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UNIDAD I
Introducción a la Neumática
1.1 ANTECEDENTES HISTÓRICOS, APLICACIONES, VENTAJAS Y
DESVENTAJAS DE LA NEUMÁTICA.
La palabra neumática se refiere al estudio del movimiento del aire. Así, en sus comienzos el hombre utilizó el viento en la navegación y en el uso de los molinos para moler grano y bombear agua. En 1868 George Westinghouse fabricó un freno de aire que revolucionó la seguridad en el transporte ferroviario. Es a partir de 1950 cuando la neumática progresa ampliamente en la industria con el desarrollo paralelo de los sensores. Los sistemas de aire comprimido proporcionan un movimiento controlado con empleo de cilindros y motores neumáticos, y se aplican en herramientas, válvulas de control y posicionadores, martillos neumáticos, pistolas para pintar, motores neumáticos, sistemas de empaquetado, elevadores, herramientas de impacto, prensas neumáticas, robots industriales, vibradores, frenos neumáticos, etc. FIGURA 2. Westinghouse generando el primer freno de aire para ferrocarriles FIGURA 1. Barco de vela utilizado en la antigüedad FIGURA 3. Movimiento del brazo de una máquina a través de cilindros neumáticos
Neumática
Ventajas Desventajas
Bajo costo de sus componentes. Facilidad de diseño e implementación. Bajo par o la fuerza escasa que puede desarrollar a las bajas presiones con que trabaja (factor de seguridad). Riesgo nulo de explosión. Convención fácil al movimiento giratorio. Transmisión de energía a grandes distancias. Fácil mantenimiento Imposibilidad de obtener velocidades estables. Posibles fugas dañan el funcionamiento del sistema y producen mucho ruido. Después de los 30KN, la energía neumática resulta costosa. El aire comprimido necesita un acondicionamiento para ser utilizado. Trabajo limitado ( 20 – 30 kN) Tienen que eliminarse las impurezas. La velocidad no es regular debido a la compresión.
1.2 PREPARACIÓN DEL AIRE COMPRIMIDO.
La neumática precisa de una estación de generación y preparación del aire comprimido formada por un compresor de aire, un depósito, un sistema de preparación de aire (filtro, lubricador y regulador de presión), una red de tuberías para llegar al utilizador y un conjunto de preparación del aire para cada dispositivo neumático individual. ( Figura 4). TABLA 1. Ventajas y desventajas de la neumática.
Regulador de presión: Cuando está precedido de un filtro, no requiere ningún mantenimiento. 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. La presión primaria siempre ha de ser mayor que la secundaria. Presiones de trabajo muy altas producen: o grandes pérdidas de carga. o desgaste de los componentes. Presiones de trabajo bajas producen: o rendimiento malo Tipos: o Membrana. o Pistón. FIGURA 5. Partes de un filtro de aire comprimido
Lubricador de aire comprimido: Verificar el nivel de aceite en la mirilla y, si es necesario, suplirlo hasta el nivel permitido. Los filtros de plástico y los recipientes de los lubricadores no deben limpiarse con tricloroetileno. Para los lubricadores, utilizar únicamente aceites minerales. Tiene la misión de lubricar los elementos neumáticos en medida suficiente. El lubricante: previene de un desgaste prematuro de las piezas móviles. Reduce el rozamiento. Protege los elementos contra la corrosión. Para evitar: Lubricación manual y periódica FIGURA 6. Partes de un regulador de presión.
1.3.1.1 Cilindro de simple efecto de émbolo. El vástago puede estar replegado o extendido inicialmente, tienen un resorte de recuperación de posición, al suministrarle aire comprimido el émbolo modifica su posición y cuando se purga el aire, el muelle recupera la posición inicial del émbolo. Debido a la longitud del muelle se utilizan cilindros de simple efecto con carreras de hasta 100 mm. Estos cilindros sólo pueden efectuar trabajo en una dirección, el que realiza el aire comprimido, mientras que el movimiento debido al muelle solamente sirve para recuperar la posición inicial, por ello es apropiado para tensar, expulsar, introducir, sujetar, etc. 1.3.1.2 Cilindro de simple efecto de membrana Una membrana de goma desempeña las funciones de émbolo. La placa de sujeción asume la función del vástago y está unida a la membrana, el retroceso se realiza por tensión interna de la membrana. Este tipo cilindros sólo pueden efectuar carreras muy cortas, por lo que se emplean para remachar, estampar, y sobre todo sujetar. FIGURA 8. Cilindro de simple efecto de émbolo. FIGURA 9. Cilindro de efecto de membrana.
1.3.1.3 Cilindro de simple efecto de membrana arrollable. La membrana tiene forma de vaso, cuando se introduce aire comprimido la membrana se desarrolla en la pared interna del cilindro, presenta muy poco rozamiento y son muy estancos, su carrera es muy corta. 1.3.1.4 Cilindro de doble efecto. Recibe aire comprimido por una cámara, purgándose el lado contrario, con lo que el vástago cambia de posición. Cuando el aire cambia de dirección y se intercambian las cámaras de llenado y de evacuación el vástago recupera la posición primitiva. La fuerza del émbolo es mayor en el avance que en el retroceso debido a la mayor sección sobre la que presiona el aire, ya que en la otra cámara se tiene que descontar la superficie del vástago. Estos cilindros pueden desarrollar trabajo en las dos direcciones y además pueden presentar carreras significativamente mayores a las de los cilindros de simple efecto. FIGURA 10. Cilindro de efecto de membrana arrollable. FIGURA 11. Cilindro de doble efecto.
desarrollar está determinada por la superficie del émbolo menor. Son empleados donde se necesitan importantes longitudes de elevación con una base cilíndrica de reducidas dimensiones, por ejemplo en plataformas elevadoras, presentan problemas de pandeo. 1.3.1.7 Cilindro de doble vástago. Tienen vástagos en ambos lados, en este caso la fuerza que desarrollan en ambas direcciones es la misma, además son capaces de soportar ligeros esfuerzos laterales. FIGURA 14. Cilindro telescópico. FIGURA 15. Cilindro de doble vástago
1.3.2 ACTUADORES DE MOVIMIENTO ROTATORIO.
Los actuadores de movimiento rotativo (motores), se usan menos que los lineales ya que en general los motores eléctricos hacen esta función de forma más eficaz. A pesar de esto en determinadas situaciones (de exigencia de más limpieza o de peligrosidad por peligro de explosión, etc.) también son utilizados en muchos procesos productivos. 1.3.2.1 Motor de émbolo radial. Por medio de cilindros de movimiento alternativo, el aire comprimido acciona a través de una excéntrica o de una biela el cigüeñal del motor, su potencia depende de la presión de alimentación, del número de émbolos y de la superficie y la velocidad de movimiento de estos. 1.3.2.2 Motor de aletas. Consta de un rotor excéntrico provisto de unas ranuras homogéneamente repartidas, en ellas se deslizan unas aletas abatibles que son empujadas contra la pared interior del motor. Estos motores tienen una gama de velocidad de entre 3000 y 9000 r.p.m. para potencias de hasta 25 CV. FIGURA 16. Motor de émbolo radial FIGURA 17. Motor de aletas
Trabajan en dos o más posiciones fijas determinadas. En principio, no pueden trabajar en posiciones intermedias. 1.4.2.1 Representación esquemática de las válvulas. Análogamente que en los actuadores es preciso utilizar una representación simbólica para expresar gráficamente las válvulas, como en aquel caso se utilizan anagramas que representan exclusivamente su función de una manera tremendamente significativa. No indican detalles constructivos, representándose de idéntica manera válvulas diferentes constructivamente hablando pero que cumplen la misma función. La representación que se utiliza corresponde a la norma ISO 1219, que es idéntica a la norma de la Comisión Europea de la Transmisiones Neumáticas y Oleohidráulicas (CETOP). Se trata de una representación que refleja la función y el funcionamiento de las válvulas de una manera tremendamente significativa. A continuación se relacionan las cuestiones más importantes. Cada posición que puede adoptar una válvula distribuidora se representa por medio de un cuadrado El número de cuadrados yuxtapuestos indica el número de posibles posiciones de la válvula distribuidora. El funcionamiento de cada posición se representa esquemáticamente en el interior de cada casilla. Las líneas representan los conductos internos de la válvula. Las flechas, el sentido exclusivo o prioritario de circulación del fluido. Las posiciones de cierre dentro de las casillas se representan mediante líneas transversales. La unión de conductos internos se representa mediante un punto. Las conexiones externas (entradas y salidas) se representan por medio de trazos unidos a la casilla que esquematiza la posición de reposo inicial. Las uniones con los actuadores figuran en la parte superior y la alimentación de aire comprimido y el escape en la inferior.
La otra posición u otras posiciones se obtienen desplazando lateralmente los cuadrados, hasta que las conexiones coincidan. Las posiciones pueden distinguirse por medio de letras minúsculas a, b, c, d... a b. Si la válvula es de tres posiciones, la intermedia es, en principio, la de reposo. Por posición de reposo se entiende, en el caso de válvulas con dispositivo de reposición automática, aquella posición que ocupa cuando sobre la válvula no se ejerce ninguna acción. Se denomina igualmente posición estable y la válvula se dice que es monoestable. Los conductos de escape a través de un conducto se representan con un triángulo ligeramente separado del símbolo de la válvula. Los conductos de escape sin empalme de tubo, es decir cuando el aire se evacua directamente a la atmósfera se representan mediante un triángulo unido al símbolo de la válvula. Si el fluido que circula es aire comprimido, es decir en neumática, el triángulo tendrá aristas negras y fondo blanco. Si se trata de aceite, o sea en oleohidráulica, el triángulo será negro en su totalidad. Las conexiones externas se identifican por medio de letras mayúsculas o números: Tuberías o conductos de trabajo, es decir las uniones con los actuadores: A, B, … o bien 2,4,6. Conexión con la alimentación del aire comprimido: P ó 1. Salida de escape R, S, T ó 3,5,7. Tuberías o conductos de pilotaje (maniobra con aire comprimido) X, Y, Z ó 12,14. Las válvulas distribuidoras se denominan por su número de vías o conexiones con el exterior y el de posiciones posibles, separadas por una barra; por ejemplo una válvula 3/ significa que tiene tres conexiones con el exterior (una con un actuador, otra la alimentación y la tercera el escape) y que puede ocupar dos posiciones diferentes. 1.4.2.1.1 Otros tipos de válvulas.
Normalmente son utilizadas para manejar cilindros simple efecto. Gracias a sus 3 vías, el flujo del aire puede ir en dos direcciones distintas y realizar el escape en su posición cerrada. 1.4.2.1.1.3 Válvulas 4/2 (4 vías y 2 posiciones) Cuenta con la misma cantidad de posiciones que la anterior, pero al tener una vía más se las suele usar para manejar cilindros doble efecto. Con una posición mete el aire en el pistón y con la otra lo saca, haciendo que el vástago suba y baje según la ubicación del aire. 1.4.2.1.1.4 Válvulas 4/3 (4 vías y 3 posiciones) Son similares a las dos posiciones, pero tienen una posición central adicional. Según esta posición central, estas válvulas pueden ser: centro abierto, centro cerrado o centro a presión. FIGURA 20. Valvula 3/ FIGURA 21. Valvula 4/
Centro abierto significa que en la posición central de la válvula no hay presión en ninguna de las vías y se abren las vías de escape. De esta manera, un cilindro neumático (por ejemplo) queda detenido y podría moverse manualmente, porque no hay presión que lo bloquee. Centro cerrado significa que en la posición central todas las vías se cierran. El cilindro quedaría bloqueado por imposibilitarse los escapes. Centro a presión mantiene la presión en ambas vías, lo que permite detener con precisión un cilindro sin vástago, compensando eventuales pérdidas de aire del circuito. Un ejemplo muy común de este tipo de válvulas son las de activación mediante una palanca. Cuando la palanca está en su posición de reposo, la válvula queda en su posición central. Al moverse la palanca para adelante o para atrás, la válvula pasa a las otras posiciones, permitiendo (por ejemplo), realizar los movimientos de avance o retroceso de un cilindro. FIGURA 22. Valvula 4/
Todo el sistema en general, debe de estar revisado y puesto a punto, para evitar desastres, ya que el aire sometido a presión es peligroso, más, si no dispone de los dispositivos reglamentarios y de seguridad que se indican en los manuales de funcionamiento. Estos dispositivos de seguridad incluyen las diferentes válvulas que se han visto. 1.4.2.1.1.8 Válvulas neumáticas reguladoras de caudal Estas funcionan como cuando se cierra un grifo de agua, de tal forma que, cuando se enrosca, el caudal disminuye. Normalmente se acopla un dispositivo anti retorno de este modo el aire va solo en un sentido . FIGURA 24. Valvula De Bloqueo FIGURA 24. Valvula Reguladora de Caudal
1.4.2.1.1.9 Válvulas reguladoras de presión Se utilizan para la regulación de la presión y mandar al cilindro o al motor. Existen dos clases, la limitadora de presión y la de secuencia. 1.4.3 ACCIONAMIENTO DE VALVULAS. Además de tener en cuenta la cantidad de vías y de posiciones que tiene una válvula, existen diferentes tipos de accionamiento (o mando). A continuación, se describen los tipos de accionamiento más comunes. 1.4.3.1 Accionamiento manual. La característica principal de estas válvulas es que el operador decide cuando quiere que el aire fluya. No es la más utilizada, justamente porque el objetivo principal de la neumática es automatizar procesos y acotar el trabajo del ser humano. Las opciones para este tipo de accionamiento son mediante un pulsador, una palanca o un pedal. FIGURA 25. Valvula Reguladora de Preción
