Tema 10. Neumática

Definición

La neumática es el conjunto de las aplicaciones técnicas (transmisión y transformación de fuerzas y movimiento) que utilizan la energía acumulada en el aire comprimido.Hoy en día son muchos los sistemas técnicos que basan su funcionamiento en este tipo de energía. Por ejemplo, las puertas de algunos autobuses y trenes se accionan con aire comprimido

PROPIEDADES DEL AIRE COMPRIMIDO: VENTAJAS E INCONVENIENTES

Entre las principales ventajas del aire comprimido destacan: Abundante: el aire para su compresión está en cantidades ilimitadas. Transporte: se transporta fácilmente por tuberías sin necesitar retorno. Almacenable: se puede almacenar en depósitos y botellas y tomarse de

éstos. Temperatura: no tiene peligro de explosión ni incendio, por lo que sus

instalaciones son más baratas. Limpio: en caso de falta de estanqueidad, no produce ensuciamiento. Esto es

importante por ejemplo para las industrias alimentarias, de madera, textiles, etc. Elementos: son simples y por lo tanto económicos con relación a otras

tecnologías, además de una larga vida sin apenas averías. Velocidad: su desplazamiento es rápido, permitiendo velocidades de trabajo

elevadas.

Entre las principales limitaciones destacan: Preparación: el aire debe ser preparado antes de su utilización,

limpiando las impurezas y humedad. Compresible: no se puede obtener en los émbolos velocidades

constantes y uniformes. Esto se mejora con elementos electrónicos de control que encarecen la instalación (Neumática Proporcional).

Fuerza: a la presión normal de trabajo (7 bar), el límite de la fuerza está entre 20000 y 30000 N (Sistema Internacional -SI-) no transmite mucha fuerza.

Escape: el escape del aire produce ruido, necesitándose elementos insonorizantes (silenciadores).

Costos: se compensa el coste de preparación del aire con el coste relativamente económico de los elementos y su buen rendimiento.

CONCEPTO DE PRESIÓN: ABSOLUTA, RELATIVA Y

ATMOSFÉRICALa presión ejercida por un fluido sobre una superficie (y viceversa) es el cociente entre la fuerza y la superficie que recibe la acción:

La unidad de presión en el SI es el pascal (Pa). Y otra unidad muy utilizada en la industria es el “bar” P.atmosférica = 1 atm ≈ 1 bar ≈ 1 Kp/cm2 = 105 N/m2 = 105 Pa

1 MPa = 106 Pa

Presión= FuerzaSuperficie

La presión atmosférica es el peso de la columna de aire comprendido entre una superficie y el límite de la atmósfera. Esto significa que varía con la altura, además de las condiciones meteorológicas. Se suele tomar como normal 1013 mbar (1 bar) a nivel de mar. La presión atmosférica también se llama barométrica y la miden los barómetros.

El valor resultante de dividir toda la fuerza ejercida sobre una superficie por dicha superficie, se denomina presión absoluta.

En neumática industrial se trabaja con presión relativa, es decir, la diferencia entre la presión absoluta y atmosférica, pues todos los cuerpos están sometidos a la presión atmosférica. También se llama manométrica, y se mide con el manómetro.

P.absoluta = P.atmosférica + P.relativa

COMPRESIBILIDAD DEL AIRE COMPRIMIDO

Consideremos el volumen definido V de un recipiente en el cual hay aire en las mismas condiciones que en el exterior.

Si aplicamos una fuerza F a una pared móvil, ésta se sitúa en otra posición reduciendo el volumen V1<V. Sobre la pared móvil se crea otra fuerza F1 contraria e igual a F. Si cesa la fuerza F, la pared móvil retorna a su posición inicial.

Este fenómeno es debido únicamente a la compresión del aire. (EL AIRE ES UN FLUIDO COMPRESIBLE)

la ecuación de los gasesperfectos, útil para el cálculo de instalaciones neumáticas en que hay que tener en cuenta variaciones de temperatura:

P1 . V1 P2 . V2

------------ = ----------- = Cte.

T1 T2

Trabajo: W = F · c = Prel ·S ·c = p ΔV (J) Potencia: P = W / t = Prel ΔV / t = p Q (W)S = superficie Prel= presión relativaC= carrera

Elementos básicos de un circuito neumático:

COMPRESORES

Para producir aire comprimido se utilizan los compresores, que elevan la presión del aire al valor de trabajo deseado.

Los compresores pueden ser volumétricos o dinámicos.

- Volumétricos: el aire que entra se reduce de volumen. Ejs: compresores de émbolo o pistón.

- Dinámicos: el aire que entra aumenta de velocidad. Ejs: turbocompresores

DEPÓSITO

El complemento del compresor es el depósito, calderín o acumulador y tiene las siguientes funciones:

1. Amortiguar las pulsaciones del caudal de salida de los compresores alternativos.

2. Permitir que los motores de arrastre de los compresores no tengan que trabajar de manera continua, sino intermitentemente.

3. Hacer frente a las demandas puntuales de caudal sin provocar caídas en la presión

PREPARACIÓN DEL AIRE COMPRIMIDO

El aire comprimido contiene impurezas que pueden causar interrupciones y averías en las instalaciones neumática.

Mediante la preparación del aire se aumenta la duración de sistema.

Filtros en la aspiración, para evitar la entrada de abrasivos que contiene el aire al compresor.

Refrigeradores del compresor, para separar los condensados del aire húmedo absorbidos por el compresor.

Purgas intermedias, para eliminar los condensados del aire que ha pasado aún sin enfriarse completamente.

Secadores, utilizados en las grandes instalaciones y reduciendo el contenido de agua hasta un 0´001g/m3.

Desoleadores, capaces de no dejar pasar agua líquida en suspensión, aceite o partículas sólidas.

Filtro Filtro con purga

Refrigerador Secador

Unidad de mantenimiento:

Los elementos de acondicionamiento del aire ( visto anteriormente) junto con el regulador de presión , el manómetro y lubricador forman la unidad de mantenimiento.

Reguladores de presión: El regulador tiene la misión de mantener la presión de trabajo (secundaria) lo más constante posible, independientemente de las variaciones que sufra la presión de red (primaria) y del consumo de aire.

Lubricador: aporta aceite a los elementos neumáticos. El lubricante previene de un desgaste prematuro de las piezas, reduce el rozamiento y protege los elementos contra la corrosión

Toda la unidad de mantenimiento se puede representar de forma simplificada por el siguiente símbolo .

Elementos de control Válvulas

Un sistema neumático va a estar controlado mediante distintos tipos de válvulas o distribuidores. Estas válvulas se pueden activar de distintas formas: manualmente, por medios eléctricos, neumáticos, hidráulicos o mecánicos . La clasificación de las válvulas podría hacerse atendiendo a tres grandes categorías:

Válvulas de dirección (distribuidores). Válvulas bloqueo. Válvulas de regulación de presión y caudal.

Válvulas de dirección (distribuidores). Las válvulas distribuidoras influyen en el camino del aire comprimido. Todas estas válvulas se definen por dos características funcionales:

Número de vías u orificios: Representa el número de agujeros que tiene una válvula, tanto de entrada de aire como de salida.

Número de posiciones: Generalmente tienen dos posiciones, una que define el estado de reposo y otra el estado de trabajo. Sin embargo, se pueden encontrar válvulas con otros números de posiciones, ya que algunas aplicaciones exigen el empleo de tres posiciones lo que implica una posición neutra central.

Las vías se representan por medio de flechas ↑ , indicando la flecha la dirección del aire. Si la tubería interna está cerrada, se representa con una línea transversal ┬ .

La posición inicial o de “reposo” de la válvula es la de la derecha en las de dos posiciones, o la central en las de más.

El accionamiento de la válvula puede ser de diferentes formas, representándose en el lateral izquierdo, y el retorno a la posición de reposo en el derecho. Otros accionamientos son la “seta”, “muelle”, “rodillo escamoteable”, “pulsador con enclavamiento”, “leva”, “eléctrico”, etc

Válvulas más utilizadas

accionamiento

Válvulas de bloqueo

Son elementos que bloquean el paso de caudal preferentemente en un sentido y lo permiten únicamente en el otro. La presión del lado de salida actúa sobre la pieza obturadora y apoya el efecto del cierre hermético de la válvula.

Válvula antirretorno: permiten la circulación de aire comprimido en un solo sentido.

Selectora o válvula “OR”álvula “OR”: permiten la salida de aire cuando al menos una de las dos entradas tiene presión. No hay circulación de aire cuando en ninguna entrada hay presión.

Válvula de simultaneidad o válvula “AND”: permiten la salida de aire cuando las dos entradas disponen de presión. No hay circulación si no hay presión en alguna entrada o en ambas.

Válvula de escape rápido: ahorra largos tiempos de retorno. Permiten evacuar lo más rápidamente posible el aire del cilindro a la atmósfera.

Válvulas de caudal

Influyen en la cantidad de aire que circula.Válvula estranguladora unidireccional: regula el

caudal de aire en una sola dirección (mediante la apertura y cierre de un tornillo des de el valor 0 hasta el máximo). En el otro sentido el aire circula libremente.

Válvula estranguladora bidireccional: regula el caudal de aire en ambos sentidos

Temporizador: se utiliza para retardar la llegada de aire a un componente con accionamiento neumático. Combinan una válvula estranguladora unidireccional y un depósito, conectados en serie o en paralelo.

Actuadores

Son los elementos que transforman la energía del aire comprimido en movimiento: Mediante cilindros: en movimiento lineal alternativo. Mediante motores neumáticos: en movimiento de giro.

Cilindros

Cilindros de simple efecto: tienen una sola conexión de aire comprimido. Solo se aprovecha la fuerza a la salida del vástago. El vástago retorna por el efecto de un muelle incorporado o de una fuerza externa

Cilindro de simple efecto: Fuerza de avance teórica: F = P. relativa x S – F. muelle - Frozamiento Volumen de aire consumido: V = S . c (c = carrera) η = F. avance real / F. avance teórico,lklkl

Ejercicios

1. Determina el trabajo efectivo que realizará un cilindro de simple efecto de 80mm de diámetro y 20mm de carrera sabiendo que está sometido a una presión de 6 bar, que la resistencia del muelle se estima en 251N y que el rendimiento es del 65%.2. Averigua la presión del aire que hay que utilizar en un cilindro de 100mm de diámetro y del 60% de rendimiento para obtener una fuerza efectiva de 1.500N si la resistencia del muelle interno es de 350N.3. Para la sujeción de piezas en un tornillo de banco se utiliza un cilindro de émbolo de simple efecto accionado por medio de un interruptor de pedal. El cilindro tiene un diámetro interior de D=100mm . La fuerza de rozamiento del émbolo sobre la pared del cilindro es el 10% de la fuerza del aire ejerce en la superficie del pistón. La presión de trabajo es de 6.105N/m2. La constante del muelle K=30N/m y el desplazamiento del émbolo es de 10cm. Calcular la fuerza del cilindro.

Cilindro de doble efecto:Poseen dos tomas de aire situadas a ambos lados del émbolo. Son los más utilizados, aprovechando la carrera de trabajo en los dos sentidos. Las ventajas con relación a los de simple efecto son, entre otras: Aprovecha toda la longitud del cuerpo del cilindro como carrera útil. No realiza trabajo en comprimir el muelle. Se puede ajustar con mayor precisión en régimen de funcionamiento. A igualdad de presión, la fuerza del émbolo es mayor en el avance que en el retroceso, debido a la mayor sección. La carrera no tiene la limitación de los de simple efecto al no poseer muelle, pero no puede ser muy larga debido al peligro de pandeo y flexión del vástago.

Cilindro de doble efecto: Fútil en avance teórico = P. relativa . S embolo- F. rozamiento Fútil en retroceso = P. relativa . S retroceso – F. rozamiento(S retroceso = S embolo – S vástago) Vavance = Se . c Vretroceso = Sr . c = (Se – Sv) . c

El volumen a presión atmosférica

Se debe tener en cuenta que la cantidad de aire requerido se encuentra a una determinada presión. Por tanto, normalmente, se habla de cantidad de aire en “Condiciones Normales”. De esta forma, se unifica el criterio, pasando el aire a presión atmosférica. Estas condiciones son:

Tª = 20ª P = 1013 mbar Hr = 65% (humedad relativa) Para este cálculo, se dispone de la ecuación de los gases perfectos, es decir PV =nRT Para simplificar los cálculos, se desprecian los cambios de temperatura que existen a lo largo de la instalación, a temperatura constante: p1 V1 = p2 V2 , VCN x PCN = VT x P. total

P total= P. absoluta = P. atmosférica+P. relativa = 1 + P relativa, suponiendo una presión atmosférica de 1 bar .

Vt = volumen de trabajoV CN=

V T×(1+ Prel )1

Ejercicios4.Se dispone de un cilindro de doble efecto con un émbolo de 80 mm de diámetro, un vástago de 35 mm de diámetro y su carrera es de 90 mm. La presión del aire es de 6,5 bares (1 bar = 105 N/m2) y realiza 12 ciclos completos cada minuto. a) Calcule la fuerza que ejerce el cilindro en el avance y en el retroceso. b) Calcule el consumo de aire en condiciones normales, en litros/minuto.5. Un cilindro de doble efecto tiene un diámetro de émbolo de 80mm y un diámetro de vástago de 25mm. Si la presión de trabajo es de 6bar y la fuerza de rozamiento es del 10% de la fuerza teórica, ¿cuál es la fuerza real que el cilindro entrega en su carrera de avance y en su carrera de retroceso? 6. Un cilindro de doble efecto trabaja a una presión de 30 bar y tiene un vástago de 20mm de diámetro. Calcular: a. El diámetro del cilindro para obtener uan fuerza de 8.000N en el avance. b. La fuerza necesaria para el retroceso. c. El volumen de aire consumido en 50 procesos de avance y retroceso, si el vástago hace un recorrido de 150mm en cada uno.

Diseño y descripción de circuitos

Ejercicios

7. Identifica los componentes, numeralos y explica el funcionamiento del esquema neumático siguiente:

Ejercicios 8. Identifica los componentes, numeralos y explica el funcionamiento del esquema neumático siguiente:

9. Dibuje un circuito en el que se active un cilindro al pulsar manualmente una válvula 3/2, con regulación de velocidad en el avance y en el retroceso y, al soltar, el cilindro recupere su posición inicial. Nombrar todos los elementos del circuito.

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a) Denomine los elementos de los que consta el siguiente esquema.

b) Explique su funcionamiento

Secuenciación de cilindros y diagrama de fases

Hay sistemas donde varios cilindros tienen que sincronizar su movimiento, para controlarlos se suele utilizar diagramas de desplazamiento – fase.

Ejercicios

11.Realiza el esquema. Un cilindro de doble efecto (A) sale al accionar un pulsador (S). Al llegar al final de su recorrido (a1) sale otro cilindro de doble efecto (B). Cuando el segundo llega al final de su recorrido (b1) retorna el primero. Al retornar el primero y llegar a su final de recorrido (a0, retorna el segundo. Para comenzar un nuevo ciclo, debemos asegurarnos que el segundo cilindro a retornado totalmente (b0).