LAF
Laboratorio de Automatización y Fluídica
Fluidica Nivel 1
Manual 1
Curso de neumática 1
Material didáctico generado
por el equipo docente del LAF
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Índice
Concepto de automatización............................................................................................................5
Participación De La Neumática.......................................................................................................6
La evolución en la técnica del aire comprimido..........................................................................6
Propiedades del aire comprimido................................................................................................7
Rentabilidad de los equipos neumáticos......................................................................................9
Fundamentos físicos......................................................................................................................10
Definición de conceptos.............................................................................................................11
Unidades SI deducidas y empleadas en la mecánica.....................................................................12
Fuerza.........................................................................................................................................12
Trabajo.......................................................................................................................................12
Potencia......................................................................................................................................13
Presión.......................................................................................................................................13
Presión relativa..........................................................................................................................14
Presión absoluta.........................................................................................................................14
Temperatura...............................................................................................................................14
Temperatura absoluta o Kelvin..............................................................................................15
Masa...........................................................................................................................................15
Velocidad...................................................................................................................................15
Aceleración................................................................................................................................15
Caudal........................................................................................................................................16
Leyes de la neumática....................................................................................................................16
El aire es compresible................................................................................................................16
Ley de Boyle – Mariotte............................................................................................................16
Ley de Charles-Gay-Lussac ......................................................................................................17
Ejemplo 1:..............................................................................................................................18
Ejemplo 2: .............................................................................................................................19
Ejemplo 3:..............................................................................................................................19
Ley de los gases.........................................................................................................................19
Ejemplo 1:..............................................................................................................................20
Ejemplo 2...............................................................................................................................21
Ecuación de estado de los gases perfectos.................................................................................21
Aire Atmosférico.......................................................................................................................22
Humedad absoluta......................................................................................................................23
Humedad relativa.......................................................................................................................23
Aire libre....................................................................................................................................23
Aire comprimido........................................................................................................................24
Generación y distribución del aire comprimido............................................................................28
Compresores..............................................................................................................................28
Compresores alternativos...........................................................................................................29
Compresores a pistón.............................................................................................................29
Compresores a membrana......................................................................................................31
Compresores rotativos...............................................................................................................31
Compresores a paletas...........................................................................................................31
Compresores a tornillo...........................................................................................................33
Compresores Roots................................................................................................................34
Turbocompresores.....................................................................................................................34
Compresores radiales.............................................................................................................34
Compresores axiales..............................................................................................................35
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Ïndice
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Regulación de compresores alternativos....................................................................................35
Sistema de marcha y parada...................................................................................................36
Sistema de marcha en vacío...................................................................................................36
Rendimiento volumétrico de un compresor...........................................................................37
Depósito de aire comprimido.................................................................................................38
Determinación de la capacidad de los compresores..............................................................42
Distribución del aire comprimido..............................................................................................43
Redes de distribución.............................................................................................................43
Cálculo de las tuberías...........................................................................................................46
Ejemplos de cálculo de cañerías............................................................................................48
Cálculo de una tubería:..........................................................................................................50
Tratamiento del aire comprimido..................................................................................................55
Tratamiento del aire a la salida del compresor..........................................................................55
Postenfriadores aire-aire y aire-agua.....................................................................................55
Tratamiento del aire a la salida del depósito..............................................................................56
Secadores frigoríficos............................................................................................................56
Secadores por adsorción........................................................................................................57
Secadores por absorción........................................................................................................57
Separadores centrífugos.........................................................................................................58
Tratamiento del aire en los puntos de utilización......................................................................58
Filtros.....................................................................................................................................58
Reguladores de presión..........................................................................................................60
Lubricadores..........................................................................................................................64
Conjuntos FRL.......................................................................................................................65
Cilindros neumáticos.....................................................................................................................68
Cilindros de simple efecto.........................................................................................................68
Cilindros de doble efecto...........................................................................................................69
Normalización ISO................................................................................................................72
Cilindros de impacto..............................................................................................................74
Actuadores rotantes neumáticos............................................................................................75
Actuadores neumáticos a membrana.....................................................................................76
Amortiguaciones de fin de carrera.........................................................................................76
Pistón con imán incorporado.................................................................................................78
Montajes.....................................................................................................................................79
Velocidades máxima y mínima de cilindros neumáticos...........................................................80
Selección de cilindros neumáticos.............................................................................................81
a) Aplicaciones estáticas........................................................................................................82
b) Aplicaciones dinámicas.....................................................................................................84
b.1) Diámetro necesario para la elevación.............................................................................85
b.2) Diámetro necesario para el retorno.................................................................................86
b.3) Verificación de amortiguaciones....................................................................................87
B.4) Verificación por pandeo.................................................................................................90
Consumo de aire en cilindros neumáticos.................................................................................92
Amortiguadores hidráulicos de choque.....................................................................................94
Recomendaciones para el montaje de cilindros neumáticos......................................................97
Válvulas direccionales...................................................................................................................99
Configuración del símbolo de una válvula..............................................................................100
Tipos constructivos de válvulas Válvula de asiento esférico..................................................103
Válvulas de asiento de disco (poppet).................................................................................103
Válvulas de distribuidor axial plano....................................................................................104
Índice
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Válvulas de distribuidor rotante...........................................................................................104
Válvulas de distribuidor axial o corredera (spool)...............................................................105
Principios de funcionamiento de válvulas...............................................................................107
Válvulas 2/2.........................................................................................................................107
Válvulas 3/2.........................................................................................................................108
Válvulas 4/2.........................................................................................................................109
Válvulas 5/2.........................................................................................................................109
Válvulas de 3 posiciones......................................................................................................112
Características funcionales de válvulas...................................................................................113
Características de caudal......................................................................................................114
Presión de trabajo.................................................................................................................116
Presión de pilotaje................................................................................................................116
Frecuencia de conmutación.................................................................................................116
Dimensionado de válvulas.......................................................................................................117
Captores de señal sin contacto.................................................................................................120
Captores de paso..................................................................................................................120
Captores de proximidad - Reflex neumático.......................................................................121
Recomendaciones para el montaje de válvulas direccionales.................................................122
Válvulas auxiliares.......................................................................................................................124
Válvulas reguladoras de caudal...............................................................................................124
a) Regulador de caudal bidireccional...................................................................................124
b) Regulador de caudal unidireccional................................................................................125
Válvula de no retorno o de retención.......................................................................................127
Válvula “O” o selectora de circuitos........................................................................................128
Válvula de escape rápido.........................................................................................................129
Válvula “Y” o de simultaneidad..............................................................................................130
Recomendaciones para el montaje de válvulas auxiliares.......................................................132
BIBLIOGRAFIA.........................................................................................................................134
4
Ïndice
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Concepto de automatización
El hombre pone la máquina a su servicio con el objeto de lograr que lo
producido por ésta sea de mejor calidad, elaborando en mayor cantidad y
con menos fatiga física de su parte, con menos riesgos de accidentes y por
ende a un costo reducido.
Siempre interviene para dar la orden de puesta en marcha. Según sea el
grado de su intervención, se obtiene un mayor o menor nivel de
automatismo.
En primera escala se puede colocar un
operador que actúa directamente sobre un
pulsador o válvula que a su vez actúa un
cilindro neumático para lograr un desplaza
miento con una determinada fuerza. En
este caso toda la responsabilidad de la
decisión recae sobre el operador.
Ascendiendo en la escala, si se intercala un recurso tecnológico RT entre el
operador y el elemento receptor de su
decisión, disminuye su responsabilidad
y
se
garantiza
su
integridad
bajo
determinadas condiciones. Ej.: pulsar
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dos botones en forma simultánea, uno con cada mano para ordenar una
determinada operación.
Subiendo un escalón más y agregando
al caso anterior de seguridad un cierto
grado de automatismo se logra que el
operador de solamente una señal de
arranque
manual
sin
que
sea
necesaria su cuota de razonamiento o
de reflejos para que el proceso
continúe sólo, hasta cumplir el ciclo prefijado, limitando así aún más su
intervención dándole mayores garantías y fijando una secuencia lógica al
proceso.
En el último peldaño, con un
conjunto de recursos tecnológicos
íntegramente
automatizado,
se
puede
anular
totalmente
la
intervención humana durante la
ejecución de un proceso, lográndose
así la automación total.
Resumiendo, desde el punto de vista técnico podemos definir la
automatización como el conjunto de recursos tecnológicos tendientes a
lograr que una serie de funciones, operaciones o actos se realicen en una
determinada secuencia sin la intervención humana.
Participación De La Neumática
La neumática constituye una herramienta muy importante dentro del control
automático en la industria, enumeramos aquí los conceptos más importantes
destinados a operarios y encargados de mantenimiento.
La evolución en la técnica del aire comprimido
El aire comprimido es una de las formas de energía más antiguas que conoce el hombre y aprovecha para reforzar sus recursos físicos.
El descubrimiento consciente del aire como medio - materia terrestre - se
remonta a muchos siglos, lo mismo que un trabajo más o menos consciente
con dicho medio.
El primero del que sabemos con seguridad es que se ocupó de la neumática,
es decir, de la utilización del aire comprimido como elemento de trabajo, fue
el griego KTESIBIOS. Hace más de dos mil años, construyó una catapulta de
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Ïndice
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aire comprimido. Uno de los primeros libros acerca del empleo del aire comprimido como energía procede del siglo I de nuestra era, y describe mecanismos accionados por medio de aire caliente.
De los antiguos griegos procede la expresión "Pneuma", que designa la respiración, el viento y, en filosofía, también el alma.
Como derivación de la palabra "Pneuma" se obtuvo, entre otras cosas el
concepto Neumática que trata los movimientos y procesos del aire.
Aunque los rasgos básicos de la neumática se cuentan entre los más
antiguos conocimientos de la humanidad, no fue sino hasta el siglo pasado
cuando empezaron a investigarse sistemáticamente su comportamiento y
sus reglas. Sólo desde aprox. 1950 podemos hablar de una verdadera
aplicación industrial de la neumática en los procesos de fabricación.
Es cierto que con anterioridad ya existían algunas aplicaciones y ramos de
explotación como por ejemplo en la minería, en la industria de la
construcción y en los ferrocarriles (frenos de aire comprimido).
La irrupción verdadera y generalizada de la neumática en la industria no se
inició, sin embargo, hasta que llegó a hacerse más acuciante la exigencia de
una automatización y racionalización en los procesos de trabajo.
A pesar de que esta técnica fue rechazada en un inicio, debido en la mayoría
de los casos a falta de conocimiento y de formación, fueron ampliándose los
diversos sectores de aplicación.
En la actualidad, ya no se concibe una moderna explotación industrial sin el
aire comprimido. Este es el motivo de que en los ramos industriales más
variados se utilicen aparatos neumáticos.
Propiedades del aire comprimido
Causará asombro el hecho de que la neumática se haya podido expandir en
tan corto tiempo y con tanta rapidez. Esto se debe, entre otras cosas, a que
en la solución de algunos problemas de automatización no puede disponerse
de otro medio que sea más simple y más económico.
Índice
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¿Cuáles son las propiedades del aire comprimido que han contribuido a su
popularidad?
· Abundante: Está disponible para su compresión prácticamente en todo el
mundo, en cantidades ilimitadas.
· Transporte: El aire comprimido puede ser fácilmente transportado por
tuberías, incluso a grandes distancias. No es necesario disponer tuberías de
retorno.
·
Almacenable:
No
es
preciso
que
un
compresor
permanezca
continuamente en servicio. El aire comprimido puede almacenarse en
depósitos y tomarse de éstos. Además, se puede transportar en recipientes
(botellas).
· Temperatura: El aire comprimido es insensible a las variaciones de
temperatura, garantiza un trabajo seguro incluso a temperaturas extremas.
· Antideflagrante: No existe ningún riesgo de explosión ni incendio; por
lo tanto, no es necesario disponer instalaciones antideflagrantes, que son
caras.
· Limpio: El aire comprimido es limpio y, en caso de faltas de estanqueidad
en elementos, no produce ningún ensuciamiento Esto es muy importante por
ejemplo, en las industrias alimenticias, de la madera, textiles y del cuero.
· Constitución de los elementos: La concepción de los elementos de
trabajo es simple si, por tanto, precio económico.
· Velocidad: Es un medio de trabajo muy rápido y, por eso, permite
obtener velocidades de trabajo muy elevadas. (La velocidad de trabajo de
cilindros neumáticos pueden regularse sin escalones.)
· A prueba de sobrecargas: Las herramientas y elementos de trabajo
neumáticos pueden hasta su parada completa sin riesgo alguno de
sobrecargas.
Para delimitar el campo de utilización de la neumática es preciso conocer
también las propiedades adversas.
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Ïndice
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· Preparación: El aire comprimido debe ser preparado, antes de su
utilización. Es preciso eliminar impurezas y humedad (al objeto de evitar un
desgaste prematuro de los componentes).
· Compresible: Con aire comprimido no es posible obtener para los
émbolos velocidades uniformes y constantes.
· Fuerza: El aire comprimido es económico sólo hasta cierta fuerza.
Condicionado por la presión de servicio normalmente usual de 700 kPa (7
bar), el límite, también en función de la carrera y la velocidad, es de 20.000
a 35.000 N (2000 a 3500 kp).
· Escape: El escape de aire produce ruido. No obstante, este problema ya
se
ha
resuelto
en
gran
parte,
gracias
al
desarrollo
de
materiales
insonorizantes.
· Costos: El aire comprimido es una fuente de energía relativamente cara;
este elevado costo se compensa en su mayor parte por los elementos de
precio económico y el buen rendimiento (cadencias elevadas).
Rentabilidad de los equipos neumáticos
Como consecuencia de la automatización y racionalización, la fuerza de
trabajo manual ha sido reemplazada por otras formas de energía; una de
éstas es muchas veces el aire comprimido
Ejemplo: Traslado de paquetes, accionamiento de palancas, transporte de
piezas etc.
El aire comprimido es una fuente cara de energía, pero, sin duda, ofrece
indudables ventajas. La producción y acumulación del aire comprimido, así
como su distribución a las máquinas y dispositivos suponen gastos elevados.
Pudiera pensarse que el uso de aparatos neumáticos está relacionado con
costos especialmente elevados. Esto no es exacto, pues en el cálculo de la
rentabilidad es necesario tener en cuenta, no sólo el costo de energía, sino
también los costos que se producen en total. En un análisis detallado,
Índice
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resulta que el costo energético es despreciable junto a los salarios, costos de
adquisición y costos de mantenimiento.
Fundamentos físicos
La superficie del globo terrestre está rodeada de una envoltura aérea. Esta
es una mezcla indispensable para la vida y tiene la siguiente composición:
Nitrógeno aprox. 78% en volumen
Oxígeno aprox. 21% en volumen
Además contiene trazas, de bióxido de carbono, argón, hidrógeno, neón,
helio, criptón y xenón.
Para una mejor comprensión de las leyes y comportamiento del aire se
indican en primer lugar las magnitudes físicas y su correspondencia dentro
del sistema de medidas. Con el fin de establecer aquí relaciones inequívocas
y claramente definidas, los científicos y técnicos de la mayoría de los países
están en vísperas de acordar un sistema de medidas que sea válido para
todos, denominado "Sistema internacional de medidas", o abreviado "SI".
La exposición que sigue ha de poner de relieve las relaciones entre el
"sistema de unidades SI" y el "sistema técnico".
Magnitud
Unidad SI
Sistema
Física
Equivalencia
Técnico
Fuerza
Newton (N)=Kgm/s
Trabajo
Joule (J)=Nm
Pascal (pa) = N/m
2
2
Kilopond (Kp)
1 Kp = 9,81 N
Kilopond x metro (Kpm)
1 Kpm = 9,81 J
Atmósfera técnica (at)
1 at = 1,013 bar =
101.300 Pa =
1,033 Kg/cm2
CV = 75 Kpm/s
1Kw = 1000W = 1,35 CV
T (°K) = t (°C) + 273,16
Presión
Bar
Watt (W) = J/s
Potencia
Kilowatt (Kw)
Temperatura
Kelvin (°K)
Celius (°C)
Superficie
metro cuadrado (m²)
metro cuadrado (m²)
-----------
Caudal
Metro cúbico/s (m³/s)
Metro cúbico/s (m³/s)
-----------
Volumen
Metro cúbico (m³)
Metro cúbico (m³)
-----------
Longitud
Metro (m)
Metro (m)
-----------
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Definición de conceptos
Sistema de unidades SI (Sistema Internacional)
El sistema SI es el derivado del sistema Giorgi o MKS y su adopción legal es
una realidad en distintos países, tendiendo a una aplicación universal. Sus
magnitudes fundamentales son:
Longitud:
metro (m)
Masa:
Kilogramo (Kg)
Tiempo:
segundo (s)
Temperatura:
°Kelvin (°K)
En este sistema se introduce la masa (Kg) como magnitud básica en lugar
de la fuerza (Kp). En el campo de la neumática es necesario utilizar unidades
de medidas derivadas de las básicas, tales como:
Fuerza:
Newton (N)
Presión:
bar (bar)
Potencia:
Watt (W)
En el viejo sistema de representación de las unidades de presión debía
determinarse claramente si se trataba de atmósfera técnica, atmósfera
física, presión relativa, presión absoluta o depresión. En las nuevas normas
SI al utilizar el Pascal y el bar estamos refiriéndonos a presiones
manométricas. Por lo tanto, en el nuevo sistema SI, nos queda reflejado el
punto de referencia, puesto que en la técnica sólo se precisa la presión
diferencial en relación con la presión atmosférica, y este valor se utiliza por
ejemplo para calcular la fuerza ejercida por un cilindro neumático. Los
manómetros nos indican la presión diferencial con relación a la presión
atmosférica.
Índice
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Unidades SI deducidas y empleadas en la mecánica
Fuerza
Definiremos una fuerza F (N) a aquella necesaria para mover un cuerpo de
masa M (kg) imprimiéndole una aceleración a (m/s²) en la dirección del
movimiento.
F (N) = M (Kg) x a (m/s²)
Unidad: un
Newton
es
la
fuerza
que
aplicada a un cuerpo de masa igual a 1 Kg le
imprime una aceleración de 1 m/s²
1 N = 1 Kg x 1 m/s²
Equivalencia: 1 N = 0,102 Kp
1 Kp = 9,81 N
En la práctica puede utilizarse sin mayor error:
1 N = 0,1 Kp
1 Kp = 10 N
Trabajo
Producimos trabajo cuando un cuerpo es desplazado una cierta distancia por
efecto de una fuerza F en la dirección del movimiento. El trabajo efectuado
es el producto de la proyección de F en el sentido del movimiento por la
distancia recorrida por el cuerpo.
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Ïndice
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Unidad: un Joule es el trabajo producido por una fuerza de 1 N cuando su
punto de aplicación se desplaza 1 metro en la dirección del movimiento.
Equivalencia:
1 Joule = 0,102 Kpm
1 Kpm = 9,81 Joule (puede utilizarse 10 en la
práctica)
Potencia
Es el trabajo realizado en la unidad de tiempo.
P (w) = trabajo (J) / tiempo (s)
Unidad: un Watt es la potencia de un sistema que realiza un trabajo igual a
1 Joule en un tiempo igual a 1 segundo. Como el watt es una unidad
pequeña, en general se utiliza el Kilowatt (Kw).
1 Kw=1000 w
Equivalencia:
1 Kw = 1,36 CV
1 CV = 0,735 Kw
Presión
Se define como presión a la fuerza actuante sobre la unidad de superficie.
P = fuerza (N) / superficie (m²)
Índice
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Unidad: Tendremos 1 Pascal (Pa) de presión cuando una fuerza de 1 N
actúe sobre una superficie de 1 m²
1 Pa = 1 Newton /1 m²
Como el Pascal es una unidad pequeña se usa comúnmente el bar, siendo:
1 bar = 100.000 Pa = 10 Pa
Equivalencia: 1 bar = 0,981 Kp/cm (en la práctica puede utilizarse 1)
Presión relativa
Es la que resulta de tomar como presión de referencia (cero de la escala) a
la presión absoluta atmosférica. Es la presión que indican los manómetros
comunes y la empleada para el cálculo de fuerza de los cilindros o
actuadores neumáticos.
Presión absoluta
Resulta de tomar como presión de referencia (cero de la escala) al vacío
absoluto.
Es decir que presión relativa o manométrica será aquella medida sobre la
presión atmosférica y presión absoluta aquella medida sobre el cero absoluto
(vacío). Las presiones absolutas son poco usuales en la práctica, por lo tanto
nosotros nos referimos comúnmente a presiones manométricas o relativas.
Temperatura
Es el parámetro que define el nivel térmico.
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Ïndice
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Temperatura absoluta o Kelvin
Es aquella que toma corno cero de la escala al cero absoluto de
temperatura, correspondiente a - 273,16˚C.
Indicaremos con T a la temperatura en grados Kelvin o absoluta y con t a la
temperatura en grados centígrados o Celsius.
Masa
Es la magnitud física que define la cantidad de materia que conforma un
cuerpo.
Unidad: en el sistema SI la unidad de masa es el Kg.
Velocidad
Es el espacio recorrido en la unidad de tiempo.
V = e (m) / t (s)
Unidad: un móvil posee una velocidad V=1 m/s cuando recorre 1 metro en
un tiempo de 1 segundo.
Equivalencia:
1 Km/h = 0,28 m/s
1 m/s = 3,6 Km/h
Aceleración
Es la variación (incremento o disminución) de la velocidad en la unidad de
tiempo.
A=V
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t
Unidad: tendremos una aceleración a = 1 m/s cuando la velocidad V
aumente a razón de 1 m por cada segundo transcurrido.
a
=
1 m/s
=
1 m/s
1s
Caudal
Se llama caudal o gasto de un fluido al volumen de fluido que pasa por una
sección en la unidad de tiempo.
Caudal (q) = Vol / tiempo
Unidad: en el sistema SI su unidad es q = m/s
Leyes de la neumática
Con la ayuda de las magnitudes básicas definidas pueden explicarse las
leyes físicas fundamentales de la aerodinámica.
El aire es compresible
Como todos los gases, el aire no tiene una forma determinada. Toma la del
recipiente que lo contiene o la de su ambiente. Permite ser comprimido
(compresión) y tiene la tendencia a dilatarse (expansión).
La ley que rige estos fenómenos es la de Boyle-Mariotte.
Ley de Boyle – Mariotte
Esta ley física considera:
"A temperatura constante, los volúmenes de un gas son inversamente
proporcionales a las
presiones que soportan".
El volumen de un gas
depende de la temperatura
y la presión a la que se
encuentra, de forma que al
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Ïndice
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aumentar la temperatura aumentará su volumen (Ley de Charles y GayLussac) y al aumentar la presión el volumen disminuirá (Ley de BoyleMariotte). Está claro que también dependerá de la cantidad de gas que
tengamos: si aumentamos la cantidad de gas, debe aumentar su volumen.
P1
P2
=
V2
V1
P1 x V1 = P2 x V2 = constante
Ejemplo :
Si el volumen V1 = 1m que está a la presión atmosférica
P1 = 100 KPa (1 bar) se comprime con la fuerza F2 hasta alcanzar el
volumen V2
= 0,5 m, permaneciendo la temperatura constante , se
obtiene:
P1 x V1 = P2 x V2
P2
=
P1 x V1 =
V2
P2
=
100 KPa x 1m
0,5 m
=
200 KPa (2 bar)
Ley de Charles-Gay-Lussac
Esta ley manifiesta lo siguiente: "A presión constante, el volumen de un gas
varía en proporción directa con la temperatura absoluta"
Jacques Charles y Joseph-Louis Gay-Lussac, a comienzos de 1800,
estudiaron con detalle qué relaciones existían entre la temperatura de los
gases y el volumen que ocupaban. La moda de volar en globos aerostáticos
fue un incentivo importante en sus investigaciones.
Si un gas se mantiene a presión constante, su volumen es directamente
proporcional a la temperatura absoluta. Si se calienta a un gas hasta una
temperatura dos veces mayor que la inicial (en Kelvins), el volumen se
duplica
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Baja temperatura
Alta temperatura
V1
V2
=
T1
T2
V1 x T2 = V2 x T1
La variación de volumen ΔV es:
ΔV = V2 - V1
A volumen constante la relacion que se mantiene es:
p1
T
= 1
p 2 T2
Ejemplo 1:
Si el volumen del aire de una habitación a 10 ºC es de 90.000 l, ¿cuánto
aire escapará de la habitación si se calienta hasta 30ºC?
En primer lugar debemos expresar las temperaturas en Kelvin, es decir
debemos sumarle 273 a cada una de ellas. Así la temperatura inicial T1 será
10 + 273 = 283°K y la final, T2, valdrá 273 + 30 = 303°K. Como el volumen
inicial es de 90.000 litros, aplicando la ley de Charles obtendría:
V1 = T 1
V2 T 2
V2 = V1 x T2
T1
V2
=
90.000 x 303°K
283°K
=
96360,42 litros
Con lo que el volumen final será de 96360,42 litros.
La cantidad de aire que saldrá de la habitación será de 96.360,42 - 90.000 =
6.360,42 litros.
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Ejemplo 2:
0,8 m³ de aire a la temperatura T1 = 273°K (20°C) se calientan hasta T2 =
344°K (71°C). ¿Cuál será el volumen final?
V1 x T2 = V2 x T1
V2 = V1 x T 2
V2
=
0,8 m³ x 344°K
T1
=
0,94 m³
273°K
Ejemplo 3:
A 20 ºC, la presión del neumático de un coche es de 1,8 atm. Tras recorrer
50 km la temperatura del neumático es de 60ºC, ¿cuánto valdrá su presión?
Debemos, en primer lugar, expresar las temperaturas en Kelvin, por lo que
añadimos 273 a cada una de ellas, quedando T1 = 293°K y T2 = 333°K.
Aplicando ahora la relación entre presión y temperatura:
P1 = P2
T1
Reemplazando:
1,8 atm
T2
293°K
=
_P2_
333°K
Multiplicando en cruz, para eliminar los denominadores obtendríamos:
1,8 atm x 333°K = P2 x 293°K
P2
=
1,8 atm x 333°K
=
2,05 atm
293°K
La presión deseada es de 2,05 atm.
Ley de los gases
Gracias a las leyes de Boyle-Mariotte y de Charles y Gay-Lussac,
conocemos las relaciones que hay entre la presión, el volumen y la
temperatura de un gas, pero siempre que una de las tres permanezca
constante. Intentaremos determinar que ocurre cuando cambiamos las tres
propiedades, presión, volumen y temperatura, simultáneamente.
Digamos que las condiciones iniciales del
gas son P1, V1 y T1, y las finales P2, V2 y T2.
Podemos suponer que en un principio
cambiamos sólo el volumen y la presión,
dejando constante la temperatura. El gas,
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pasaría de las condiciones iniciales P1, V1 y T1 a las finales P2, V’2 y T1. Ahora
cambiaríamos únicamente el volumen y la temperatura, de forma que el gas
pasaría de estar P2, V’2 y T1 a P2, V2 y T2.
En el primer cambio, como no cambia la temperatura, se cumple la ley de
Boyle-Mariotte, es decir, el producto de la presión y el volumen es
constante: P1 x V1 = P2 x V’2. En el segundo caso se cumple la ley de
Charles y Gay-Lussac, el cociente entre volumen y temperatura es
constante:
V’2/T1 = V2/T2. Como en las dos ecuaciones que obtengo aparece el término
V2 puedo despejarlo en la segunda y sustituirlo en la primera obteniendo la
ecuación: P1 x V1 = P2 x T1 x V2
T2
Y agrupando según el subíndice quedará:
P1 x V1 = P2 xV2
T1
T2
Que es la Ley de los gases: el producto de la presión y el volumen de un
gas, dividido por la temperatura a la que se encuentra permanece siempre
constante. Como en la ley de Charles y Gay-Lussac, la temperatura ha de
estar expresada en Kelvin.
Ejemplo 1:
Los neumáticos de un coche deben estar, a 20ºC, a una presión de 1,8
atm. Con el movimiento, se calientan hasta 50ºC, pasando su volumen de
50 a 50,5 litros. ¿Cuál será la presión del neumático tras la marcha?
En primer lugar debemos expresar las temperaturas en Kelvin, es decir
debemos sumar 273 a cada una de ellas. Así la temperatura inicial T 1 será
20 + 273 = 293 K y la final, T2 valdrá 273 + 50 = 323 K, como el volumen
inicial es de V1 = 50 litros y el final de V2 = 50,5 litros y la presión inicial P1=
1,8 atm, aplicando la ley de los gases obtendremos:
1,8 x 50
293
=
P2 x 50,5
323
realizando las operaciones del primer miembro de la ecuación quedará:
0,307
20
=
P1 x 50,5
323
Ïndice
________________________________________LAF
Como 323 está dividiendo, pasará multiplicando y 50,5 que multiplica,
pasará dividiendo: 0,307 x 323
=
P2
50,5
La presión final P2 = 1,965 atm.
Ejemplo 2
Cierto gas ocupa un volumen de 5 litros a 20 ºC y una presión de760
mmHg. Si se comprime hasta 2500 cc a 1,2 atm, ¿cuánto valdrá su
temperatura?
Debemos, en primer lugar, expresar la temperatura en Kelvin, por lo que
añadimos 273 a 20°C quedando 293°K. Las presiones deben expresarse en
la misma unidad, así que como P1 = 760 mmHg, expresamos P2 en mmHg,
para lo que multiplicamos por 760 (760 mmHg, es lo mismo que 1 atm.),
quedando P2 = 912 mmHg. Otro tanto ocurre con los volúmenes, como V 1 =
5 litros, tenemos que poner V1 en litros también. 2500 CC equivalen a 2,5
litros.
Aplicando ahora la ecuación de los gases: 5 x 760
293
Realizando las operaciones quedará. 12,969
=
=
912 x 2,5
T2
2280
T2
Como T2 está dividiendo, pasará multiplicando al primer miembro de la
ecuación 12,969 x T2 = 2280, y pasando el número que multiplica a la
temperatura dividiendo nos quedará:
T2 =_ 2280_ 175,80°K o -97,20ºC.
12,969
Ecuación de estado de los gases perfectos
Es una ecuación que vincula los tres parámetros termodinámicos P, V y T,
siendo su expresión:
PxV=GxRxT
P = presión en bar (absoluta)
Índice
21
LAF________________________________________
V = volumen en m
T = temperatura en °K (absoluta)
R = constante del gas (29,27 para el aire)
G = peso del aire en Kp= V . p
p = peso especifico del aire en Kp/m3
Aire Atmosférico
Es un gas incoloro, inodoro e insípido, mezcla básicamente de tres gases con
el siguiente porcentaje volumétrico:
Nitrógeno
= 78%
Oxígeno
= 21 %
Hidrógeno =1%
También se encuentran en el aire pequeñas cantidades de:
Monóxido de Carbono (CO)
Óxido Nitroso (NO)
Metano (CH4)
Argón (Ar)
Helio (He)
Radón (Rn)
Neón (Ne)
lodo (I)
Dióxido de Carbono (C02)
Es sabido que el aire atmosférico contiene además una cierta cantidad de
humedad en forma de vapor de agua, que dependerá de las condiciones
climatológicas. La aptitud del aire atmosférico para retener vapor de agua
está relacionado con la presión y la temperatura ambiente, en especial con
esta última, admitiendo más vapor de agua a medida que aumenta su
22
Ïndice
________________________________________LAF
temperatura o se disminuye su presión, e inversamente, podría retener
menor cantidad de agua a medida que desciende su temperatura o aumenta
su presión (condensación).
Humedad absoluta
Se denomina así al peso de agua (en forma de vapor) existente en 1 Kg de
aire seco, en cualquier condición de presión y temperatura.
X = Kg. de vapor de agua / Kg de aire seco
Humedad relativa
Es la relación entre la humedad absoluta existente en el aire y la humedad
absoluta máxima que podría contener si estuviera saturado:
Xr = (X/Xs) x 100
Donde:
X = humedad absoluta
Xs humedad absoluta de saturación
Una humedad relativa del 100 % Indica que estamos en presencia de un
aire saturado, es decir que ya no admite más humedad (X=Xs).
Aire libre
Las cantidades en Nl/mim que se dan generalmente en los catálogos para el
consumo de aire de las herramientas o equipos neumáticos, se refieren a
aire libre por minuto (aire atmosférico a la presión y temperatura normales).
Debemos aseguramos que el dato sobre la capacidad del compresor que da
el fabricante esté también referido a aire libre, con el objeto de que exista
una correspondencia entre consumo y capacidad. Normalmente, estas dos
especificaciones están dadas en aire libre, y por lo tanto no hace falta
ninguna conversión. Sin embargo, cuando se trata del consumo de aire de
otros equipos, es posible que no esté dado en aire libre; entonces deberá
recurrirse a la fórmula para la conversión de litros de aire comprimido a una
presión determinada en litros de aire libre, siendo:
Índice
23
LAF________________________________________
Q = Q1 x (p+1,013)/1,013
Donde:
Q = litros de aire libre por minuto
Q1 = litros de aire comprimido por minuto
P = presión del aire comprimido en bar
Aire comprimido
En los sistemas de aire comprimido, el aire aspirado por el compresor entra
a la presión y temperatura ambiente con su consiguiente humedad relativa.
Entonces se lo comprime a una presión más elevada lo que produce un
calentamiento del aire al grado que toda su humedad pasará por el
compresor al ser aspirado. Este aire, ahora comprimido, al ir enfriándose en
el depósito y tuberías de distribución hasta igualar la temperatura ambiente,
condensará parte de su humedad en forma de gotas de agua.
Para determinar la cantidad de condensado en un sistema neumático, puede
utilizarse el siguiente gráfico, con ayuda de la fórmula:
C = 7,2 x 10- x G x Φ x (Xsi – Xsf)
Donde:
C = condensados (l/h)
G = caudal nominal aspirado por el compresor (Nm
Φ = porcentaje de servicio en carga del compresor =
tiempo en carga / tiempo de maniobra en %
Xsi = humedad absoluta del aire aspirado (g/Kg aire seco)
Xsf = humedad absoluta del aire comprimido (g/Kg aire seco)
Un ejemplo aclarará más el concepto:
Calcular la fracción de condensados que se producirá como resultado de la
compresión de aire atmosférico a una temperatura ambiente de 20°C y una
humedad relativa del 80%, siendo el caudal aspirado por el compre sor G =
8 Nm³ /min. Suponiendo que el compresor funcione con un porcentaje de
servicio de carga = 75 %, lo que implica que la relación:
tiempo en carga / tiempo de maniobra = 0,75 = 75 %
Supondremos que después de comprimido, el aire en el depósito y tuberías
24
Ïndice
________________________________________LAF
adquiere nuevamente la temperatura ambiente. La presión de servicio será
de 8 bar.
Para presión atmosférica y 20°C se lee Xs = 15 g/Kg. Calculamos el 80 % de
este valor, resultando:
Xsi
12 g/Kg de aire seco
(punto 1 del diagrama)
Para presión efectiva 8 bar y 20°C se lee:
Xsf = 1,5 g/Kg de aire seco
(punto 2 del diagrama)
Aplicando la fórmula:
C=7,2 x 10– x G x (Xsi - Xsf)=
C=7,2x 10–4 x 8,75 x (12-1,5)
C= 4,53 l/h
Índice
25
LAF________________________________________
Parte de este condensado podrá ser separado en el depósito o en equipos
separadores, siendo eliminado del sistema y parte arrastrado y transportado
en forma de fase líquida, niebla o microgota hacia los puntos de utilización,
verificándose:
Condensados = separados + arrastre
La cantidad de separados y arrastres dependerá de la eficiencia de los
equipos de tratamiento de aire incorporados a la línea. Estas condensaciones
juntamente con condensados de aceites degradados provenientes del
compresor, partículas metálicas producto de su desgaste, así como óxidos
metálicos desprendidos de cañerías y polvo atmosférico, serán arrastradas
por el flujo de aire hacia los puntos de utilización, constituyéndose en la
fuente principal de deterioro de los componentes neumáticos, tales como:
26
Ïndice
________________________________________LAF
1) Corrosión en tuberías metálicas.
2) Entorpecimiento de los accionamientos neumáticos.
3) Errores de medición en equipos de control.
4) Obturación de boquillas de arena.
5) Obturación de pistolas de pintar.
6) Degradación del poder lubricante de los aceites.
7) Oxidación de los órganos internos en equipos receptores.
8) Bajo rendimiento de la instalación.
9) Atascamiento de válvulas.
10) Prematuro desgaste de órganos móviles, etc.
De lo visto surge la conclusión de que el aire comprimido tal como sale del
depósito del compresor no es apto para ser utilizado en equipos neumáticos,
debiéndoselo tratar previamente.
Índice
27
LAF________________________________________
Generación y distribución del aire comprimido
Para producir aire comprimido se utilizan compresores que elevan la presión
del aire al valor de trabajo deseado. Los mecanismos y mandos neumáticos
se alimentan desde una estación central. Entonces no es necesario calcular
ni proyectar la transformación de la energía para cada uno de los
consumidores. El aire comprimido viene de la estación compresora y llega a
las instalaciones a través de tuberías.
Los compresores móviles se utilizan en el ramo de la construcción o en
máquinas que se desplazan frecuentemente.
En el momento de la planificación es necesario prever un tamaño superior de
la red, con el fin de poder alimentar aparatos neumáticos nuevos que se
adquieran
en
el
futuro. Por
ello,
es
necesario sobredimensionar la
instalación, al objeto de que el compresor no resulte más tarde insuficiente,
puesto que toda ampliación ulterior en el equipo generador supone gastos
muy considerables.
Es muy importante que el aire sea puro. Si es puro el generador de aire
comprimido tendrá una larga duración. También debería tenerse en cuenta
la aplicación correcta de los diversos tipos de compresores.
Compresores
Son máquinas que aspiran aire ambiente a la presión atmosférica y lo
comprimen hasta conferirle una presión superior. Son las máquinas
generadoras del aire comprimido. Existen varios tipos de compresores,
Tipos de compresores
Desplazamiento fijo
Alternativos
Desplazamiento variable
(Turbocompresores)
Rotativos
A pistón
A membrana
Radial
Axial
A paletas
A tornillo
Roots
28
Ïndice
________________________________________LAF
dependiendo la elección de las necesidades y características de su
utilización.
Compresores alternativos
Compresores a pistón
Son los de uso más difundido, en donde la compresión se efectúa por el
movimiento
alternativo
de
un
pistón
accionado por un mecanismo biela-manivela.
En la carrera descendente se abre la válvula
de admisión automática y el cilindro se llena
de aire para luego en la carrera ascendente
comprimirlo, saliendo así por la válvula de
descarga. Una simple etapa de compresión
como
la
presiones
descripta
elevadas,
no
con
permitirá
un
obtener
rendimiento
aceptable, será necesario entonces recurrir a
dos o más etapas de compresión, en donde el
aire comprimido a baja presión de una
primera etapa (3-4 bar) llamada de baja, es
vuelto a comprimir en
otro
cilindro
en
una
segunda etapa llamada
de
alta,
presión
hasta
final
la
de
utilización (ver figura
Índice
29
LAF________________________________________
2). Puesto que la compresión produce una cierta cantidad de calor, será
necesario refrigerar el aire entre las etapas para obtener una temperatura
final de compresión más baja y con rendimiento superior. La refrigeración de
estos compresores se realiza por aire o por agua, dependiendo del tipo de
compresor y su presión de trabajo.
El cilindro de alta es de diámetro más reducido que el de baja, puesto que
éste toma el aire ya comprimido por la primera y por lo tanto ocupará
menos volumen. Para presiones superiores será necesario recurrir a varias
etapas de compresión. Una buena rentabilidad del equipo compresor se
obtendrá trabajando en los siguientes rangos de presión de acuerdo al
número de etapas, considerando un servicio continuo:
Hasta 3-4 bar: 1 etapa
Hasta 8-10 bar: 2 etapas
Más de 10 bar: 3 etapas o más
Para presiones superiores a las indicadas, la rentabilidad del equipo
disminuye.
También se construye este tipo de compresor con cilindros de doble efecto, con lo que
se logra duplicar la capacidad del compresor
con una construcción más compacta. Un cilindro de doble efecto se muestra en el esquema de la figura 3:
Los cilindros pueden adoptar
distintas posiciones, como se
indica seguidamente:
Donde se requiere aire sin
vestigios de aceite puede re-
30
Ïndice
________________________________________LAF
currirse al compresor de pistón seco en donde los aros son de material
antifricción tipo teflón o de grafito.
El campo de utilización de estos compresores va desde 50 a 25.000 Nm3 /h
de capacidad y presiones desde 2 a 1.000 ó 2.000 bar.
Compresores a membrana
Son de construcci6n sencilla y consisten en una membrana accionada por
una biela montada sobre un eje motor excéntrico; de este modo se obtendrá
un movimiento de vaivén de la membrana con la consiguiente variación del
volumen de la cámara de compresión en donde se encuentran alojadas Las
válvulas de admisión y descarga, accionadas automáticamente por la acción
del aire. Permiten la producción de
aire
comprimido
exento
de
aceite,
absolutamente
puesto
que
el
mismo no entra en contado con el
mecanismo de accionamiento, y en
consecuencia el aire presenta gran
pureza.
Utilizados en medicina y en ciertos
procesos químicos donde se requiera
aire sin vestigios de aceite y de gran pureza. No utilizados en general para
uso industrial.
Compresores rotativos
Compresores a paletas
También llamados multialetas o
de émbolos rotativos. Constan
de una carcasa cilíndrica en
cuyo interior va un rotor montado excéntricamente de modo
de rozar casi por un lado la
pared de la carcasa formando
Índice
31
LAF________________________________________
así del lado opuesto de trabajo una cámara en forma de media luna. Esta
cámara queda dividida en secciones por un conjunto de paletas deslizantes
alojadas en ranuras radiales del rotor.
Diagrama de funcionamiento de un compresor rotativo a paletas con refrigeración
por inyección de aceite
A: aspiración de aire -1: Filtro de succión 2/3: válvula de retención y órgano de cierre 4: compresor con corredera cilíndrica rotativa 8: inyección de aceite refrigerante – C: salida
de la mezcla de aire comprimido y aceite - 5:
cañería depresión – 6: recipiente combinado
de aire y aceite - 7: separador fino especial 8: válvula de presión mínima - 9: filtro de
aceite - 10: refrigerador de aceite.
Al girar este último, el volumen de las secciones varía desde un máximo a
un mínimo, produciéndose la aspiración, compresión y expulsión del aire sin
necesidad de válvula alguna. Este tipo de compresor es muy adecuado para
los casos en que no es problema la presencia de aceite en el aire comprimido, fabricándose unidades de hasta 6.000 Nm3 /h de capacidad y hasta
una presión de 8 bar en una sola etapa y 30 bar en dos etapas con refrigeración intermedia.
En los últimos años se ha empezado a sustituir la refrigeración mediante
inyección de aceite que actúa durante todo el proceso de compresión. Dicho
aceite absorbe una parte considerable de calor de compresión, de manera
tal que aún para presiones de salida de 8 bar no se alcanzan temperaturas
superiores a los 90°C en la mezcla aire-aceite. Este último es extraído
haciendo pasar la mezcla por separadores especiales y luego de refrigerado
es inyectado nuevamente.
De requerirse aire exento de aceite, las paletas deben ser hechas de
materiales autolubricantes, tipo teflón o de grafito. Alcanzan una vida útil de
35.000 a 40.000 horas de funcionamiento dado el escaso desgaste de los
órganos móviles (paletas) por la abundante presencia de aceite. Este tipo de
compresores suministran un flujo casi sin pulsaciones y en forma continua
32
Ïndice
________________________________________LAF
utilizando un depósito de dimensiones reducidas que actúa de separador de
aceite.
Compresores a tornillo
También llamados compresores helicoidales. La compresión en estas máquinas es efectuada por dos rotores helicoidales, uno macho y el otro hembra
que son prácticamente dos tornillos
engranados entre
contenidos
en
una
sí y
carcasa
dentro de la cual giran. El macho es un tornillo de 4 entradas
y la hembra de 6. El macho
cumple prácticamente la misma
función que el pistón en el compresor alternativo y la hembra
la del cilindro. En su rotación los
lóbulos del macho se introducen
en los huecos de la hembra desplazando el aire axialmente, disminuyendo
su volumen y por consiguiente aumentando su presión. Los lóbulos se “llenan” de aire por un lado y descargan por el otro en
sentido axial.
Los dos rotores no están en contacto entre si, de modo
tal que tanto el desgaste como la lubricación resultan
mínimas. Esto se Logra a través de un juego de ruedas
dentadas que mantiene el sincronismo de giro de los
rotores y evita que éstos presionen unos contra otros,
asegurándose la estanqueidad necesaria por la estrecha
tolerancia de los juegos que existen entre ellos y la de
éstos con la carcasa.
La refrigeración y lubricación (no necesaria en et rotor)
y una mejor hermeticidad se logran por inyección de
aceite en la compresión que luego será separado del aire comprimido en se-
Índice
33
LAF________________________________________
paradores, al igual que en los compresores de paletas. Se construyen de 1,
2 o más escalones de compresión y entregan un flujo casi continuo por lo
que las dimensiones del depósito son reducidas, cumpliendo más bien funciones de colector y separador de aceite que de acumulador.
El campo de aplicación de éstos va desde 600 a 40.000 m 3/h y se logran
presiones de hasta 25 bar.
Compresores Roots
Sólo transportan el volumen de aire
aspirado del lado de aspiración al de
compresión, sin comprimirlo en este
recorrido. No hay reducción de volumen y por lo tanto tampoco aumento
de presión. El volumen que llega a la
boca de descarga, todavía con la presión de aspiración, se mezcla con el
aire ya comprimido de la tubería de descarga y se introduce en la cámara
llegando ésta a la presión máxima siendo luego expulsado. Un juego de engranajes accionan los rotores en forma sincrónica y evita que se rocen entre
si. Resultan apropiados cuando se requiera aire comprimido a bajas
presiones completamente libre de rastros de lubricante. Sólo se alcanzan
presiones no muy superiores a los 1,5 bar y por tal razón su uso es
restringido en aplicaciones neumáticas.
Turbocompresores
Funcionan bajo el principio de la dinámica de los fluidos, en donde el
aumento de presión no se obtiene a través del desplazamiento y reducción
de volumen sino por efectos dinámicos del aire.
Compresores radiales
Se basan en el principio de la compresión del aire por fuerza centrífuga y
constan de un rotor centrífugo que gira dentro de una cámara espiral,
34
Ïndice
________________________________________LAF
tomando el aire en sentido axial y arrojándolo a gran velocidad en sentido
radial. La fuerza centrífuga que actúa sobre el aire lo comprime contra la
cámara de compresión. Pueden ser de
una o
varias
etapas
de compresión
consecutivas, alcanzándose presiones de
8 bar y caudales entre 10.000 y 200.000
Nl/h. Son máquinas de alta velocidad,
siendo ésta un factor fundamental en el
funcionamiento ya que está basado en
principios dinámicos, siendo la velocidad
de rotación del orden de las 15.000 a 20.000 r.p.m., y aún más.
Compresores axiales
Se basan en el principio de la compresión axial y consisten en una serie de
rodetes consecutivos con alabes que comprimen el aire. Se construyen hasta
de 20 etapas de compresión (20 rodetes). El campo de aplicación de este
tipo de compresor alcanza caudales desde los 200.000 a 500.000 Nm3/h y
presiones de 5 bar, raramente utilizados en neumática industrial.
Regulación de compresores alternativos
En la práctica el consumo de aire comprimido resulta muy variable a causa
de la multiplicidad e intermitencia del uso que se hace del mismo. Ahora
bien, en los compresores de desplazamiento fijo el caudal depende casi
exclusivamente de la velocidad do rotación. Siendo ésta en al práctica
constante (motor eléctrico de una sola velocidad), también lo será el caudal
y por lo tanto tendremos en determinado momento un exceso de generación. Deberíamos por lo tanto tener la posibilidad de almacenar este aire
producido en exceso. Esto se realiza mediante un depósito de acumulación
pero sólo puede hacerse en un periodo limitado, hasta alcanzar la presión
máxima admisible por el compresor o el acumulador. Será entonces
necesario recurrir a métodos de regulación que interrumpan la generación
Índice
35
LAF________________________________________
una vez alcanzado dicho nivel máximo o la presión establecida para el
sistema.
Sistema de marcha y parada
El compresor funciona a intervalos intermitentes y se detiene cuando en el
depósito se alcanza la presión máxima o presión de corte. A partir de ese
instante el consumo es satisfecho por el aire acumulado en el depósito hasta
que en el mismo la presión llegue a un valor mínimo admisible de regulación
(presión de arranque), momento en que vuelve a arrancar para cubrir la
demanda. Es el sistema de regulación más económico y el más difundido
para pequeñas máquinas. No puede utilizarse cuando el consumo sea tal que
el compresor deba arrancar y parar continuamente, pues tanto el motor
como su contactor admiten un número limitado de maniobras horarias (10 a
15 como máximo) determinadas por el calentamiento o desgaste de los
mismos. La señal de arranque y parada se obtiene a través de un presóstato
regulado entre las presiones máxima y mínima, enviando una señal eléctrica
al contactor del motor, el que ordena su marcha o parada.
Sistema de marcha en vacío
El compresor con este sistema está continuamente en marcha, pero alterna
períodos en que comprime con períodos en que el aire es aspirado y
expulsado por la misma válvula de aspiración. Esto se consigue abriendo la o
las válvulas de admisión. El aire aspirado en la carrera descendente del
pistón es nuevamente descargado en la atmósfera en la carrera ascendente.
La apertura de la válvula de admisión se obtiene a través de un mecanismo
abre válvulas accionado por un pequeño pistón o una membrana ubicados
en la cabeza de los cilindros. Este sistema es gobernado por una señal
neumática proveniente de una electroválvula actuada por un presóstato en
función de la presión del depósito. La frecuencia del ciclo carga-vacío puede
ser elevada sin causar daños al compresor y al motor eléctrico. El compresor
durante su marcha en vacío consume entre 10 y 15 % del consumo a plena
carga.
36
Ïndice
________________________________________LAF
Otro sistema de marcha en vació menos utilizado, consiste en cerrar el
conducto de aspiración del compresor, lo que conduce a un recalentamiento
del mismo, sólo aplicable a máquinas de pequeña potencia.
Rendimiento volumétrico de un compresor
Es el cociente entre el volumen de aire realmente aspirado por el compresor
(reducido a la presión y temperatura externa) y el volumen de cilindrada
(generado por la carrera del pistón). A primera vista este rendimiento
debería ser 100 %, pero veremos que esto no ocurre debido a:
a) El aire que entra en el cilindro se calienta y aumenta su volumen.
b) la presión de aspiración debe ser necesariamente inferior a la atmosférica
para permitir al aire entrar al cilindro.
c) El cierre de las válvulas no es instantáneo, permitiendo fugas de aire.
d) Pueden verificarse fugas a través de los aros del pistón y válvulas aún
cerradas.
e) Presencia de un espacio nocivo al final de la carrera de compresión.
El aire comprimido en este espacio nocivo se expande dentro del cilindro en
la carrera de aspiración, disminuyendo el volumen de aire realmente
aspirado. Considerando sólo el último punto y para una compresión
isotérmica, se llega a:
ηv = 1 – m x (P2/P1 – 1)
donde:
ηv = rendimiento volumétrico teórico
m
=
coeficiente de espacio nocivo = volumen espacio nocivo /
Volumen cilindrada
P2 = presión absoluta de compresión
P1 = presión absoluta de aspiración
Ejemplo:
m = 0,05 (5 %)
P2=9 bar
P1=1 bar
ηv = 1- 0,05 (9-1)
ηv = 0,6 = 60 %
Índice
37
LAF________________________________________
Este rendimiento se anularía para presiones efectivas, tal que (P2/P1 -1) =
1/m, sin embargo en la práctica ello no ocurre pues la compresión no es
isotérmica anulándose para valores más elevados de la presión. La
disminución del ηv con el aumento de presión explica la razón por la cual no
deben obtenerse presiones elevadas en una sola etapa de compresión en
forma rentable. El valor de ηv disminuye aún más en máquinas usadas, pues
pueden verificarse fugas a través de los aros del pistón y válvulas aún
cerradas. Al adquirir un compresor será necesario comprobar que la
capacidad indicada en la chapa sea la real y no la teórica.
C Real = ηv x CTeórica
Depósito de aire comprimido
Las funciones principales del depósito o acumulador son:
1) Obtener una considerable acumulación de energía para afrontar “picos”
de consumo que superen la capacidad del compresor.
2) Contribuir al enfriamiento del aire comprimido y la disminución de su
velocidad, actuando así como separador de condensado y aceite proveniente
del compresor.
3) Amortiguar las pulsaciones originadas en los compresores, sobre todo en
los alternativos.
4) Permitirla regulación del compresor compensando las diferencias entre el
caudal generado y el consumido, los cuales normalmente trabajan con
regímenes diferentes.
Su capacidad dependerá de:
1) Las características de la demanda de aire en la red. Esta puede ser:
Constante
Intermitente
Instantánea
38
Ïndice
________________________________________LAF
2) Del sistema de regulación que tenga el compresor Esto determina el
número máximo de maniobras horarias: normalmente 10 cuando es por
marcha y parada, 60 o más cuando es por carga y vacío.
3) De la amplitud del rango de presiones dentro del cual regula el compresor
(ΔP de regulación): normalmente 0,8 - 1 bar con regulación por marcha y
parada y 0,3 - 0,5 bar con regulación por carga y vacío. El ábaco de la
página siguiente permite calcular el volumen del depósito en función de las
variables mencionadas para una demanda del tipo constante.
Índice
39
LAF________________________________________
Su construcción podrá ser horizontal o vertical, prefiriéndose estos últimos
por el menor
espacio ocupado. El depósito
deberá
ubicarse en
un lugar
fresco, lo
más cerca
posible del
compresor,
preferentemente fuera del edificio, donde pueda disipar parte del calor
producido en la compresión.
El depósito debe ser firmemente anclado al piso para evitar vibraciones debidas a las pulsaciones del aire.
Los accesorios mínimos que deberán incluir
son:
- válvula de seguridad
- manómetro
- grifo de purga
- boca de inspección
La válvula de seguridad debe ser regulada a no
más de 10 % por encima de la presión de
trabajo y deberá poder descargar el total del
caudal generado por el compresor. Deberá contar además con un dispositivo
de accionamiento manual para probar periódicamente su funcionamiento.
40
Ïndice
________________________________________LAF
Cuando el tanque se instala
en el exterior y existe peligro
de temperatura por debajo
de 0°C, el manómetro y la
válvula de seguridad, deben
conectarse con tuberías para
ubicarlos en el interior. Estas
tuberías
deben
tener
pendiente hacia el depósito
para
que
sean
autodrenantes. Nunca instale
válvulas de bloqueo entre el
depósito
y
la
válvula
de
seguridad pues lo prohíben
los reglamentos.
En los tamaños pequeños la
inspección se realizará por
medio de una simple boca
bridada de 100 a 150 mm de
diámetro;
en
los
tamaños
mayores estas bocas serán
del tipo “entrada de hombre”
(460 a 508 mm). Las cañerías para el control (regulación) deben ser conectadas al depósito en un punto donde el aire sea lo más seco posible. Es
importante que ésta esté provista de un filtro con válvula de purga para
permitir drenar el agua y aceite acumulado y asegurar un perfecto funcionamiento del sistema de regulación.
Instale un regulador de presión que permita independizar la presión de trabajo del compresor de aquella con que operan los sistemas de regulación
(normalmente 4 - 6 bar).
Índice
41
LAF________________________________________
La figura de la derecha muestra un
esquema de la instalación del depósito
y las líneas de control.
En algunas instalaciones el presóstato
de regulación y la electroválvula que
comanda el dispositivo de regulación
(abre válvulas), se ubican cerca del depósito; en otros casos, estos elementos
forman parte de un tablero de control
general.
Cuando se coloque una válvula de cierre en alguna de estas cañerías, deberá
tenerse especial cuidado de que el compresor esté desconectado mientras la
válvula esté cerrada.
Debe tenerse presente que el depósito constituye un elemento sometido a
presión y por lo tanto existen regulaciones oficiales respecto a sus características constructivas. Existen además normas y códigos que regulan su cálculo, diseño, fabricación y ensayos.
Determinación de la capacidad de los compresores
La capacidad de los mismos puede determinarse aplicando el siguiente procedimiento:
1)
Determinar consumo específico de todas las herramientas o equipos de
la planta que consuman aire comprimido en Nm³/mm.
2)
Multiplicar dichos consumos por el coeficiente de utilización individual,
que es el tiempo del equipo funcionando en relación al tiempo total de un ciclo completo de trabajo o el porcentaje del tiempo de utilización sobre una
hora de trabajo.
3)
Sumar dichos resultados.
4)
Agregar entre un 5 a 10 % del valor computado en 3), para totalizar
las pérdidas por fugas en el sistema.
42
Ïndice
________________________________________LAF
5)
Adicionar un cierto porcentaje para contemplar posibilidad de futuras
ampliaciones, muy importante ya que de otro modo las disponibilidades del
sistema serán rápidamente superadas.
El resultado así obtenido (Qn) deberá ser cubierto por la capacidad del o de
los compresores (Qc) que si bien podrían llegar a funcionar con un coeficiente de demanda del 100 %, esto implicaría la marcha continua del compresor. Por lo tanto elegiremos el mismo para un coeficiente de demanda del
80% obteniendo a capacidad del compresor dividiendo el valor de Qn antes
hallado por el valor 0.8 (80 %) antes mencionado. resultando:
Qc = Qn /0.8 = 1,25 x Qn
Si se desea una elección más conservadora, puede realizarse el cálculo con
un coeficiente de demanda del 70%, resultando:
Qc = Qn / 0,7= 1,43 x Qn
Distribución del aire comprimido
Redes de distribución
El trazado de ésta se realizará considerando:
1) Ubicación de los puntos de consumo
2) Ubicación de las máquinas
3) Configuración del edificio
4) Actividades dentro de la planta industrial
Y teniendo en cuenta los siguientes principios:
a) Trazado de la tubería de modo de elegir los recorridos más cortos y tratando que en general sea lo más recta posible, evitando los cambios bruscos
de dirección, las reducciones de sección, las curvas, piezas en T, etc., con el
objeto de producir una menor pérdida de carga.
b) En lo posible tratar que el montaje de la misma sea aéreo, esto facilita la
inspección y el mantenimiento. Evitar las tuberías subterráneas, pues no son
prácticas en ningún sentido.
Índice
43
LAF________________________________________
c) En el montaje contemplar que puedan desarrollarse variaciones de longitud producidas por dilatación térmica, sin deformaciones ni tensiones.
d) Evitar que la tubería se entremezcle con conducciones eléctricas, de vapor, gas u otras.
e) Dimensionar generosamente las mismas para atender una futura demanda sin excesiva pérdida de carga.
f) Inclinar las tuberías ligeramente (3%) en el sentido del flujo de aire y
colocar en los extremos bajos, ramales de bajada con purga manual o automática. Esto evita la acumulación de condensado en las líneas.
g) Colocar válvulas de paso en los ramales principales y secundarios. Esto
facilita la reparación y mantenimiento sin poner fuera de servicio toda la
instalación.
h) Las tomas de aire de servicio o bajantes nunca deben hacerse desde la
parle inferior de la tubería sino por la parte superior a fin de evitar que los
condensados puedan ser recogidos por éstas y llevados a los equipos neumáticos conectados a la misma.
i) Las tomas y conexiones en las bajantes se realizarán lateralmente colocando en su parte inferior un grifo de purga o un drenaje automático.
44
Ïndice
________________________________________LAF
j) Atender a las necesidades de tratamiento del aire, viendo si es necesario
un secado total o sólo parcial del aire.
k) Prever la utilización de filtros, reguladores y lubricadores (FRL) en las
tomas de servicio.
Considerando los puntos antes mencionados, el tendido de la red podrá
hacerse según dos disposiciones diferentes:
a) En circuito cerrado o abierto cuando se le haga tratamiento de secado al
aire a la salida del compresor.
b) En circuito abierto cuando no se haga tal tratamiento.
Es de mencionar que cuando el circuito es cerrado la pendiente en los conductos es nula puesto que es incierto el sentido de circulación, ya que éste
dependerá de los consumos y por lo tanto la pendiente carece de sentido.
Por tal razón sólo se utiliza el circuito cerrado cuando se trata el aire a la salida del compresor con equipos secadores, según veremos más adelante.
Índice
45
LAF________________________________________
Cálculo de las tuberías
1) Tubería principal: es aquella que sale del depósito y conduce la totalidad
del caudal de aire comprimido. Velocidad máxima recomendada = 8 m/seg.
2) Tubería secundaria: son aquellas que se derivan de la principal, se distribuyen por las áreas de trabajo y de la cual se desprenden las tuberías de
servicio. Velocidad máxima recomendada 10 a 15 m/seg.
3) Tuberías de servicio: Se desprenden de las secundarias y son las que
alimentan a los equipos neumáticos. Velocidad máxima recomendada 15 a
20 m/seg.
Para su cálculo será necesario tener en cuenta:
a) La presión de servicio
b) El caudal en Nm3/min
c) Las pérdidas de carga: ésta es una pérdida de energía que se va originando en el aire comprimido ante los diferentes obstáculos que se presentan
en su recorrido hacia los puntos de utilización. La pérdida de carga admisible
en Las bocas de utilización no debe ser mayor que el 3 % de la presión
máxima del depósito.
La pérdida de presión o pérdida de carga se origina de dos maneras:
46
Ïndice
________________________________________LAF
1) Pérdida de carga en tramos rectos producida por el rozamiento del aire
comprimido contra las paredes del tubo.
2) Pérdida de carga en accesorios originada en curvas, T, válvulas, etc., de
la tubería.
Las primeras pueden ser calculadas con la siguiente fórmula:
ΔP = (β/R x T) x (V²/D) x L x p
donde:
ΔP = calda de presión (bar)
p = presión de trabajo (bar)
R = constante del gas = 29,27 para el aire
T = temperatura absoluta (t
+
273)
D = diámetro interior de la tubería (mm)
L = longitud del tramo recto (m)
V = velocidad del aire (m/seg.)
β = Índice de resistencia que depende de la rugosidad del
tubo y del caudal circulante
Dicha fórmula se
encuentra resuelta
en el siguiente
gráfico:
Las segundas las
evaluamos
a
través
del
concepto
de
longitud
equivalente.
Es
decir igualamos la
pérdida
en
el
accesorio
con
la
pérdida de carga
Índice
47
LAF________________________________________
producida en un tramo recto de cañería de longitud igual a la longitud
equivalente del accesorio. Esta longitud deberá ser sumada a la longitud
original (L) del tramo recto. La tabla siguiente muestra la longitud
equivalente de diversos accesorios de cañerías en función del diámetro.
Elemento intercalado en tuberías
1/4”
3/8”
1/2”
3/4”
1”
1/4”
1½”
2”
Válvula esclusa (tot abierta)
0,09
0,09
0,1
0,13
0,17
0,22
0,26
0,33
“T” (paso recto)
0,15
0.15
0,21
0,33
0,45
0,84
0,67
0,91
“T” (paso a derivación)
0,78
0,76
1
1,28
1,61
2,13
2,46
3,16
Curva a90
0,42
0,42
0,52
0,64
0,79
1,06
1,24
1,58
Curva a 45°
0,15
0,15
0,23
0,29
0,37
0,48
0,57
0,73
Válvula globo (tot. Abierta)
4,28
4,26
5,66
7,04
8,96
11,76
13,77
17,67
Válvula angular (tot. abierta)
2,43
2,43
2,83
3,50
4,48
5,88
6,88
8,83
0
Ejemplos de cálculo de cañerías
Calcular el diámetro de un tramo recto de cañería de 100 m de longitud por
el que circulan 3 Nm3/min. a 7 bar, siendo la pérdida de carga admisible ΔP
= 3 % de P1.
ΔP = 3 % x 7 bar = 0,21 bar
La pérdida de carga por unidad de longitud será:
0,21 bar / 100m = 0.0021 bar/m
Entrando al gráfico por su parte superior con P1=7 bar, trazamos una vertical hasta interceptarlo con una horizontal proveniente de la escala de caudales de la derecha con Q = 3 Nm3 /min (punto A en el diagrama). Por dicho punto trazamos una paralela a las líneas oblicuas hasta interceptada con
la vertical levantada desde el valor de la pérdida de carga por unidad de longitud ΔP=0,0021 bar/m (punto E del diagrama). Proyectando dicho punto
hacia la escala de la Izquierda obtenemos en ella el diámetro de la cañería =
1 1/4”.
Supongamos que la misma cañería no fuera recta y tuviera ahora montados
accesorios como ser 1 válvula exclusa abierta, 7 curvas a 900 y una T en derivación.
48
Ïndice
________________________________________LAF
Con el valor del diámetro deja tubería calculamos las longitudes equivalentes
de los accesorios.
1 válvula exclusa:
0,22 m
7 curvas a 900:
7m
1 Ten derivación:
2,13 m
-----------------------------------------Long. equivalente total:
9,35 m
Longitud total a considerar:
Cañería recta:
100 m
Long. equivalente:
9,35 m
-------------------------------------------Longitud total:
109,35 m
Con lo que la pérdida total de carga resultará:
0,0021 bar/m x 109,35 m = 0,23 bar
Como vemos el incremento de pérdida de carga producida en accesorios es
pequeña cuando se trata de cañerías de gran longitud y el número de los accesorios no es muy grande.
Consideremos ahora el mismo caudal circulante y la misma presión pero
para una cañería de 10 m con a misma pérdida de carga total, ΔP=0,21 bar
La pérdida por unidad de longitud será:
ΔP = 0,21 /10 = 0,021 bar/m
Yendo al gráfico vemos que corresponde a una cañería de ø = 3/4”
Considerando ahora los mismos accesorios:
1 válvula exclusa:
0,13 m
7 curvas a 900:
4,48 m
1 T en derivación:
1,28 m
----------------------------------------Long. equivalente total:
Índice
5,89 m
49
LAF________________________________________
Longitud total a considerar ahora:
Longitud recta:
10 m
Long. equivalente:
5,89 m
------------------------------------------------Longitud total
15,89m
Con lo que la pérdida de carga total resultará:
0,021 bar/m x 15,89 m = 0,33 bar
Tenemos un aumento de pérdida de carga del 60 % aproximadamente, con
lo que verificamos que la influencia sobre las pérdidas de carga en accesorios es realmente notable en cañerías cortas aún no siendo el número de
éstos excesivamente grande.
Cálculo de una tubería:
El consumo de aire en una industria es de 4 m³/min (240 m/h). En 3 años
aumentará un 300 %, lo que representa 12 m/min (720 m3/h).
El consumo global asciende a 16 m/min (960 m/h) La red tiene una
longitud de 280 m; comprende 6 piezas en T, 5 codos normales, 1 válvula
de cierre. La pérdida admisible de presión es de A p = 10 kPa (0,1 bar). La
presión de servicio es de 800 kPa (8 bar).
Se busca: El diámetro de la tubería
El nomograma, con los datos dados, permite determinar el diámetro
provisional de las tuberías.
Solución:
En el nomograma, unir la línea A (longitud M tubo) con la B (cantidad de aire
aspirado) y prolongar el trazo hasta C (eje l). Unir la línea E, (presión). En la
línea F (eje 2) se obtiene una intersección. Unir los puntos de intersección
de los ejes 1 y 2. Esta línea corta la D (diámetro nominal de la tubería) en
un punto que proporciona el diámetro deseado.
En este caso, se obtiene para el diámetro un valor de 90 mm.
50
Ïndice
________________________________________LAF
Índice
51
LAF________________________________________
Las resistencias de los elementos estranguladores (válvula de cierre, válvula
esquinera, pieza en T, compuerta, codo normal) se indican en longitudes
supletorias. Se entiende por longitud supletoria la longitud de una tubería
recta que ofrece la misma resistencia al flujo que el elemento estrangulador
o el punto de estrangulación. La sección de paso de la "tubería de longitud
supletoria" es la misma que la tubería.
Un segundo nomograma permite averiguar rápidamente las longitudes
supletorias.
52
Ïndice
________________________________________LAF
Con esta longitud total de tubería de 380 m, el consumo de aire, la pérdida
de presión y la presión de servicio se puede determinar, como en el
Índice
53
LAF________________________________________
problema anterior, con ayuda del nomograma (figura 25) el diámetro
definitivo de las tuberías.
En este caso, el diámetro es de 95 mm.
54
Ïndice
________________________________________LAF
Tratamiento del aire comprimido
Vimos ya anteriormente la necesidad de tratar al aire comprimido para su
utilización debido a la presencia de elementos indeseables que se constituían
en una fuente de posteriores desperfectos y deterioros de los componentes
neumáticos. Si bien el depósito constituye un atenuante para dicho fin,
podremos distinguir tres formas adicionales de realizar dicho tratamiento:
1)
A la salida del compresor mediante:
Aire - agua
- Postenfriadores
Aire - aire
2)
A la salida del depósito por medio de:
Frigoríficos
- Secadores
Por adsorción
Por absorción
- Separadores centrífugos
3)
En los puntos de utilización mediante:
- Filtros
- Reguladores de presión
- Lubricadores
Tratamiento del aire a la salida del compresor
Postenfriadores aire-aire y aire-agua
Son los más usuales para el tratamiento del aire comprimido. Se instalan
inmediatamente a la salida del compresor, y reducen la temperatura del aire
comprimido hasta Unos 25°C con lo cual se consigue eliminar un gran
Índice
55
LAF________________________________________
porcentaje de agua y aceites contenidos en el aire (70 a 80%). Constan, en
general, de un serpentín o un haz tubular por donde circula el aire
comprimido, circulando el fluido refrigerante (aire o agua) en contracorriente
por el exterior de los mismos. A la salida del refrigerador se encuentra un
separador-colector en el que se acumulan el agua y aceite condensados
durante la refrigeración. Son generalmente suficientes en la mayoría de las
aplicaciones del aire comprimido (talleres metalúrgicos e industrias en
general), siempre que la instalación esté provista de purgadoras y equipos
de tratamiento de aire en los puntos de utilización que permitan recoger las
condensaciones producidas en las redes.
Tratamiento del aire a la salida del depósito
Secadores frigoríficos
El principio del método de secado por refrigeración es en si extremadamente
simple. Se trata de enfriar el aire hasta una determinada temperatura y
extraer el condensado que se forma. El aire a secar pasa a través de un
intercambiador donde se enfría por la acción del fluido refrigerante de un
ciclo frigorífico. A la salida del intercambiador se coloca un separadorcolector de condensados para su posterior eliminación. Con este tipo de
secado se obtienen temperaturas del aire muy bajas, del orden de 2°C,
obteniéndose aire prácticamente seco.
56
Ïndice
________________________________________LAF
Secadores por adsorción
Responden a esta denominación
aquellos
secadores
que
efectúan el secado mediante un
adsorbente sólido de elevada
porosidad tal como: silicagel,
alúmina, o carbón activado, etc.
Estas sustancias se saturan y
deben ser regeneradas periódicamente a través de un adecuado proceso de reactivación.
Para ampliar su función estos secadores están constituidos por dos torres
de secado gemelas con la respectiva carga de adsorbente, funcionando cíclicamente una, mientras la otra está siendo regenerada. Con este tipo de secadores se obtiene aire extremadamente seco, equivalente a un punto de
rocío a presión atmosférica de -20 a -40°C.
Secadores por absorción
Normalmente este tipo de secador utiliza pastillas desecantes de composición química y granulado sólido altamente absorbente, que se funden y li-
Índice
57
LAF________________________________________
cuan al ir reteniendo el vapor de agua contenido
en el flujo a secar. Son de costo inferior a los
secadores frigoríficos y de adsorción, pero la
calidad del aire obtenido es inferior a aquellos.
Debe reponerse periódicamente la carga del
producto
químico
empleado.
Normalmente
reducen la humedad al 60-80% respecto al flujo
saturado 100% proveniente de un postenfriador
aire-aire o aire-agua. Tienen el inconveniente de
la contaminación con aceite de las sustancias
absorbentes o adsorbentes (caso anterior) disminuyendo su capacidad de
secado. Tal inconveniente no existe en el secado por refrigeración o frigorífico.
Separadores centrífugos
Se emplean cuando se persigue una separación de condensados a bajo costo. Funcionan haciendo pasar el aire comprimido a través de un deflector direccional centrífugo, que establece
en el aire un sentido de rotación dentro del equipo, de
modo de crear una fuerza centrífuga que obliga a las
partículas líquidas e impurezas a adherirse a la pared
del separador, decantando en la parte inferior del
mismo. Estas impurezas son luego eliminadas por
medio de una purga. Tienen el inconveniente que a
bajos consumos la velocidad dentro del separador es
muy baja, siendo también baja la fuerza centrífuga
sobre las partículas, lo que disminuye su eficiencia a caudales reducidos.
Tratamiento del aire en los puntos de utilización
Filtros
La utilización de filtros en las bocas de utilización se hace indispensable, debiendo estar presentes en toda instalación correctamente concebida, aún
58
Ïndice
________________________________________LAF
cuando se haya hecho tratamiento del aire a la salida del compresor o del
depósito. Éstos no impedirán la llevada a los puntos de consumo de partículas de óxido ni de pequeñas cantidades de condensado provenientes de las
redes de distribución. Éstos, de no ser retenidos tendrían acceso a los
componentes neumáticos con su consiguiente deterioro, aumento de los
costos de mantenimiento
y en general bajo rendimiento del equipo. Un filtro de este tipo es mostrado en la figura de la
derecha.
En realidad más que un
simple elemento filtrante,
es la combinación de éste
con un separador centrífugo.
Consta esencialmente de
un deflector centrífugo en su parte superior cuyo objeto es crear dentro del
vaso un movimiento ciclónico del aire de modo de crear una fuerza
centrífuga que actuando sobre las pequeñas gotas de condensado y
partículas obliguen a éstas a adherirse a las paredes del vaso, para
depositarse luego en su parte inferior en una zona de calma. Ésta es creada
por una pantalla que impide la turbulencia del aire por debajo de ella
evitando a su vez que el movimiento ciclónico superior arrastre parte del
condensado. Una segunda pantalla evita que el aire proveniente del deflector
centrífugo tome contacto directo con el elemento filtrante y lo contamine, a
la vez que prolonga el movimiento ciclónico del aire dentro del vaso aumentando la efectividad del equipo. En cuanto al elemento filtrante en sí,
puede tratarse de filtros de carbón activado, malla metálica o sintética o filtros cerámicos microporosos sinterizados, destinados estos últimos a la eliminación de partículas muy finas. Las capacidades de filtrado se expresan en
micrones indicando el tamaño de la mínima partícula capaz de retener y su
Índice
59
LAF________________________________________
elección dependerá de La calidad del aire requerido. Se presentan con capacidades de filtrado que varían entre 5 y 50 μ.
En cuanto al drenaje de los condensados del vaso podrá realizarse:
1) Manualmente
2) Automáticamente:
a) Por flotador: un flotante permite
la descarga cuando en el vaso se
alcance el nivel máximo.
b) Por descenso de la presión:
cuando la presión de la red cae al
valor
cero,
automáticamente
se
descarga el condensado.
c) Servocomandado por acción piloto: cuando se suministra una presión piloto a la válvula de descarga, ésta acciona drenando el condensado.
Reguladores de presión
Normalmente las presiones de trabajo de los equipos neumáticos son
interiores a las presiones de línea. Resultaría además imposible trabajar en
los mismos directamente con esta presión ya que no podría evitarse que
lleguen a los equipos las fluctuaciones de presión entre la máxima de parada
o vacío y la mínima de arranque del compresor. Además, si un equipo es
capaz de cumplir su función eficientemente a una presión determinada, el
hacerlo a una presión mayor sólo conduce a un incremento de consumo de
aire ya que éste es función de la presión, con la consiguiente disminución de
la rentabilidad del sistema. Por otro lado ciertos equipos deberán funcionar a
baja presión, lo que implicaría trabajar con presiones de línea también bajas
con el consiguiente y nuevo deterioro de la rentabilidad, ya que un
rendimiento óptimo se logra para presiones de servicio entre 6 y 8 bar.
Las funciones del regulador de presión serán:
1) Evitar las pulsaciones y fluctuaciones de presión provenientes del
60
Ïndice
________________________________________LAF
compresor.
Índice
61
LAF________________________________________
2) Mantener una presión de trabajo en los equipos sensiblemente constante
e independiente de la presión de línea y del consumo.
3) Evitar un excesivo consumo por utilizar presiones de operación mayores
que las necesarias en los equipos.
4) Independizar los distintos equipos instalados.
Existen básicamente dos tipos de reguladores:
a) Reguladores a membrana
b) Reguladores a pistón
El accionamiento de los mismos podrá ser:
1) De comando directo: la acción del tornillo
de regulación actúa directamente sobre el
resorte de contrapresión, con lo que el
movimiento
de
dicho
tornillo
se
toma
dificultoso, sobre todo en regulaciones de
presiones elevadas, restándole sensibilidad
a la misma.
2) De comando asistido: el tomillo de
regulación actúa en forma indirecta sobre
los resortes, siendo asistido por la misma
presión regulada actuante sobre el pistón o la membrana. De este modo se
obtiene un funcionamiento más suave del tomillo de regulación y mayor
sensibilidad en el mismo, como también una mejor respuesta a los cambios
de presión (mejores características de regulación).
En un regulador, la presión de línea, que llamaremos primaria, penetra por
la boca de entrada siendo impedido su pasaje a la zona secundaria por una
válvula de cierre, que se mantiene cerrada por acción de un resorte. Actuando ahora sobre la perilla de regulación se provocará un ascenso del tomillo
que empujará la válvula hacia arriba permitiendo al aire pasar a la zona de
presión
regulada,
llamada
secundaria.
Esta
presión
secundaria
se
comunicará a través de un pequeño orificio con la cara inferior del pistón
62
Ïndice
________________________________________LAF
comprimiéndolo contra los resortes. Esto provoca el descenso del tornillo de
regulación
y
en
consecuencia el cierre de la
válvula,
manteniendo
presión
la
secundaria
constante.
Se
comprende
fácilmente que la presión
secundaria dependerá del
grado de pre-tensión dado
a los resortes a través de la
perilla
de
regulación.
Al
consumir aire de la zona
secundada,
tenderá
a
la
presión
disminuir,
el
pistón ascenderá junto con el tornillo, abrirá la válvula, permitiendo así el
pasaje de aire y restaurar la presión al nivel regulado. Cuando se quiera
disminuir la presión secundaria aun nivel más bajo, girando la perilla de
regulación, se producirá el descenso del tomillo, despegándose del asiento
central de la válvula de cierre y permitiendo el pasaje del aire excedente a
través del conducto de descarga hacia la parte superior, venteando por los
orificios de escape situados en la campana superior. Esto es de gran
importancia ya que no sólo permitirá el escape de aire en ese caso, sino
también cuando se produzca una sobrecarga en la presión secundaria
comportándose como válvula de seguridad.
La característica de funcionamiento y el campo de aplicación de estos
equipos
queda
determinado
a
través
de
dos
gráficos
llamados
respectivamente:
- Característica de regulación
- Característica de caudal
Las primeras indican las variaciones de presión secundaria en función de la
primada y las segundas la misma variación en función del caudal.
Índice
63
LAF________________________________________
Lubricadores
La adecuada lubricación de las herramientas, cilindros, válvulas y demás
equipos accionados por aire comprimido, evita el deterioro de los mismos
provocado por la fricción y
la corrosión, aumentando
notablemente su vida útil,
reduciendo los costos de
mantenimiento, tiempos de
reparaciones y repuestos.
Para lubricar herramientas
y mecanismos neumáticos,
el
método
más
lógico,
eficiente y económico es
dosificar lubricante en el
aire
que
acciona
al
sistema, atomizándolo y formando una microniebla que es arrastrada por el
flujo de aire cubriendo las superficies internas de los componentes con una
fina capa de lubricante. Esta función es cubierta por los lubricadores,
existiendo diversidad de formas constructivas, pero siempre basados en el
mismo principio. En la figura de arriba se muestra el corte de un lubricador:
El aire que ingresa al lubricador es obligado por una pantalla deflectora a pasar en parte a través del tubo Venturi situado en el centro del canal, de
64
Ïndice
________________________________________LAF
modo que aquel aumenta su velocidad produciendo por efecto Venturi una
disminución de presión en la sección estrecha, donde está conectado el tubo
de bolilla que impide su retorno, desembocando luego en una válvula de
aguja
que
regula
el
goteo en el canal de
dosificación. La gota al
caer en este canal, es
llevada al Venturi, donde
por
efecto
velocidad
atomiza
de
la
aire
se
forma
de
del
en
niebla y es arrastrada por la corriente hacia los componentes.
Es importante que la atomización del aceite se produzca de tal forma que las
gotitas transportadas por el aire no se depositen por gravedad en las
tuberías antes de llegar a los equipos a lubricar. Es necesario regular el
goteo contando las gotas por unidad de tiempo a través del visor, a fin de
acondicionarlo con las necesidades del sistema. Una lubricación razonable
deberá situarse entre 1 y 4 gotas por cada Nm3 de aire consumido.
Conjuntos FRL
Están compuestos básicamente por un Filtro, un Regulador de presión y un
Lubricador,
y
una
unidad
para
el
constituyen
indispensable
correcto
funciona-
miento de un sistema neumático. Se instalan en la línea de alimentación del circuito
seco,
suministrando
limpio,
regulado
a
aire
lubricado
la
y
presión
requerida, es decir en las óptimas condiciones de utilización. Los conjuntos
FRL poseen en suma todas las características funcionales y constructivas de
Índice
65
LAF________________________________________
los elementos que los constituyen.
Consideraciones sobre los conjuntos FRL
1) Su elección se efectúa en función del caudal. Valen para este punto los
caudales determinados en las curvas características del regulador.
2) La presión de alimentación no deberá superarlas especificadas por los
fabricantes, ni operarse a temperaturas superiores a las establecidas por los
mismos.
3) La instalación de estos conjuntos introduce una pérdida de carga que será
necesario considerar. Ésta será función de la presión de entrada y el caudal
circulante. Un excesivo caudal circulante introducirá también una pérdida de
carga excesiva.
4) Utilizar los aceites recomendados por los fabricantes para el logro de una
efectiva lubricación. Aceites muy viscosos dificultan la correcta atomización
con la consiguiente deficiencia en la lubricación.
5) Deberán ser instalados lo más cerca posible de los componentes
neumáticos a lubricar. Grandes distancias implican la precipitación por
gravedad en los conductos de las partículas de aceite.
6) La limpieza de ¡os vasos del filtro y lubricador cuando sean construidos
con policarbonatos, deberá hacerse siempre con agua jabonosa, nafta o
kerosén. Nunca hacerlo con trioloroetileno, alcohol, thínner, tolueno, acetona
o tetracloruro de carbono.
Recomendaciones para el correcto montaje de unidades FRL
1) Al realizar el montaje debe tenerse en cuenta que el sentido del flujo
coincida con el sentido de las flechas grabadas generalmente sobre los elementos.
2) Debe tenerse especial cuidado cuando se monten conexiones con roscas
cónicas y cañerías galvanizadas. Estas pueden producir la rotura del elemento cuando se apriete excesivamente. Utilizar las conexiones adecuadas,
verificando el tipo de rosca de conexionado (BSPP, NPT, etc.).
3) Al montar las cañerías, asegúrese que estén limpias en su interior.
66
Ïndice
________________________________________LAF
4) Sise utiliza cinta de teflón para sellar las uniones roscadas, asegurarse
que no queden restos dentro del tubo que puedan penetrar en el interior del
elemento y alterar su buen funcionamiento.
5) Al montar las unidades, no olvide prever un espacio debajo del vaso del
filtro, para poder drenar el condensado dentro de un recipiente. Obsérvese
que el mismo no esté ubicado sobre un tablero eléctrico o electrónico.
6) Cuando los filtros se encuentren ubicados en lugares poco accesibles o
cuando la necesidad de drenarlos pueda pasar inadvertida, se aconseja el
empleo de drenajes automáticos.
7) Cargue el lubricador con los aceites recomendados; un aceite incorrecto
puede producir el deterioro de las guarniciones de los componentes neumáticos. Si el aceite no tiene la viscosidad adecuada, puede dificultar la aspiración del mismo y no obtenerse el efecto de lubricación deseado.
Índice
67
LAF________________________________________
Cilindros neumáticos
Son en general los elementos generadores de trabajo en un automatismo
neumático. Su función es la de realizar un movimiento rectilíneo alternativo,
subdividido en carrera de avance y carrera de retroceso, de modo de
transformarla energía estática del aire comprimido en trabajo mecánico o
esfuerzos prensores (fuerzas en movimiento o fuerzas estáticas).
Cilindros de simple efecto
Éstos sólo pueden realizar trabajo o esfuerzo en una sola dirección del
movimiento, lográndose el retorno por acción de una fuerza externa o por la
incorporación de un resorte antagónico dentro del cilindro. Por tal motivo no
se recomienda acoplar cargas que deban ser arrastradas en la carrera de
retorno.
Su aplicación se limita a trabajos simples, tales como sujeción, expulsión,
alimentación, etc., es decir operaciones con carrera de retorno sin carga.
Sólo consumen la mitad del aire comprimido que un cilindro de doble efecto
de iguales dimensiones.
68
Ïndice
________________________________________LAF
Hay modelos que tienen como posición de partida el vástago retraído,
realizando su trabajo extendiendo el vástago (resorte delantero). Otros
tienen como posición de partida el vástago extendido, operando en contraposición al anterior (resorte trasero). En ambos casos, dada la incorporación
del resorte y la longitud que éste ocupa comprimido dentro de la cámara del
cilindro, sumado a problemas de pandeo del resorte, la carrera de estos
cilindros queda limitada a valores reducidos de hasta un máximo del orden
de 50 mm.
Una variante constructiva de los cilindros de simple efecto consiste en el
cilindro con doble salida de vástago. Esta construcción permite obtener un
mejor guiado del vástago puesto que se logran más puntos de apoyo,
permitiendo actuar en las dos posiciones sobre ambos extremos del vástago.
Resultan muy útiles cuando el espacio para la colocación de levas o fines de
carrera sobre uno de los extremos es crítico. Poseen un resorte antagonista
careciendo de sentido la identificación de delantero o trasero. Utilizados
también cuando es necesario generar un tope positivo de carrera, el cual se
implementa sobre el extremo opuesto al de trabajo.
Cilindros de doble efecto
Pueden generar trabajo en los dos sentidos del movimiento para lo cual
poseen dos entradas de aire comprimido situadas en ambos extremos del
cilindro, es decir, se obtiene fuerza útil en ambos recorridos. Dado que no
existe ningún resorte interno, las carreras pueden ser ahora tan grandes
como se quiera. En términos prácticos pueden construirse de hasta 2000
Índice
69
LAF________________________________________
mm.
Al igual que los cilindros de simple efecto se construyen con simple o doble
salida de vástago. En los primeros (mostrados en la figura anterior), es
obvio que las superficies activas a ambos lados del pistón son distintas
debido a la presencia del vástago en la cámara delantera. Esto hará que la
fuerza de retroceso sea algo menor que la de avance.
En los segundos (mostrados en la figura siguiente), las áreas resultan
iguales y en consecuencia también lo serán las fuerzas. En los cilindros de
doble vástago se obtiene un mejor guiado, resultando además útiles en el
caso de falta de espacio para colocación de levas o topes positivos de
carrera.
Otra variante constructiva en la que se presentan los cilindros de doble
efecto está constituida por el cilindro de doble pistón en tandem.
Básicamente consiste en dos cilindros de doble efecto acoplados en serie,
con
un
vástago
común
formando
una
unidad
compacta.
Aplicando
simultáneamente presión sobre los dos émbolos se obtiene una fuerza de
casi el doble de la de un cilindro del mismo diámetro. Se utiliza cuando son
necesarias fuerzas considerables y se dispone de un espacio diametral
reducido,
70
no
siendo
posible
la
utilización
de
cilindros
de
mayores
Ïndice
________________________________________LAF
dimensiones. Puede obtenerse una economía en el consumo haciendo que la
carrera de retorno se efectúe alimentando sólo uno de los émbolos.
Una cuarta variante la constituyen los cilindros de doble efecto acoplados de
acción independiente. Están constituidos por dos cilindros unidos por sus
tapas traseras. Estos pueden operarse independientemente de modo tal de
obtener sobre uno de los extremos del vástago tres o cuatro posiciones de
trabajo según sean iguales o distintas las carreras de ambos cilindros.
Debido a esta última condición también son conocidos como cilindros
multiposicionadores.
Un tipo constructivo particular de cilindro de doble efecto, muy difundido
últimamente debido al desarrollo de la robótica y técnicas de manipuleo
automático, son los denominados cilindros sin vástago, ideales en casos de
Índice
71
LAF________________________________________
requerir carreras muy largas en donde la extensión de un vástago no es
posible.
Son cilindros en donde el pistón, en lugar de estar vinculado a un vástago, lo
está con una corredera externa que se desplaza solidariamente con el pistón
a lo largo del cilindro.
El acople entre pistón y corredera puede ser una vinculación rígida, como el
mostrado en la figura anterior, o una acopladura magnética o mediante
cable, cinta, etc. Por sus características, los de vinculación rígida son los que
presentan menores limitaciones en cuanto a transmisión de fuerzas,
momentos admisibles sobre la corredera y precisión en el posicionado.
Normalización ISO
La lSO (International Standard Organization) ha establecido una serie de
normas de carácter, internacional que regulan el aspecto dimensional de los
cilindros neumáticos. En ella básicamente se establecen las dimensiones
tendientes a garantizar al usuario la intercambiabiiidad de cilindros de
diversas procedencias. Según esta entidad quedan fijados los diámetros
constructivos de los cilindros, los extremos de vástagos, roscas de conexión,
materiales a emplear, sus tolerancias y los diferentes accesorios de montaje.
Para los diámetros establece la siguiente serie:
8-10-12-16-20-25-32-40-50-63-80-100-125-160-200 -250- 320 mm - etc.
Las
primeras
seis
dimensiones
(8
a
25
mm)
corresponden
a
los
comercialmente denominados microcilindros, que responden a un tipo
72
Ïndice
________________________________________LAF
particular de construcción (sin tensores y en general no desarmables), en
tanto las restantes (a partir de 32 mm) son los genéricamente conocidos
como cilindros, cuya construcción posibilita el desarme. En esta última serie
los hay con tensores, con tubo integral sin (tensores) o uniones tapa - tubo
bridadas.
Haciendo uso de los diámetros normalizados, y tratando de satisfacer
demandas de un sector del
mercado, los fabricantes han
recurrido a una construcción
denominada
no
compacta
contemplada
normas.
Índice
Esta
por
aún
las
construcción
73
LAF________________________________________
permite obtener cilindros de Longitud comparativa muy inferior a los normalizados a igualdad de carrera y diámetro.
Si bien ISO tiene alcance internacional y la mayor aceptación, cada país ha
generado a su vez sus propias normas (DIN, CNOMO, BS, UNI, JIC, etc.) con
distintos grados de difusión y aceptabilidad.
Cilindros de impacto
Utilizados cuando se quiera obtener una elevada fuerza de impacto. Esta
tuerza se obtiene a través de la energía cinética que en estos cilindros es
muy elevada, dada la alta velocidad del émbolo alcanzada en ellos, que
oscila entre los 7 y 10 m/seg. Destaquemos que la velocidad media normal
de los cilindros neumáticos convencionales es de 0,5 a 1,5 m/seg.
La energía cinética en cilindros de impacto estará dada por:
E =1/2 x M x v2 (Joule)
Siendo:
M = masa en movimiento (Kg.)
V = velocidad de desplazamiento de dicha masa (m/seg.)
La carrera de estos cilindros no puede ser muy grande pues a partir de
cierto límite la velocidad comienza a disminuir. Esto dependerá del volumen
de la precámara. Se utilizan para operaciones de remachado, marcado,
punzonado, cizallado, etc. Se pueden obtener frecuencias de actuación del
74
Ïndice
________________________________________LAF
orden del 2 ciclo/seg. Suelen tener la cara delantera del pistón amortiguado
para evitar el impacto contra las tapas cuando funcionan en vacío.
Actuadores rotantes neumáticos
La función de este tipo de actuador es la de obtener movimientos de
rotación alternativos. Con este fin los fabricantes han recurrido a diferentes
mecanismos y principios que comprenden el uso de paletas internas, sistemas de piñón y cremallera o mecanismos de palancas articuladas como el
llamado yugo escocés.
Uno, basado en el principio de piñón y cremallera simple, es mostrado en la
figura siguiente. Está formado por dos cilindros contrapuestos cuyos
pistones están unidos por un vástago cremallera que es movido en forma
-
alternada por los mismos. Dicha cremallera engrana con un piñón de modo
de transformar el movimiento lineal del conjunto en un movimiento de
rotación. Obviamente el ángulo de rotación queda limitado por la carrera de
los cilindros. Las características de control de velocidad resultan similares a
la de los cilindros neumáticos lineales.
Puede controlarse la velocidad en forma independiente en ambos sentidos
de rotación, controlando el flujo de aire comprimido, y el par torsor por
medio de la presión. Los ángulos de rotación que pueden obtenerse pueden
variar desde unos pocos grados a uno o dos giros, según sea la carrera de
los cilindros.
Índice
75
LAF________________________________________
Son empleados en rotación angular en órganos de máquinas-herramientas,
transporte
de
piezas
en
alimentadores,
selección
de
pistas
en
transportadores comando a distancia de válvulas rotantes, movimientos
angulares periódicos en máquinas especiales en ambientes explosivos,
aperturas de puertas, mezcladoras, etc.
Actuadores neumáticos a membrana
Son actuadores de simple efecto en donde el clásico émbolo ha sido
sustituido por una membrana elástica. Son, por regla general de gran
diámetro, lo que permite la obtención de fuerzas considerables. Sin embargo
por ser de simple efecto y dada la presencia del resorte de retorno son de
poca carrera. Son utilizados en donde sean precisos esfuerzos prensores,
sobre todo en lugares donde no se dispone de longitud axial suficiente para
la colocación de cilindros. Estos actuadores a igualdad de esfuerzos y
carreras son de dimensiones generales más reducidas que los cilindros
neumáticos.
No están expuestos a rozamientos pues la membrana no se desliza, sino que
se extiende y no requiere la utilización de aire lubricado ni extremadamente
limpio. No son aconsejables para grandes ciclados.
Amortiguaciones de fin de carrera
En general la utilización de cilindros neumáticos para la ejecución de
operaciones en los diferentes procesos industriales implica el movimiento de
traslación de ciertos mecanismos y/o masas de relativa importancia a ve-
76
Ïndice
________________________________________LAF
locidades, a veces elevadas. Esto da lugar a la aparición de una energía
cinética que se traduciría en un impacto contra las tapas delantera y trasera
del cilindro al llegar éste al final de sus carreras, lo que conduciría a la
destrucción del mismo en forma prematura. Para evitar tal impacto, en los
cilindros se han desarrollado sistemas de amortiguación regulable, mediante
los cuales se logra disminuir la velocidad del pistón (desacelerarlo) próximo
a
sus
puntos
muertos.
La
figura
siguiente
muestra
en
detalle
el
funcionamiento de una amortiguación neumática en un cilindro.
En la misma se observa que la salida
del aire de descarga
es bloqueada por un
émbolo llamado de
amortiguación antes
del final de su
carrera, formando
una cámara de aire
llamada de
amortiguación, que
se comprimirá y
cuya única posibilidad de escape, es ahora, a través de un pequeño orificio
regulable lográndose de este modo el efecto de frenado deseado. Modificando la posición del tornillo de regulación podemos variar en más o menos
el escape de aire de la cámara, con lo que variará, en consecuencia, el grado
de amortiguación logrado.
Los cilindros de simple efecto no suelen ser amortiguados, dado que no alcanzan carreras superiores a los 50 mm, siendo difícil en tan pequeña
longitud desarrollar grandes velocidades.
Los cilindros de doble efecto pueden o no ser amortiguados; en el primer
caso los fabricantes suelen ofrecer distintas soluciones, como ser:
•
Índice
con amortiguación delantera
77
LAF________________________________________
•
con amortiguación trasera
•
con doble amortiguación
Más adelante, haremos algunas consideraciones acerca de las energías
puestas en juego en la amortiguación.
Otros tipos de amortiguación de final de carrera disponibles suelen incluir
topes
internos
de
elastómeros
o
materiales
similares,
aunque
sin
posibilidades de regulación.
Pistón con imán incorporado
Algunos tipos constructivos de cilindros neumáticos admiten la posibilidad de
contar con un imán permanente en el pistón, o bien éste último construido
en un material magnético. La finalidad es la de actuar a un interruptor
magnético de proximidad
del tipo Reed – switch
montado en el exterior
del cilindro durante o al
final
de
utilizando
su
carrera,
esta
señal
eléctrica para gobernar a
otros
órganos
componentes
del
sistema, actuar contadores, emitir señales luminosas, actuar contadores o
relés, etc., o bien para controlar su propio movimiento actuando como fin de
carrera en reemplazo de los clásicos Micro Switches.
-
Estos interruptores suelen ser compatibles con el manejo desde señales
electrónicas hasta el comando directo de solenoides de electroválvulas.
Según el modelo y fabricante pueden poseer un LED indicador de su estado
de
activación,
facilitando
tareas
de
puesta
a
punto,
inspección
y
mantenimiento. Son fabricados en general bajo los requerimientos de las
normas DIN e lEC con grados de protección que garantizan seguridad contra
contactos casuales, entrada de cuerpos extraños, polvo e inmersión
78
Ïndice
________________________________________LAF
momentánea en agua. Esto los hace aptos para operar en ambientes
desfavorables.
El Interruptor de proximidad va generalmente montado sobre grampas de
sujeción a guías laterales del tubo o a las vajillas tensoras del cilindro. Puede
desplazarse axialmente a voluntad a lo largo de cualquier punto de la
carrera lo que le otorga gran posibilidad de posicionado y adaptabilidad a las
distintas condiciones operativas del equipo neumático. Operados bajo
condiciones
nominales
de tensión
y corriente
poseen
una vida
útil
sumamente elevada, superando las 10.000.000 de operaciones.
Algunos de estos tipos de interruptores pueden verse afectados por la
presencia de fuertes campos magnéticos erráticos, como los originados en
máquinas de soldar por arco.
Montajes
La forma de fijar un cilindro neumático dependerá casi totalmente de la
aplicación práctica que se le de al mismo y estará sujeto a condiciones de
diseño, razones de espacio y características de los movimientos. Como se
vio anteriormente existen normas a nivel internacional que definen los tipos
y las dimensiones principales de los accesorios de montaje para cilindros
Índice
79
LAF________________________________________
neumáticos. Esto le garantiza al usuario intercambiabilidad entre diferentes
fabricantes, e incluso disponer de una sustitución en máquinas importadas o
para las de exportación. Ya no se concibe a un cilindro como elemento
aislado, sino con sus accesorios de montaje, que sí bien se comercializan
separadamente, forman parte de la solución técnica que aporta el cilindro.
Las siguientes figuras muestran una línea de accesorios de montaje
normalizados para cilindros neumáticos.
Velocidades máxima y mínima de cilindros neumáticos
Los
cilindros
neumáticos
pueden
alcanzar
una
velocidad
máxima
comprendida entre 0,6 y 2,6 m/s según el diámetro.
80
Ïndice
________________________________________LAF
Diámetro
Velocidad
(mm)
máx. (m/s)
10- 12- 16
2,6
20 - 25 - 32
2,6
40
2,5
50
2
63
1,5
80
1,1
100
0.9
125
0,7
160
0,6
Estos valores máximos a su vez se ven afectados por la carga desplazada,
tamaño de la válvula y conducciones, condiciones de descarga (libre,
regulada o con escape rápido), carrera del cilindro, etc.
En realidad se prefiere hablar de velocidades medias alcanzables, ya que el
cilindro desarrolla su carrera en un tiempo en el cual se produce una
aceleración inicial y una desaceleración final de modo que su velocidad no es
constante a lo largo del recorrido. Como velocidades medias puede
considerarse un 70 % del valor indicado en La tabla anterior.
Como velocidad mínima, un límite práctico puede establecerse entre Los 30
y 50 mm/s debido a la elasticidad del aire, dependiendo ello, además, del
diámetro del actuador, características de la carga, sensibilidad del regulador
de caudal empleado, presión de alimentación, etc. Para obtener velocidades
inferiores a este límite debería recurrirse a dispositivos de avance hidráulicos
o hidroneumáticos.
Selección de cilindros neumáticos
La fuerza que pueden desarrollar los cilindros neumáticos es tal vez la
característica más importante por la cual comienza la etapa de selección. El
valor de la fuerza depende exclusivamente del diámetro del pistón y de la
presión del aire comprimido con que se alimenta el cilindro. Pero la fuerza no
Índice
81
LAF________________________________________
es el único parámetro de selección, siendo preciso realizar una serie de
verificaciones y cálculos dependiendo del tipo de aplicación. Atendiendo a las
características funcionales, las aplicaciones de cilindros neumáticos pueden
clasificarse en:
a) Aplicaciones estáticas
b) Aplicaciones dinámicas
a) Aplicaciones estáticas
Serán aquellos cilindros que realizan su acción (básicamente fuerza) en
posiciones determinadas de su recorrido a velocidad muy baja o nula.
Durante el desplazamiento y hasta la posición en que es ejercida la acción,
el vástago avanza libre o con baja carga. No es importante la velocidad que
se alcance en dicho desplazamiento. Dentro de esta categoría funcional
quedan incluidos los cilindros prensores, de sujeción, de posicionado, etc.,
de los que sólo se requiere fuerza y no velocidad.
La elección de cilindros estáticos
es probablemente la más sencilla
de todas las determinaciones de
cilindros y puede ser resuelta con
ayuda de gráficos como el de la
figura 1, el cual muestra los valores teóricos de fuerza según las
diferentes presiones y diámetros
de cilindros. La ecuación que lo
sustenta es:
F = 10 x ∏/4 x p x d
Donde:
F = Fuerza teórica del cilindro (N)
p = Presión de trabajo (bar)
d = Diámetro del pistón (cm)
El valor real es menor debido a la
fuerza de rozamiento, la que es
variable según la lubricación, presión de trabajo, forma de las guarniciones,
82
Ïndice
________________________________________LAF
etc. Esta disminución en la fuerza puede tenerse en cuenta mediante el
rendimiento del cilindro, estimado en un 90 %.
De este modo el valor real práctico de la fuerza será:
Fr = F x η = 10 x ∏/4 x p x d x η
Donde:
η = 0,9
Para cilindros de simple efecto se debe restar además la fuerza de reacción
del resorte, dato que generalmente se encuentra en los catálogos de fabricantes.
Para calcular la fuerza ejercida por el cilindro con la presión aplicada del lado
del vástago (fuerza de tiro), su valor se obtiene con el siguiente método:
a) Entrar al gráfico con d = diámetro del pistón y obtener la fuerza.
b) Entrar al gráfico con d = diámetro del vástago y obtener la fuerza.
c) La resta de ambos valores dará la fuerza resultante teórica ejercida por el
cilindro en la carrera de retorno.
Si bien este último es un procedimiento basado en el gráfico, en forma
teórica sería:
F = 10 x ∏/4 x p x (d2 - dv2)
Donde
F = Fuerza teórica de retroceso (N)
p = Presión de trabajo (bar)
d = Diámetro del pistón (cm.)
dv = Diámetro del vástago cm.)
Recordemos que para obtener el valor real debe afectarse al anterior por el
rendimiento (η=0,9).
Por otra parte. Si se conoce la fuerza a realizar en Newton (1 Kp = 9,81 N) y
la presión de operación (bar), se busca la intersección en el gráfico y se lee
el diámetro del cilindro inmediato superior al determinado por dicha
intersección.
Ejemplo: Se trata de elevar una masa de 20kg con un cilindro neumático
operado a 6 bar de presión. No interesa la velocidad de elevación. La fuerza
real a realizar será: Fr = m x g; la fuerza teórica que deberá desarrollar el
cilindro es:
Índice
83
LAF________________________________________
Fr
F=
______
η
mxg
=
_________
=
20 x 9,81
= 218 N
η
_______________
0,9
Ingresando al gráfico de la figura 1 con F =218 N y p =6 bar, obtenemos un
cilindro de diámetro 25 mm.
b)
Aplicaciones dinámicas
Son aquellos cilindros cuya acción se compone de fuerza y velocidad a lo
largo de todo su recorrido. El vástago se desplaza permanentemente con
carga y debe poder desarrollar, en tales condiciones, una determinada
velocidad impuesta por el tiempo de ejecución del movimiento. La
conjunción masa - velocidad impone un criterio de selección totalmente
distinto al caso de aplicaciones estáticas. Dentro de esta modalidad funcional
están los cilindros de traslación y desplazamiento de masas.
El comportamiento de un cilindro dinámico es bien diferente al caso estático
ya que en razón de la velocidad que debe desarrollar su vástago y las masas
transportadas aparecen en él efectos adicionales que no existían en el caso
de cilindros estáticos. Estos son:
1)
Fuerzas de inercia originadas por la aceleración de las masas
desplazadas, hasta alcanzar la velocidad deseada.
2)
Presiones en a cámara del actuador evacuada durante el
movimiento, a la que llamaremos Pr (presión reactiva).
Ambas se oponen al movimiento del actuador. Por supuesto también deben
ser consideradas las fuerzas opositoras que en razón del propio proceso se
84
Ïndice
________________________________________LAF
originen sobre éste, por ejemplo fuerza de rozamiento, peso (en el caso de
movimientos verticales), etc. (figura 2). Como vemos, un cilindro dinámico
estará sometido a mayores solicitaciones que uno estático.
Ejemplo: Se trata de dimensionar un cilindro para elevar una masa m de
20kg a lo largo de una distancia h =600 mm. El proceso impone para esta
operación un tiempo de ejecución de 1,2 seg. El retorno deberá efectuase en
0,6 seg. De los datos surgen que las velocidades medias serán:
Avance:
Va = carrera / tiempo de avance
Va = 0,6m/ 1,2seg = 0,5 m/seg
Retomo:
Vr = carrera / tiempo de retorno
Vr = 0.6 m / 0,6 seg = 1 m/seg
Para el movimiento se dispone de una presión motriz Pm =7 bar,
pretendiendo regular la velocidad de avance. Para el retorno no se tiene
ningún condicionamiento particular (figura 3).
b.1) Diámetro necesario para la elevación
El diámetro se calculará con fórmulas del tipo:
(1,5 x m x y2) + fuerzas externas (Fe)
d = 1,13 x
________________________________________________
presión efectiva (Pef)
Para el caso de la elevación que nos ocupa tendremos:
Fe = 1,25 x m
Pef = (η x Pm) - (1,1 x Pr)
η es el rendimiento del cilindro, tomando normalmente un valor de 0.9. En
relación a la presión reactiva Pr, el valor a considerar en el cálculo
dependerá del método de descarga utilizado para dicha cámara. Pueden tomarse los siguientes valores:
Índice
85
LAF________________________________________
Descarga por:
Escape rápido:
Pr = 0,5 bar
Válvula:
Pr 0,9 a 1 bar
Regulador:
Pr 2 a 2,3 bar
Para nuestro caso tomaremos Pr = 2,3 bar. Reemplazando valores en las
fórmulas de Fe y Pef anteriores tendremos:
Fe = 1,25 x 20 kg = 25 kg
Pef = (0,9x7) - (1,1 x 2,8) = 3.77 bar
Reemplazando en la fórmula del diámetro quedará:
d = 1,13 x
(1,5 x 20 x 0,5) +25
______________________________
3,77
d = 3,3 cm = 33 mm
Adoptamos un cilindro de diámetro 40 mm, por lo tanto deberá producirse
un cambio en Pr, resultando:
ΔPr = 0,9 x Pe f33 x [1 - (33/40)2]
ΔPr = 0,9 x 3,77 x 0,319 = 1,08 bar
Pr = 2,8 + 1,08 = 3,38 bar
b.2) Diámetro necesario para el retorno
Para el retorno Fe y Pef serán:
Fe = -0,8 x m = -16 kg
Pef = (0,9 x η x Pm) - (1,25 x Pr)
Asumiendo una descarga con escape rápido, Pr = 0,5 bar:
Pef = (0,9 x 0,9 x 7) - (1,25 x 0,5)
Pef = 5 bar
Por lo tanto d resultará:
d=1,13 x
(1,5x20x12)-16
___________________
5
86
Ïndice
________________________________________LAF
d = 1,89 cm = 19mm
Como conclusión, adoptamos el cilindro de diámetro 40 mm ya que con él
podremos realizar tanto el avance como el retorno. La presión reactiva Pr
durante el retomo se incrementará en:
ΔPr =0,8 x Pef19 x [1- (19/40)]
ΔPr = 0,8 x 5 x (1 - 0,22) = 3,09 bar
Para un cilindro diámetro 40 mm, Pr resultará:
Pr40 = ΔPr + Pr19
Pr40 = 3,09 + 0,5 = 3,59 bar
Este valor de presión implica que el retomo a 1 m/seg. con un cilindro de
diámetro 40 mm debe ser regulado.
b.3) Verificación de amortiguaciones
El efecto de amortiguación en cilindros neumáticos se logra por medio del
balance de las energías puestas en juego, es decir:
- Energías a vencer
versus
Energías disponibles
Por energías a vencer (Ea) entendemos a aquellas originadas por el
movimiento, es decir Energía Cinética (Ec) debido al movimiento de las
masas, Energía Motriz (Em) debida a la presión que impulsa al pistón durante la carrera de amortiguación (La), y Energía Potenciar (Eg) a causado la
acción del peso, ésta última sólo para movimientos con componente vertical.
La Energía potencial podrá sumarse o restarse según la dirección del
movimiento sea ascendente o descendente.
Por energías disponibles entendernos a aquellas que, generadas dentro del
mismo cilindro o por el sistema, tienden a equilibrar a las anteriores. Entre
ellas encontramos la Energía de Rozamiento (Er), la cual puede en general
despreciarse o considerada como un margen de seguridad; Energía de
impacto
Índice
(E)
al
final
del
recorrido,
la
cual
debe
considerarse
nula
87
LAF________________________________________
(preferentemente no debe haber impacto) y por último la Energía Disponible
(Ed) originada en el sistema de amortiguación del cilindro.
Como regla general deberá verificarse:
Energías a vencer < ó = Energías disponibles
Para el caso del ejemplo que nos ocupa tendremos:
En avance:
Ec 1/2 x (M + Mvp) x Va2
(Mvp = masa de vástago y pistón)
Ec= 1/2 x (20+ 1,204) x 0,52 = 2,65 Nm
(M = masa a desplazar)
(Va = velocidad de avance)
Em = 1/10 x Pm x St x La
(St = sección trasera del pistón)
Em = 1/10 x 7 x 12,5 x 2,8 = 24,5 Nm
(La = carrera de amortiguación)
(Vr = velocidad de retroceso)
Eg 1/10 x (M + Mvp) x La
(Sd = sección delantera del pistón)
Eg = 1/10 x (20 + 1,204) x 2.8 = 5,94 Nm
Ea = Ec + Em - Eg = 21,2 Nm
Recordemos que en avance Pr = 3,38 bar
Del gráfico de la figura 4 para Pr 3,38 bar y cilindro diámetro 40 mm,
encontramos Ed = 41Nm. Como Ea = 21,2 < Ed = 41, se concluye en que el
cilindro de diámetro 40 mm es capaz de amortiguar el movimiento de
avance.
En retroceso:
Ec = 1/2 x (M + Mvp) x Vr2
Ec=1/2x(20+1.204)xl =l0,6Nm
Em = 1/10 x Pm x Sd x La
Em= 1/1O x 7 x 10,05 x 2,8 = 19,7Nm
Eg = 1/10 x (M + Mvp) x La
Eg 1/10 x (20 + 1,204) x 2,8 = 5,94 Nm
Ea = Ec + Em + Eg = 36.24 Nm
Para el retroceso recordamos que Pr =3,59 bar
88
Ïndice
________________________________________LAF
Índice
89
LAF________________________________________
Del gráfico de la figura 4 para Pr =3,59 bar y cilindro diámetro 40 mm,
encontramos Ed = 45 Nm. Como Ea = 36,24 < Ed = 45, el cilindro de
B.4) Verificación por pandeo
El pandeo es un factor limitativo en la elección de cilindros cuyos vástagos
estén sometidos a compresión, ya que sólo bajo dicha solicitación es cuando
aparece este fenómeno. Éste, originado en una inestabilidad elástica del
material, se manifiesta por una flexión lateral del vástago que genera
esfuerzos
bujes
y
radiales
camisa
sobre
de
los
cilindros acortando su vida
útil,
pudiendo
llegar
rotura
al
doblado
o
del
vástago.
Particularmente
la verificación por pandeo
debe
realizarse
en
cilindros de gran carrera,
que es donde el fenómeno
puede adquirir magnitud.
El
pandeo
es
el
único
factor funcional que limita
la carrera de los cilindros,
ya que constructivamente
no existe limitación de la
carrera
por
parte
del
fabricante.
Este
fenómeno
no
está
exclusivamente ligado al
material del vástago, su
diámetro
y
su
carrera,
sino que intervienen también las condiciones de montaje del cilindro. Ciertos
90
Ïndice
________________________________________LAF
tipos de montaje o sus combinaciones resultan favorables para contrarrestar
el efecto (figura 5). Del mismo se pueden extraer algunas conclusiones:
1)
Con montajes a rótula el cilindro se autoalinea en todo plano.
2)
Con montajes basculantes en un plano, el cilindro se autoalinea sólo
en dicho plano. Requiere perfecta alineación en el plano perpendicular.
3)
Con fijación roscada del vástago la alineación es crítica.
4)
Con rótula para vástago se compensan desalineaciones en todo plano.
5)
Con horquilla delantera la alineación es crítica.
Adoptaremos en nuestro ejemplo un montaje basculante intermedio con
horquilla delantera guiada (es el indicado con un asterisco en la tabla de
corrección de la carrera según montaje, figura 5). De la misma tabla extraemos el coeficiente de corrección K = 0,75 de acuerdo al montaje elegido.
Con ayuda del gráfico de la figura 6, ingresando con la presión motriz Pm =
7 bar hasta cortar al cilindro diámetro 40 mm, leemos en el gráfico de
pandeo de la derecha que dicho cilindro tiene una carrera básica de 700
mm. Debe verificarse lo siguiente:
K x carrera real <carrera básica
0,75 x 600 mm = 450 mm < 700 mm
Por lo tanto el vástago del cilindro del ejemplo resiste al pandeo.
Adoptaremos en nuestro ejemplo un montaje basculante intermedio con
horquilla delantera guiada (es el indicado con un asterisco en la tablado
corrección de la carrera según montaje, figura 5). De la misma tabla extraemos el coeficiente de corrección K =0,75 de acuerdo al montaje elegido.
Con ayuda del gráfico de la figura 6, ingresando con la presión motíiz Pm =
7 bar hasta cortar al cilindro diámetro 40 mm, leemos en el gráfico de
pandeo de la derecha que dicho cilindro tiene una carrera básica de 700
mm. Debe verificarse lo siguiente:
K x carrera real <carrera básica
075 x 600 mm = 450 mm < 700 mm
Por lo tanto el vástago del cilindro del ejemplo resiste al pandeo.
Índice
91
LAF________________________________________
Consumo de aire en cilindros neumáticos
Conocer el consumo de los cilindros neumáticos tiene su importancia desde
dos puntos de vista. En primer lugar, si a raíz de esta nueva aplicación ha de
adquirirse una unidad de generación de aire comprimido (compresor), los
datos fundamentales para seleccionarla son precisamente el consumo o
demanda y la presión de trabajo. Si en cambio, la aplicación es insertada en
un medio en el que ya se dispone de aire comprimido, el cálculo del
consumo servirá para verificar si el compresor instalado tiene capacidad
suficiente.
El consumo de un cilindro neumático puede calcularse con la fórmula:
Q =∏/4xd2 x c x n x p x N x 10–6
Donde:
Q = Consumo de aire (Nl/min)
d = Diámetro del cilindro (mm)
c = Carrera del cilindro (mm)
92
Ïndice
________________________________________LAF
n = Número de ciclos completos por minuto
p = Presión relativa de trabajo + 1 (bar)
N = Número de efectos del cilindro
Ejemplo: Se tiene un dispositivo con 3 cilindros neumáticos de doble efecto,
uno de ellos con diámetro 80 mm y carrera 100 mm (10 ciclos/min) y los
dos restantes con diámetro 40 mm y carrera 50 mm (20 ciclos/min.), trabajando a 6 bar.
Estimamos en un 20% el consumo de comando (tubos, válvulas y
auxiliares). Los consumos serán:
Q1= ∏/4 x 802 x 100 x 10 x 7 x 2 x 10–6
Q1 = 70,37 Nl/min
Q2= ∏/4 x 40 x 50 x 20 x 7 x 2 x 10–6
Q2 = 17,59 Nl/min
Q3 = Q2 = 17,59 Nl/min
Q4 = Q1 + Q2 + Q3 = 105,55 Nl/min
Qt = 04 + 20 % = 1,2 x Q4
Qt = 126,66 Nl/min
Siendo:
Q1 = Consumo del cilindro de diám. 80 mm
Q2 = Consumo de un cilindro diám. 40 mm
Q3 = Consumo del otro cilindro diám. 40 mm
Q4 = Consumo total de la parte de potencia
Por lo tanto la instalación consumirá 126,66 litros normales por minuto
(Nl/min) o 7,6 Nm/hora a 6 bar.
El cálculo rápido del consumo puede obtenerse del gráfico siguiente,
ingresando
con
el
diámetro
del
cilindro
hasta
la
línea
de
presión
correspondiente. Sobre el eje horizontal encontraremos el consumo por mm
de carrera. Multiplicando el valor hallado por la carrera (mm), el número de
Índice
93
LAF________________________________________
ciclos
completos
por
minuto
y
el
número
de
efectos
del
cilindro,
obtendremos el consumo del cilindro elegido.
Amortiguadores hidráulicos de choque
Ya habíamos visto que la amortiguación de un cilindro neumático era un
sistema creado para absorber en el tramo final de la carrera las energías
desarrolladas durante el movimiento, evitando de este modo el choque
destructivo entre pistón y tapas. Las crecientes exigencias de velocidad
impuestas a las máquinas automáticas con el objetivo de disminuir los
tiempos de producción y en consecuencia el costo, hacen que frecuentemente las energías desarrolladas superen a las capaces de ser amortiguadas
por el cilindro. Debe entenderse que el sistema de amortiguación de un
cilindro neumático está diseñado para la generalidad de los casos pero
quedará superado cuando se desplacen masas importantes a elevadas
velocidades. La energía remanente se disipará inevitablemente en forma
instantánea en un choque metal - metal entre pistón y lapa o en un tope
externo al cilindro con una considerablemente alta fuerza de impacto que
será transmitida a la máquina en sí y también al elemento transportado
(acción y reacción) con la consiguiente destrucción lenta pero constante de
las partes involucradas.
94
Ïndice
________________________________________LAF
Existen varias formas de absorber en forma gradual las energías al final de
un recorrido minimizando la fuerza de impacto resultante.
En los casos de cargas pequeñas y velocidades no muy grandes puede
resultar suficiente la amortiguación propia del cilindro o en su defecto puede
ésta ser complementada mediante topes de goma. Con cargas ligeramente
más elevadas es posible también recurrir a resortes de compresión.
Ambos, las gomas y los resortes, ofrecen una resistencia inicial baja o nula
creciendo ésta con el recorrido hasta alcanzar un máximo. Estos tipos de
topes
almacenan
una
cantidad
considerable
de
energía
durante
su
compresión siendo despreciable la cantidad transformada en calor. La
energía almacenada tiende a ser devuelta al sistema luego del impacto de
modo que al emplearlos deberá admitirse un cierto rebote de la carga, a
menudo intolerable.
También son utilizados cilindros hidráulicos o amortiguadores del tipo
automóvil con una alta resistencia inicial que disminuye con el recorrido.
Lo ideal es lograr una amortiguación mediante una fuerza de frenado lo más
baja posible y constante en todo el recorrido del amortiguador y convirtiendo
la mayor parte de la energía en calor, el que se disipará en la atmósfera. Se
logrará así una mínima fuerza de reacción y ausencia de rebotes. Con estas
pautas
de
diseño
los
fabricantes
han
desarrollado
los
llamados
Amortiguadores hidráulicos de choque.
El empleo de amortiguadores es particularmente indicado en instalaciones
automáticas de manipulación de objetos frágiles que podrían resultar
dañados con un impacto, como complemento de la amortiguación de un
cilindro neumático o simplemente toda vez que deba detenerse un
movimiento de alta energía cinética en forma suave y gradual.
Para cubrir las necesidades de aplicación existen básicamente dos tipos de
amortiguadores: los fijos y los regulables. Los primeros poseen una
capacidad de amortiguación fija, no pudiéndose adecuar sus prestaciones a
las exigencias de cada aplicación. Son recomendables cuando sean conocidos con exactitud los parámetros dinámicos del sistema.
Índice
95
LAF________________________________________
Los regulables pueden adaptarse en cambio a un rango de exigencias dentro
de la capacidad de cada modelo. Son recomendables cuando los parámetros
funcionales no pueden determinarse con exactitud o en los casos de
condiciones de aplicación variables.
La figura siguiente muestra el diseño de un amortiguador hidráulico de
choque de acción regulable.
Para elegir un amortiguador es necesario considerar la forma de actuación
de la carga, es decir si actúa en el plano horizontal, vertical o inclinado, si
proviene de un movimiento de rotación, si además durante la carrera de
amortiguación existe o no fuerza impulsora adicional, etc., y por supuesto el
valor de la masa y su velocidad de desplazamiento, o velocidad tangencial
en caso de rotaciones. Al considerar la masa deberá incluirse no sólo al
elemento desplazado, sino también todos los mecanismos y dispositivos
asociados que participen del movimiento (brazos. carros, etc.).
Un dato importante para su elección es el número de impactos por hora ya
que esto determinará su grado de calentamiento en función de la energía
convertido en calor en cada impacto.
Como factor de seguridad muchos fabricantes recomiendan utilizar los
amortiguadores entre un 50 y 60 % de su capacidad máxima. Esto permite
96
Ïndice
________________________________________LAF
prolongar su vida útil y efectuar los ajustes sobre la máquina funcionando,
evitando el riesgo de encontrarse frente a un amortiguador de capacidad
insuficiente, sobre todo cuando los datos de velocidad y carga no sean
determinados con precisión o puedan variar significativamente durante la
operación.
Recomendaciones para el montaje de cilindros neumáticos
1)
Analice detenidamente el tipo de montaje que deba emplearse para
evitar esfuerzos transversales a la dirección del desplazamiento: éstos
acortarán la vida útil de las gulas de vástago y pistón.
2)
En los casos de montajes rígidos (pie o placa), se deberá proveer una
articulación en la unión del vástago con el elemento a mover para evitar los
esfuerzos laterales.
3)
Un montaje basculante elimina desalineaciones en el plano de giro,
pero
deberá
articularse
el
elemento
a
mover
para
contrarrestar
desalineaciones en el plano perpendicular.
4)
En los casos en que existan grandes desalineaciones, aconsejamos el
uso de montajes a rótula.
5)
Debe evitarse el montaje rígido del cilindro con el elemento a mover.
En casos en que no pueda evitarse, fijar suavemente el cilindro y operarlo de
modo que el vástago entre y salga, autoalineándose en esta operación;
luego apretar firmemente los tomillos de fijación.
6)
Cuando el cilindro posea una carrera lo suficientemente
larga
aconsejamos guiar al vástago, o por lo menos tratar de trabajar “tirando”
con el vástago en lugar de “empujar” la carga.
7)
Si el cilindro es amortiguado, antes de montarlo asegúrese que los
tornillos de registro de amortiguación estén abiertos no más de media
vuelta, de modo que en la puesta en marcha inicial se tenga un exceso y no
una falta de amortiguación, procediendo luego a su correcta regulación.
8)
Al montar el cilindro amortiguado, deje siempre la cara de los tomillos
de registro del lado accesible; ésto le permitirá regular la amortiguaci6n
sobre la máquina y adecuarlo a las condiciones de movimiento.
Índice
97
LAF________________________________________
9)
Determine que tipo de roscas posee el cilindro neumático. Utilice las
conexiones adecuadas.
10)
Al montar las cañerías, asegúrese que estén limpias en su interior y
que no queden restos de cinta selladora u otro elemento utilizado para
realizar la estanqueidad. Se recomienda “soplarlas” antes de su conexión definitiva.
98
Ïndice
Válvulas direccionales
Son aquellas que en un circuito neumático distribuyen o direccionan el aire
comprimido hacia los elementos de trabajo. Por esta razón también se las
conoce como válvulas distribuidoras. Constituyen los órganos de mando de
un circuito, es decir aquellos que gobiernan (mandan) el movimiento de los
órganos motores del mismo (cilindros, actuadores, etc.). También son
utilizadas, en sus tamaños más pequeños, como emisoras o captoras de
señales para el mando de las válvulas principales del sistema, y aún en
funciones de tratamiento de señales. Dos de las características principales
que posibilitan su clasificad6n son el número de vías y el de posiciones,
definidos a continuación.
Vías: llamaremos así al número de orificios controlados en la válvula,
exceptuando los de pilotaje. Podemos así tener válvulas de 2, 3, 4, 5 o más
vías (no es posible un número de vías inferior a 2)
Posiciones: se refiere al número de posiciones estables del elemento de
distribución. Pueden tenerse válvulas de 2, 3, 4, 6 más posiciones (no es
posible un número de posiciones inferior a 2)
Según ya se ha dicho las válvulas direccionales se designan de acuerdo al
número de vías y posiciones de la siguiente manera:
N° de vías / N° de posiciones
De acuerdo a a clasificación Indicada podremos tener:
Válvulas
2/2
(dos / dos)
2 vías / 2 posiciones
3/2
(tres (dos)
3 vías / 2 posiciones
3/3
(tres / tres)
3 vías / 3 posiciones
4/2
(cuatro / dos)
4 vías / 2 posiciones
4/3
(cuatro / tres)
4 vías / 3 posiciones
5/2
(cinco / dos)
5 vías / 2 posiciones
etc.
Configuración del símbolo de una válvula
El símbolo representa la función de la válvula y su forma de accionamiento.
No representa de ninguna manera a válvula alguna desde el punto de vista
constructivo, sólo representa su función. El símbolo se compone de un
bloque central, en el que se identifican las posiciones estables del elemento
de conmutación y las vías de conexión para cada posición, y de dos bloques
extremos que representan los modos de actuación (mandos).
Mando
# Posiciones estables adoptadas por el distribuidor
# Vinculación entre bocas de conexión para las distintas
posiciones
Mando
1) Cada posición de la válvula se representa por un cuadrado. Habrá tantos
cuadrados adyacentes como posiciones de distribución tenga la válvula.
2) Las bocas se representan por trazos unidos al cuadrado correspondiente a
la posición normal de reposo de la válvula.
3) Las vinculaciones entre bocas se representan con
líneas y flechas, indicando el sentido de circulación,
tas bocas cerradas se indican con líneas transversales. Dicha representación se efectúa para cada
posición.
4) Las canalizaciones de escape se representan con un triángulo, pudiendo
ser:
Escape sin posibilidad de conexión (orificio no roscado)
Escape con posibilidad de conexión (orificio roscado)
Atendiendo a las funciones del bloque central tendremos los
siguientes esquemas:
100
Válvulas direccionales
El símbolo se completa con los esquemas correspondientes a los mandos de
la válvula, siendo éstos el medio por el cual se logra la conmutación de sus
posiciones.
General
Botón pulsador
Mandos musculares —
Palanca
Pedal
Palpador
Resorte
Mandos mecánicos
_
Rodillo
Rodillo unidireccional o abatible
Mando directo
Presión
Mando indirecto
Mandos neumáticos
Mando directo
Descarga
Mando indirecto
Áreas diferenciales
Solenoide
2 solenoides operando en direcciones
opuestas
Mandos eléctricos
2 solenoides operando en direcciones
opuestas de acción variable
Motor eléctrico
Solenoide y piloto neumático
Mandos
Electroneumáticos
Por solenoide ó piloto neumático
Las válvulas con mando neumático o electroneumático
suelen tener vías interiores de comando para alimentar sus
mandos (autoalimentación)
Llamaremos a un mando directo cuando la señal, sea cual fuese su
naturaleza (manual, mecánica, etc.) actúa en forma directa sobre el
elemento de distribución o conmutación. Un mando será indirecto cuando la
señal (de cualquier naturaleza) actúa sobre un elemento piloto y éste
finalmente opera al elemento conmutador. Estos últimos también son
llamados servomandos.
102
Válvulas direccionales
Tipos constructivos de válvulas Válvula de asiento esférico
Son muy económicas debido a su sencilla construcción. Son generalmente
utilizadas para funciones secundarias dentro de un sistema, construyéndose
normalmente como válvulas 2/2 ó 3/2.
Válvulas de asiento de disco (poppet)
Se construyen como válvulas 2/2, 3/2, 4/2, 5/2 y más. La estanqueidad
puede
lograrse
mediante
discos
elásticos
y
asientos
de
metal,
o
directamente metal - metal.
Válvulas de distribuidor axial plano
Poseen un émbolo para la conmutación de la válvula pero las bocas son
controladas por un distribuidor plano adicional. En la figura se esquematiza
una válvula 4/2 de este tipo, aunque también se las encuentra en versiones
2/2, 3/2, 5/2, 5/3, etc.
Válvulas de distribuidor rotante
Se fabrican como válvulas de mando manual o por pedal del tipo 3/2, 4/2y
también 4/3. La vinculación entre las bocas de utilización y descarga se
realiza a través de un disco rotante con canalizaciones.
104
Válvulas direccionales
Válvulas de distribuidor axial o corredera (spool)
La distribución del aire comprimido a las diferentes bocas se logra a través
de un distribuidor cilíndrico que se desplaza en sentido axial. Existen cuatro
técnicas básicas de construcción de estas válvulas en lo referente al logro de
la estanqueidad del distribuidor:
Metal-Metal
Empleada comúnmente en hidráulica, requiere un ajuste preciso entre el
distribuidor y el cuerpo de la válvula. Para utilización en neumática el juego
máximo permitido entre éstos es del orden de 1,5 a 3 micrones, pues de lo
contrario las fugas serían inadmisibles.
Juntas tóricas (O’rings) en el cuerpo de la válvula
Es una de las disposiciones más comúnmente adoptada, con el fin de evitar
el alto costo que implican las anteriores.
Retenes labiales en el distribuidor
Es otro tipo de ejecución no muy difundido que utiliza como elementos de
estanqueidad del distribuidor pequeños retenes labiales en el mismo.
Juntas tóricas (O’rings) en el distribuidor
Es la ejecución de mayor difusión y consiste en lograr la estanqueidad por
medio de guarniciones tóricas incorporadas al distribuidor.
106
Válvulas direccionales
Principios de funcionamiento de válvulas
Válvulas 2/2
Pertenecen a este grupo todas las válvulas de cierre que poseen un orificio
de entrada y otro de salida (2 vías) y dos posiciones de mando. Sólo se
utilizan en aquellas partes de los equipos neumáticos donde no es preciso
efectuar por la misma válvula la descarga del sistema alimentado; sólo
actúan como válvulas de paso.
Válvulas 2/2 normal cerrada
Son aquellas válvulas que en su posición normal de reposo (aquella
determinada por su reacción, resorte o neumática) no permiten la
circulación de fluido. Conducen al ser accionado su mando (muscular,
mecánico, neumático, eléctrico, etc.).
Válvulas 2/2 normal abierta
En su posición normal de reposo permiten la circulación de fluido,
interrumpiéndolo al ser accionado su mando.
Válvulas 3/2
Pertenecen a este grupo las válvulas que poseen un orificio de alimentación,
uno de utilización y otro de escape (3 vías) y dos posiciones de mando. Sus
funciones dentro de un circuito neumático pueden ser muy variadas que van
desde el manejo de señales hasta el comando de cilindros de simple efecto.
A diferencia de las anteriores, éstas posibilitan la descarga del sistema que
alimentan.
Válvulas 3/2 normal cerrada
Son aquellas que en la posición normal de reposo no permiten la circulación
desde el orificio de alimentación al de utilización, el cual queda conectado a
escape. Esta condición es invertida al operar su mando, pasando el fluido a
la utilización en tanto el escape es bloqueado.
Válvulas 3/2 normal abierta
En su posición normal de reposo permiten el pasaje de fluido de la
alimentación a la utilización; el escape es bloqueado. Al operar su mando, se
interrumpe el pasaje y el sistema alimentado es puesto a descarga.
La diferenciación aludida entre válvulas 3/2 normal cerrada y normal abierta
no implica necesariamente que se trate de dos válvulas diferentes; aquellas
108
Válvulas direccionales
válvulas 3/2 del tipo de distribuidor axial generalmente admiten ser
conectadas de una u otra manera indistintamente. En el caso de las de
asiento esto no es posible.
Válvulas 4/2
Poseen cuatro orificios de conexión (4 vías) correspondiendo, uno a la
alimentación, dos a las utilizaciones y el restante al escape. Éste es común a
ambas utilizaciones. Poseen dos posiciones de mando, para cada una de las
cuales sólo una utilización es alimentada, en tanto la otra se encuentra
conectada a escape. Esta condición se invierte al conmutar la válvula. Dado
que para cada posición existe un pasaje abierto y uno cerrado, carece de
sentido hablar de una válvula 4/2 normal abierta o normal cerrada.
Válvulas 5/2
Estas poseen cinco orificios de conexión y dos posiciones de mando. A
diferencia de las 4/2, poseen dos escapes, correspondiendo uno a cada
utilización.
En los ejemplos anteriores la función de conmutación de posiciones del
distribuidor fue obtenida mediante una acción manual sobre el mando al solo
efecto de simplificar la interpretación. Como pudo apreciarse, al cesar la
acción el distribuidor era reposicionado mediante un resorte antagonista
(reacción por resorte). La válvula (sin accionar su mando) posee una única
posición estable, aquella gobernada por su reacción. A las válvulas con esta
característica se las denomina monoestables (única posición de mando
estable).
La acción manual sobre el mando puede ser reemplazada por una acción
mecánica (leva sobre un rodillo, etc.) y aún por el efecto de una señal de
presión (señal neumática), introducida a través de las denominadas bocas
de pilotaje, dando origen así a las válvulas de mando neumático.
Recordemos que estas bocas no se contabilizan como vías en la clasificación.
En lo que sigue explicaremos los mandos neumáticos sobre válvulas del tipo
5/2, no obstante los conceptos serán aplicables a las del tipo 2/2, 3/2y 4/2.
En la figura puede verse como una señal neumática introducida a través de
la boca de pilotaje 14 produce el desplazamiento del elemento de
conmutación. Desaparecida la señal el elemento es reposicionado por un
resorte.
Es posible sustituir la acción del resorte por una acción neumática permanente (reacción neumática). Esto logra alimentando el mando correspondiente a la reacción en forma permanente. Ello puede hacerse a través de
una boca externa o simplemente utilizando una conducción interna de autoalimentación que proveen los lubricantes y que comunica al citado mando
110
Válvulas direccionales
con la boca de alimentación de la válvula. De este modo al alimentar con
presión a la válvula queda automáticamente establecida la reacción neumática. Como resulta obvio, para desplazar el elemento conmutador con presiones iguales se hace necesario disponer en el mando opuesto de un área
mayor. Tienen origen así las válvulas con mandos por áreas diferenciales.
Es posible también comandar ambas posiciones del distribuidor mediante
pulsos de señal ingresados alternativamente por las bocas 12 y 14.
Desaparece así la reacción obteniéndose ahora una válvula con las dos
posiciones estables; es decir la válvula conmuta y conserva la posición aún
desaparecida la señal que originó el cambio. La posición opuesta se logrará
mediante una señal en el pilotaje contrario. Este tipo de comportamiento
recibe el nombre de biestable. También son conocidas como memorias o de
comando por impulsos.
Un comportamiento análogo pero con efecto predominante de una de las
posiciones se obtiene aplicando el concepto anterior a válvulas con mando
por áreas diferenciales. En presencia de señal simultánea en las bocas 12 y
14, el efecto de la señal 14 predomina en razón de su mayor área.
Válvulas de 3 posiciones
Las válvulas de dos posiciones de mando sólo permiten condiciones de
paradas extremas de los actuadores gobernados, no permitiendo la
obtención de paradas intermedias. Para esto último es necesario contar con
una tercera posición de mando intermedia, surgiendo así válvulas 3/3, 4/3 y
5/3. En lo que sigue aplicaremos el concepto de tres posiciones a válvulas de
5 vías, siendo válido también para las de 3 y 4 vías.
Las funciones extremas de las válvulas de tres posiciones son idénticas a las
de dos posiciones, pero a diferencia de éstas incorporan una posición central
adicional. La vinculación entre bocas para esta posición central es en
términos generales muy variada en las válvulas hidráulicas, no así en
neumática en donde básicamente se utilizan dos tipos de centros: el llamado
centro abierto (CA) y el centro cerrado (CC), cuyos esquemas de conexión
se muestran a continuación.
112
Válvulas direccionales
Un centro abierto permite la detención intermedia de un actuador en forma
libre, dado que ambas cámaras quedan conectadas a escape en dicha
posición. El actuador podrá ser movido libremente desde el exterior. Un
Estas válvulas admiten también señales neumáticas. En general éstas se
presentan en versiones llamadas de centro estable, en donde un conjunto de
resortes centradores posicionan el distribuidor al centro en ausencia de
señales de mando. La única posición estable de la válvula es la central.
Características funcionales de válvulas
Además del número de vías y posiciones de una válvula y sus distintas
posibilidades de mando, tema del cual ya nos hemos ocupado, existen una
serie de características funcionales que es necesario interpretar y evaluar
frente a una elección. Estas características son generalmente suministradas
por los fabricantes en sus catálogos. Seguidamente definiremos el concepto
de cada uno de ellas:
Características de caudal
Esta característica está directamente vinculada a la capacidad de circulación
de fluido a través de la válvula y determina su “tamaño” (en cuanto a
circulación se refiere). El “tamaño” de una válvula no queda determinado por
el diámetro de sus bocas y menos aún por sus dimensiones físicas, sino por
su característica de caudal, aunque resulta obvio que existe cierta relación
entre ellos. La característica de caudal de una válvula queda evidenciada por
los llamados factores de caudal Kv ó Gv, o su caudal nominal Qn.
Factor Kv
Este parámetro se determina mediante ensayos realizados con agua y
significa el caudal en l/min de dicho fluido que pasa por la válvula cuando la
caída de presión en la misma sea de 1 bar.
Factor Cv
Es el equivalente británico del factor Kv y significa el caudal de agua, en
galones por minuto (gpm), que pasa por la válvula cuando la caída de
presión en ella sea de 1 psi (1 lb./pulg.2)
114
Válvulas direccionales
Caudal nominal Qn
El caudal nominal representa al caudal de aire normal, en l/min, que pasa
por la válvula con una presión de alimentación de 6 bar y una pérdida de
carga de 1 bar, esto es con presión de salida de 5 bar. Este factor es el que
ha adquirido últimamente la mayor aceptabilidad entre los fabricantes de
componentes neumáticos como característica de circulación de las válvulas.
Suele expresárselo también en otras unidades equivalentes, tales como
m/h, l/s, etc.
Existen factores que permiten convertir las características de caudal de un
sistema a otro. La tabla siguiente relaciona valores de Qn con los respectivos
de Kv y Cv.
Existe otra característica que da idea de la circulación en las válvulas y es el
diámetro nominal, el cual indica la sección mínima del pasaje principal de la
válvula. Esta dimensión tomada en forma aislada puede resultar engañosa,
puesto que no significa que la válvula tenga un pasaje equivalente a tal
diámetro, y por lo tanto una pérdida de carga de acuerdo a eso, sino que su
caída de presión dependerá de cuan intrincados sean sus pasajes internos.
Presión de trabajo
Por presión de trabajo se entiende el
rango de presiones dentro del cual la
válvula
puede
funcionar
satisfactoriamente.
Presión de pilotaje
Es el rango de presiones de las señales
de comando dentro del cual la válvula
puede conmutar sus posiciones. Se
llama presión mínima de pilotaje ó
umbral de pilotaje, al mínimo valor de
presión necesario para garantizar la
conmutación.
Para sintetizar estos conceptos en un
ejemplo, se puede tener una válvula
cuya presión de trabajo sea de 0 a 10 bar y su umbral de pilotaje de 2,5
bar. Si se desea trabajar esta válvula a 2 bar es posible hacerlo por sus vías
principales, pero alimentando independientemente el sistema de señales con
una presión superior a 2,5 bar.
Frecuencia de conmutación
Este es un dato que refleja la rapidez de la válvula para conmutar sus
posiciones. Se expresa generalmente en ciclos/seg. (Hz) y significa la
cantidad de veces que en la unidad de tiempo la válvula puede cambiar su
posición y retornar a la de origen (ciclo), habiendo alcanzado la presión
nominal en sus bocas de utilización. Algunos fabricantes dan un dato
comparable con la frecuencia y es el llamado tiempo de respuesta o tiempo
de conmutación, siendo la conversión:
1000
tc =
________
tc = tiempo de conmutación (ms)
f = frecuencia (Hz)
2xf
No debe interpretarse que una válvula con una frecuencia de 20 Hz pueda
producir 20 avances y retornos por segundo en un cilindro, dado que hay
116
Válvulas direccionales
inercias a vencer en este último y el llenado y la evacuación de las cámaras
y tuberías tienen su propia velocidad. Este dato cobra importancia cuando
existen exigencias de velocidad en la transmisión de señales y su respuesta.
En el caso de electroválvulas también deberán evaluarse las ya mencionadas
características de los solenoides: clase de aislación, protección, tiempo de
conexión relativo (ED), etc.
Dimensionado de válvulas
En este punto trataremos de dar respuesta a la siguiente pregunta: ¿Qué
“tamaño”
de
válvula
corresponde
utilizar
para
un
determinado
accionamiento? Ya hemos dicho que el “tamaño” de una válvula no queda
precisamente determinado por el diámetro de sus conexiones y menos aún
por sus dimensiones físicas. El tamaño, desde el punto de vista de su
utilización, quedaba determinado por los factores Kv, Cv ó Qn. La pregunta
entonces será: ¿Qué Qn (Kv ó Gv) deberá tener la válvula para un
determinado accionamiento?
El primer paso para lograr la respuesta será determinar el caudal normal
requerido por el accionamiento, el que dependerá fundamentalmente de tres
factores: tamaño y velocidad del accionamiento, y presión de operación.
Qr (comprimido) = Volumen a llenar / t = Ap x C / t = Ap x Vm
Ap x C x (p+1,013)
Qr (normal) =
_________________________
t x 1,013
donde:
Qr = Caudal requerido
Ap = Area del pistón
C=
Carrera
t=
Tiempo de ejecución
Vm = Velocidad media
p=
Presión de operación (relativa)
Expresando la última fórmula en términos del diámetro del pistón y con las
unidades indicadas, tendremos:
D² (cm) x C (cm)
Qr (Nm / h) = 0,0028 x
_______________________
x [p (bar) + 1,013]
t (s)
El Kv, Cv ó Qn que deberá tener la válvula quedará determinado por las
siguientes fórmulas:
Qr
Kv = 0,635 x
_________________________
(l/min)
ΔP (Pe – ΔP )
Qr
Cv = 0,045 x
_________________________
(gal/min)
ΔP (Pe – ΔP)
Qr
Qn = 40,89 x
_________________________
(Nl/min)
ΔP (Pe – ΔP)
donde:
Qr = Caudal requerido por el accionamiento (Nm³/h)
Pe = Presión absoluta de alimentación de la válvula (bar)
ΔP = Caída de presión admitida en la válvula (bar)
118
Válvulas direccionales
La caída de presión admitida en la válvula (ΔP) es un valor que deberá
adoptar quien realiza el cálculo y en líneas generales no deberá exceder el
50 % de la presión de alimentación, ya que las fórmulas anteriores pierden
validez para valores superiores. Lo corriente y usual es adoptar un valor del
orden de 5 a 10 % del valor del la presión de alimentación de la válvula.
La determinación de Kv ó Qn también puede realizarse mediante el siguiente
gráfico. Sobre él se encuentra indicado el procedimiento a seguir.
Ejemplo de cálculo
Determinar el Qn que deberá tener la válvula para accionar un cilindro de
doble efecto de 63 mm de diámetro y 600 mm de carrera, que debe efectuar
su recorrido en un tiempo de 2 segundos. La presión disponible en la válvula
es de 7 bar.
(6,3) x 60
Qr = 0,0028 x
___________________
x (7+1,013) = 26,71 Nm/h
2
Pe (absoluta) = 7 + 1,013 = 8,013 bar
ΔP = 10% Pe = 0,10 x 8,013 = 0,8 bar
26,71
Qn = 40,89 x
___________________________
= 454 (Nl/min.)
0,8 (8,013 – 0,8)
Para el accionamiento en las condiciones especificadas se requiere una
válvula cuyo Qn sea como mínimo de 454 Nl/min.
Captores de señal sin contacto
En los sistemas automatizados, las señales que posibilitan el desarrollo de la
secuencia, son obtenidas de los clásicamente denominados “finales de
carrera”.
Éstos
son
generalmente
emisores
de
señal
de
naturaleza
neumática o eléctrica que al ser accionados por una parte móvil de la
máquina emiten su señal. En el caso de los finales de carrera neumáticos,
están constituidos generalmente por válvulas tipo 3/2 de mando mecánico.
Para su accionamiento es imprescindible el contacto entre una parte móvil
(leva, tope, etc.) y el mando mecánico aludido. Para emisión de señales
neumáticas existen también una serie de captores capaces de emitir señales
sin necesidad de contacto alguno entre las partes. Éstos, en lo que a emisión
de señales se refiere, adquieren un comportamiento similar al de una válvula
3/2, razón por la cual hemos creído oportuno tratarlo en este capítulo
aunque no se trate rigurosamente de válvulas.
Podemos distinguir dos tipos de captores sin contacto: los llamados captores
de paso y los captores de proximidad. Los primeros se basan en el principio
de interrupción de un pequeño chorro de aire (haz neumático), mientras que
los segundos lo hacen basados en el principio de la “reflexión” por choque de
un pequeño chorro de aire contra el elemento a detectar.
Captores de paso
Emisor - receptor integral: un pequeño chorro lanzado por una tobera desde
el emisor incide permanentemente sobre una boca en el receptor. Se obtiene
así una señal positiva en la boca A. Toda vez que un objeto interrumpa el
pequeño chorro, provocará la desaparición de la señal A. El cambio de
presión en la boca A puede resultar sólo de unos pocos milibares (5 a 15
120
Válvulas direccionales
mbar), pero convenientemente amplificado dará como resultado una señal
adecuada (2 a 7 bar) para el manejo de los elementos corrientes de un
sistema neumático. El rango de detección llega hasta 18 mm.
Emisor - receptor individual: un pequeño chorro lanzado por el emisor
destruye permanentemente a un chorro anular lanzado por el receptor,
obteniéndose así señal positiva en la boca A, la que se anula cuando un
objeto sea interpuesto entre el emisor y el receptor en razón de que el
chorro del emisor ya no destruirá al chorro anular del receptor. Con este
sistema pueden detectarse objetos dentro de un rango de hasta 80 mm.
Captores de proximidad - Reflex neumático
El emisor y el receptor son integrales. Una tobera emisora lanza un chorro
anular, el que no es detectado en la boca receptora, no habiendo señal en A.
Cuando un objeto se aproxima (0 a 7 mm como máximo), la turbulencia
(reflexión) motivada por el choque, originará una señal positiva en la boca
A.
El uso de estos tipos de captores va siempre asociado con amplificadores. Se
les debe suministrar aire bien filtrado y sin lubricar.
Hacemos notar que también existen captores electrónicos sin contacto, tales
como
censores
inductivos,
capacitivos,
fotoeléctricos,
ultrasónicos,
magnéticos, etc., cuya descripción funcional escapa a los fines del presente
texto.
Recomendaciones para el montaje de válvulas
direccionales
1) Determine que tipo de roscas posee la válvula. Utilice las conexiones
adecuadas.
2) Si utiliza cinta de teflón u otro sellador para las uniones roscadas,
asegúrese que no queden restos que puedan penetrar en el interior de la
válvula y alterar su funcionamiento.
3) Al realizar el conexionado, asegúrese que no haya cuerpos extraños en el
interior de las tuberías, “soplándolas” previamente con el mismo aire
comprimido.
4) No instale las válvulas en ambientes con temperaturas distintas al rango
especificado por el fabricante.
5) En todos los casos asegúrese que el aire que suministre a las válvulas
haya sido previamente filtrado y lubricado. Una válvula operada con aire sin
filtrar ni lubricar es propensa a desgastarse más rápidamente e incluso
trabarse.
122
Válvulas direccionales
6) Para mayor seguridad en el conexionado, verifique con el símbolo ISO
impreso en cada válvula cual es la boca de presión, cuales las utilizaciones y
cuales los escapes.
7) Las válvulas que tienen las bocas de escape roscadas permiten conducir
las descargas para impedir contaminaciones del ambiente con el aceite
presente en el aire comprimido.
8) Prevea como norma la utilización de silenciadores en los escapes de las
válvulas por razones de comodidad y seguridad laboral.
9) Si la válvula es de 2 posiciones estables comandada por impulsos, es
aconsejable montarla siempre de forma tal que el distribuidor quede en
posición horizontal para evitar el riesgo de que éste se mueva por acción de
vibraciones y su propio peso.
10) Es recomendable instalar las válvulas lo más cerca posible de los
actuadores comandados.
11) En caso de electroválvulas, asegúrese de que la tensión de la red de
alimentación se corresponda con la nominal de la bobina, y además que no
sea superior o inferior en un 10 % al valor nominal. Fuera de este campo los
solenoides pueden trabajar en forma incorrecta, vibrando o produciendo
calentamiento excesivo.
Válvulas auxiliares
Válvulas reguladoras de caudal
Empleadas para control de velocidad de cilindros neumáticos y actuadores o
para obtener efectos de retardo de señales neumáticas (temporización
neumática), regulando el tiempo de presurización de un volumen. Existen
básicamente dos tipos de reguladores de caudal:
a) Regulador de caudal bidireccional
Comúnmente llamadas válvulas de aguja, restringen el paso del aire en
ambas direcciones del flujo. En la figura siguiente se muestra un regulador
de este tipo y su correspondiente representación esquemática en circuitos.
Son
utilizados
para
regulación de velocidad
en
actuadores
instalándolos
sobre
los
escapes de las válvulas.
En las de 4 vías, por
tener
común
124
un
escape
para
en
ambas
Válvulas auxiliares
utilizaciones, se obtendrá un control simultáneo sobre ambas carreras, no
siendo éste independizable.
En las de 5 vías, por tener escapes individuales, es posible independizar las
regulaciones de avance y retroceso del actuador.
Basado en las anteriores
aplicaciones
los
fabricantes
han
desarrollado
mismo
bajo
principio
el
los
llamados reguladores de
escape, que incorporan
además
en
muchos
casos un silenciador. Éstos sólo poseen una única rosca macho para ser
conectado directamente a la válvula.
También son utilizados combinados con un elemento acumulador para lograr
retardos en señales neumáticas (temporización).
b) Regulador de caudal unidireccional
Regulan el caudal en una sola dirección del flujo, permitiendo el libre pasaje
del aire en sentido contrario. Un regulador de este tipo se muestra en la
figura siguiente.
Su
principal
aplicación
es
la
regulación de velocidad de cilindros
y actuadores neumáticos, para lo
cual son instala dos sobre las vías
que alimentan al cilindro (vías de
utilización de la válvula).
A
los
efectos
regulaciones
más
de
obtener
precisas
se
aconseja instalarlos lo más cerca
posible del elemento a regular.
Actualmente, para favorecer esta última condición, se han desarrolla do
reguladores unidireccionales combinados con el mismo conector para montar
directamente sobre el cilindro.
Son conocidos comercialmente con el nombre de reguladores “banjo”. Los
mismos minimizan accesorios de conexionado y mano de obra de montaje.
También son utilizados en combinación con acumuladores para obtener
efectos de temporización en señales neumáticas.
126
Válvulas auxiliares
Válvula de no retorno o de retención
Estas válvulas permiten circulación libre en un sentido, bloqueándola
completamente
en
el
sentido
contrario.
Existen
diferentes
tipos
constructivos, como ser, con cierre a bola, a cono, disco, membrana, anillo,
etc.
Se tienen válvulas de no retorno con cierres de dos tipos:
- Cierre por presión de trabajo
- Cierre con fuerza incorporada, en las cuales la circulación será posible
cuando la presión venza la resistencia del resorte antagónico de cierre.
Cuando es necesario mantener la presión dentro de un cilindro o depósito o
manejar a voluntad un volumen acumulado, puede utilizarse una válvula de
retención comandada en donde la condición de bloqueo es releva da a
voluntad por medio de una señal neumática.
Válvula “O” o selectora de circuitos
Esta válvula tiene 2 entradas y una salida. Cuando el aire comprimido llega
por cualquiera de las dos entradas, automáticamente se obtura la otra y el
aire circula hacia la salida, ocurriendo lo mismo si el aire penetra por la otra
entrada, desempeñando en un circuito la función lógica “O”.
Deben utilizarse cuando un cilindro o una válvula requieran ser comandados
desde dos puntos diferentes y su acción deba responder a cualquiera de
ellos.
Ejemplo 1: mando de un cilindro de simple efecto desde dos puntos
diferentes, uno “O” el otro
128
Válvulas auxiliares
Ejemplo 2: ídem para un cilindro de doble efecto
Válvula de escape rápido
Esta
válvula
permite
obtener
la
máxima
velocidad
en
los
cilindros
neumáticos. La misma tiene 3 vías de conexión correspondiendo, una a la
alimentación (desde la válvula), otra a la utilización (al cilindro) y la restante
al escape, de modo tal que al alimentar al cilindro, una membrana o disco
obtura en forma automática el escape, permitiendo el pasaje del aire al
interior del cilindro. Cuando la válvula es puesta a descarga, la propia
presión en el cilindro desplaza la membrana o disco permitiendo que el aire
saiga rápidamente por el escape sin recorrer la conducción que comunica a
la válvula de escape rápido con la válvula de mando, es decir con muy poca
pérdida de carga, lo que implica gran velocidad de descarga y también gran
velocidad en el cilindro. Es recomendable montar este tipo de válvula lo más
cerca posible del cilindro.
La figura muestra la utilización de una
válvula de escape rápido en un circuito de
comando de un cilindro de doble efecto con
avance regulado (lento) y retroceso rápido.
Se han desarrollado modelos de válvulas de
escape rápido cuya vía de escape, en lugar
de
poseer
un
orificio
roscado
hembra,
incorporan un elemento silenciador. De este
modo se disminuye notoriamente el ruido que produce la súbita expansión
del aire en la atmósfera característico de estas válvulas.
Válvula “Y” o de simultaneidad
Esta válvula posee 3 vías de conexión, dos de las cuales son entradas y la
restante la utilización, de modo tal que sólo saldrá aire por esta última
cuando exista presión simultáneamente sobre las dos entradas. Cuando una
de ellas no existe, automáticamente se bloquea la entrada de la otra,
anulándose la salida de aire por la utilización. Cuando las señales están
desfasadas en el tiempo, la última recibida es la que pasa a la utilización.
Desempeña la función lógica “Y”. Esta función también se logra empleando
una válvula 3/2 con mando neumático y reacción a resorte.
130
Válvulas auxiliares
Se
utiliza
en
circuitos
de
mando
cuando
sea
preciso
que
señales
provenientes de fuentes diferentes originen una acción sólo si ambas están
presentes en forma simultánea. Un ejemplo de esta aplicación son los coman
dos bimanuales de seguridad. Las figuras siguientes esquematizan dos
circuitos de este tipo para mando de cilindros de simple y doble efecto
respectivamente.
En ambos casos la actuación de los mismos está sujeta a la condición
impuesta por la válvula de simultaneidad y sólo se verificará cuando se
encuentren oprimidos juntamente ambos pedales o ambos pulsadores
respectivamente, constituyéndose de este modo en un circuito de protección
física que obliga al operario a utilizar ambas manos para actuar un
mecanismo. Es de mencionar que los circuitos de protección mostrados
pueden ser vulnerados, existiendo versiones más elaboradas que impiden
este inconveniente.
Recomendaciones para el montaje de válvulas auxiliares
1) Al realizar el montaje, obsérvese cuidadosamente el símbolo que indica la
función de la válvula, el sentido del flujo y la denominación de los orificios de
conexionado.
2) Verifique que tipo de rosca tiene la válvula y utilice siempre los
conectores adecuados.
3) Al montar las cañerías, asegúrese que estén limpias en su interior,
“soplándolas” si fuera posible antes de su vinculación definitiva.
4) Si se utiliza cinta de teflón para sellar las uniones roscadas, asegúrese
que no queden restos dentro del tubo que puedan penetrar en el interior del
elemento y alterar su buen funcionamiento.
5) Tenga siempre en cuenta, que una válvula reguladora de caudal está
diseñada para restringir el flujo, pero no para bloquearlo totalmente. Por lo
tanto, si esto último fuera necesario como condición de aplicación,
aconsejamos la instalación de una válvula específica para tal fin.
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Válvulas auxiliares
BIBLIOGRAFIA
Manual de micromecánica: Introducción a la neumática y sus componentes.
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Válvulas auxiliares