos intrincados con muchas curvas.

Lubricador de micro-niebla Su funcionamiento es muy sencillo: El aceite dosificado, en lugar de entrar directamente en el torrente de aire, lo hace hacia una tobera y en dirección al depósito de aceite. De esta forma, las gotas más gruesas quedan retenidas en el depósito y nuevamente incorporadas al aceite. Cabe mencionar que en el lubricador de micro-niebla, el aire que pasa a través de él, se divide en dos partes que recorren el lubricador por distintos caminos. Una parte pasa directamente hacia la salida y la otra se dirige al depósito de aceite, retomando la dirección de la salida después de haber entrado en contacto con el aceite súper pulverizado. La parte que pasa directamente es controlada por la lengüeta, cuya posición está directamente relacionada con el caudal. Es fácil advertir que como todo el aire que entra, debe salir, la restricción impuesta por la lengüeta sobre la primera parte del caudal regula automáticamente la otra y viceversa, permitiendo de esta forma, una distribución proporcional de la microniebla. Debido a la fineza de la lubricación obtenida con estos elementos, y con el ánimo de mantener una calidad uniforme, es aconsejable instalar antes del lubricador, un filtro que asegure la retención de partículas sólidas de tamaño muy fino así como también, en lo posible, partículas de aceite provenientes del compresor.

77


6.5. Unidades de filtro-regulador-lubricador (F.R.L.) Los elementos compuestos por filtro, regulador de presión y lubricador modulares pueden estar combinados en una unidad de servicio conectándolos con bloques de unión y anclaje. En las configuraciones más recientes, se pueden instalar fácilmente escuadras de fijación y otros accesorios. El tamaño de la unidad modular, debe seleccionarse de acuerdo con el caudal unitario máximo del sistema. Generalmente, los fabricantes proporcionan esta información.

Típica unidad de filtro-regulador-lubricador en una configuración modular 7. Actuadores Se denominan actuadores a aquellos elementos que convierten la energía neumática en mecánica. Se clasifican, según cuál sea su clase de movimiento, en actuadores lineales, normalmente llamados cilindros, en actuadores de giro y en motores. El movimiento lineal se obtiene por cilindros de émbolo; éstos también proporcionan movimiento rotativo con un ángulo de hasta 270º por medio de actuadores del tipo de paleta y de piñón-cremallera, y motores neumáticos de rotación continua. 7.1. Actuadores lineales Los cilindros neumáticos, en distintas configuraciones, representan los componentes de energía más comunes que se utilizan en los circuitos neumáticos. Existen dos tipos fundamentales, de los cuales derivan construcciones especiales.

Cilindros de simple efecto con una entrada de aire para producir una carrera de trabajo en un sentido.

Cilindros de doble efecto con dos entradas de aire para producir carreras de trabajo de salida y retroceso.

78


Cilindro de simple efecto Un cilindro de simple efecto desarrolla un trabajo sólo en un sentido. El émbolo se hace retornar por medio de un resorte interno o por algún otro medio externo como carga, movimiento mecánico, etc. Puede ser de tipo "normalmente dentro" o "normalmente fuera", siendo el primero de ellos el más utilizado. Su forma constructiva se muestra en la siguiente figura:

Cilindro de simple efecto del tipo "normalmente dentro" Los cilindros de simple efecto se utilizan para sujetar, marcar, expulsar, etc. Tienen un consumo de aire algo más bajo que el cilindro de doble efecto de igual tamaño. Sin embargo, hay una reducción de impulso debida a la fuerza contraria del resorte, así que puede ser necesario un diámetro interno más grande. También la adecuación del resorte tiene como consecuencia una longitud global más larga y una longitud de carrera limitada. Cilindro de doble efecto Con este actuador, el trabajo se desarrolla en las dos carreras de salida y retroceso, dado que la presión del aire se aplica alternativamente a los lados opuestos del émbolo. El impulso disponible en la carrera de retroceso es menor debido a que el área efectiva del émbolo es más pequeña, pero se trata sólo de una consideración si el cilindro tiene que "mover" la misma carga en los dos sentidos.

Cilindro de doble efecto Características principales Las características principales que definen un buen actuador neumático lineal son las siguientes:

Que su rozamiento interno sea lo más bajo posible. Que su montaje o instalación sea lo más simple y rápida.

79


Que su vida útil sea lo más larga posible. Que existan gran variedad de diseños para adaptarlos a diversas necesidades. Que pueda utilizarse con o sin lubricación. Que pueda resistir los esfuerzos de tracción, compresión, así como la temperatura, sin

deformarse. Que tenga gran capacidad de amortiguación. Que tenga posibilidad de detectar su posición de carrera.

Construcción del cilindro Se ilustra la construcción de un cilindro de doble efecto. La camisa del cilindro está realizada, normalmente, con un tubo sin costura que puede tener un revestimiento duro y muy bien acabado en la superficie de trabajo interna, para minimizar el desgaste y el rozamiento. Las culatas de los extremos, pueden ser de aleación de aluminio o de hierro maleable y están sujetas por tirantes o bien, en el caso de cilindros pequeños, roscados en el tubo del cilindro o embutidos. Para trabajar en entornos agresivos o peligrosos, el cuerpo del cilindro puede estar hecho de aluminio, latón, bronce o acero inoxidable.

Partes componentes de un cilindro de doble efecto Estanqueidad Uno de los problemas más discutidos en la construcción de cilindros, es la forma de lograr la estanqueidad. Ésta, depende de las juntas o anillos que se montan en los émbolos y sobre el vástago. Existen varias formas. Seleccionar cual debe montarse no es fácil, pues se ha de tener en cuenta:

Tipo de actuador. Material de la junta. Forma de la junta. Diámetro del émbolo. Calidad superficial de la camisa. Tipo de lubricación. Presión de trabajo. Velocidad. Temperatura. Frecuencia de movimiento, etc.

80


De todas formas, nos atreveremos a hacer algunos comentarios que puedan aclarar este importante tema. En una primera observación, deducimos que con la obturación, que se muestra en la figura de abajo, denominada junta de doble labio, la mecanización interior del cilindro puede ser de una calidad no muy precisa y, por lo tanto, bastante económica. Por otra parte, los rozamientos son elevados puesto que la componente de fuerza en el cierre originada por la presión, produce mayor superficie de rozamiento entre junta y cilindro. También se ha de tener en cuenta el efecto sobre la distribución de la grasa lubricante en la camisa del cilindro, que es muy poco uniforme, dejando zonas sin lubricar, después de un prolongado uso. La regulación de velocidades bajas es casi imposible con esta junta ya que se genera un efecto típico denominado “STICK-SLIP”.

Junta de doble labio La junta que aparece en la siguiente figura mejora, considerablemente, las condiciones anteriores, puesto que su forma geométrica contribuye a disminuir el componente normal de la fuerza y, por tanto, a disminuir de forma apreciable el rozamiento con lo que se conseguirán mayores velocidades con la consiguiente economía de energía y dando mayor vida de servicio al elemento. Esto supone, evidentemente, mayor coste en la obtención de la calidad superficial del interior del cilindro puesto que la superficie del mismo requiere una mecanización más precisa. En cuanto al reparto de grasa lubricante, en este caso, es favorecida al tener este tipo de obturación mayor movimiento en sentido longitudinal y ser su distribución, por lo tanto, más uniforme.

Junta de características mejoradas

81


7.2. Selección de actuadores lineales Cuando se trata de seleccionar un actuador, se han de realizar las siguientes operaciones básicas de cálculo:

Cálculo de la fuerza. Verificación del pandeo. Capacidad de amortiguación. Fuerzas radiales Consumo de aire comprimido.

Cálculo de la fuerza La fuerza desarrollada por un cilindro está en función del diámetro del émbolo, de la presión del aire de alimentación y de la resistencia producida por el rozamiento. Se ha de tener en cuenta, la eficacia o rendimiento interno del cilindro en la realización de los cálculos.

Rendimiento interno Si tenemos:

F1 → Fuerza necesaria para realizar el trabajo, Kgf. F2 → Fuerza real necesaria en el cilindro, Kgf. FT → Fuerza teórica del cilindro, Kgf. λ → Factor de carga para producir la aceleración:

Velocidades normales → 0,7 Velocidades altas → 0,4 ÷ 0,5

82


µ → Eficacia o rendimiento interno. D → Diámetro del cilindro, mm. d → Diámetro del émbolo, mm. P → Presión relativa de trabajo, bar.

Los cálculos para un cilindro de doble efecto, serían:

F F

F F

F A P

T

T

21

2

=

=

= ⋅

λ

µ

Siendo el área:

( ) retrocesoencmdDA

avanceencmDA

r

s

222

22

1004

1004

⋅−⋅

=

⋅⋅

=

π

π

Si el actuador es de simple efecto nuestro interés apuntará a conocer la fuerza real del mismo. Por consiguiente a la fuerza teórica calculada hay que reducirle, además de la fuerza de rozamiento, la fuerza del resorte. Esta última, depende de la elongación del mismo y se puede calcular mediante la expresión:

F K X= ⋅ Siendo:

F → Fuerza del resorte, N. K → Constante del resorte, N/mm. X → Elongación, mm.

En definitiva, el cálculo de la fuerza real del cilindro de simple efecto, quedaría como sigue:

( )XK1004D

P=)F2

real

π

No obstante, para elegir el tamaño de un cilindro, resulta siempre más práctico utilizar un diagrama análogo al de la figura de abajo que nos indica las fuerzas teóricas para 5, 7 y 10bar, o utilizar información técnica facilitada por parte del fabricante del componente.

83


Fuerza teórica de los cilindros. Fuerza necesaria La fuerza realmente necesaria depende de la masa de la carga, del ángulo del movimiento de elevación, del rozamiento, de la presión de trabajo y del área efectiva del émbolo. La carga consiste en el peso de la masa, cuando esta se mueve en sentido vertical (a). La fuerza R, representada por el coeficiente de rozamiento que se multiplica por la masa (b) y la aceleración necesaria (c). La influencia de todas estas fuerzas, depende del ángulo del eje del cilindro en relación con la horizontal, como se muestra en la parte (d) de la figura siguiente:

Composición de fuerzas para una determinada carga. Un movimiento horizontal (ángulo 0º) necesita solamente vencer el rozamiento. La fuerza necesaria viene definida por el coeficiente de rozamiento el cual puede variar (normalmente entre 0,1 y 0,4 para deslizamiento metal-metal). Este factor entra a formar parte de la fórmula general multiplicando al coseno del ángulo, con lo que varía desde 1 (α=0º) hasta 0 (α=90º).

84


La carga sería igual al peso de la masa a mover, cuando el movimiento sea vertical. El peso es la fuerza creada por la aceleración de la gravedad, actuando sobre la masa. El valor de la aceleración de la gravedad (en una latitud de 45º) es 9,80629m/s2. Con movimiento horizontal, el peso tiene una componente nula (aparte de su influencia con el coeficiente de rozamiento) sobre la carga, ya que éste estará soportado totalmente por la configuración de los elementos. Todo el empuje del cilindro, será entonces disponible para acelerar la masa. La componente del peso, propiamente dicho, sobre la carga a vencer por el cilindro variará con el ángulo de elevación α desde 0% hasta 100% ya que tiene como factor de composición el seno del ángulo de inclinación (α), cuyo valor es 0 para desplazamiento horizontal y 1 para desplazamiento vertical. Coeficiente de carga El coeficiente de carga, es:

C Fuerza necesariaFuerza teóricao = ×100, %

Un cilindro no debe tener un coeficiente de carga superior a, aproximadamente, el 85%. Si se requiere un control de velocidad preciso o si las fuerzas de carga varían notablemente, no se debería superar el 70%. Los diámetros de los actuadores lineales deben estar calculados, no solo para desarrollar el esfuerzo requerido, sino también para actuar dentro de unas condiciones de velocidad. Para ello es necesario tener en consideración una disponibilidad de energía adicional que permita acelerar la carga hasta conseguir la velocidad establecida. El ejemplo siguiente nos puede clarificar lo expuesto. Sea un actuador lineal con las siguientes características y condiciones de funcionamiento:

Diámetro del actuador → 50mm. Carrera → 250mm. Masa a trasladar → 1000N. Posición del actuador → 90º.

La fuerza disponible para la aceleración de la masa, será:

.155100400

81,950681,9400

2

1

2

2 NFDPF =−×××

=−

⋅

⋅⋅=

ππ

85


La energía desarrollada será:

W F C Nm ó Juliosa = ⋅ = × =2 155 0 25 38 7, , Siendo, que la energía cinética desarrollada por una masa en movimiento se calcula mediante la expresión:

W m v

por to

v Wm

a

a

= ⋅ ⋅

=⋅

12

2

2

tan :

La velocidad final teórica de este actuador, despreciando factores de rozamiento, pérdidas de presión en la cámara contraria originadas por la evacuación a la atmósfera, podemos decir que estará en torno a:

v m seg=×

=38 7 2

1000 879, , / .

El coeficiente de carga, en este caso, será:

Co = × =10001155

100 86 %

La tabla de abajo proporciona los coeficientes de carga resultantes en aplicaciones con cilindros de diámetro 25 a 100mm., para diferentes masas y utilizando como coeficientes de rozamiento 0,01 para rodadura y 0,2 para metal-metal.

86


Diámetro cilindro

Masa (Kg)

↑ 60º 45º 30º ↔

µ 0,01 µ 0,2 µ

0,01 µ 0,2 µ 0,01 µ 0,2

µ 0,01

µ 0,2

25

100 - - - - - - - 4 80 50 - - - - - - - 2 40 25 - (87,2) (96,7) 71,5 84,9 50,9 67,4 1 20

12,5 51,8 43,6 48,3 35,7 34,2 25,4 33,7 0,5 10

32

180 - - - - - - - 3,9 78,1 90 - - - - - (99,3) - 2 39,1

45 (99,6

) 85 (94,3) 69,7 82,8 49,7 65,7 1 19,1

22,5 48,8 42,5 47,2 34,9 41,4 24,8 39,9 0,5 9,80

40

250 - - - - - - - 3,9 78 125 - - - - - (99,2) - 2 39 65 - - - 72,4 (86) 51,6 68,3 1 20,3 35 54,6 47,6 52,8 39 46,3 27,8 36,8 0,5 10,9

50

400 - - - - - - - 4 79,9 200 - - - - - - - 2 40 100 - 87 (96,5) 71,3 84,8 50,8 67,3 1 20 50 50 43,5 48,5 35,7 42,4 25,4 33,6 0,5 0

63

650 - - - - - - - 4,1 81,8 300 - - - - - - - 1,9 37,8

150 (94,4

) 82,3 (91,2) 67,4 80,1 48 63,6 0,9 18,9

75 47,2 41,1 45,6 33,7 40,1 24 31,8 0,5 9,4

80

1000 - - - - - - - 3,9 78,1 500 - - - - - - - 2 39 250 (97,6) 85 (94,3) 69,7 82,8 49,6 65,7 1 19,5 125 48,8 42,5 47,1 34,8 41,4 24,8 32,8 0,5 9,8

100

1600 - - - - - - - 4 79,9 800 - - - - - - - 2 40 400 - (87) (96,5) 71,4 84,4 50,8 67,3 1 20 200 50 43,5 48,3 35,7 42,2 25,4 33,6 0,5 10

Coeficientes de carga en aplicaciones de cilindros.

Una ayuda más práctica, para encontrar el diámetro adecuado de cilindro, es saber cuál es la masa máxima que éste puede mover bajo diferentes condiciones. En la tabla siguiente, se muestra la masa total en Kg. que resulta de aplicar a las condiciones específicas de trabajo un coeficiente de carga del 85% trabajando a una presión de 5bar y para los dos coeficientes de carga utilizados anteriormente.

87


Diámetro cilindro

↑ 60º 45º 30º ↔

µ 0,01

µ 0,2 µ

0,01 µ 0,2

µ 0,01

µ 0,2 µ 0,01 µ 0,2

25 21,2 24,5 22 30 25 42,5 31,5 2123 106 32 39,2 45 40,5 54,8 46,2 77 58,2 3920 196 40 54,5 62,5 56,4 76,3 64,2 107 80,9 5450 272,5 50 85 97,7 88 119 100,2 167,3 126,4 8500 425 63 135 155 139,8 189 159,2 265,5 200,5 13500 675 80 217,7 250 225,5 305 256,7 428 323,5 21775 1089

100 340,2 390,5 390,8 352 476,2 669,2 505,5 34020 1701

Masa máxima para cilindros (P=5bar Co=85%) 7.3. Amortiguación Los cilindros neumáticos pueden tener una velocidad muy elevada y se puedan desarrollar fuerzas de choque considerables al final de la carrera. Los cilindros más pequeños tienen una amortiguación fija, por ejemplo amortiguadores de goma, para absorber el choque e impedir que el cilindro se dañe internamente. En los cilindros más grandes, el efecto del impacto puede ser una amortiguación neumática que decelera el émbolo en la parte terminal de la carrera. El amortiguador atrapa parte del aire de escape cerca del punto de final de carrera y lo evacua más lentamente a través de una restricción regulable.

Principio de amortiguación por aire El escape normal del aire al orificio de salida, se cierra en cuanto el casquillo de amortiguación 1 entra en la junta de amortiguación 2, de forma que el aire puede escaparse sólo a través del orificio de restricción regulable 3. El aire atrapado se comprime a una presión relativamente elevada que absorbe la inercia del émbolo. Cuando el cilindro inicia la carrera contraria, la junta de amortiguación actúa como una válvula anti-retorno para permitir el paso de aire al émbolo. De cualquier forma, restringe el flujo de aire y retrasa la aceleración del émbolo, la zona de amortiguación deberá ser entonces tan corta como sea posible. Para decelerar grandes cargas o altas velocidades del cilindro, se necesita un amortiguador externo. Si la velocidad del émbolo supera los 500mm/s, será necesario un tope mecánico externo, también en los casos en que tenga amortiguación incorporada.

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Capacidad de amortiguación La amortiguación neumática no está diseñada para absorber valores altos de energía cinética, como pueden hacerlo los amortiguadores hidráulicos. Si la amortiguación neumática resulta insuficiente, rápidamente se producirán daños en las culatas y el émbolo del cilindro. Súper amortiguación

Principio de trabajo de la super amortiguación La figura anterior muestra el principio de trabajo: un émbolo amortiguador con un vástago grueso apuntando hacia el émbolo del cilindro, puede desplazarse con una determinada carrera en un alojamiento cilíndrico ubicado en el cabezal alargado del cilindro. Cuando el émbolo principal se desplaza hacia el extremo opuesto, el émbolo amortiguador es presurizado en su parte posterior por medio de una válvula de retención y se desplaza en la misma dirección que el principal (a). Esto ayuda, asimismo, al émbolo principal a acelerar el arranque. La válvula de retención, se cierra tan pronto como el émbolo principal alcanza el extremo opuesto y la presión iguala a la del sistema. Esto mantiene el émbolo amortiguador presurizado mientras retrocede el émbolo principal (b).

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Finalmente, la proyección cilíndrica del émbolo principal golpea al émbolo amortiguador, que comprime el aire ubicado en la cámara de amortiguación estándar. Esta presión, actúa sobre toda la superficie del émbolo en lugar de hacerlo sólo sobre un sector anular. Otra diferencia importante es el reemplazado “by-pass” a través de una aguja de restricción para alcanzar el fin de la carrera por una regulación de la presión. Esto se lleva a cabo variando la tensión del resorte de una válvula de asiento por medio del bulón con traba ubicado en la parte superior de la cubierta. Por consiguiente, la presión no se eleva hasta un valor indefinido que podría llegar a dañar los retenes como en el caso del amortiguador estándar, sino que la desaceleración se efectúa mediante una presión alta pero más o menos constante (alrededor de tres veces la presión de trabajo) a lo largo de toda la carrera de amortiguación (c). Durante la carrera del émbolo amortiguador, el aire es asimismo aspirado a través de un filtro de bronce sinterizado. Este sistema de amortiguación puede decelerar masa hasta un valor de 20G. Esto equivale a 20 veces la aceleración de la gravedad, teniendo una velocidad máxima en torno a 2,2m/s. Amortiguadores hidráulicos Estos amortiguadores, se caracterizan por un ajuste automático de la capacidad de absorción, debido al original diseño de los orificios que nos permiten obtener un nivel de absorción óptimo, adecuado a cada caso de carga, es decir, es posible amortiguar masas pequeñas con velocidades altas o grandes masas a velocidades menores sin necesidad de ningún tipo de regulación, y no dependiendo de la temperatura. Evidentemente, siempre que su selección haya sido realizada dentro de los rangos especificados para cada uno de los modelos. En la figura siguiente se representa un elemento de estas características.

Amortiguador hidráulico Estos sistemas de amortiguación son útiles en todo tipo de aplicación donde exista el problema de frenado de masas en sus puntos finales de carrera, y especialmente en sistemas donde la frecuencia, la presión de posición y la suavidad de amortiguación tengan una gran importancia, como por ejemplo la amortiguación de brazos de robot, manipuladores, paradas de grandes masas en líneas de rodillos, líneas de transferización, amortiguación de masas en caída libre, etc.

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7.4. Caudal de aire y consumo Existen dos formas para expresar el consumo de aire de un cilindro o un sistema neumático. Uno es el consumo medio por hora: esta cifra se utiliza para calcular el coste de la energía como parte del precio de coste total del producto. El segundo aspecto es el consumo máximo de un cilindro, que se usa para calcular el tamaño correcto de la válvula o, en el caso de un sistema neumático, para calcular correctamente el tamaño de la unidad filtro-regulador-lubricador. El consumo, en el caso del cilindro, se define como:

Cuando el émbolo se encuentra en uno de los puntos finales, el volumen es cero. Cuando el cilindro realiza una carrera, entra en él una cantidad de aire capaz de llenar su cámara hasta alcanzar la presión relativa de trabajo con lo cual, necesitaremos el volumen de la cámara multiplicado por el valor de la presión absoluta. Según esto, el consumo de aire de un cilindro, en una sola carrera es:

Q D L Pabs=⋅

⋅ ⋅π 2

4 Siendo:

Q → Consumo de aire del cilindro. D → Diámetro del cilindro, cm. L → Longitud de carrera, cm. Pabs → Presión absoluta, bar.

El resultado se nos dará en cm3/carrera. El consumo para un ciclo será el doble (carreras de ida y vuelta) ya que para niveles prácticos resulta despreciable el volumen del vástago en la carrera de retroceso y, en todo caso, dicho volumen compensa el de la tubería del circuito de alimentación al cilindro. Para que el resultado sea expresado en Nl/carrera, tendremos que dividir el valor obtenido por 1000.

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Diámetro

cilindro Presión de trabajo (bar)

3 4 5 6 7 20 0,124 0,155 0,186 0,217 0,248 25 0,194 0,243 0,291 0,340 0,388 32 0,319 0,398 0,477 0,557 0,636 40 0,498 0,622 0,746 0,870 0,993 50 0,777 0,971 1,165 1,359 1,553 63 1,235 1,542 1,850 2,158 2,465 80 1,993 2,487 2,983 3,479 3,975

100 3,111 3,886 4,661 5,436 6,211

Consumo teórico en cilindros de doble efecto (litros estándar por 100mm de carrera) Deberemos tener en cuenta que:

El consumo que figura en la tabla anterior, no incluye los volúmenes muertos en cada extremo de la carrera, ni tampoco el volumen de las tuberías de conexión.

La energía neumática no sufre pérdidas. Para seleccionar el tamaño de la válvula de un cilindro, es necesaria otra cifra: el caudal máximo o el caudal de pico. Este caudal se determina por la velocidad máxima del cilindro.

( ) .min/104

60013,141,1 6

2

NlPvDQn

⋅

⋅+⋅⋅⋅⋅=π

En donde:

Qn → Caudal máximo. D → Diámetro del cilindro, mm. v → Velocidad, mm/s. P → Presión de trabajo, bar.

En esta expresión, para no dejar de lado las pérdidas de energía debidas a fenómenos térmicos, se ha tenido presente lo referente a los cambios adiabáticos, es decir, procesos sin intercambios de calor, procesos que vienen definidos por la fórmula: P.VK=Cte., donde el exponente K es 1,41 en el caso del aire. La tabla de abajo se muestra las cifras reales que se obtienen de la tabla anterior pero ya corregida:

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Diámetro

cilindro Presión de trabajo (bar)

3 4 5 6 7 20 0,174 0,217 0,260 0,304 0,347 25 0,272 0,340 0,408 0,476 0,543 32 0,446 0,557 0,668 0,779 0,890 40 0,697 0,870 1,044 1,208 1,391 50 1,088 1,360 1,631 1,903 2,174 63 1,729 2,159 2,590 3,021 3,451 80 2,790 3,482 4,176 4,870 5,565

100 4,355 5,440 6,525 7,611 8,696

Consumo real de aire en cilindros de doble efecto (Nl/100mm de carrera) Ejemplo En un cilindro de 63mm de diámetro, 500mm de carrera, trabajando a 6bar. ¿Cuál será el consumo real de aire a 15 ciclos por minuto? Resolveremos la cuestión de forma analítica y mediante la tabla 7.22, para contrastar ambos resultados:

( ) .min/85,458104

013,162155006314,34,1 6

2

NlQ =×

+××××××=

Utilizando la última tabla encontramos que un cilindro de diámetro 63mm consume 3,021 litros por cada 100mm. Este valor, deberemos multiplicarlo por 5 (500mm de carrera) y por 30 (15 ciclos completos).

Q Nl= × × =3 021 5 30 45315, , / min. Vemos que, a efectos prácticos, ambos resultados son similares. 7.5. Montaje del cilindro. Para asegurar que los cilindros estén montados correctamente, los fabricantes ofrecen una gama de fijaciones que satisfacen todos los requisitos, incluido el movimiento oscilante, utilizando fijaciones de tipo oscilante.

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DIRECTO CUELLO ROSCADO

PATAS BRIDA POSTERIOR

BRIDA ANTERIOR MUÑÓN OSCILANTE

HORQUILLA POSTERIOR

Varios métodos de fijación del cilindro

Juntas flotantes Para arreglar la "desalineación" inevitable entre el movimiento del vástago del cilindro y el objeto guiado, es necesario predisponer una junta flotante en el extremo del vástago del émbolo.

Junta flotante

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7.6. Actuadores de giro Los actuadores de giro son motores alternativos. Existen dos tipos fundamentales según su construcción: Actuador de giro piñón-cremallera Se trata de cilindros de doble efecto que convierten el movimiento de vaivén en giro en uno y otro sentido. Lo anterior se consigue sin más que disponer en el vástago una cremallera que arrastre un piñón. Los ángulos de giro normales son de 45º, 90º, 180º, 290º hasta 720º. Es posible determinar el margen de giro dentro del total por medio de un tornillo de ajuste. El par de giro es función de la presión, de la superficie del émbolo y de la desmultiplicación. Los accionamientos de giro se emplean para voltear piezas, doblar tubos metálicos, regular acondicionadores de aire, accionar válvulas de cierre, etc. Actuador de giro de paleta Como los cilindros de giro, éste también puede realizar un movimiento angular limitado, que rara vez sobrepasa los 300º. Constan de una carcasa cilíndrica de diámetro grande y anchura reducida; el émbolo se sustituye por una pieza radial que gira sobre el eje del cilindro y separa las dos partes del actuador. La estanquización presenta dificultades y el diámetro o el ancho permiten a menudo obtener sólo pares de fuerza pequeños. Estos cilindros no se utilizan mucho en neumática, pero en hidráulica se ven con frecuencia. 7.7. Motores neumáticos Estos actuadores transforman la energía neumática en un par mecánico, se trata, por tanto, de motores neumáticos. Obviamente su ángulo de giro no está limitado. Gozan de unas características singulares que los hacen extraordinariamente útiles y por tanto muy utilizados. Poseen par de arranque. Puede regularse su velocidad de rotación y su par motor sin escalones desde cero hasta su valor máximo. Algunos de ellos pueden girar a velocidades no superadas por ninguna otra máquina, existiendo una gran selección de motores con diferentes velocidades de rotación. Sus dimensiones son reducidas con poco peso. No se estropean ante una sobrecarga sino que solamente se paran, poniéndose de nuevo en marcha cuando aquella se reduce. Puede limitarse su par con el fin de que no se sobrepase un determinado valor. Tienen una gran fiabilidad. Son insensibles al polvo, agua y variaciones térmicas, no teniendo peligro de explosión o deflagración. No requieren especialistas ni para su instalación ni para su mantenimiento, necesitando de cuidados muy reducidos. Su sentido de rotación es fácilmente reversible y además, muchos de ellos pueden trabajar como compresores. Según su concepción se distinguen:

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Motores de émbolo Su funcionamiento es análogo al de los cilindros de doble efecto. Están formados por una serie de cilindros trabajando en paralelo y de manera desfasada, dispuestos de manera radial o paralelos entre sí, constituyendo los motores de émbolo radiales y axiales respectivamente. Su potencia depende de la presión de entrada, del número de cilindros y de la superficie transversal y velocidad de éstos. Estos motores tienen la ventaja de ser doblemente reversibles, es decir, pueden funcionar como motor o como compresor y girar en los dos sentidos. La velocidad máxima es de unas 5000 r.p.m, y la potencia a presión normal varía entre 1,5 y 19kW. Motores de paletas Constan de un rotor excéntrico dotado de ranuras que gira en una cámara cilíndrica. En las ranuras se deslizan paletas, que son empujadas contra la pared interior del cilindro por el efecto de la fuerza centrífuga, garantizando así la estanquidad entre las diversas cámaras en que queda dividida la carcasa. La velocidad de estos motores oscila entre 3000 y 8500 rpm, con potencias comprendidas entre 0,1 y 17kW. Motor de engranajes En este tipo de motores el par de rotación es engendrado por la presión que ejerce el aire sobre los flancos de los dientes de piñones engranados. Uno de los piñones es solidario con el eje del motor. Estos motores sirven de máquinas propulsoras de gran potencia de hasta 44kW. Turbomotores Así como todos los motores anteriores son máquinas de desplazamiento positivo éstos son turbomáquinas. Son aptos únicamente para potencias pequeñas, pero su velocidad puede alcanzar valores extraordinariamente elevados como es el caso del torno del dentista que puede llegar a las 500000 r.p.m. 8. Actuadores especiales 8.1. Cilindro con unidad de bloqueo Un cilindro puede estar provisto de una cabeza de bloqueo al final de la culata delantera standard. Se podrá sujetar así el vástago del cilindro en cualquier posición. La acción de bloqueo es mecánica. Eso asegura que el vástago del émbolo esté sujeto correctamente, aún cuando esté bajo carga completa.

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Cilindro con unidad de bloqueo 8.2. Cilindro de vástagos paralelos Esta unidad, está formada por dos cilindros de igual dimensión, por lo que su fuerza total es la suma de los dos.

Cilindro de vástagos paralelos 8.3. Cilindro con vástago antigiro El vástago de un cilindro estándar puede girar fácilmente si no existen guías que lo eviten. Esto nos puede condicionar en algunas ocasiones, en el montaje directo de determinadas herramientas. Este tipo de aplicaciones, en las que la herramienta no ejerce un elevado par de giro, pueden ser solucionados utilizando un cilindro con vástago antigiro. La rotación se evita mediante dos caras planas en el vástago y en el casquillo guía, o bien utilizando un vástago de sección hexagonal. La figura muestra también cómo un par crea las fuerzas de reacción en el vástago y en su casquillo guía, y como si este es elevado, puede dañar ambos, especialmente en carreras largas.

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Vástago antigiro 8.4. Cilindro plano Un cilindro normal tiene un perfil exterior más o menos cuadrado, como es obvio, para cilindros de vástago circular. Si realizamos un émbolo con la misma área efectiva, esto es, con la misma fuerza teórica pero con forma ovalada, obtendremos un cilindro con cubierta exterior rectangular, más plana y que además lleva ya incorporada la condición antigiro.

Principio del cilindro plano 8.5. Cilindro de doble vástago

Principio del doble vástago

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La figura de abajo ilustra este tipo de cilindro siendo utilizado para accionar una mesa de carrera larga. La guía y la rigidez extra se obtienen al ser fijos los extremos del vástago del émbolo, mientras que el cuerpo se mueve con la mesa.

Aplicación típica de un cilindro de doble vástago. 8.6. Cilindro tándem Un cilindro tándem está formado por dos cilindros de doble efecto unidos por un vástago común, para formar una sola unidad. Presurizando simultáneamente las cámaras de ambos cilindros, la fuerza de salida es casi el doble que la de un cilindro standard del mismo diámetro. Ofrece una fuerza más elevada para un diámetro de cilindro determinado, que puede ser utilizado cuando el espacio para instalación sea reducido.

Principio del cilindro tándem 8.7. Cilindro multiposicional Las dos posiciones finales de un cilindro standard proporcionan dos posiciones fijas. Si se necesitan más de dos posiciones, se puede utilizar una combinación de cilindros de doble efecto. Existen dos principios:

I. Para tres posiciones, es idóneo el conjunto ilustrado en la figura siguiente, que permite fijar el cuerpo del cilindro. Es muy adecuado para movimientos verticales, por ejemplo para dispositivos de manipulación.

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Cilindro multiposicional de tres posiciones

II. El segundo tipo consta de dos cilindros independientes unidos por sus culatas posteriores, lo que permite obtener cuatro posiciones distintas, pero el cuerpo del cilindro no se puede fijar. Combinando tres cilindros se, obtienen 8 posiciones. Con cuatro, 16 posiciones. Siempre que estos cilindros tengas sus carreras diferentes.

Cilindro multiposicional de cuatro posiciones

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8.8. Unidades deslizantes La unidad deslizante es un actuador lineal de precisión, de dimensiones compactas, que se puede utilizar en robots para fabricación y ensamblaje.

Unidad deslizante típica La alta precisión de mecanizado de las superficies de montaje y de los vástagos guía paralelos, aseguran un movimiento lineal perfectamente recto cuando están integrados como partes constructivas de máquina de transferencia y de posicionamiento. En una posición, el cuerpo se puede fijar y son los vástagos los que se pueden mover (b). Dándole la vuelta, los extremos de los vástagos se apoyan sobre la superficie de montaje y el cuerpo se puede mover (a). En ambos casos, la válvula puede estar conectada a la parte que permanece fija. 8.9. Mesa lineal de traslación. Las aplicaciones modernas en manipulación o sistemas robotizados exigen cada vez con más frecuencia que los componentes neumáticos sean muy compactos, de gran precisión, suaves, uniformes y con peso y tamaño reducido. El componente de la figura siguiente, es una mesa adecuada para la traslación de masas, bien centradas o descentradas con respecto a su eje simétrico. A pesar de su tamaño reducido, presenta una construcción de doble cilindro lo que supone, por consiguiente, doble esfuerzo lineal. El guiado del carro, se realiza mediante una guía de rodillos cruzados con lo cual el desplazamiento es preciso y silencioso. También es destacable, la detección magnética de fin de carrera y la regulación mecánica con tope de amortiguación elástica de la misma.

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Mesa lineal de traslación La figura de abajo muestra otra ejecución de mesa lineal de traslación para aplicaciones similares a las mencionadas pero con carrera de mayor longitud y con posibilidad de amortiguar los finales de carrera con amortiguadores hidráulicos incorporados.

Mesa lineal de traslación de carrera larga 8.10. Cilindro de tope En las líneas de producción continua, es necesario en un elevado número de aplicaciones, detener la marcha de productos para dar lugar y tiempo a que se realicen determinadas operaciones. Muy a menudo, se recurre a pequeños dispositivos que son gobernados por actuadores neumáticos. Esto requiere, además del lugar adecuado para su ubicación, el

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proyecto de los mismos y su construcción. El cilindro de tope, es un equipo diseñado para evitar los inconvenientes mencionados. Se trata de un actuador con vástago y sistema de guiado muy reforzados capaces de resistir severas cargas flectoras. En su extremo, puede ser incorporado un elemento de amortiguación hidráulica o elástica, para absorber el golpe originado por el contacto de la pieza frenada.

Cilindro de tope

Cilindro de tope con amortiguador 8.11. Cilindro compacto

Cilindro compacto La figura permite apreciar una interesante ejecución, un actuador compacto de carrera corta con amortiguación elástica fija y con la posibilidad de detectar a lo largo de su carrera

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mediante detectores magnéticos de posición. Las dimensiones externas del cilindro, en comparación con otras ejecuciones estándar, son entre 2,5 y 4 veces inferiores en longitud. En este tipo de actuadores, uno de los problemas más difíciles de resolver, debido a su pequeña carrera, es la detección de posición para generar señales. Con la aplicación de los sensores magnéticos de posición, se ha dado un gran paso en este sentido. 8.12. Unidades hidroneumáticas Uno de los problemas o inconvenientes con los que tropieza la neumática es su incapacidad para realizar movimientos lentos. Esta incapacidad surge de la característica que tiene el aire de ser compresible (es decir, de ser un medio elástico). La solución la proporciona una legítima asociación con la hidráulica, técnica que como medio de transmisión de presión utiliza el aceite. Existen en ese sentido dos caminos: uno el que proporciona un cambio del medio de presión y otro el de vinculación mecánica.

Unidad hidroneumática con cambio del medio de presión La figura anterior nos muestra el primero de ellos. Se aprecia un recipiente al que llega presión neumática, el émbolo flotante que la recibe tiene como única función cambiarla a presión hidráulica, presión ésta que es transmitida a un actuador a través de un conducto que presenta un dispositivo que permite controlar el caudal. Debido a que el aceite es

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prácticamente incompresible, la velocidad del actuador puede regularse, incluso, a velocidades muy lentas (25mm/min) Existen equipos que reúnen el recipiente y la válvula en un solo cuerpo de manera que si quisiéramos regular velocidades en uno y otro sentido, deberíamos instalar dos.

Unidad hidroneumática con vinculación mecánica La nueva figura sugiere una variante muy interesante: con el mismo principio permite lograr un aumento de presión en el aceite. Efectivamente, la posibilidad la brinda el hecho de transmitir, por un medio mecánico, la fuerza a un émbolo de menor diámetro. El resto, funciona igual que en el caso anterior. Una variación sobre esta aplicación, consistiría en utilizar una unión en tándem del cilindro neumático y el hidráulico. En este caso deberá verificarse la resistencia a la presión de trabajo así como también la compatibilidad de los componentes con el aceite a utilizar. Debido a su compleja construcción, no se aconseja su utilización.

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8.13. Cilindros sin vástago En ciertas aplicaciones, representa un inconveniente el hecho de que un cilindro casi duplique su longitud durante la carrera. En otras palabras, está ubicado cerca de la carrera de trabajo, ocupando espacio adicional fuera del área de trabajo propiamente dicha. Un impulsor cuyo largo total sea invariable que puede ser colocado sobre el área de trabajo con una pieza de accionamiento comprendida dentro de su longitud total es una solución preferible para puertas corredizas a, para corte b, para alimentación c, para manipulación d, y, en general para todo tipo de manipulación o selección de producto en el proceso.

Aplicaciones típicas de cilindros sin vástago Existen varias clases de cilindros sin vástago, pero fijaremos nuestra atención en dos modelos cuya ejecución es diferente y pueden darnos una idea clara de estos componentes:

Cilindro sin vástago de transmisión magnética. Cilindro sin vástago de transmisión mecánica.

Cilindro sin vástago de transmisión magnética entre el émbolo y el carro Un cilindro convencional con una carrera de, digamos 500mm, puede tener una dimensión aproximada total en posición de salida, de 1100mm. Un cilindro sin vástago con la misma carrera puede ser instalado en un espacio mucho más reducido, de 600mm. Presenta una ventaja especial cuando se requieren carreras muy largas y, puede estar disponible hasta una carrera standard de 1m ó más bajo pedidos especiales.

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Cilindros sin vástago de transmisión mecánica. La fuerza realizable por un cilindro sin vástago con acoplamiento magnético, está limitada por la fuerza de retención magnética. Para levantar o mover cargas más pesadas, los cilindros de tipo ranurado normalmente ofrecen una mayor capacidad de fuerza, pero no están totalmente exentos de fugas como los del tipo de acoplamiento magnético. 8.14. Actuadores de giro Actuador de giro mediante piñón-cremallera El eje de salida tiene tallado un piñón que engrana con una cremallera que está unida a un émbolo doble. Los ángulos de rotación varían entre 90º y 180º.

Unidad de giro piñón-cremallera

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Actuadores de giro por paletas La presión del aire actúa sobre una paleta que está unida al eje de salida. La paleta hace un cierre hermético mediante una junta de goma o por un revestimiento elastomérico. Una junta especial tridimensional cierra el tope contra el eje y el asiento. El tamaño del tope, determina el giro: 90º, 180º ó 270º. Se dispone de topes regulables, para ajustar cualquier ángulo de giro de la unidad.

Unidad de giro por paleta. Nuevos actuadores de giro Los actuadores de giro antes expuestos son, generalmente, los más conocidos y utilizados en casi todos los sectores industriales. No obstante, la tecnología neumática avanza con rapidez y es capaz de dar respuestas instantáneas a cualquier requerimiento del mercado y, por este motivo, se han diseñado nuevos modelos de actuadores rotativos que cumplen adecuadamente las necesidades de un mercado cada vez más exigente con respecto a los procesos en que se utiliza la manipulación y la robótica. Dentro de estos modelos nuevos, la siguiente figura muestra una mesa giratoria mediante un actuador de paletas. La mesa es apoyada sobre un rodamiento y forma un conjunto compacto. Es posible, en este elemento, establecer una regulación del ángulo de giro y detectar magnéticamente la posición establecida.

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Mesa giratoria con actuador de paleta La figura de abajo, muestra otra mesa giratoria con accionamiento, en este caso, de doble cremallera y piñón. La mesa apoya sobre rodamientos y es capaz de sustentar cargas elevadas con relación a su tamaño y girarlas con suavidad y precisión. También se dispone, en este caso, de la posibilidad de regular el ángulo de giro y, además, absorber la energía cinética por mediación de amortiguadores hidráulicos.

Actuador giratorio con doble cremallera y piñón

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Actuadores rotolineales Estos elementos, están estudiados para la manipulación de piezas pequeñas en máquinas automatizadas, mecanismos robotizados, posicionamientos o cargas y descargas de puestos de trabajo, donde sean necesarios movimientos lineales y rotativos combinados. La ejecución del elemento es compacta, estando integrados ambos movimientos en un solo cuerpo, y pudiendo realizar simultánea o independientemente la translación y el giro.

Actuador rotolineal 8.15. Pinzas neumáticas La manipulación de productos representa una fase esencial en la mayoría de los procesos industriales. En la industria, las funciones de manipulación son necesarias en cada una de las operaciones de alimentación y descarga de las máquinas que operan en el proceso. En capítulos anteriores, vimos como los movimientos lineales o rotativos nos proporcionan ejes con giros capaces de cumplir cualquier requerimiento en la traslación o posicionado de piezas. Los cilindros sin vástago o mesas lineales son elementos útiles para estos trabajos. También con ayuda de la tecnología de vacío se pueden sujetar piezas mediante ventosas adecuadas. En definitiva, el objetivo final de toda manipulación es sujetar la pieza para poderla trasladar posteriormente a través de ejes matrices. Las pinzas neumáticas, en este aspecto, podemos considerarlas como las “manos” que cogen y sujetan estas piezas. Existen varios modelos de pinzas pero, de entre todos, podemos destacar las siguientes familias, en función de su forma de trabajo:

Pinzas con apertura angular de los dedos. Pinzas con apertura paralela de los dedos. Pinzas autocentrantes. Pinzas con tres dedos dispuestos a 120º Pinzas con apertura de los dedos a 180º.

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Consideraciones sobre las pinzas Como ya hemos hablado anteriormente, el objeto fundamental de las pinzas, como elementos finales en la manipulación de piezas, es el de sujetarlas con garantía para su posterior traslado. Por este motivo, las pinzas deben reunir las características siguientes:

Gran fuerza prensil en relación a su tamaño. Poco volumen ocupado. Ligeras (poco peso adicional al resto de mecanismos). Con detección de la posición de los dedos abiertos/cerrados. Facilidad de acoplamiento.

8.15.1. Pinzas con apertura angular La figura siguiente muestra una pinza con apertura angular de los dedos. Su funcionamiento es como sigue: Un émbolo está unido por el vástago a un sistema de dedos con puntos giratorios que, a su vez portan un sistema de rodadura que se desliza sobre una pista. Cuando la presión aparece en la cámara superior del émbolo, los dedos de las pinzas cierran hasta completar el recorrido. La apertura es posible, evacuando la presión de la cámara superior e introduciéndola por la inferior.

Pinza con apertura angular

Pinzas angulares con gran esfuerzo prensil Esta pinza, ha sido diseñada para aplicaciones en las que se requieren grandes esfuerzos de manipulación. Su construcción, partiendo de un cilindro compacto, permite un mantenimiento rápido y sencillo, gracias a la calidad de estos cilindros. Cuando los dedos están cerrados, el mecanismo de transmisión articulado de la pinza entra en funcionamiento, originando una elevada y estable fuerza prensil, incluso ante un descenso de la presión.

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Pinza angular de gran esfuerzo prensil

8.15.2. Pinzas con apertura paralela En la figura siguiente puede verse una pinza cuyo funcionamiento básico es idéntico a la anterior, pero con algunas connotaciones distintas. Los dedos no están libres, están guiados por un sistema de patines de rodadura, los cuales tienen como misión principal corregir el arco creado por la unión del vástago, los dedos y el giro de los mismos y transformarlo en un movimiento de traslación lineal para los dedos. Un movimiento lineal y sincronizado en toda la longitud de apertura y cierre.

Pinza con apertura paralela Estas pinzas, según la forma que se le dé a los dedos, pueden coger objetos por el exterior o por el interior de los mismos, según convenga en cada aplicación. La figura de abajo muestra dos tipos de dedos para aplicaciones distintas.

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Dedos para presión externa e interna. Pinzas de apertura paralela de precisión Esta pinza neumática, de accionamiento rotativo, ha sido diseñada para posicionamientos de alta precisión, manipulación y ensamblaje de piezas de pequeñas dimensiones.

Dedos para presión externa e interna La apertura y cierre de los dedos, mediante un sistema de rodillos transversales, se produce de forma paralela, pudiendo trabajar realizando tanto presiones internas como externas en las piezas. El accionamiento rotativo de la pinza está equipado con rodamientos a bolas y el actuador rotativo es usado como fuente de conexión de los dedos. Este tipo de pinzas, puede ser empleado en sala limpia (CLEAN ROOM), clase 10.

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8.15.3. Pinzas autocentrantes

Pinza autocentrante En la figura anterior vemos que un mecanismo de piñón-cremallera proporciona a los dedos un movimiento lineal, sincronizado y autocentrante. Su construcción, de doble émbolo, permite obtener un esfuerzo considerable en la fuerza prensil. 8.15.4. Pinzas de tres dedos La pinza de la figura de abajo, se utiliza para realizar cierres y aperturas de tres dedos concéntricos, dispuestos a 120º. En este caso el funcionamiento es diferente al del resto de pinzas vistas hasta ahora. El cierre y la apertura de los dedos se consigue por un mecanismo de cuña y leva accionado por un cilindro neumático. Por sus características, estas pinzas, son muy útiles para manipulación y centrado de piezas en manipulación, robótica, etc.

Pinza de tres dedos

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8.15.5. Pinzas con apertura a 180º

Pinza con apertura a 180º La figura de arriba muestra una nueva forma constructiva de pinzas. Las anteriores, presentaban una apertura y cierre de los dedos siempre en el mismo plano. Esta, sin embargo, puede abrir y cerrar los dedos en función de un abatimiento del plano de 180º. Evidentemente, gracias a este abatimiento, en trabajos de manipulación es posible eliminar el movimiento de uno de los ejes. El funcionamiento es, según la figura, bastante simple: un émbolo neumático con una cremallera tallada en su vástago, engrana con dos piñones periféricos que, a su vez, están unidos sólidamente a los dedos que sujetan. El recorrido del émbolo proporciona un arco de giro de 90º a cada dedo. 9. Válvulas de control direccional 9.1. Funciones de la válvula Una válvula de control direccional determina el paso de aire entre sus vías abriendo, cerrando o cambiando sus conexiones internas. Las válvulas se definen en términos de número de vías, número de posiciones, su posición normal (no activada) y método de activación. Los primeros dos puntos se expresan normalmente con los términos 5/2, 3/2, 2/2, etc. La primera cifra indica el número de vías (excluidos los orificios del piloto) mientras que la segunda se refiere al número de posiciones. Las funciones principales y sus símbolos ISO son las que figuran en la siguiente tabla:

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Símbolo Forma constructiva Función Aplicación

Conexión 2/2 ON/OFF sin escape

Motores de aire y sopladores neumáticos

3/2 Normalmente

cerrada NC

Cilindros de simple efecto y señales

neumáticas

3/2 Normalmente

abierta NO

Cilindros de simple efecto y señales

neumáticas inversas

4/2 Conexión entre

utilizaciones A y B con escape común

Cilindros de doble efecto

5/2 Conexión entre

utilizaciones A y B con escapes

separados

Cilindros de doble efecto

5/3 Centro cerrado

Como 5/2 pero con A y B a escape en posición central

Cilindro de doble efecto, con

posibilidad de ser despresurizado

5/3 Centro cerrado

Como 5/2 pero con todas las vías

cerradas en posición central

Cilindro de doble efecto, que se ha de detener en cualquier

posición

5/3 Centro presurizado Como 5/2 pero con presión en las vías

de utilización en posición central

Aplicaciones especiales

Cilindros con unidad de bloqueo

Las válvulas de retorno por muelle son monoestables. Tienen una posición preferencial definida, a la cual vuelven automáticamente cuando desaparece la señal en sentido contrario. Una válvula biestable no tiene una posición preferencial y permanece en cualquier posición hasta que se activa una de las dos señales de impulso. 9.2. Tipos de válvula Los dos métodos principales de construcción son de asiento y de corredera, con juntas metálicas o elásticas. La figura siguiente ilustra los distintos tipos de válvulas:

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Varios tipos de válvulas y métodos de cierre hermético 9.2.1. Válvulas de asiento En una válvula de asiento, el fluido es controlado por un disco u obturador que se eleva en ángulo recto con respecto a su asiento, con una junta elástica. Las válvulas de vástago vertical pueden ser válvulas de dos o tres vías. Para válvulas de cuatro o cinco, sería necesario integrar dos o más válvulas de asiento en una sola válvula.

Principales tipos de válvulas de asiento En (a), la presión de entrada tiende a levantar la junta de su asiento y se requiere una fuerza suficiente (resorte) para mantener cerrada la válvula. En (b), la presión de entrada ayuda al resorte que mantiene cerrada la válvula, pero la fuerza de accionamiento varía para presiones diferentes. Estos factores limitan estas configuraciones a válvulas con orificios de entrada de 1/8" o más pequeños. En la figura de abajo (a) ilustra una válvula de asiento de 3/2 normalmente cerrada, que responde al principio de funcionamiento de la figura de arriba (b).

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En su posición en reposo (a), de la figura de abajo, el aire de la utilización sale por el escape. Cuando se activa (b), de la misma figura, el orificio de escape se cierra y el aire fluye desde la entrada de presión P a la vía de utilización A.

Figura 9.3. Válvula de asiento accionada mecánicamente.

La configuración (c), de la primera figura, es una válvula de asiento equilibrada. La presión de entrada actúa sobre superficies iguales y contrarias del émbolo. Esta característica permite que las válvulas se conecten normalmente cerradas (NC) o normalmente abiertas (NO). Las válvulas normalmente abiertas se pueden utilizar para bajar o hacer retroceder los actuadores presurizados, pero se utilizan más comúnmente en circuitos de seguridad o de secuencia.

Válvula de asiento equilibrada de 3/2 9.2.2. Válvulas de corredera Las válvulas de carrete, rotativas y de corredera plana, utilizan un movimiento en sentido perpendicular al flujo, para abrir y cerrar las vías.

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Una corredera cilíndrica se desliza longitudinalmente en el cuerpo de la válvula, mientras que el aire fluye en ángulo recto según el movimiento de la misma. Las correderas tienen superficies iguales de cierre hermético y están equilibradas en presión. En las siguientes figuras se ilustran disposiciones de corredera y juntas. En la primera de ellas las juntas tóricas están fijadas en las ranuras de la corredera y se mueven en un alojamiento metálico.

Válvula con juntas en la corredera

La válvula de la segunda figura tiene las juntas fijadas en el cuerpo de la válvula y mantienen su posición por medio de separadores.

Válvula con juntas en el cuerpo

La figura siguiente muestra una corredera con anillos ovalados. Ninguno de ellos tiene que cruzar frente a un mecanizado, sino solamente abrir o cerrar su propio asiento. Esta configuración proporciona un cierre hermético sin fugas, con un rozamiento mínimo y por lo tanto una duración extremadamente larga.

Válvula con corredera de anillo ovalado

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Las válvulas de corredera metálica con superficies de contacto ajustadas y lapeadas, tienen una resistencia de rozamiento muy baja, un funcionamiento cíclico rápido y una duración extremadamente larga. Sin embargo, incluso con un mínimo espacio de 0,003mm, se producen pequeñas fugas de aproximadamente 1 l/min.

Principio de la válvula de tirador sin juntas

El flujo a través de las vías es controlado por la posición de una corredera de metal, nylon u otro plástico. Un émbolo accionado por aire y provisto de junta elastómera hace mover la corredera. 9.2.3. Válvulas rotativas Un disco con soporte metálico se hace girar manualmente para interconectar las vías del cuerpo de la válvula. El efecto de presión es empleado para forzar el disco contra su superficie de contacto para minimizar la fuga. El suministro de presión está situado por encima del disco.

Sección de una válvula rotativa de disco para función de 4/3 con centro cerrado 9.3. Accionamientos de las válvulas 9.3.1. Accionamiento mecánico En máquinas automatizadas las válvulas de accionamiento mecánico pueden detectar las partes de la máquina que están en movimiento, para proporcionar señales al control automático del ciclo de trabajo. En la figura siguiente se ilustran los accionamientos mecánicos principales:

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Principales accionamientos mecánicos (ejes, rodillos, levas) Precauciones al utilizar rodillos de palanca Es necesario tener un cuidado especial a la hora de utilizar levas para accionar válvulas de rodillo de palanca. La figura de abajo lo ilustra: la porción utilizada del recorrido total del rodillo no debe llegar hasta el final de recorrido. La pendiente de la leva debe tener un ángulo de aproximadamente 30º. Mayores inclinaciones, producen fatiga mecánica sobre la palanca.

Cuidado con los rodillos de palanca y excéntricas 9.3.2. Accionamiento manual El accionamiento manual se obtiene generalmente acoplando una cabeza de accionamiento idónea, sobre una válvula de accionamiento mecánico.

Principales accionamientos manuales monoestables (por resorte) Las válvulas de accionamiento manual, monoestables (de retorno por resorte) se utilizan generalmente para arrancar, detener y controlar una unidad de control neumático. En muchos casos, resulta más conveniente que la válvula mantenga su posición.

Accionamientos manuales biestables (por enclavamiento)

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9.3.3. Accionamiento por pilotaje neumático Las válvulas principales (válvulas de control direccional) pueden colocarse cerca de un cilindro o de otro actuador y activarse por control remoto, por medio de señales procedentes de válvulas o interruptores. Una válvula monoestable pilotada por aire, es accionada por la presión del aire que actúa sobre un émbolo, y retorna a su posición normal gracias a un retorno neumático, un resorte mecánico o una combinación de ambos, cuando se elimina la presión de señal.

Válvula de 3/2 de pilotaje neumático con retorno por muelle y presión El retorno asistido por presión utiliza un resorte de aire además de un resorte mecánico relativamente ligero, para una característica de fuerza más constante y una mayor fiabilidad. En la figura anterior se muestra un resorte de aire proporcionado por un paso interno desde la entrada de presión para actuar sobre el émbolo de diámetro más pequeño. La presión aplicada, por medio del orificio de pilotaje al émbolo de diámetro más grande, acciona la válvula. Este método de retorno se utiliza a menudo en diseños de válvulas miniatura dado que requiere un espacio muy reducido.

Válvula de 3/2 miniatura Las válvulas de accionamiento neumático tratadas hasta ahora eran de tipo de pilotaje único o monoestable, sin embargo las válvulas accionadas neumáticamente más comunes para el control del cilindro tienen pilotaje doble y están diseñadas para permanecer en cualquier posición (biestables).

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En la figura de abajo se ha aplicado una breve señal de presión a la apertura del piloto "z", que hace deslizar la corredera a la izquierda y conecta la entrada de presión "P" a la vía de utilización "B". La vía "A" está a escape por "R". La válvula permanece en esta posición hasta que reciba una contraseñal; esto es lo que se denomina "función memoria".

Válvula biestable de 5/2 (accionada por doble pilotaje neumático) Las válvulas biestables mantienen sus posiciones debido al rozamiento, pero deben de instalarse con la corredera horizontal, especialmente si la válvula está sujeta a vibraciones. En caso de construcción con junta metálica, las posiciones son bloqueadas por un retén. Accionamiento directo e indirecto Un accionamiento directo se produce cuando una fuerza, aplicada a un pulsador, rodillo o impulsor, hace mover el tirador o el vástago. Con el accionamiento indirecto, se actúa primero sobre una pequeña válvula de pilotaje que a su vez activa neumáticamente la válvula principal.

Accionamiento mecánico indirecto

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La figura de arriba, ilustra una válvula de 5/2, con accionamiento indirecto o accionamiento mecánico "pilotado", en su posición normal. 9.3.4. Accionamiento eléctrico (por solenoide) Los sistemas electroneumáticos y controlados electrónicamente, se tratarán en un próximo libro de esta serie y, de momento, es suficiente considerar el accionamiento eléctrico de las válvulas de control direccional. El accionamiento eléctrico de una válvula neumática es realizado por un solenoide y un núcleo interno y, por lo tanto, las unidades se conocen generalmente como electroválvulas. Las electroválvulas de accionamiento directo emplean la fuerza electromagnética de un solenoide para mover el vástago o el tirador. Para limitar el tamaño del solenoide, las válvulas más grandes están provistas de accionamiento indirecto por solenoide más pequeño y servo.

Electroválvula de accionamiento indirecto 9.4. Montaje de válvulas Conexión directa El método más común para conectar una válvula es roscar directamente los racores en los orificios roscados de la válvula. Este método requiere un racor para cada entrada de cilindro, piloto, vía y entrada de presión, un silenciador por cada salida de escape. Todas las válvulas mostradas anteriormente son de este tipo. Bloques de válvulas Los bloques de válvulas tienen vías de entrada de presión comunes para un cierto número de válvulas. Las salidas de utilización se conectan separadamente para cada válvula. La figura siguiente muestra un bloque de válvulas con cuatro válvulas de funciones diferentes: una de 5/3, una biestable y dos de tipo monoestable de la misma serie.

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Un bloque de válvulas debe pedirse para alojar el número deseado de válvulas. No es posible la extensión posterior, pero las posiciones sin ocupar se pueden obturar utilizando un accesorio de cierre. Con cinco o más válvulas, se recomienda suministrar la presión y montar los silenciadores, en ambos extremos.

Bloque de válvulas Placas bases Las válvulas con todas sus vías en una cara están diseñadas para ser montadas con juntas de estanqueidad sobre una placa base, a la que se realizan todas las conexiones externas. Ello permite retirar y sustituir rápidamente una válvula sin trastocar todo el sistema. Generalmente, una válvula montada sobre una base tiene una capacidad de caudal ligeramente mejor que una válvula normal del mismo tipo. Placas bases múltiples De forma análoga a los bloques de válvulas, las bases subordinadas múltiples proporcionan suministro y escape a cierto número de válvulas por vías comunes. También las salidas de utilización son obtenidas a partir de la placa base. También las placas bases múltiples se deben solicitar para el número de válvulas deseado y pueden obturarse de la misma manera que los bloques de válvulas, introduciendo placas ciegas.

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Placa base múltiple Placas base acopladas Las placas base acopladas, son conjuntos de placas base individuales que permiten su interconexión en una sola unidad. Este sistema, presenta la ventaja de permitir la extensión o reducción de la unidad según se altere el sistema, sin que los componentes existentes sean afectados. Si se requiere, existe también, la opción de obturar las posiciones no utilizadas.

Placa base acoplada, con tres válvulas y una posición obturada

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9.5. Cálculo del tamaño de la válvula El diagrama P/Q es un medio para determinar de forma simple y rápidamente el caudal de paso de un distribuidor. El diagrama está establecido para unas condiciones normales de fluido estandarizado a una temperatura de 0ºC y una presión atmosférica de 1,013bar (760mmHg).

Diagrama P/Q

I. En abscisas se indican los valores de caudal en litros normales por minuto (Nl/min.). II. En ordenadas se indican, a un caudal cero, las presiones de utilización.

III. Las curvas representan la evolución de las presiones de utilización, desde el caudal cero hasta el máximo.

El caudal obtenido en este diagrama, es válido para un elemento (válvula, racor, tubería, etc.) con una sección equivalente “S” de 1mm2. Velocidad crítica La zona sombreada que aparece en el gráfico por debajo de la línea que separa la parte en que las líneas de caudal dejan de ser curvas y se convierten en rectas, corresponde a la velocidad de paso máxima de aire por lo que, en esta zona, el caudal no aumenta al incrementarse la caída de presión. En este caso, el caudal no depende más que de la presión de alimentación. Esta situación simplifica la determinación de la capacidad de caudal de las válvulas porque sólo varía un parámetro. En algunas documentaciones técnicas, este valor de paso a velocidad crítica, se da como caudal máximo, cuando en aplicaciones neumáticas normales

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nunca llegaremos a estos valores, salvo que hayamos elegido de forma incorrecta la válvula o nos encontremos en aplicaciones en las que se produce un soplado directo a la atmósfera, a no ser que se pretenda dar una idea falsa de la característica de caudal de una válvula. La velocidad crítica de paso se produce cuando la relación entre las presiones de entrada y salida en la válvula cumplen la siguiente ecuación:

( )013,1893,1013,1 21 +⋅≥+ PP

Donde:

P1 → Presión de entrada P2 → Presión de salida

En todos los casos de aplicación de válvulas con cilindros, evitaremos esta zona del diagrama y no deberemos alcanzar velocidades críticas. El diagrama P/Q permite determinar sin ningún tipo de cálculo la relación existente entre caudal y presión. Responde, fundamentalmente, a las tres cuestiones siguientes:

I. ¿Cuál es la presión de salida en un distribuidor, conociendo la presión de alimentación y el caudal necesario?

II. ¿Cuál es el caudal de paso en un distribuidor, cuando conocemos las presiones de entrada y de salida?

III. ¿Cuál debe ser la presión de alimentación de un distribuidor, conociendo el caudal y la presión de salida?

Ejemplo 1: Datos:

Sección: 20mm2 Caudal necesario: 1300Nl/min. Presión de alimentación: 7bar.

Incógnita: Presión de utilización. Definir el punto de intersección entre la línea vertical (abscisas) 1300/20Nl/min y la curva de presión de 7bar. La presión de utilización vendrá reflejada en la recta de ordenadas: 5,8bar. Ejemplo 2: Datos:

Sección: 20mm2

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Presión de alimentación: 7bar Presión de utilización: 4,5bar

Incógnita: Caudal nominal. Definir el punto de intersección entre la línea horizontal (ordenadas) partiendo de la presión de utilización 4,5bar, hasta la curva de 7bar. El caudal vendrá reflejado en abscisas: 82,5x20=1650Nl/min. Ejemplo 3: Datos:

Sección: 20 mm2 Presión de utilización: 4,5 bar. Caudal necesario: 1450 Nl/min.

Incógnita: Presión de alimentación. Definir el punto de intersección entre la vertical 1450/20Nl/min correspondiente al caudal y la horizontal 4,5bar correspondiente a la presión, desde este punto trazar una curva paralela a las otras del gráfico. La intersección de esta curva en ordenadas nos da el valor buscado: 6,5bar. Cuando el diagrama P/Q no está disponible o es insuficiente y hay que realizar los cálculos de caudal en distribuidores, racores, tubos, etc. los coeficientes siguientes, son de mucha utilidad:

Factor kv: Factor de referencia sin unidades, obtenido en mediciones con flujo de agua. El kv es igual a 1 cuando, un litro (1dm3) de agua por minuto pasa por el elemento con una pérdida de presión de 1 bar.

Factor Kv: Idéntica definición pero utilizando como unidades SI, por tanto en vez de dm3/min. utiliza m3/s.

Factor Cv: Utilizado en los países anglosajones, cuya definición coincide con la del factor kv, pero cambiando las unidades (US-Gallons a 60ºF (15,6ºC) con una pérdida de carga de 1 PSI.

Factor f: Idéntica definición que el factor Cv pero utilizando distinta unidad de volumen (el Imperial-Gallons).

Sección equivalente S (mm2): Este factor, permite representar una válvula o un conjunto de elementos montados en serie, asimilándolo a un orificio en pared delgada situado en una conducción y que provoca la misma restricción en el fluido (caudal y pérdida de carga) que el conjunto de elementos considerados. Esta magnitud, presenta la gran ventaja de utilizar valores referidos al aire comprimido y no al agua, lo cual permite calcular estas pérdidas de carga o los caudales resultantes con una buena precisión. Esta dimensión es expresada en mm2.

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En aplicaciones neumáticas clásicas, es decir en aquellas en las que no se alcanza la velocidad crítica, las fórmulas empleadas para el cálculo de caudal son las siguientes:

Donde:

Cv → Coeficiente de caudal. Kv → Coeficiente de caudal. S → Sección equivalente (mm2). Q → Caudal unitario estándar (Nl/min.). P2 → Presión de salida necesaria. (bar). ∆P → Caída de presión permisible (bar). θ → Temperatura del aire (º C).

La siguiente figura muestra la relación entre las distintas unidades empleadas en los cálculos anteriores.

Relación entre factores de caudal

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9.6. Válvulas auxiliares Válvulas anti-retorno Una válvula anti-retorno permite que el aire libre fluya en un sentido y cierre herméticamente en el otro. Estas válvulas se llaman también válvulas de retención. Las válvulas anti-retorno están incorporadas en los reguladores de velocidad, en los sistemas de bloqueo, etc.

Válvula anti-retorno. Reguladores de velocidad Un regulador de velocidad consiste en una válvula de retención y una estrangulación variable en un alojamiento. La siguiente figura ilustra un ejemplo típico con la indicación del flujo:

Regulador de velocidad

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Válvula selectora de circuito (función “o”) Se trata de una válvula con tres orificios, dos entradas de señal de presión y una salida. La salida se producirá cuando exista señal en cualquiera de las dos entradas. Si solamente hay señal en una de las entradas, el émbolo interno, impide que la presión de la señal salga a escape por el lado opuesto.

Válvula selectora Válvula de escape rápido Este componente permite una máxima velocidad de carrera del émbolo, realizando el escape del cilindro directamente desde su orificio, con una gran capacidad de caudal, en lugar de hacerlo por el tubo y la válvula. El disco de goma cierra el orificio de escape (en la parte inferior) mientras que el aire de suministro fluye al cilindro. Cuando la válvula de control direccional, conectada al orificio de entrada (en la parte superior) se invierte, la tubería de suministro es evacuada y la presión del cilindro eleva el disco. Se cierra entonces el orificio de entrada y se abre automáticamente el orificio de escape.

Válvula de escape rápido

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La aplicación de esta válvula guarda connotaciones interesantes pues puede utilizarse tanto para aumentar la velocidad normal de un actuador como para obtener un chorro de aire con suficiente energía para realizar expulsiones, limpiezas, etc. 10. Circuitos básicos Los circuitos básicos son conexiones de válvulas que realizan ciertas funciones. Existe un número limitado de funciones elementales de las que se componen incluso los circuitos más sofisticados. Estas funciones tienen la capacidad de:

Controlar un cilindro. Accionar otra válvula:

Para control remoto desde un panel. Para cambiar por otra la función de una válvula. Para enclavamientos de seguridad, etc.

Este último tipo de función se denomina también una "función lógica". Existen cuatro funciones lógicas básicas:

Identidad ("SI"). Negación o inversión ("NO"). AND o función suma. OR o función producto.

No se tratará aquí de los métodos lógicos de conexión, pero se utilizarán los términos, puesto que describen claramente las funciones con una sola palabra. 10.1. Funciones elementales Amplificación del caudal Un cilindro grande necesita un caudal de aire grande. Se puede evitar tener que accionar manualmente una válvula grande con capacidad de caudal suficiente, utilizando una válvula grande de accionamiento neumático pilotándola con una válvula más pequeña de accionamiento manual. Esta función se denomina "amplificación del caudal". Se combina a menudo con el control remoto: la válvula grande está cerca del cilindro, pero la pequeña puede encontrarse en un panel, para poder acceder fácilmente a ella.

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Amplificación del caudal o control indirecto de una válvula Inversión de la señal El método indicado en la figura anterior se puede utilizar también para cambiar la función de una válvula desde su posición normalmente abierta a normalmente cerrada o viceversa. Si la válvula 1 en la figura siguiente está activada, la presión sobre la salida de la válvula 2 desaparece y reaparece cuando se desactiva la válvula 1.

Inversión de la señal Selección La selección se alcanza convirtiendo una función de 3/2 a 5/2 La válvula de mando 1 es una pequeña válvula de 3/2 accionada manualmente; la válvula 2, accionada indirectamente, es una válvula de 5/2 con una capacidad de caudal suficiente para

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accionar un cilindro de doble efecto. En esta función, se realiza también la amplificación del caudal. Una posición del interruptor de palanca presuriza el punto indicado como verde mientras que la otra presuriza el rojo. La misma función se utiliza también para realizar la selección entre dos circuitos: una de las vías de utilización de la válvula de 5/2 suministra por ejemplo, aire a un circuito automático, mientras que la otra suministra las válvulas para el control manual. Esto asegura que no puede tener lugar un accionamiento automático durante el accionamiento manual ni a la inversa.

Selección entre dos circuitos Función de memoria Una función muy común es perpetuar el accionamiento momentáneo de una válvula manteniendo su señal hasta que otra señal momentánea la desconecte permanentemente.

Accionamiento memorizado

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10.2. Funciones de tiempo Una temporización neumática se basa en el tiempo necesario para cambiar la presión de un volumen fijo, mediante el paso de un caudal de aire por un orificio. Si, con un volumen y orificio determinados, se alcanza la curva característica presión/tiempo a de la gráfica de abajo, un mayor volumen a llenar, o un orificio de paso más estrecho, la cambia a b. En el caso de la característica a, la temporización para accionar una válvula con una presión de pilotaje ps será t1, con b se incrementará a t2. En la práctica, el volumen a presurizar está conectado con la entrada de pilotaje de una válvula de retorno muelle y se utiliza un "controlador de velocidad" (restrictor de caudal más válvula anti-retorno) para variar el orificio de paso; su válvula anti-retorno permite un caudal ilimitado en sentido contrario y por lo tanto un tiempo de reinicialización breve.

Relación presión/tiempo del aire comprimido que fluye por un orificio Existen cuatro funciones distintas de tiempo:

1º. Temporización a la CONEXIÓN de una señal de presión 2º. Temporización a la DESCONEXIÓN de una señal de presión 3º. Un impulso de presión a la conexión 4º. Un impulso de presión a la desconexión

Temporización a la conexión La figura siguiente ilustra cómo se puede retrasar una señal de presión. La señal en el orificio de salida (A) de la válvula 2 aparece un tiempo determinado después del accionamiento de la válvula 1. Esto es debido a la válvula de restricción de caudal.

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Temporización a la conexión Temporización a la desconexión El retraso en la vuelta a la posición normal de una válvula se obtiene como se ha descrito anteriormente, pero en vez de limitar el flujo de aire hacia el orificio piloto de la válvula b, se restringe su escape. La figura muestra una temporización a la desconexión de una señal. Tras el accionamiento de la válvula 1, se enciende inmediatamente el indicador, pero tras soltar la válvula, el indicador se queda encendido durante un período de tiempo regulable.

Temporizador a la desconexión de una señal

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Impulso de presión a la conexión Si una señal desde una válvula pasa por una válvula normalmente abierta pero pilotada por la misma señal, no habrá presión a la salida de la última válvula. Sin embargo, si se retrasa su pilotaje, la señal puede pasar hasta que el pilotaje se produzca después de la temporización. La consecuencia es una señal de presión de duración regulable en la salida de una válvula normalmente abierta. En la figura aparece una señal de duración regulable en la salida de la válvula normalmente abierta 2, cuando la válvula 1 está accionada.

Impulso de conexión Impulso a la desconexión de una válvula Cuando la señal temporizada de presión debe aparecer después de que la señal inicial se haya desconectado, la presión para producirlo debe proceder de otra fuente. El método que se utiliza es accionar al mismo tiempo una válvula 2 normalmente abierta de 3/2 y presurizar un volumen 3 con la señal inicial. Cuando se descarga la válvula 1, la válvula 2 alcanza su posición normal, conectando el volumen con su salida. La señal de presión desde el volumen desaparece tras un breve período regulable por medio de un controlador de velocidad.

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Impulso de presión al desaparecer una señal 10.3. Control del cilindro 10.3.1. Cilindro de simple efecto (control manual) Accionamiento directo y control de velocidad Si un cilindro de simple efecto está conectado a una válvula de 3/2 de accionamiento manual, éste sale cuando se acciona la válvula y retorna cuando la válvula se libera. Este es el llamado "control directo". En el caso de un cilindro grande, se aplica la amplificación del caudal como se ha indicado en la figura de abajo. La única forma de regular la velocidad de la carrera de ida del émbolo de un cilindro de simple efecto es reducir el caudal de entrada en el mismo. La velocidad de la carrera de retorno, por medio del resorte, es raramente limitada en la práctica.

Control directo de un cilindro de simple efecto

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Control desde dos puntos: Función OR Un cilindro o una válvula pueden ser accionados de dos maneras distintas, por ejemplo manualmente o por medio de una señal del circuito automático. Si las salidas de dos válvulas de 3/2 están interconectadas con un empalme en T, el aire procedente de una de las válvulas sale por el escape de la otra. La utilización de una válvula selectora de circuito evita el problema.

Accionamiento de un cilindro de simple efecto desde dos puntos

Enclavamiento: Función AND (Y) En algunos casos, para permitir una operación determinada, es necesario que se cumplan dos condiciones. Un ejemplo típico podría ser el de una prensa neumática que se puede accionar sólo si está cerrada una puerta de seguridad y si se acciona la válvula manual. Para controlar la puerta de seguridad, se usa una válvula de 3/2 accionada mecánicamente. La entrada de la válvula de accionamiento manual está conectada con su salida, así que solamente tendremos señal cuando ambas válvulas estén accionadas simultáneamente. En el caso de que las señales procedentes de cada una de las dos válvulas tengan también otro uso, como se muestra en el esquema "b" de la figura mediante los dos indicadores de color, se puede realizar la función AND (Y) mediante una válvula de 3/2 de accionamiento neumático: Una de las señales la alimenta y la otra la pilota.

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Enclavamiento de seguridad, función AND (Y) Operación inversa: Función NOT (NO) Enclavamientos mecánicos, topes para productos sobre transportadores y situaciones similares pueden requerir el accionamiento de un cilindro para el blocaje. El desbloqueo se produce mediante el accionamiento de una válvula. Para este tipo de aplicación, se pueden usar válvulas normalmente abiertas. Si se requiere que la misma señal que provoca el desbloqueo debe también dar señal a cualquier otro dispositivo, simbolizado por el indicador 3 en la figura siguiente, tiene que usarse una señal de inversión procedente de otra válvula independiente, de accionamiento neumático y normalmente abierta (válvula 2), que es accionada por la válvula normalmente cerrada 1.

Inversión de señal

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10.3.2. Cilindro de doble efecto (control manual) Control directo La única diferencia entre el accionamiento de un cilindro de doble efecto y uno de simple efecto es que se ha de usar una válvula de 5/2 en lugar de la de 3/2. En su posición normal, la utilización B, está conectada con la entrada de presión P. Esta vía de utilización ha de estar conectada a la cámara delantera del cilindro si queremos que éste, en su posición normal, esté dentro. Para un control independiente de la velocidad en ambas direcciones, hay acoplados "controladores de velocidad" (restrictor de caudal y válvula anti-retorno) en ambas conexiones del cilindro. Su orientación es la opuesta a la de los cilindros de simple efecto ya que es el escape de aire el que es restringido. Esto proporciona un movimiento más estable y positivo que la restricción del aire de entrada. En lugar de suministrar solamente la energía necesaria para mover el émbolo, se añade una carga adicional mediante una contra-presión en la cámara que se vacía; esta contrapresión aumentará si aumenta la velocidad, compensando las variaciones en la carga.

Control directo de un cilindro de doble efecto

Mantenimiento de las posiciones finales En la mayoría de los casos, un cilindro tiene que mantener su posición incluso después de que la señal de mando haya desaparecido. Esto requiere la función “memoria" de la figura de “accionamiento memorizado” del punto “2” de esta unidad. Una válvula biestable mantendrá su posición hasta que aparezca la señal de pilotaje contraria.

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En la figura de abajo, la carrera de salida de un cilindro de doble efecto es iniciada con la válvula 1, y la de retorno con la válvula 2. La válvula 3 mantiene su posición y por tanto también la del cilindro. La válvula 3 sólo será accionada cuando solamente una de las dos válvulas manuales no tenga salida de presión. Si ambas vías de pilotaje reciben señal al mismo tiempo, la corredera mantiene su posición anterior ya que presiones iguales actuando sobre áreas iguales no pueden anular la anterior señal. Este fenómeno se conoce como "señales permanentes" y es uno de los mayores problemas en el diseño de circuitos.

Mantenimiento de las posiciones de un cilindro de doble efecto

10.4. Detección de la posición de los cilindros Retorno automático La válvula 2 en el circuito de la última figura de “mantenimiento de las posiciones de un cilindro de doble efecto” del punto “4” de esta unidad, puede ser sustituida por una válvula de accionamiento por rodillo de palanca, situada en el punto final de la carrera de salida del cilindro (carrera positiva). El cilindro entonces, conmuta él mismo la válvula 3 y así retrocede automáticamente, siempre que, según hemos explicado, no estemos accionando la válvula 1.

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Retorno automático de un cilindro

Aparecerá un problema si la válvula 1 no está desactivada cuando el cilindro alcanza el final de su carrera; el cilindro no retrocedería. La válvula 2 es incapaz de conmutar la válvula 3 mientras permanezca la señal opuesta procedente de la válvula 1. Una válvula biestable sólo puede ser conmutada mediante una señal de pilotaje, cuando ha desaparecido la señal de pilotaje opuesta. Si el cilindro debe retroceder incondicionalmente tan pronto como alcance el punto final de la carrera, una solución simple sería transformar la señal de la válvula manual en un impulso (señal momentánea). Esto sería una combinación de las dos funciones elementales de las figuras de “impulso de conexión” del punto “3” de esta unidad y la de “retorno automático de un cilindro” de arriba.

Retorno automático de un cilindro incluso con una señal permanente.

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Carreras repetitivas (repetición indefinida de la carrera) Mediante la detección en ambos extremos de la carrera mediante válvulas accionadas por rodillo de palanca y, usándolas para conmutar la válvula principal 2, el cilindro será "recíproco" (el mismo produce las señales para su propio control de movimiento). Con una válvula biestable de accionamiento manual conectada en serie con la válvula accionada por rodillo de palanca 4 (un final de carrera), el cilindro parará de realizar ciclos repetitivos si desactivamos en 1, pero lo hará después de volver siempre a su posición de vástago dentro (posición negativa o posición 0).

Repetición de carrera de forma cíclica

10.5. Control de secuencias Unas pocas reglas nos ayudarán para la descripción de un ciclo de movimientos de una forma extremadamente breve pero precisa. A cada actuador se le asigna una letra mayúscula. Si su posición al inicio de ciclo, a partir de las cuales se dibuja el diagrama de circuito, es la de dentro o posición negativa, se dice que él está en "menos"; si su posición al inicio es la de fuerza o posición positiva, decimos que está en posición "más" Las señales de presión para conmutar las válvulas de control direccional son llamados "comandos" para distinguirlos de otras señales. Un comando para mover el

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cilindro "A", su código será un simple "A+". Evidentemente, "A-" es el comando para hacer retroceder al cilindro A. Secuencia de dos cilindros Con estos códigos, nosotros podemos escribir una secuencia de dos cilindros, por ejemplo con:

A+, B+, A-, B- No puede haber dudas acerca de la secuencia de movimientos. Ahora llega la cuestión de ver, de dónde salen estos comandos. La respuesta es bastante simple: de las válvulas de rodillos de palanca que detectan los puntos finales de la carrera. Ellos también necesitan un código; éste estará confeccionado de una forma bastante lógica. Como la posición inicial "menos" es llamada "cero". Es obvio codificar con "a0" la válvula que detecta la posición inicial del cilindro "A"; la posición opuesta es entonces llamada "a1". Para mayor claridad, las señales son siempre codificadas con letras minúsculas. Las posiciones de detección son designadas mediante un índice. De todo ello, resulta obvio que la finalización de un comando (...+) estará señalizado por la señal de presión que nosotros "convertiremos" como código "a1", etc. Con estos códigos podemos escribir la solución para la secuencia mencionada con anterioridad tal y como sigue:

A+ a1 B+ b1 A- a0 B- b0 También necesitamos una válvula de accionamiento manual para arrancar y finalizar la secuencia. Está situada en la línea prioritaria para el primer comando A+. Cuando la secuencia necesite continuar, entonces la válvula de puesta en marcha deberá permanecer abierta, pero si el circuito es desactivado a mitad de ciclo, éste continuará hasta que todos los movimientos de la secuencia hayan sido completados y el ciclo vuelva a su posición inicial. Esto significa que la última señal, b0, ha aparecido, pero es incapaz de pasar a través de la válvula de puesta en marcha. Esta es otra aplicación de la función elemental "AND" (Y) de la figura de “enclavamiento de seguridad” del punto “4” de esta unidad. El comando A+ necesita ambas señales: "b0" y "st" (start). Esto se escribe en álgebra: "st . b0". Nos podremos referir a esto como un "circuito cerrado". La secuencia de señales y comandos es como sigue:

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Representación esquemática de señales y comandos La misma secuencia de este diagrama de bloques está dibujada como circuito neumático en la figura 10.21, con símbolos ISO. Como tenemos ahora codificadas las válvulas de finales de carrera de acuerdo con su posición, no es necesario dibujar el circuito como un mapa, con éstas mostradas en sus emplazamientos físicos reales, cerca de los cilindros, o indicándolas con números como en las figuras de “retorno automático de un cilindro” y la de “repetición de carrera de forma cíclica” ambas del punto “5” de esta unidad. La norma es dibujar todos los cilindros en la parte superior; directamente debajo de ellos, sus correspondientes válvulas principales de mando y debajo de ellas, las válvulas que proporcionan las señales de final de carrera. En circuitos más sofisticados, podrá haber válvulas adicionales en un nivel intermedio entre las válvulas principales y las de señal. Este es el caso de la figura de abajo con la válvula de puesta en marcha "st". Ciclo único, ciclo continuo Este tipo de válvula usada para poner en marcha una secuencia es lo que determina la diferencia entre los 2 ciclos: si es una válvula monoestable y nosotros la accionamos, se realizará un ciclo único. En el caso de una válvula biestable, el ciclo se repetirá continuamente hasta que desconectemos la válvula. No importa cuando lo hagamos, el circuito siempre completaría el ciclo y entonces pararía.

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Circuito para la secuencia A+, B+, A-, B- 10.6. Comandos opuestos 10.6.1. Eliminación con una señal de corta duración Los cilindros de simple efecto de carrera corta son utilizados a menudo para sujeción. Si bien casi todos ellos pueden llevar incorporados detectores para control eléctrico, esto no da suficiente seguridad. La parte que debe ser mecanizada ¿está suficientemente amarrada para aguantar las fuerzas ejercidas sobre ella durante el mecanizado? La única señal fiable es la que nos indica que hay suficiente presión detrás del émbolo. Para esto se emplean las válvulas secuenciales. Estas permiten al operador, ajustar la presión mínima requerida para un amarre seguro. La presión que han de detectar es la presión de amarrado del cilindro, por eso la entrada de pilotaje debe ser conectada con una "T" a la vía de alimentación del cilindro; la señal de salida pondrá en marcha la operación de mecanizado (cilindro "B"). El cilindro tiene que retroceder inmediatamente después de que la operación haya finalizado, por ejemplo, el final de carrera, válvula b1, proporciona esta información. Aquí nos encontramos un problema: B es incapaz de retroceder mientras el cilindro de amarre "A" esté presurizado pero, por otro lado, éste no debe retroceder y soltar el amarre antes de que el dispositivo de mecanizado haya vuelto a su posición inicial. Podemos, de nuevo, utilizar el circuito básico de la “impulso de conexión” del punto “3” de esta unidad para resolver este problema transformando la señal permanente de la válvula secuencial en una señal de corta duración. El ciclo es arrancado manualmente, pero en la práctica el operador insertará un componente para ser mecanizado y entonces mantendrá el pulsador accionado hasta que el trabajo esté completado.

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Circuito para amarrado y mecanizado 10.6.2. Sistema de cascada Debemos admitir que la forma en que hemos eliminado las señales permanentes en el ejemplo anterior no puede ser el mejor método. Debe de haber una solución más simple y fiable. La verdadera solución es poner a escape todas las señales permanentes que se puedan "solapar". No mediante montajes temporizados sino con el accionamiento de una válvula de selección como en el circuito de la figura de “selección entre dos circuitos” del punto “2” de esta unidad. El problema es conocer dónde ha de estar puesta cada válvula y cómo debe ser conmutada y conectada. Existe un procedimiento simple para el diseño de circuitos secuenciales llamado "Sistema Cascada". El ciclo es dividido en dos o más grupos. Para posteriores explicaciones supondremos que hay sólo dos grupos. Cada uno tiene una línea de suministro procedente de la válvula de selección. La división de los grupos, por ejemplo del ciclo "A+,B+,B-,A-", se realiza de la siguiente manera: observando cada comando, de izquierda a derecha, podemos subdividir los comandos en grupos; la regla será que en cada grupo sólo se podrá incluir un comando de cada actuador, bien sea + o -. En nuestro caso sería:

A+, B+ B-, A- Grupo I Grupo II

Este principio es igualmente aplicable para ciclos más largos. Cuando se tiene tres o más grupos no es necesario arrancar el ciclo con un nuevo grupo: el fin-de-ciclo puede estar en medio de un grupo. La válvula de puesta en marcha y parada está, simplemente, colocada en línea con el primer comando del ciclo. Algunas veces tiene que trasladarse para encontrar el menor número de grupos.

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Las demás reglas serán explicadas en el siguiente diagrama de bloques:

Esquema de funcionamiento de una conexión “cascada”

1. Primera válvula principal que debe ser accionada por el grupo I. 2. Todas las válvulas de fin de carrera del grupo I, excepto la que detecta que el último

movimiento del grupo ha finalizado. 3. Todos los comandos de las válvulas principales del grupo I son alimentados desde la

"línea de grupo I". 4. El detector del final de la última carrera del grupo I conmuta la válvula de selección; la

"línea de grupo I" se pone a escape y la del grupo II es alimentada con presión. 5. Válvula principal del cilindro que realiza la primera carrera del grupo II. 6. Todas las válvulas de fin de carrera que proporcionan los comandos del grupo II,

excepto la última. 7. Todos los comandos del grupo II, proporcionados por las válvulas de fin de carrera están

alimentados desde la "línea de grupo II". 8. El detector de la última carrera del grupo II vuelve a conmutar la válvula de selección a

su posición anterior. Los pasos del circuito son ahora bastante fáciles. El interruptor de puesta en marcha y parada está siempre insertado en línea con el primer comando del ciclo. En el ejemplo anterior, el ciclo termina al finalizar un grupo.

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Sistema de cascada para dos cilindros 10.7. Desarrollo de automatismos neumáticos En los apartados anteriores, vimos distintos métodos que pueden ser empleados para solucionar problemas habituales en los circuitos neumáticos. Estos problemas, son siempre causados por la existencia de las llamadas señales permanentes, que son aquellas que inciden en una misma memoria, de forma simultánea, y evitan que esta cambie de posición en el momento que sea necesario. Si fuera posible conocer, antes de decidir qué método de automatización utilizar, la existencia de las señales permanentes que pueden aparecer en un circuito y si, además, pudiéramos identificarlas, sería mucho más sencillo tomar decisiones al respecto. Esto es posible y puede conseguirse utilizando el diagrama espacio-fase. Una vez localizadas estas señales, deberemos analizarlas para poder tomar una decisión correcta y aplicar la mejor solución de entre las posibles. 10.7.1. Localización de señales permanentes. Diagrama espacio-fase Hasta ahora, cuando hemos planteado una aplicación con más de un cilindro, el funcionamiento de estos, ha sido expresado a través de una secuencia. Se puede expresar también el funcionamiento de varios cilindros de forma gráfica mediante el diagrama espacio-fase. Si, además, en el mismo diagrama, somos capaces de representar las señales que actúan sobre una misma memoria, podremos compararlas entre sí, y sabremos si molestan la entrada de la señal opuesta, causando los problemas típicos de los automatismos neumáticos secuenciales.

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Veamos todo lo expuesto anteriormente en un supuesto real de automatización: Tenemos un cilindro A que utilizaremos para alimentar y sujetar una pieza que ha de mecanizarse mediante un útil que moverá el cilindro B. Para que esta máquina pueda funcionar en ciclo continuo, dispondremos de otro cilindro C que será el encargado de expulsar la pieza, una vez mecanizada, y permitir la alimentación de otra nueva. Todo lo expuesto, queda reflejado en la siguiente secuencia de funcionamiento:

A+ B+ B- A- C+ C- La representación gráfica de esta secuencia, nos da lugar al diagrama espacio fase, representado en la figura siguiente:

Diagrama espacio-fase para la secuencia A+ B+ B- A- C+ C- Ahora debemos localizar, en la secuencia, las señales que inciden sobre una misma memoria y añadirlas, también de forma gráfica, al diagrama anterior:

Memoria A: Señales c0 y b0. Memoria B: Señales a1 y b1. Memoria C: Señales a0 y c1.

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Diagrama espacio-fase con señales de finales de carrera Una vez representadas las señales en el diagrama debemos observar, con especial atención, el momento en que cada una de ellas aparece en el diagrama. Si en ese momento, la señal antagonista no está presente, no habrá problemas. Por el contrario, cuando una señal aparece, si está presente la que incide sobre la misma memoria, habrá problemas y estos serán generados por la que está presente y no deja actuar a la que acaba de aparecer. En nuestra secuencia podemos observar que, las dos señales que inciden sobre la memoria de A, son permanentes entre sí, puesto que cuando aparece c0 está presente b0 y cuando aparece b0 también está presente c0. En la memoria del cilindro B, no tenemos problemas con la señal a1, que puede entrar libremente, sin embargo cuando trata de actuar la señal b1 no puede conseguirlo puesto que está presente a1. Por lo tanto, en esta memoria sólo tenemos una señal permanente. En el mismo caso estamos al analizar la memoria del cilindro C, vemos que a0 puede entrar libremente, sin embargo, cuando quiere hacerlo c1, no puede puesto que está presente a0. Por lo tanto, para que esta secuencia funcione de forma correcta, hemos de solucionar el problema que nos presentan las cuatro señales permanentes que acabamos de localizar. 10.7.2. Anulación de señales permanentes Para anular las señales permanentes, que pueden aparecer en una secuencia, podremos aplicar dos métodos:

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Métodos intuitivos. Métodos sistemáticos.

Métodos intuitivos de anulación de señales Para anular señales permanentes, por métodos intuitivos, contamos, básicamente, con dos elementos:

a. Rodillo escamoteable. Para anular una señal permanente, sólo tenemos que evitar que el final de carrera, que nos genera dicha señal, esté accionado. Esto lo conseguimos desplazándolo un poco de su posición. Esta solución, siendo muy sencilla, nos genera un nuevo problema, que es la aparición de una doble señal ya que, el cilindro pisará el final de carrera, ahora fuera de su posición, tanto en el movimiento de salida como en el de retroceso del vástago. El rodillo escamoteable es un accionamiento que solamente actuará sobre el final de carrera cuando es accionado en una sola dirección. De esta forma habremos eliminado el problema y habremos anulado la señal permanente. No todos los casos de señales permanentes podrán ser solucionados con el empleo de este método, ya que nos presentará problemas de precisión por tener que mover el final de carrera de su posición teórica de detección. También nos podrá presentar problemas en movimientos rápidos, porque puede ser accionado por un corto espacio de tiempo y no ser suficiente para conmutar la válvula sobre la que ha de actuar.

b. Temporizador. Si, como vimos con anterioridad, empleamos un temporizador para hacer que una señal tenga una corta duración, conseguiremos que una señal que pretendemos anular sea efectiva para conmutar la válvula en el momento apropiado, pero conseguiremos también que no esté presente cuando aparezca su señal antagonista.

Métodos sistemáticos de anulación de señales Los métodos sistemáticos de anulación de señales permanentes, se basan en un principio muy simple: Los finales de carrera, estarán alimentados de presión en el momento en que son necesarios para el funcionamiento de la secuencia. Cuando no sean necesarios, no tendrán alimentación de presión, por lo que será imposible que puedan molestar la entrada de las señales que incidan sobre la misma memoria y, por lo tanto, no habrá problemas de señales permanentes. El método sistemático más utilizado es el de introducción sistemática de memorias (conexión en cascada). Elección del método de anulación de señales permanentes Si volvemos a nuestra secuencia, y queremos resolverla utilizando métodos intuitivos, podremos utilizar rodillo escamoteable en tres de los cuatro casos. No obstante, la señal a1 puede presentar problemas de precisión, puesto que nos debe detectar la posición en que la pieza está sujeta y lista para ser mecanizada; si esto no fuera así, corremos el riesgo de que haya rotura de herramienta e incluso accidente laboral, por lo tanto deberemos utilizar, como

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anulador de señal, un temporizador. El esquema resultante, es el que se muestra en la siguiente figura:

Solución de circuito secuencial por método intuitivo Si consideramos que nuestra máquina ha de realizar altas producciones, esto será posible con movimientos rápidos de los cilindros. Recordemos que al trabajar con velocidades altas, los rodillos escamoteables pueden presentar problemas, por la corta duración de la señal. Este problema no se presentará si utilizamos métodos sistemáticos. La solución de esta secuencia, empleando conexión de memorias en cascada, es la que se muestra en la figura de abajo.

Solución de circuito secuencial por método sistemático

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