LAF Laboratorio de Automatización y Fluídica
Fluidica Nivel 1 Manual 1
Curso de neumática 1
Material didáctico generado por el equipo docente del LAF
LAF________________________________________ 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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LAF________________________________________ 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.................... ........................................... 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.................................... 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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________________________________________LAF _____________________________ ___________LAF 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 57 Secadores por absorción.................... ........................................... .............................................. ....................................................... ...................................... ...... 57 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 c ilindros 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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LAF________________________________________ 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
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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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LAF________________________________________ 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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________________________________________LAF 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.
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LAF________________________________________ ¿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. 8
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________________________________________LAF · 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,
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LAF________________________________________ 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/s2
Kilopond (Kp)
1 Kp = 9,81 N
Trabajo
Joule (J)=Nm
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
Pascal (pa) = N/m
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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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________________________________________LAF 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.
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LAF________________________________________ 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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________________________________________LAF 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)
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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. 14
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________________________________________LAF 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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LAF________________________________________ 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 1s
=
1 m/s
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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________________________________________LAF 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 = V2 P2 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 F 2 hasta alcanzar el volumen V2
= 0,5 m, permaneciendo la temperatura constante , se
obtiene: P1 x V1 = P2 x V2 P 2 = P 1 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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LAF________________________________________
Baja temperatura
Alta temperatura V1 = T1 V2 T2 V1 x T2 = V2 x T1
La variación de volumen ΔV es: ΔV = V2 - V1 p1
A volumen constante la relacion que se mantiene es:
p 2
=
T 1 T 2
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 T 1 será 10 + 273 = 283°K y la final, T 2, valdrá 273 + 30 = 303°K. Como el volumen inicial es de 90.000 litros, aplicando la ley de Charles obtendría: V1 = T1 V2 = V1 x T2 V2 = 90.000 x 303°K V2 T2 T1 283°K Con lo que el volumen final será de 96360,42 litros.
=
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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________________________________________LAF Ejemplo 2: 0,8 m³ de aire a la temperatura T 1 = 273°K (20°C) se calientan hasta T 2 = 344°K (71°C). ¿Cuál será el volumen final? V1 x T2 = V2 x T1
V2 = V1 x T2 T1
V2 = 0,8 m³ x 344°K 273°K
=
0,94 m³
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 T 1 = 293°K y T2 = 333°K. Aplicando ahora la relación entre presión y temperatura: P1 = P2 T1 T2
Reemplazando:
1,8 atm 293°K
=
_P2 _ 333°K
Multiplicando en cruz, para eliminar los denominadores obtendríamos: 1,8 atm x 333°K = P 2 x 293°K
P2 = 1,8 atm x 333°K 293°K
=
2,05 atm
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, Índice
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LAF________________________________________ pasaría de las condiciones iniciales P 1, V1 y T1 a las finales P2, V’ 2 y T 1. 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:
P 1 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, T 2 valdrá 273 + 50 = 323 K, como el volumen inicial es de V1 = 50 litros y el final de V 2 = 50,5 litros y la presión inicial P 1= 1,8 atm, aplicando la ley de los gases obtendremos: 1,8 x 50 = P2 x 50,5 293 323 realizando las operaciones del primer miembro de la ecuación quedará: 0,307 = P1 x 50,5 323 20
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________________________________________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 P 1 = 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
=
912 x 2,5 T2
Realizando las operaciones quedará. 12,969 = 2280 T2 Como T2 está dividiendo, pasará multiplicando al primer miembro de la ecuación 12,969 x T 2 = 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)
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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
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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 (X si – 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
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________________________________________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 (X si - Xsf )= C=7,2x 10–4 x 8,75 x (12-1,5) C= 4,53 l/h
Índice
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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:
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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
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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
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________________________________________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 descripta no permitirá obtener presiones elevadas, con un 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
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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 re30
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
absolutamente
exento de aceite, 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
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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 com presor 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 sí y contenidos
en
una
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
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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,
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________________________________________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 Nm 3 /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
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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 (P 2 /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 %
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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.
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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 figu figura ra de la dere derech chaa mues muestr traa un esquema de la instalación del depósito y las líneas de control. En algunas instalaciones el presóstato de regula regulació ción n y la electro electrovál válvul vulaa que coman comanda da el disp disposi ositi tivo vo de regu regulac lació ión n (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)
Dete Determ rmin inar ar con consu sumo mo esp espec ecíf ífico ico de de toda todass las las herr herram amie ient ntas as o equ equip ipos os de
la planta que consuman aire comprimido en Nm³/mm. 2)
Mult Multip iplilicar car dich dichos os cons consum umos os por por el coef coefic icie ient ntee de util utiliz izac ació ión n indi indivi vidu dual al,,
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)
Agre Agrega garr entr entree un 5 a 10 % del del valo valorr comp comput utad ado o en 3), 3), par paraa tota totaliliza zarr
las pérdidas por fugas en el sistema.
42
Ïndice
________________________________________LAF _____________________________ ___________LAF 5)
Adic Adicio iona narr un cier cierto to porc porcen enta taje je para para cont contem empl plar ar pos posib ibililid idad ad de de fu futu tura rass
ampliacion ampliaciones, es, muy importante importante ya que de otro modo las disponibilidad disponibilidades es 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.
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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.
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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 Nm 3 /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:
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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
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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) “T” (paso a derivación) Curva a900
0,15 0,78 0,42
0.15 0,76 0,42
0,21 1 0,52
0,33 1,28 0,64
0,45 1,61 0,79
0,84 2,13 1,06
0,67 2,46 1,24
0,91 3,16 1,58
Curva a 45° Válvula globo (tot. Abierta) Válvula angular (tot. abierta)
0,15 4,28 2,43
0,15 4,26 2,43
0,23 5,66 2,83
0,29 7,04 3,50
0,37 8,96 4,48
0,48 11,76 5,88
0,57 13,77 6,88
0,73 17,67 8,83
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 90 0 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.
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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
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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
de
la
velocidad del aire se atomiza en forma de 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, una
y
unidad
constituyen indispensable
para el correcto funcionamiento de un sistema neumático. Se instalan en la línea de alimentación del circuito
suministrando
seco,
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.
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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
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________________________________________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
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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, no siendo posible la utilización de cilindros de mayores 70
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
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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
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________________________________________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 compacta aún no
contemplada
por
las
normas. Esta construcción Índice
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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 v 2 (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
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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-
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________________________________________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: •
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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
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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
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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: Donde:
Fr = F x η = 10 x ∏/4 x p x d x η 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: Donde
F = 10 x ∏/4 x p x (d 2 - dv2) 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:
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LAF________________________________________ F=
Fr
______
η
=
mxg
_________
0,9
=
20 x 9,81 = 218 N η
_______________
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:
d = 1,13 x
(1,5 x m x y 2) + fuerzas externas (Fe) ________________________________________________
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:
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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 f 33 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
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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 Pef 19 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 (E) al final del recorrido, la cual debe considerarse nula
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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 Va 2
(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 Vr 2 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
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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 radiales sobre bujes y camisa de los cilindros acortando su vida útil, pudiendo llegar al doblado
o
rotura
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
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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
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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.
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________________________________________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.
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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
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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.
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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.
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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 cos elásti sticos 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 controladas por un distribuidor distribuidor plano adicional. adicional. En la figura figura se esquematiza 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.
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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: tc =
1000
________
2 x f
tc = tiempo de conmutación (ms) f = frecuencia (Hz)
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
Qr (normal) = donde:
Ap x C x (p+1,013)
_________________________
t x 1,013
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:
Qr (Nm / h) = 0,0028 x
D² (cm) x C (cm)
_______________________
t (s)
x [p (bar) + 1,013]
El Kv, Cv ó Qn que deberá tener la válvula quedará determinado por las siguientes fórmulas: Kv = 0,635 x
Qr
_________________________
(l/min)
ΔP (Pe – ΔP ) Cv = 0,045 x
Qr
_________________________
(gal/min)
ΔP (Pe – ΔP)
Qn = 40,89 x
Qr
_________________________
(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. Qr = 0,0028 x
(6,3) x 60
___________________
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 Qn = 40,89 x
26,71
= 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 para obtene obtenerr efe efectos ctos de retard retardo o de señale señaless neumát neumática icass (tempo (temporiz rizaci ación ón 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
regula regulació ción n de veloci velocidad dad en
actuadores
insta instalá lánd ndol olos os sobr sobree los los escapes de las válvulas. En las de 4 vías, por tener común
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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, escape, que incorp incorpora oran n 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
regulacio ciones
más
de
obtener
precisas
se
aconse aconseja ja instal instalarl arlos os lo más cerca cerca posi posibl blee del del elem elemen ento to a regu regula lar. r. 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.
Tambié También n son utiliz utilizado adoss en combin combinaci ación ón con acumul acumulad adore oress para para obtene obtenerr efectos de temporización en señales neumáticas.
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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
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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.
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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
