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PRINCIPIO FÍSICOS DE APLICACIÓN EN NEUMÁTICA

Presión relativaDado que el valor de la presión en la superficie de la tierra es aproximadamente 1 bar, se suele tomar ésta como presión de referencia; se llama presión relativa o manométrica a toda presión relacionada con la atmosférica.

La presión relativa se mide con el manómetro.

Presión absoluta se refiere como la presión referida al cero absoluto; depresión es la diferencia entre el valor de la presión atmosférica y la presión en el cero absoluto o presión en el vacío que es nula.

Caudal

Definimos caudal como el volumen de fluido que atraviesa una determinada sección trasversal de una conducción por cada unidad de tiempo.

Q = Caudal, V = Volumen, S = Sección trasversal de la conducción, L = Longitud, T = Tiempo, v = Velocidad

El caudal se puede expresar en: m3/h., l/min., l/s.

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HumedadSe llama humedad atmosférica al contenido de vapor de agua del aire.

El contenido de vapor se pude expresar de varias formas; las más frecuentes son:

a) Humedad absoluta: Es la masa de vapor de agua que hay en cada unidad de volumen (generalmente se expresa en g/m3).

b) Humedad relativa: Es el cociente entre la masa de vapor de agua que existe en un volumen de aire (mv) y la que habría si ese volumen de aire estuviese saturado a igual temperatura (ms). Hr = mv / ms

c) Grado de humedad o humedad específica: Es el cociente entre las masas de vapor y de aire seco contenidas en un mismo volumen: x = mc / mseco

La humedad que es perjudicial para las instalaciones neumáticas se de be eliminar.

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ELEMENTOS Y SIMBOLOGÍA NEUMÁTICA

Cilindros. Aparatos que transforman la energía hidráulica o neumática en energía mecánica de movimiento rectilíneo.

Cilindro de simple efecto. La presión del fluido se ejerce en un único sentido (avance).

Cilindro de doble efecto. La presión del fluido se ejerce alternativamente en los dos sentidos (avance y retroceso).

Válvulas.Son dispositivos que controlan flujos del aire en un circuito neumático.

Una vía

Dos orificios cerrados

Dos vías

Dos vías y un orificio cerrado

Dos vías con conexión trasversal

Una vía en by-pass y dos orificios cerrados

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Válvulas (continuación).

Válvula antirretorno. Permiten el paso del fluido en un solo sentido.

Sin muelle. Abre cuando la presión de entrada es superior a la de salida.

Con muelle. Abre si la presión de entrada es superior a la de salida más la presión del muelle.

Válvula pilotada. Se pude prevenir con el pilotaje: el cierre y la apertura

Válvula con estrangulador unidireccional. Permite el paso en un sentido y su estrangulamiento en el otro sentido.

Sin muelle

Con muelle

Apertura

Cierre

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Instrumentos de medida

Medida de la presión.

Medida de la temperatura.

Medida del caudal.

Manómetro

Termómetro

Caudalímetro

Contador totalizador

Otros aparatos

Presostato

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PRODUCCIÓN DE AIRE COMPRIMIDOEl compresor es la máquina encargada de producir aire comprimido. Toma aire en unas determinadas condiciones y lo impulsa a una presión superior a la de entrada. Para realizar su cometido deben ser accionados por un motor.

Los compresores se diferencian por su caudal o su relación de compresión.

La relación de compresión es un número adimensional que relaciona las presiones de entrada y salida. Tanto el caudal como la relación de compresión deben ser adecuados al consumo de aire que requiere el circuito

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Compresores de émboloSon los más empleados por su bajo precio y por que permiten trabajar con caudales de diferente magnitud y amplio rango de relación de compresión.

Al bajar el pistón entra aire por la válvula de aspiración con la válvula de cierre cerrada. Cuando el pistón ha descendido hasta el máximo posible, las dos válvulas se cierran. En ese momento comienza la compresión. Cuando el aire se ha comprimido, se abre la válvula de cierre y sale el aire al depósito.

Compresor de émbolo

Compresor de dos etapas

Se suelen alcanzar un máximo de 10 bar en una etapa. En los de dos etapas se alcanzan hasta 15 bar. En cuanto a caudales se alcanzan hasta los 500 m3/min.

Los más empleados son los de dos etapas , que suelen refrigerarse con agua o aceite.

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Compresores rotativos

Consiguen aumentar la presión mediante el giro de un rotor. El aire se aspira cuando el rotor gira en un determinado sentido y luego es comprimido en la cámara de compresión que se origina en el compresor.

Compresor rotativo de paletas.Compresor rotativo de paletas

Compresor rotativo de tornillo

Las paletas radiales presionan las paredes de la cámara de compresión. Entre cada dos paletas se crea una especie de pequeña cámara de compresión. Son muy silenciosos y proporcionan un caudal prácticamente constante.

Compresor rotativo de tornillo. El funcionamiento se basa en el giro de unos tornillos helicoidales que comprimen el aire que ha entrado por un orificio de aspiración, y lo expulsan hacía un orificio de salida .

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RED DE DISTRIBUCIÓN Y TRATAMIENTO DE AIRE

Red de distribuciónLa red de distribución es el conjunto de tuberías que conducen el aire comprimido a todos los elementos del circuito neumático. Parte del depósito y garantiza la presión y velocidad del aire en todos los puntos.

El diámetro de la tubería es función de:

-Velocidad de circulación del aire.

-Presión de trabajo y pérdida de presión.

-Longitud de la conducción y estrangulaciones en ella originadas por codos y derivaciones.

Para el cálculo de tuberías existen tablas y diagramas que ofrecen los fabricantes de compresores. Las tuberías suelen ser de acero o material plástico para pequeños tramos y bajas presiones.

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Depósitos y acumuladores.

Los depósitos mantienen el nivel de presión adecuado en el circuito neumático.

El tamaño va en función del caudal de aire que se consume y de la potencia del compresor.

Los acumuladores son similares a los depósitos pero de tamaño menor y sirven para mantener la presión en unos niveles similares en todos los elementos del circuito. En circuitos muy grandes se colocan varios acumuladores, que compensan las pérdidas de presión en conducciones muy largas.

Tratamiento del aire comprimido

El aire utilizado en las instalaciones neumáticas es aire atmosférico, que lleva en suspensión partículas de diferentes tipos. Para que los elementos del circuito neumático funcionen correctamente hay que eliminar total o parcialmente estas impurezas. Para ello se utilizan elementos auxiliares como los filtros para el polvo, los separadores que eliminan las partículas de aceite provenientes del circuito de lubricación, o los colectores de condensación que eliminan las partículas de agua que lleva el aire.

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ELEMENTOS DE TRABAJO: ACTUADORES DE MOVIMIENTO LINEAL

Cilindros de simple efecto Tienen una sola conexión de aire comprimido. No pueden realizar trabajos mas que en un solo sentido. Precisan aire para el movimiento de traslación. El retroceso se produce cuando dejas de aplicarles aire.

Se utilizan principalmente para operaciones de sujeción, apretado, levantamiento, alimentación, etcétera.

Cilindros de doble efecto

Tienen dos tomas de aire una a cada lado del émbolo. Pueden producir movimiento en los dos sentidos: avance y retroceso. Se dispone así de una fuerza útil de avance y retroceso.

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Cálculo de la fuerza de accionamiento.

La fuerza teórica del émbolo se calcula por: Ft = S . p

Ft = Fuerza teórica del émbolo (kp).

S = Superficie útil del émbolo (cm2).

p = Presión de trabajo (kp/cm2).

Al ser el émbolo una superficie circular de radio R, y siendo r el radio del vástago

En el avance: S = π . R2, y en el retroceso S´= π (R2 – r2)

En la práctica, para calcular correctamente la fuerza, hay que tener en cuenta los rozamientos que en condiciones normales de servicio (presiones de 4 a 8 bar) representan un 10% de la fuerza calculada.

En los cilindros de simple efecto, la fuerza disipada por el muelle es del 6% de la fuerza teórica calculada.

Además si se quiere conseguir un desplazamiento rápido será necesario considerar como fuerza a vencer una cuyo valor sea entre un 20%- 30% mayor.

La fuerza efectiva o real del émbolo será (Fn)

a) En un cilindro de simple efecto: Fn = S . p - (Fr + Fm)

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En un cilindro de doble efecto:

• Avance: Fn = S . p – Fr

• Retroceso: Fn = S´ . p – Fr

Fr = Fuerza de rozamiento (10% Ft)

Fm = Fuerza del muelle

Consumo de aire

Por consumo de aire se entiende la cantidad de aire comprimido que necesita un cilindro neumático para funcionar correctamente.

El consumo de aire de una instalación o de un elemento de ésta, se calcula referido a condiciones normales que según la norma ISO R554 son las siguientes:

Temperatura = 20º C. Presión = 1013 mbar. Humedad relativa = 65%.

Seguimos los siguientes pasos:

a) Para un cilindro de doble efecto calculamos el volumen de ambas cámaras y el del cilindro completo.

I = carrera del pistón en cm.

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b) Para transformar éste volumen a condiciones normales habrá que aplicar la ley de Boyle –Mariotte.

La presión absoluta es la indicada en el manómetro mas la presión atmosférica:

pabs = pman + patm

Aplicando la ley de Boyle –Mariotte: pabs . Vcil = patm . Vaire

c) Suponiendo una presión atmosférica de 1kp/cm2 el volumen será:

d) Considerando el nº de ciclos por minuto que realice el cilindro. La cantidad total de aire será:

f = nº de ciclos por minuto

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ELEMENTOS DE MANDO: VÁLVULAS

Externamente, las válvulas se pueden considerar como una caja negra con una serie de orificios que sirven para la entrada y salida del aire comprimido. La forma en que se comunican los orificios, constituye un estado de la válvula, que se llama posición. Los orificios se llaman vías.

Las válvulas se componen de dos o más posiciones o de dos o más formas de conectar las vías. Para cambiar de una posición a otra se dispone de unos mandos en la propia válvula. Por lo general existe una posición de reposo, que es aquella en la que no se actúa sobre los mandos.

El número de vías y de posiciones identifican el funcionamiento de la válvula. En la nomenclatura de las válvulas se dice primero el número de vías, seguido del de posiciones. Posteriormente se menciona el tipo de funcionamiento en reposo, si procede (NA o NC), y los dos tipos de mando que permutan la válvula.

Conexiones habituales a las vías de una válvula.

Válvula de 2 posiciones y 3 vías

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Las vías se unen mediante líneas rectas que representan las conducciones de aire que se establecen, el sentido de circulación se señala por flechas.

El órgano de accionamiento se suele indicar en la posición de trabajo, el órgano de recuperación que devuelve a la posición inactiva, se dibuja al lado de la posición de reposo. Los mandos pueden ser manuales, mecánicos neumáticos e eléctricos.

Válvula de 3 vías y dos posiciones accionada manualmente y con retorno de muelle.

La localización de los orificios del distribuidor se realiza por números o letras según normativa.

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Constitución de las válvulas distribuidorasSe componen de un cuerpo, un elemento móvil y elementos de accionamiento para permutar el estado de la válvula.

En el cuerpo están definidos los conductos internos y los orificios de salida. En el se alojan todos los demás componentes.

El elemento móvil con su desplazamiento da las distintas posiciones.

Elementos de accionamiento, son necesarios para accionar la válvula. Hay tantos como tipos de mando existan.

Según el tipo de construcción existen: válvulas de asiento y de corredera.

Válvula de asiento

Válvula de corredera

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Tipos de accionamiento de las válvulas distribuidoras

El mando manual se utiliza en la puesta en marcha del circuito y en los casos en que la seguridad del trabajador pueda estar en peligro.

El mando mecánico se activa por un mecanismo en movimiento, como un árbol de levas o el émbolo de cilindros.

En el mando neumático la fuerza se obtiene del aire a presión, hay dos posibilidades por impulso de presión o por reducción de presión (pilotaje positivo o negativo)

En el accionamiento eléctrico la fuerza se obtiene de un electroimán.

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Forma constructiva de algunas válvulas distribuidoras

Válvula distribuidora 2/2. Sirve para gobernar el paso del fluido. En reposo el paso de P a A está cerrado. Al accionar el pulsador, se comunican P con A. Al soltar el pulsador, el muelle recupera la posición de partida y la válvula se cierra.

Válvula distribuidora 3/2. Permite el paso del aire en una dirección y lo cierran en la otra. Se emplean para gobernar cilindros de simple efecto.

Válvula distribuidora 4/2. Permiten el paso de fluido en ambas direcciones. En reposo, P se conecta con A y B está a escape con R. se usan para gobernar cilindros de doble efecto. Al accionarla, el fluido circula de P a B y de A a R.

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Válvula distribuidora 5/2. Se puede considerar una ampliación de la 4/2. Al poseer una vía más, el escape de un cilindro de doble efecto pude ser independiente para cada lado. En reposo, permite el paso de P a B y el escape de aire de A a R.

Al accionar la válvula, se comunica P con A y se pone B a escape por T. se utilizan para gobernar cilindros de doble efecto.

Válvula distribuidora 4/3. Sirven para gobernar cilindros de doble efecto. Tienen una posición intermedia, que es utilizada para varias posibilidades de mando. En al posición de reposo (media). Se comunican P y R, cerrando el paso de A a B, la válvula esta a escape. Al accionar el pulsador, se comunican P y A además de B y R. Si se acciona de nuevo el pulsador Se comunican P y B, además A y R .

No llevan muelle, sino un sistema mecánico o eléctrico de enclavamiento para fijar las tres posiciones.

Las tres posiciones permiten accionar varios elementos de trabajo.

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Válvulas de bloqueoVálvula antirretorno. Cierra el paso en un sentido y lo deja libre en el contrario, con una pérdida de presión lo más pequeña posible. Se sitúan en circuitos donde hay elementos en los que no interesa mutua influencia. También sirven para puentear un aparato en un sentido de circulación.

Válvula selectora. Cumple la función lógica “O” (OR o suma lógica). Tiene dos entradas y una salida. El bloqueo se realiza sobre la entrada de menor presión. Con que haya presión en alguna entrada habrá presión a la salida. Se usa cuando un actudor o válvula distribuidora debe gobernarse idistintamente desde dos puntos por separado, distantes físicamente.

Válvula de simultaneidad. Cumple la función lógica “Y” (AND o producto lógico). Tiene dos entradas y una salida. Para que exista salida debe haber presión necesariamente en las dos entradas. Se usa preferentemente en equipos de enclavamiento y control, como el accionamiento de una prensa neumática por un operario, por seguridad solo bajará la prensa si el operario mantiene activadas las dos válvulas a la vez.

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Válvula estranguladora unidireccional. Es una válvula híbrida que reúne condiciones de las válvulas de bloqueo y de las de flujo. Se usa como válvula de flujo para regular la velocidad de los actuadores pero solo en un sentido de su movimiento. Si interesan velocidades de avance y retroceso diferentes y controladas, se dispone una válvula en cada vía.

Válvulas reguladoras de flujo o caudal. Ajustan el caudal circulante aun valor fijo o variable. Solo pueden disminuir el caudal circulante. Existen dos tipos : actuadoras en los dos sentidos y actuadoras unidireccionales. También se pueden considerar en este grupo los silenciadores y reguladores de escape, si actúan sobre el caudal.

Válvulas reguladoras de presión. Actúan sobre la presión del aire en circulación, controlándola desde un valor nulo hasta el máximo valor de alimentación. Los tipos son:

Válvula limitadora de presión

Limitadora de presión. Impide que la presión de un sistema sea mayor que la fijada manualmente a través de un tornillo. Al sobrepasarse la presión la válvula abre la conexión con la atmósfera. Se usa como válvula de seguridad.

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Válvula de secuencia. Tiene el mismo principio de funcionamiento que la anterior. La diferencia es que en vez de conectar a escape, se conecta a una vía de trabajo.

Existen válvulas reductoras. Basan su funcionamiento en una membrana cuyo movimiento se encarga de regular la presión de salida. Esta presión siempre es menor que la de salida.

Válvula de secuencia

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Captadores de posiciónCaptadores de fuga. Se usan para emitir una señal en función del recorrido, como final de carrera o tope fijo.

Captadores de proximidad o réflex. El funcionamiento se basa en la detección de aire que se refleja cuando se interpone una pieza a la corriente de salida que se emite desde el emisor. Su funcionamiento es muy simple e insensible a toda influencia perturbadora del ambiente.

El elemento emisor lanza un haz, que en presencia de un objeto, se refleja y hace que rebote y llegue al receptor. Si no hay objeto no llegará señal al receptor.

DETECTORES NEUMÁTICOS

Presostatos. Convierten la medida de presión neumática, entre 0,6 y 10 bar, a señal eléctrica. Tienen una membrana deformable que al llenarse de aire a presión, es capaz de contactar con un circuito eléctrico que envía la señal eléctrica correspondiente.

Captadores de umbral de presión. Ante la ausencia de presión a la entrada, comunican presión a la salida, la misma que la de trabajo. Con un mínimo de presión de entrada, se anula la presión en la salida.

Captadores de presión

Presostato

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DISEÑO DE CIRCUITOS NEUMÁTICOS

Consideraciones generales sobre el diseño de circuitos neumáticosSe empieza el diseño para lograr el equipo neumático, seleccionando los elementos

que lo van a componer, calculando dimensiones y capacidades de dichos elementos, disponiendo elementos de seguridad necesarios, etcétera.

Proceso de diseño. En el es útil elaborar un esquema del mecanismo que muestre el trabajo a realizar y la misión de cada actuador. A continuación diseñamos el circuito provisional, representándolo con un esquema neumático (plano de situación), que es la base del diseño.

El diseñador determinará las dimensiones de los elementos para determinar fuerzas, velocidades, recorridos y tiempos deseados.

Plano de situación. Es la representación esquemática del mecanismo. Muestra de forma simple, la ubicación y disposición de los actuadores en una máquina.

En la figura el plano muestra una bancada en la que se sitúan manualmente un remache y dos chapas. El cilindro 1 sujeta una chapa y el cilindro 2 las remacha. Es un plano de situación de un dispositivo de remachar de alimentación manual.

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Diagrama de espacio-fase. Representa el ciclo de un elemento de trabajo en función de las fases respectivas (fase: cambio de estado de cualquier unidad operativa) y se anota el espacio recorrido.

Por ejemplo , para un cilindro A. Al pasar de la fase 1 a la fase 2, el cilindro avanza hasta que el émbolo queda totalmente fuera, lo que sucede al llegar a la fase 2. desde ese instante se mantiene parado hasta llegar a la fase 4 donde retrocede, en la fase 5 vuelve a la posición inicial.

Recomendaciones en el trazado del diagrama.

-Las fases se representan horizontalmente y con distancias idénticas.

-El espacio se representa en magnitud idéntica para todos los actuadores.

-La designación de la unidad respectiva se apunta a la izquierda en el diagrama.

Diagrama de movimientos.

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Diagrama de espacio-tiempo. El espacio de una unidad operatoria se representa en función del tiempo. El tiempo (t) a escala.

En éste diagrama pueden representarse con más claridad las interferencias y las distintas velocidades de trabajo.

Esquemas neumáticos.Es el plano de representación de todos los elementos, con los conductos y líneas de conexión y con los símbolos normalizados.

Tratándose de circuitos sencillos se dibujan los componentes en su posición real.

Cuando el esquema tiene muchos elementos se dibuja en posición indicada o representación esquemática.

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Las normas para la representación esquemática son las siguientes:

1. Los elementos de trabajo se representan en posición horizontal.

2. Los finales de carrera se colocan bajo los órganos de gobierno, con una línea y un número indicador.

3. Los elementos se dibujan no accionados, en caso de haber alguno activado se representa con una flecha.

4. Los elementos de trabajo van numerados por el orden: 1.0,2.0, 3.0…..Los órganos de gobierno llevan el orden: 1.1,2.1,3.1…..La primera cifra indica el grupo a que pertenece (cilindro) y la segunda el organo de gobierno. En los captadores de información la primera cifra indica el grupo y la segunda si es par la salida del vástago y si es impar el retroceso. Con 0.1,0.2,0.3…los elementos auxiliares y con 1.02,1.03,….los elementos de regulación.

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TIPOS DE MANDOS

Mando directo

Mando de cilindros de simple efecto. Al activar la válvula el cilindro sale mientras se mantenga activa la válvula. En cuanto se desactiva, se recoge el émbolo.

Mando de cilindros de doble efecto. Al activar la válvula sale el émbolo. Al desactivarla regresa. La carrera de avance es más lenta que la de retroceso, pero se obtiene una mayor fuerza por la diferencia de volúmenes de ambas cámaras.

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Mando indirecto.

Si el cilindro es de gran tamaño, hace falta una gran fuerza para conmutar las válvulas que lo comandan. Esto se consigue con el pilotaje neumático, en el que la parte de mando puede funcionar con bajas presiones ahorrando costes y la parte de potencia (elemento de trabajo y válvula distribuidora de gobierno) funcionan a presión normal.

Mientras se activa 1.2, se comanda 1.1 y el cilindro sale. En cuanto se deja de comandar el cilindro retorna.

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Control de velocidad

Aumento de la velocidad. Se coloca una válvula de escape rápido en la salida correspondiente a la salida del cilindro de doble efecto. Con esto se evita en la carrera de avance el paso del aire por el distribuidor.

Aumento de la velocidad mediante una válvula de escape rápido

Reducción de la velocidad. El método más habitual es através de válvulas reguladoras de caudal o flujo. Las normales regulan el paso del aire comprimido en ambos sentidos controlando la velocidad en ambas carreras.