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7. Generadores de Vacío, Ventosas
Vacío
La palabra vácuo, originaria del latin "Vacuus", significa vacio. Entretanto, podemos definir técnicamente que un sistema que se encuentra en vacío es, cuando el mismo está sometido a una presión inferior a la presión atmosférica. Utilizando el mismo razonamiento aplicado anteriormente para ilustrar como es generada la presión dentro de un recipiente cilíndrico lleno de aire, si aplicarmos una fuerza contraria en la tapa móvil del recipiente, en su interior tendremos como resultado una presión negativa, y esto es, inferior a la presión atmosférica externa.
Ese principio es utilizado por la mayoría de las bombas de vacío encontradas en el mercado donde, por medio del movimiento de piezas mecánicas especialmente construídas para esa finalidad, se procura retirar el aire atmosférico presente en un tanque o tuberia, creando en su interior un "vacío", o sea, una presión atmosférica externa.
Un aspirador de polvo casero, por ejemplo, funciona a partir de ese principio. Cuando conectamos el aspira- dor a una bomba de vacío accionada por un motor eléctrico retira el aire atmosférico presente en el inte- rior de la malla flexible, expulsándolo por la salida evacuadora. De esa manera, se genera una presión negativa en la entrada del aspirador, de modo que la presión atmosférica del ambiente, siendo mayor que el vacío parcial generado en la manguera, entra por la
tuberia, llevando con ella las partículas sólidas próximas de la extremidad de la manguera. Esas partículas son entonces detenidas dentro del aspirador, el cual permite que apenas el aire salga por el pórtico de escape. La figura siguiente demuestra el funcionamiento esquemático de un aspirador de polvo que, por medio de la técnica del vacío, genera un flujo contínuo de aire para captar y retener las partículas sólidas presentes en la superficie expuestas a la presión atmosférica.
Efecto Venturi
Para aplicaciones industriales, existen otras formas más simples y económicas de ser obtenido un vacío, además de las bombas ya mencionadas. Una de ellas es la utilización del principio de Venturi.
La técnica consiste en hacer fluir el aire comprimido por un tubo en el cual un embudo montado en su inte- rior, provoca un estrangulamiento al paso del aire. El aire que fluye por el tubo, al encontrar la restricción, tiene su flujo aumentado debido al paso reducido. El aumento del flujo del aire comprimido, en el estrangula- miento, provoca una sensible caida de presión en la región.
Un orificio externo, construído estratégicamente en la región restringida del tubo, sufrirá entonces una depresión provocada por el paso del aire comprimido por el estrangulamiento. Eso significa que tenemos un vacío parcial dentro del orificio que, unido a la atmósfera, hará que el aire atmosférico, cuya presión
1 - Una fuerza de 2 kgf, es aplicada …
2 - … en la tapa móvil cuya área mide 2 cm 2
3 - Resultará en una presión negativa de -1 kgf/cm 2
4 - Generando un vacío de -1 kgf/cm 2 , en el interior del recipiente
5 - Esa presión negativa, depresión, es inferior a la presión atmosférica externa la cual está sometida al recipiente
2 cm 2
-1 kgf/cm 2
2 kgf Las partículas sólidas sonretenidas en el interior del aspirador Bomba de vacío
Escape Aspiración
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Otra forma muy utilizada para obtener vacío es por medio de la técnica de inyector de aire, una derivación de efecto Venturi visto arriba.
En esa técnica, se presuriza una punta del inyector con aire comprimido y, en las proximidades del pórtico de descarga hacia la atmósfera, se construye un orificio lateral perpendicular al paso del flujo de aire por el inyector.
El aire comprimido, fluyendo a gran velocidad por el inyector, provoca un vacío parcial en el orificio lateral que, conectado a la atmósfera, hará que el aire atmosférico penetre por él en dirección a la masa de aire que fluye por el inyector. La próxima figura ilustra esquemáticamente el funcionamiento de la punta del inyector y el vacío parcial generado en el orificio lateral.
Partiendo de ese principio, si una ventosa flexible fuera montada en el pórtico de vacío parcial A, al aproximarla de un cuerpo cualquiera, de superficie lisa, la presión atmosférica, actuando en el lado externo de la ventosa, hará que la misma se prenda por succión a la superficie del cuerpo.
Se considera que entre la ventosa y la superficie del cuerpo hay un vacío parcial cuya presión es menor que la de la atmósfera, la ventosa permanecerá presa en la superficie del cuerpo por la acción de la presión atmosférica, en cuanto haya vacío, o sea, durante el tiempo en que fuera mantenido el flujo de aire compri- mido de P hacia R.
Esa técnica, conocida como tecnologia de vacío, va creciendo día tras día en la indústria, tanto en la manipulación de piezas como en al transporte de materiales que serán trabajados. Sea cual sea la aplicación, en el proyecto de un sistema de vacío, es importante que sean observados los siguientes aspectos:
- El efecto del ambiente sobre los componentes del sistema;
- Las fuerzas necesarias para el movimiento de las piezas o materiales;
- El tiempo de respuesta del sistema;
- La permeabilidad de los materiales a ser manipula- dos o transportados;
- El modo como las piezas o materiales serán fijados;
- La distancia entre los componentes;
- Los costos involucrados en la ejecución del proyecto.
1 - El aire comprimido entra por el pórtico P…
2 - … y sale hacia la atmosfera por el pórtico R
3 - La restricción provoca un aumento en la velocidad del flujo de aire …
4 - … generando un vacío parcial en este orificio, por donde el aire atmosférico penetra del pórtico A
1 - El aire comprimido entra en la punta del inyector por el pórtico P...
2 - Y escapa hacia la atmósfera a través del pórtico de escape R
3 - La masa de aire, fluyendo de P hacia R, provoca un vacío parcial en el orificio A
4 - Por donde entra el aire atmosférico cuya presión es mayor que la del vacío parcial generado
1 - En cuanto el elemento generador de vacío esté bajo presión de aire comprimido…
2 - Elemento generador de vacío
3 - La presión atmosférica, actuando en la superficie externa de la ventosa, mantiene a la ventosa presa en la pieza
2 - … se forma un vacío entre la ventosa y la pieza
Ventosa
Pieza
P
R
A
es mayor penetre en el orificio en dirección a la gran masa de aire que fluirá por la restricción. La figura siguiente ilustra como es generado un vacío por el principio de Venturi.
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Este modelo en particular es fabricado en metal y posee una punta adaptada para conexión directa con la manguera de aire comprimido, en el pórtico de entrada P.
Ventosas
Las dos técnicas más comunes empleadas para la fijación y levantamiento de piezas o materiales, en la indústria, son las garras mecánicas y las ventosas, las cuales se aprovechan del vacío para realizar el trabajo. El empleo de garras mecánicas ofrece, como ventaja principal, la facilidad en la determinación de las fuerzas necesarias para la fijación y sustentación de cargas. Entretanto, si el material de carga a ser fijada fuera frágil o presentara dimensiones variadas, las garras podrían dañar la carga o provocar marcas indeseables en el acabado de las superficies de las piezas a ser manipuladas o transportadas. Casos desagradable como estos ocurren cuando las garras, por un error de proyecto, son mal dimensionadas.
Independientemente del tamaño del elemento generador neumático de vacío, todos tienen la capacidad de crear teóricamente el mismo nivel de vacío. Entretanto, en la práctica, un generador de mayor apariencia es capaz de realizar la misma operación de uno pequeño en un espacio de tiempo menor, como puede ser observado en la tabla.
Por tanto, en la selección de un elemento generador neumático de vacío es importante considerar el volú- men total de las ventosas en el sistema, teniendo como referencia los tiempos para alcanzar el vacío deseado.
Serán representadas para seguir las características de funcionamiento de los principales tipos de
elementos generadores neumáticos de vacío encontrados en la automatización industrial, desde los constructivamente simples hasta los más sofisticados, con válvulas de comando y control incorporadas.
Generadores de Vacío Compactos
El elemento generador de vacío compacto se caracteriza por sus dimensiones reducidas, permitiendo el montaje directamente sobre la ventosa. Su consumo de aire comprimido es de orden de 20 lpm y su tiempo de evacuación de un recipiente de 1 litro de capacidad, con 75% de vacío, es de aproximadamente 9 segundos, conforme a los valores extraídos de la tabla anterior.
Además de eso, los sistemas mecánicos de fijación por garras presentan, en la mayoría de las veces, costos elevados de construcción, instalación y mantenimiento.
Las ventosas, a su vez, además de nunca dañar las cargas durante el proceso de manipulación o de movimiento de las mismas, presentam innumerables ventajas si se comparan a los sistemas de fijación por garras. Entre ellas se destacan la mayor velocidad de operación, el aumento de la productividad; la facilidad y rapidez en las reparaciones, reduce los tiempos de parada para el mantenimiento y los bajos costos de adquisición de los componentes e instalación.
De acuerdo con lo que fue demostrado en el capítulo anterior, es la acción de la presión atmosférica la que presiona y fija la ventosa contra la superficie de la carga a ser movida, en cuanto hay vacío en el interior de la ventosa. De esa manera, para que se pueda tener la menor área de succión posible, es necesario que sea
Simbologia
P (^) R
A
Salida hacia la atmósfera
Entrada de aire comprimido
Linea de Vacío
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utilizado el mayor nivel de vacío disponible en el sistema. Experiencias demuestran que el nivel ideal de vacío para trabajos seguros de fijación y transporte de cargas por medio de ventosas está alrededor de 75% de vacío absoluto, o corresponde a una presión negativa de -0,75 Kgf/cm 2.
La tabla a seguir establece relaciones entre los diámetros de las ventosas y las capacidades de levantamiento de cargas. Observe que las ventosas presentan mayor eficiencia en la conservación de cargas con superficies horizontales, comparadas a las verticales.
Tabla de Capacidad de Carga para Ventosas Planas a 75% de Vacío
Ø de Ventosa en mm
Área en cm^2
Fuerza de Levantamiento Superficie Horizontal Superficie Vertical en N en Kgf en N en Kgf
Una ventosa de 40 mm de diámetro, por ejemplo, presenta una fuerza de levantamiento de 4,709 Kgf si la carga posee una superficie horizontal. En
contrapartida, si la carga fuera levantada por medio de una superficie vertical, la misma ventosa tiene una fuerza de levantamiento de apenas 2,354 Kgf.
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8. Actuadores Neumáticos
Vimos anteriormente como es generado y preparado el aire comprimido. Veremos ahora como es colocado para trabajar. En la determinación y aplicación de un comando, por regla general, se conoce inicialmente la fuerza del torque de acción final requerida, que debe ser aplicada en un punto determinado para obtenerse el efecto deseado. És necesario, por tanto, disponer de un dispositivo que convierta en trabajo la energia contenida en el aire comprimido. Los convertidores de energia son los dispositivos utilizados para tal fin. En un circuito cualquiera, el convertidor es unido mecánicamente a la carga. De esta manera, al ser influenciado por el aire comprimido, su energia es convertida en fuerza o torque, que es transferido hacia la carga.
Clasificación de los Convertidores de
Energía
Están divididos en tres grupos:
- Los que producen movimientos lineales
- Los que producen movimientos rotativos
- Los que producen movimientos oscilantes
Lineales
Son constituídos de componentes que convierten la energia neumática en movimiento lineal o angular. Son representados por los Cilindros Neumáticos. Dependiendo de la naturaleza de los movimientos, velocidad, fuerza, curso, habrá uno más adecuado para la función.
Rotativos
Convierten energia neumática en energia mecánica, a través de momento torsor contínuo.
Oscilantes
Convierten energia neumática en energia mecánica, a través de momento torsor limitado por un determinado número de grados.
