Sistemas Neumáticos: Diseño y Aplicaciones en Automatización Industrial - Prof. Caballero, Apuntes de Neumática

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MANUAL DE PRÁCTICAS

ELECTRONEUMÁTICA

UNIVERSIDAD DE GUADALAJARA

División de Estudios de la Biodiversidad e Innovación Tecnológica Departamento de Ciencias Exactas y Tecnología

MANUAL DE PRÁCTICAS

DATOS GENERALES

Materia: Electroneumática Créditos: 6 Clave: H

Carrera: Ingeniería Mecatrónica Periodo: 2018 A

Maestros:

Mtra. Diana Costilla López Ing. Rubén Sánchez Ruiz Fechas en que se cursará:^

16/enero/2018 al 15/julio/

Tipo de curso: (^) Curso (X) Taller() Seminario ( )

Laboratorio (X) Otro ( )

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Generalidades

Los sistemas neumáticos son sistemas que utilizan el aire u otro gas como medio

para la transmisión de señales y/o potencia. La neumática se ocupa, sobre todo,

de la aplicación del aire comprimido en la automatización industrial (ensamblado,

empaquetado, etc.)

Sistema Neumático

Los sistemas neumáticos se usan mucho en la automatización de máquinas y en

el campo de los controladores automáticos. Los circuitos neumáticos que

convierten la energía del aire comprimido en energía mecánica tienen un amplio

campo de aplicación (martillos y herramientas neumáticas, dedos de robots, etc.)

por la velocidad de reacción de los actuadores y por no necesitar un circuito de

retorno del aire a diferencia de un sistema hidráulico.

En los sistemas neumáticos, el movimiento del émbolo de los cilindros de los

actuadores es más rápido que en los mecanismos hidráulicos. Por ejemplo, el

taladro y el martillo neumático, responden muy bien a las exigencias requeridas

en estos casos.

Sistema Manual

Para obtener una respuesta del sistema, interviene el hombre sobre el elemento

de control. La acción del hombre es, entonces, la que actúa siempre sobre el

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El sistema “opera por sí solo”, efectuando los cambios necesarios durante su

funcionamiento. Así, se reemplaza el operador humano por dispositivos

tecnológicos que operan sobre el sistema (relés, válvulas motorizadas, válvulas

solenoides, actuadores, interruptores, motores, etc.).

Encontramos sistemas automáticos de control en, por ejemplo:

• Heladeras.
• Termo tanques.
• Alumbrado público.
• Piloto automático de un avión.
• Equipos de aire acondicionado.

Conceptos básicos de los fluidos.

Los líquidos y los gases son fluidos porque los átomos o moléculas están dispuestos de forma más desordenada que en los sólidos, no están confinados a posiciones específicas sino que pueden moverse entre los demás.

Características de los fluidos: ● La posición relativa de sus moléculas puede cambiar continuamente. ● Todos los fluidos son compresibles en cierto grado. ● Tienen viscosidad. ● Dependiendo de su viscosidad fluyen a mayor o menor velocidad.

Compresibilidad El aire, así como todos los gases, tiene la propiedad de ocupar todo el volumen de cualquier recipiente, adquiriendo su forma propia. Así, podemos encerrarlo en

División de Estudios de la Biodiversidad e Innovación Tecnológica Departamento de Ciencias Exactas y Tecnología un recipiente con un volumen determinado y posteriormente provocarle una reducción de su volumen usando una de sus propiedades - la compresibilidad.

Fig. 1 Representación de la compresión de un fluido (aire).^1

1 https://cienciamaxima.wordpress.com/2013/06/03/compresibilidad-y-expansibilidad-de-los-gases-basados-en-la- teoria-cinetica/

División de Estudios de la Biodiversidad e Innovación Tecnológica Departamento de Ciencias Exactas y Tecnología tiene la ventaja sobre los sistemas hidráulicos de ser más rápido, aunque es menos preciso en el posicionamiento de los mecanismos y no permite fuerzas grandes.

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Fig. 3 Representación de la propiedad de la propiedad de la expansibilidad.^2

Por lo tanto, se podría considerar el aire comprimido, como una masa de aire que se encuentra sometida a una presión superior a la atmosférica. Esta capacidad del aire para ser comprimido, se explica en las leyes de los gases.

Las aplicaciones del aire comprimido son muy diversas. Bien como fuente de energía o como aire acumulado para su uso posterior; el aire comprimido ha sido considerado por algunos autores como la cuarta energía, después de la electricidad, los combustibles fósiles o el viento.

El uso del aire comprimido implica también su tratamiento. En pocas aplicaciones se puede usar el aire comprimido directamente de la salida de los compresores. Habitualmente es necesario tratar al menos la eliminación de polvo y contaminantes, así como del agua condensada o en vapor.

Presión. La presión (símbolo p ) es una magnitud física que mide la proyección de la fuerza en dirección perpendicular por unidad de superficie, y sirve para caracterizar cómo se aplica una determinada fuerza resultante sobre una línea. En el Sistema Internacional de Unidades la presión se mide en una unidad derivada que se denomina Pascal (Pa) que es equivalente a una fuerza total de un Newton (N) actuando uniformemente en un metro cuadrado (m²). En el Sistema Inglés la

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Cuando una cierta presión es alcanzada, provoca una apertura de las válvulas de descarga, o simplemente el aire es empujado hacia el tubo de descarga durante una continua disminución del volumen en la cámara de compresión, Desplazamiento Dinámico: La elevación de presión es obtenida por medio de conversión de energía cinética en energía de presión, durante su paso a través del compresor. El aire admitido es colocado en contacto con los impulsores (rotor laminado) dotados de alta velocidad.

Este aire es acelerado, alcanzando velocidades elevadas y consecuentemente los impulsores transmiten energía cinética al aire. Posteriormente, su salida es retardada por medio de difusores, obligando a una elevación de presión. Las características técnicas a evaluar en los compresores son el caudal suministrado, los compresores se dividen según el tipo de ejecución.

Preparación del aire comprimido.

Humedad El aire atmosférico es una mezcla de gases, principalmente de oxígeno y nitrógeno, y contiene contaminantes de tres tipos básicos: agua, aceite y polvo. Las partículas de polvo, en general abrasivas, y el aceite quemado en el ambiente de lubricación del compresor, son responsables de manchas en los productos. El compresor, al admitir el aire, aspira también sus compuestos y, al comprimir, adiciona a esta mezcla el calor por efecto de la presión y temperatura, además de agregar aceite lubricante a la mezcla. Los gases siempre permanecen en su estado normal de temperaturas y presiones en el empleo de la neumática. Pero los componentes con agua sufrirán condensación y esto ocasionará problemas.

Sabemos que la cantidad de agua absorbida por el aire está relacionada a su temperatura y volumen. La mayor cantidad de vapor de agua contenida en un volumen de aire sin ocurrir condensación dependerá de la temperatura de saturación o punto de roció al que está sometido este volumen. El aire

División de Estudios de la Biodiversidad e Innovación Tecnológica Departamento de Ciencias Exactas y Tecnología comprimido tiene aire saturado. El aire estará saturado cuando la presión parcial de vapor de agua sea igual a la presión de saturación de vapor de agua, y se encuentre a temperatura local. El vapor es sobrecalentado cuando la presión parcial de vapor de agua sea menor que la presión de saturación. En cuanto tengamos una presencia de agua en forma de vapor normalmente sobrecalentado, ningún problema ocurrirá.

Analicemos ahora: un cierto volumen de aire, está saturado con vapor de agua, esto es, su humedad relativa es 100%; comprimimos este volumen hasta el doble de la presión absoluta, y su volumen se reducirá a la mitad. Lógicamente, esto significará que su capacidad de retener vapor de agua también fue reducida a la mitad debido al aumento de presión y la reducción de su volumen. Entonces el exceso de vapor será precipitado como agua.

Esto ocurre si la temperatura es mantenida constante durante la compresión, o sea, proceso isotérmico de compresión. Mientras lo anterior no ocurra; se verifica una elevación considerable en la temperatura durante la compresión. Como fue mencionado anteriormente, la capacidad de retención da agua por el aire está relacionada con la temperatura, siendo así, no habrá precipitación en el interior de las cámaras de compresión. La precipitación de agua ocurrirá cuando el aire sufra un enfriamiento, ya sea en el enfriador o en la línea de distribución. Esto explica porque en el aire comprimido existe siempre aire saturado con vapor de agua en suspensión, que se precipita a lo largo de las tuberías en la proporción en que se en fría.

Secado del Aire La presencia de humedad en el aire comprimido es siempre perjudicial para las automatizaciones neumáticas, pues causa serias consecuencias. Es necesario eliminar o reducir al máximo esta humedad. Lo ideal sería eliminarla del aire comprimido de modo absoluto, lo que es prácticamente imposible.

Aire seco industrial no es aquel totalmente exento de agua; es el aire que, después de un proceso de deshidratación, fluye con un contenido de humedad

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Después de pasar por todo el proceso de la producción, tratamiento y distribución, el aire comprimido debe sufrir un último acondicionamiento, antes de ser colocado para trabajar, a fin de producir mejores desempeños.

En este caso, el beneficio del aire comprimido consiste en lo siguiente: filtración, regulación de presión, e introducción de una cierta cantidad de aceite para la lubricación de todas las partes mecánicas de los componentes neumáticos. El uso de esta unidad de servicio es indispensable en cualquier tipo de sistema neumático, desde el más simple al más complejo. Al mismo tiempo que permite a los componentes trabajar en condiciones favorables, y prolonga su vida útil.

Una vida útil prolongada y un funcionamiento regular de cualquier componente en un circuito dependen, antes que nada, del grado de filtración, de la eliminación de la humedad, de una presión estable de alimentación al equipo y una adecuada lubricación a las partes movibles.

Todo eso es exactamente obtenido cuando se aplican en las instalaciones, dispositivos, máquinas, etc., los componentes de tratamiento preliminar del aire comprimido en los puntos de toma del aire: el filtro, válvula reguladora de presión (Regulador) y el Lubricador, que reunidos forman la Unidad de Mantenimiento o Acondicionamiento (Filtro, Regulador, Lubricador).

La filtración del aire consiste en la aplicación de dispositivos capaces de retener las impurezas suspendidas en el flujo de aire, y en suprimir aún más la humedad presente. Por consiguiente, es necesario eliminar estos dos problemas al mismo tiempo. El equipo normalmente utilizado para este fin es el Filtro de Aire, que actúa de dos formas distintas: Por la acción de la fuerza centrífuga. Por el paso del aire a través de un elemento filtrante, de bronce sinterizado o malla de nylon.

Regulación de Presión Normalmente, un sistema de producción de aire comprimido atiende a la demanda de aire para varios equipos neumáticos. En todos estos equipos está

División de Estudios de la Biodiversidad e Innovación Tecnológica Departamento de Ciencias Exactas y Tecnología actuando la misma presión. Esto, no siempre es posible, porque, si nosotros estuviéramos actuando un elemento neumático con presión mayor de lo que realmente necesita, estaremos consumiendo más energía de la necesaria.

Por otro lado, un gran número de equipos operando simultáneamente en un determinado intervalo de tiempo hace que la presión caiga, debido al pico de consumo ocurrido. Estos inconvenientes se evitan usando la Válvula Reguladora de Presión, o simplemente el Regulador de Presión, el cual debe:

● Compensar automáticamente el volumen de aire requerido por los equipos neumáticos. ● Mantener constante la presión de trabajo (presión secundaria), independiente de las fluctuaciones de presión en la entrada (presión primaria) cuando esta esté encima del valor regulado. La presión primaria debe ser siempre superior a la presión secundaria, independiente de los picos. ● Funcionar como válvula de seguridad.

Lubricación. Los sistemas neumáticos y sus componentes están formados de partes que poseen de movimientos relativos, estando, por tanto, sujetas a desgastes mutuos, que los tienden a inutilizan. Para disminuir los efectos del desgaste y las fuerzas de fricción a fin de facilitar los movimientos, los equipos deben ser lubricados convenientemente, a través del aire comprimido. La lubricación del aire comprimido es la mezcla de éste con una cantidad de aceite lubricante, utilizada para la lubricación de partes mecánicas internas movibles que están en contacto directo con el aire. Esa lubricación debe ser efectuada de una manera controlada y adecuada, a fin de no causar obstáculos al paso del aire, problemas en los empaques y sellos. Además de eso, este lubricante debe llegar a todos los componentes, aun cuando las líneas tengan circuitos sinuosos. Esto se ha logrado haciendo que las partículas de aceite se queden en suspensión dentro flujo, o sea, no se deposite a lo largo de las paredes de las tuberías o líneas. El medio más práctico de efectuar este tipo de lubricación es con un lubricador.

División de Estudios de la Biodiversidad e Innovación Tecnológica Departamento de Ciencias Exactas y Tecnología o Orientación de piezas o Bifurcación de flujo de materiales ● Aplicaciones generales en diversa técnicas especializadas o Embalar o Llenar o Dosificar o Bloquear o Accionar ejes o Abrir y cerrar puertas o Transportar materiales o Girar piezas o Separador de piezas o Apilar piezas o Estampar y prensar piezas ● La neumática es aplicada en las siguientes técnicas de fabricación. o Perforar o Tornear o Fresar o Cortar o Acabar o Deformar o Controlar

Antes de optar por el uso de sistemas neumáticos de mando y de trabajo es oportuno efectuar una comparación de la neumática con energías de otra índole. La evaluación correspondiente deberá referiste al sistema completo, empezando por las señales de entrada (sensores), pasando por la parte de mando (procesadores) y llegando hasta los órganos de maniobra y los actuadores.

Además deberán tomarse en cuenta los siguientes factores: ● Medios de control preferidos ● Equipos ya instalados ● Conocimientos técnico disponibles

División de Estudios de la Biodiversidad e Innovación Tecnológica Departamento de Ciencias Exactas y Tecnología ● Sistemas ya instalados

Ventajas en la industria. Características y ventajas de la neumática: ● Cantidad: En prácticamente cualquier lugar se depone de cantidades limitadas de aire. ● Transporte: Facilidad de transportar aire a grandes distancias a través de tuberías. ● Almacenamiento: Posibilidad de almacenar aire comprimido en acumuladores, desde los que se pueden abastecer el sistema. Además, el acumulador (botella) puede ser transportado. ● Temperatura: El aire comprimido es prácticamente indiferente a oscilaciones de la temperatura. De este modo es posible obtener un funcionamiento fiable, incluso bajo condiciones extremas. ● Seguridad: El aire comprimido no alberga riesgos en relación con fuego o explosión. ● Limpieza: El aire comprimido no lubricado no contamina el ambiente. ● Composición: Los elementos de trabajo son de composición sencilla y por lo tanto, su precio es relativamente bajo. ● Velocidad: El aire comprimido es un medio de trabajo rápido puesto que permite obtener elevadas velocidades del movimiento del embolo y los tiempos de conmutación son cortos. ● Sobrecarga: Las herramientas y los elementos neumáticos pueden funcionar hasta que estén totalmente detenidos, por lo que no son sobrecargados.

Desventajas de su aplicación industrial. No obstante, para evaluar correctamente los campos de aplicación de la neumática, también es necesario conocer sus desventajas: ● Acondicionamiento: El aire comprimido tiene que ser acumulado, ya que de lo contrario puede producirse un desgaste precoz de los elementos neumáticos por efecto de partículas de suciedad y agua condensada.