Introducción a la Neumática

Generación de aire comprimido

En un sistema neumático la energía del sistema se obtiene vía el compresor que aspira aire atmosférico y lo comprimen hasta transferirle una presión superior.

Hay distintos tipos de compresores, pero básicamente se pueden agrupar en los de desplazamiento fijo y variable o turbocompresores.

Uno de los mas utilizados son los de pistón donde a través de un mecanismo tipo biela manivela toma y comprime el aire en dos tiempos, dependiendo de la presión final deseada se podrá seriar mas pistones para obtener mayor presión.

Los de membrana son utilizados en medicina y en algunos procesos químicos ya que el aire bajo presión se obtiene mas limpio de aceites.
Con los turbocompresores se obtienen una presión de 5 u 8 bares utilizando mayor caudal.
Para la selección de los compresores se debe estimar el consumo de la planta, sobreestimar un 5 o 10% debido a perdidas y luego ajustar este caudal requerido para que el compresor trabaje en un 70 u 80 % de su capacidad.

Acumulador

Además del compresor otro elemento importante para el aporte de la energía del sistema es la presencia del deposito o acumulador que esta para afrontar los picos de consumo, además de cumplir con la función de enfriamiento y reducción de velocidad actuando como separador de condensado y aceites provenientes del compresor.

El tamaño de un acumulador de aire comprimido depende:
• Caudal de suministro del compresor
• Consumo de aire
• La red de tuberías (volumen suplementario)
• Tipo de regulación
• La diferencia de presión admisible en el interior de la red.

Para facilitar la selección de depósitos los fabricantes establecen ábacos donde se tienen en cuenta los parámetros mencionados.

Conexión


- Red Abierta: La presión ingresa por una única dirección lo que genera falta de presión en el extremo opuesto.

- Red Cerrada: Con este tipo de montaje de la red de aire comprimido se obtiene una alimentación uniforme cuando el consumo de aire es alto. El aire puede pasar en dos direcciones.

- Red cerrada con interconexión: En la red cerrada con interconexiones hay un circuito cerrado, que permite trabajar en cualquier sitio con aire, mediante las conexiones longitudinales y transversales de la tubería de aire comprimido,

Ciertas tuberías de aire comprimido pueden ser bloqueadas mediante válvulas de cierre (correderas) si no se necesitan o si hay que separarlas para efectuar reparaciones y trabajos de mantenimiento. También existe la posibilidad de comprobar faltas de estanqueidad.

El diámetro de las tuberías debe elegirse de manera que si el consumo aumenta, la pérdida de presión entre el depósito y el consumidor no sobrepase 10 kPa (0,1 bar). Si la caída de presión excede de este valor, la rentabilidad del sistema estará amenazada y el rendimiento disminuirá considerablemente. El diámetro de las tuberías no debería elegirse conforme a otros tubos existentes ni de acuerdo con cualquier regla empírica, sino en conformidad con:

- el caudal
- la longitud de las tuberías
- la pérdida de presión (admisible) la presión de servicio la cantidad de estrangulamientos en la red

Tratamiento del aire


Las impurezas en forma de partículas de suciedad u óxido, residuos de aceite lubricante y humedad dan origen muchas veces a averías en las instalaciones neumáticas y a la destrucción de los elementos neumáticos .

Mientras que la mayor separación del agua de condensación tiene lugar en el separador, después de la refrigeración, la separación fina, el filtrado y otros tratamientos del aire comprimido se efectúan en el puesto de aplicación.

A la salida del compresor mediante pos enfriadores se reduce la temperatura unos 25 ° con lo que se elimina 70 80% de agua y aceites.

El secado por absorción es un procedimiento puramente químico. El aire comprimido pasa a través de un lecho de sustancias secantes. En cuanto el agua o vapor de agua entra en contacto con dicha sustancia, se combina químicamente con ésta y se desprende como mezcla de agua y sustancia secante.

El secado por adsorción se basa en un proceso físico. El aire comprimido húmedo se hace pasar a través del lecho de gel, que fija la humedad. La misión del gel consiste en adsorber el agua y el vapor de agua. La capacidad adsorbente de un lecho de gel es naturalmente limitada. Si está saturado, se regenera de forma simple. A través del secador se sopla aire caliente, que absorbe la humedad del material de secado

Secado por enfriamiento 

 El aire caliente que entra en el secador se enfría mediante aire seco y frío proveniente del intercambiador de calor (vaporizador).

La durabilidad y seguridad de funcionamiento de una instalación neumática dependen en buena forma del acondicionamiento del aire comprimido; es por eso que es necesario emplear en cada mando o salida para el consumo, de las unidades de mantenimiento de aire comprimido. FRL (Filtro Regulador Lubricador)

Los filtros del aire comprimido retienen las partículas sólidas y las gotas de humedad contenidas en el aire.
La Válvula Reguladora o Regulador de presión mantiene la presión de trabajo constante en el lado del usuario, independientemente de las variaciones de presión en la Red Principal y del consumo. Obviamente, para lograr esto, la presión de entrada del regulador debe ser siempre superior a la de trabajo.

El lubricador del aire comprimido, tiene la importante función de lubricar de modo suficiente a todos los elementos neumáticos, en especial a los activos previniendo el desgaste de piezas móviles, reduciendo el rozamiento y previniendo la corrosión.
Su selección depende del caudal, la presión de alimentación y la temperatura.

Actuadores neumáticos

Simple efecto en estos el retroceso del vástago se realiza por resorte. La carrera que puede alcanzar es de 50mm.

Doble efecto, se controla el avance y retroceso del cilindro, puede alcanzar los 2000mm, pueden tener simple o doble vástago, por lo que por una cuestión de volumen en las cámaras trasera y delantera las fuerzas serán iguales o distintas.
Cilindro en tandem: Con un único vástago se obtiene casi el doble de fuerza.

Los cilindros nombrados trabajan a una velocidad de entre 0.5 a 1.5m/seg. para trabajar a mayor velocidad se utilizan los cilindros de impacto donde se manejan velocidades de 7 a 10m/seg
El inconveniente con estos cilindros se da en el limite de carrera que no pueden ser muy largas.
En los actuadores rotantes el cilindro logra movimientos alternativos por un sistema de piñón cremallera, en estos casos la carrera del vástago produce el giro que puede ser de unos pocos grados hasta 2 giros completos dependiendo de esta.
Actuadores a membrana: Son cilindros de simple efecto donde el embolo es remplazado por membrana elástica por ser de grandes diámetros se logran fuerzas considerables, aunque al ser de retorno a resorte su carrera se ve limitada.

Selección de cilindros.

La presión determina la fuerza de empuje de un cilindro, el caudal es quien establece la velocidad de desplazamiento del mismo. La combinación de fuerza y recorrido produce trabajo, y cuando este trabajo es realizado en un determinado tiempo produce potencia.
Además de la fuerza que se quiera obtener y la presión de trabajo se debe tener en cuenta la aplicación.

Aplicación Estática

Se pretende ejercer una fuerza en una posición determinada a poca o nula velocidad. Es decir hasta que el cilindro llegue a su posición el vástago avanza libre o con baja carga.
(prensores, sujeción, posicionamiento).

Aplicación Dinámica

La acción se compone de fuerza y velocidad en todo su recorrido. Como puede ser la elevación de una masa un cierto recorrido a una velocidad dada.

Pr es presión reactiva de descarga de la cámara opuesta.

Otro parámetro para verificar una vez seleccionado el cilindro es el pandeo donde nos indica la carrera máxima tolerada para trabajar con un cilindro a esa fuerza, diámetro y presión.

Tipos de válvulas.

Direccionales: Son válvulas de mando que distribuyen el aire comprimido hacia los elementos de trabajo. Dos de sus características principales que posibilitan su clasificación son las vías y las posiciones que poseen.
Las vías son los orificios de entrada salida y las posiciones representan las conexiones posibles entre las vías.
Estas válvulas podrán ser también mono o bi-estables de acuerdo a las posición que tome por acción de mando.
El mando puede estar dado por acción mecánica, eléctrica o neumática.

Reguladoras de caudal estas válvulas influyen sobre la cantidad de aire comprimido con ello se regula la velocidad de avance y retroceso de señales neumáticas.

Reguladoras de presión limita la presión en la línea de salida.

Válvulas auxiliares como las de simultaneidad Y, selectoras O, anti-retornos, utilizadas para armar la lógica del sistema.

Selección de válvulas se caracterizan por su caudal

Las características de caudal están vinculadas a la circulación del fluido a través de las válvulas y determina su tamaño. Para esto se utilizan los factores Kv, Cv y Qn de las válvulas.

• El Kv expresa el caudal Q en l/min de agua que pasa cuando el ΔP que consume la válvula es de 1bar.
• El Cv es el caudal de agua en gal/min que atraviesa la valvula cuando el ΔP es de 1 psi.
• El Qn es el caudal de aire a 6bar en l/min que pasan cuando cae un ΔP de 1bar en la válvula.

El calculo del caudal nominal de la válvula se hará de acuerdo con el caudal requerido

conforme la siguiente ecuación:
 

Esquemas básicos

Mando de un cilindro de simple efecto
El vástago de un cilindro de simple efecto debe salir al accionar un pulsador y regresar inmediatamente al soltarlo.

Para realizar este mando se precisa una válvula distribuidora 3/2 cerrada en posición de reposo. Al accionar dicha válvula, el aire comprimido pasa de P hacia A; el conducto R está cerrado. Por el efecto del muelle de reposición de la válvula, el cilindro es pone en escapo de A hacia R; el empalme de alimentación P se cierra.

Mando de un cilindro de doble efecto

El vástago de un cilindro de doble efecto debe salir o entrar según se accione una válvula.
 
 

Este mando de cilindro puede realizarse tanto con una válvula distribuidora 4/2 como con una 5/2. La unión de los conductos de P hacia B y de A hacia R en la 4/2 mantiene el vástago retraido. Al accionar el botón de la válvula se establece la unión de P hacia A y de B hacia R. El vástago del cilindro se extiende hasta la posición final de carrera. Al soltar el botón, el muelle recuperador de la válvula hace regresar ésta a la posición Inicial. El vástago del cilindro vuelve a entrar.

Si se emplea una válvula distribuidora 5/2, el escapo se realiza por R ó S. Para regular la velocidad, basta incorporar válvulas de estrangulación.

Mando con selector de circuito

El vástago de un cilindro debe poderse hacer salir de dos puntos diferentes.
 

Al accionar la válvula 1.2 el aire comprimido circula de P hacia A, y en el selector de circuito de X hacia A y pasa al cilindro. Lo mismo ocurre cuando es invierte la válvula 1.4.
En ausencia del selector, en el circuito arriba montado al pulsar 1.2 ó 1.4, el aire saldría por el conducto de escapo de la otra válvula distribuidora 3/2, que no ha sido accionada.

Regulación de la velocidad en cilindro de simple efecto


Debe poderes regular la velocidad de salida del vástago de un cilindro de simple efecto.
 

En el caso de cilindros de simple efecto, la velocidad sólo puede aminorarse estrangulando el aire de alimentación.

Debe poderse ajustar la velocidad de retorno del vástago del cilindro.

En este caso hay que aplicar forzosamente la estrangulación del aire de escape.

Debe poderse ajustar y aminorar separadamente la velocidad del vástago de un cilindro de simple efecto, en la salida y en el retorno.

En este caso, para efectuar un ajuste exacto y separado se necesitan dos reguladores unidireccionales (válvulas antirretorno y de estrangulación).

Regulación de la velocidad en cilindro de doble efecto

Debe poderse regular las velocidades de salida y entrada del vástago de un cilindro de doble efecto.

Solución a:

Estrangulación del aire de escape, regulable separadamente para la salida y el retorno. Se dispone de una mejor posibilidad de regulación (independientemente de la carga). Si se emplea una válvula distribuidora 5/2, es pueden disponer simples estranguladores en los empalmes de escape de la válvula.


Solución b:


Estrangulación del aire de alimentación, ajustable separadamente, para la salida y el retorno. El arranque es más suave, pero sin precisión en la regulación. No puede aplicarse si se trata de cargas de tracción. Se emplea cuando hay que empujar cargas con cilindros de pequeño volumen.

Aumento de la velocidad en cilindros de simple y doble efecto

Al invertir la válvula 3-2, el aire debe escapar muy rápidamente de la cámara delantera del cilindro. La válvula de escape rápido hace salir el aire inmediatamente a la atmósfera. El aire no tiene que recorrer toda la tubería ni atravesar la válvula.

 Mando con una válvula de simultaneidad

El vástago de un cilindro de simple efecto ha de salir sólo cuando se accionan simultáneamente dos válvulas distribuidoras 3/2.

Solución a:

Al accionar las válvulas 1.2 y 1.4 se emiten señales a X e Y, y aire comprimido pasa al cilindro.

Solución b:
Hay que accionar las válvulas 1.2 y 1.4 para que el vástago del cilindro de simple efecto pueda salir
(montaje en serie).

Mando Indirecto de un cilindro de simple efecto


El vástago de un cilindro de simple efecto, de gran volumen (diámetro grande, carrera grande y tuberías largas) debe salir tras accionar una válvula y regresar inmediatamente a su posición final de carrera al soltar dicha válvula.











Al accionar la válvula 1.2, el aire pasa de P hacia A. La válvula 1.1 recibe una señal en Z, que la invierte. Los empalmes P y A se unen, y el vástago del cilindro sale.