DIDACTICA MEXICO
.
MANUAL DE ESTUDIO
,
FORMACION INTERNACIONAL
TECNOLOGiA NEUMATICA
lnaice general
INDICE GENERAL 1 Introducci6n a la neurnatlca practlca l.QUE PUDE HACER LA NEUMATICA? Introducci6n PROPIEDADES
1.1 1.1
DEL AlRE COMPRIMIDO
Disponibilidad Almacenamiento Simplicidad de disetio y control Elecci6n de movimiento Economia Fiabilidad Resistencia al entorno Limpieza del entorno Seguridad
1.2 1.2 1.2 1.2 1.2 1.3 1.3 1.3 1.3 1.3
2 El sistema neumatico baslco EL SISTEMA DE PRODUCCION DE AlRE
2.2
EL SISTEMA DE CONSUMO DE AlRE
2.3
3 Teoria del aire comprimido UNIDADES
3.1
Unidades de medida del Sistema intemacional Unidades no meuices Presi6n PROPIEDADES
DE LOS GASI;S
Transformaci6n isotetmice (Ley de Boyle) Transformaci6n isobetice (Ley de Charles) Transformaci6n isoc6rica (Ley de Gay Lussac) Transformaci6n adiabatica Volumen estandar Gasto voiumeuico Humedad del aire Presi6n y caudal
~sr£MEXICO
3.1 3.2 3.3 3.4 3.4
3.5 3.5
3.6 3.6 3.6 3.7 3.11
4 Compraslon y dlstribucion del aire COMPRESORES
4.1
Compresores alternativos Compresor de embo de una etapa Compresores de embo de dos etapas Compresor de diafragma Compresores rotativos Compresor rotativo de pa/eta deslizante Compresor de tomillo Capacidad del compresor Gasto votumetrico Rendimiento termico y global ACCESORIOS
DEL COMPRESOR
Deposita del aire comprimido Selecclon del tamafio del deposita Filtro de entrada DESHIDRATACION
DEL AlRE
Post-enfriador Refrigerador par aire Refrigerador por agua Secadores de aire Secado por ebsorcion (coalescente) Secado par edsorcion (desecante) Secado por rettiqerecion Filtro del conducto principal DISTRIBUCION
DEL AlRE
Final en linea muerta conducto principal de anillo Lineas secundarias Pur gas euiometices Seteccion del tamafio de los conductos principales de aire Materiales para la tuberia Tuberia de gas standard (SGP) Tuberias de acero inoxidable Tubos de cobre Tubos de goma (manguera de aire) Tubos de PVC 0 de nylon Sistemas de conexi6n
11
4.1 4.1 4.2 4.3 4.4 4.4 4.4 4.5 4.6 4.6
4.7 4.7 4.8 4.8
4.9 4.9 4.9 4.10 4.10 4.11 4.12 4.13 4.14 4.15 4.16
4.17 4.18
4.19 4.23 4.23 4.23 4.23 4.24 4.24 4.24
lndice general
5 Tratamiento de aire 5.1
FILTRAJE Filtro estentier Filtros micr6nicos Filtro submicr6nicos Selecci6n del filtro
5.1 5.3 5.4 5.4
DE AIRE
5.5
Niveles de filtraje
5.5
CAUDAD
REGULACION
DE LA PRESION
Regulador estender Regulador pilotado internamente Filtro-regulador Selecci6n del tamafio de un regulador; caracteristicas LUBRICACION
DEL AlRE COMPRIMIDO
Lubricadores proporcionales
5.8 5.8 5.12 5.13 5.13 5.14 5.14 5.16
UNIDADES F.R.L. Selecci6n del tamafio e instalaci6n
5.16
6 Valvulas de control direccional FUNCIONES
DE LAS VALVULAS
Monoestable y biestable Identificaci6n de /a vias TIPOS DE VALVULAS
6.1 6.1 6.3
6.4
velvutes de vastago vertical
6.4
Valvulas de corredere Valvulas de carrete Valvulas elast6mera Junta metelice Valvula de coiredera plana Valvulas rotativas
6.5 6.6
0SM; MEXICO
6.6 6.7 6.7
6.8
III
ACCIONAMIENTO
6.9
DE LAS VALVULAS
Accionamiento mecenico Cuidado a la hora de utilizar accionamientos Accionamiento manual Accionamiento por pilotaje neumeiico Accionamiento directo e indirecto Accionamiento por solenoides
de rodillo
6.9 6.9 6.10 6.10 6.12 6.13
MONTAJE DE LAS VALVULAS
6.15
Conexi6n directa Manifolds Placas base Placas bases multiples Pia cas bases acopladas
6.15 6.15 6.16 6.16 6.17
CALCULO DEL TAMANO DE LA VALVULA Capacidad de flujo Unidades de uso Flujo s6nico y subs6nico Capacidad de flujo de tuber/as y conexiones Valvu/a y cilindro
6.18 6.18 6.18 6.21 6.22 6.24 6.27
VALVULAS AUXILlARES
6.27 6.27 6.28 6.28
velvuies de anti-retorno Regu/adores de ve/ocidad Valvula de doble efecto velvules de escape repkio
7 Actuadores CILlNDROS
LlNEALES
Ci/indro de simple efecto Cilindro de doble efecto Construcci6n de un cilindro Amortiguaci6n Cilindros especia/es Oob/e vastago Vastago antigiro vesteqos para/e/os
IV
7.1 7.1 7.2 7.2 7.3
7.4 7.4 7.4 7.5
FUNCIONES
8.4
DE TIEMPO
Temporizecion a la conexion Temporizecion a la desconexion Impulso de presion a la conexi6n Impulso a la desconexi6n de una valvula CONTROL
DEL CILlNDRO
8.6 8.6
8.7
Cilindro de simple efecto Accionamiento directo y control de velocidad Control desde dos puntos: funci6n OR Enc/avamiento: tuncion AND Opera cion inversa: funci6n NOT Cilindro de doble efecto Control directo Mantenimiento de las posiciones finales . Deteccion de las posiciones del cilindro Retorno eutometico Carreras repetitivas CONTROL
8.5 8.5
8.7 8.7 8.7 8.8
8.8 8.9 8.9 8.10 8.11 8.11 8.12 8.13
DE LA SECUENCIA
como
describir una secuencia Secuencia de dos cilindros Ciclo unlco / ciclo repetido Mandos opuestos Eliminacion con una seiie! de cierta duraci6n Sistema cascada
8.13 8.13 8.14 8.15 8.15
8.17
9 Ejercicios RECOMENDACIONES
1
CONSTRUCCION Ejercicio Ejercicio Ejercicio Ejercicio Ejercicio Ejercicio
VI
A (filtro) B (regulador) C (Iubricador) D (cilindro doble efecto) E (valvula 3/2) F (valvula 5/2)
2 3 4 5 6 7
Indice general
DISENO DE CIRCUITOS A/imentador de piezas (manual) Control de puerta contra incendio Vaciado de revolvedora Alimentador de piezas (serniautornatico) Mesa indexadora Control de puerta corrediza Distribuidor de piezas Control de ventilacion Alimentador de piezas (autornatico) Paletizador Marcador de piezas Prensa neumatlca Control flip-flop Prensa neurnatica (mando bimanual temporizado) Planteamiento secuencial intuitive Transferencia de material Taladrado de piezas
8 9
10 13 14 16 17
18 19
20 21
22 23 24 25
26 28
A. Apendlce A.1
SIMBOLOS Componentes Actuadores
para el tratamiento de aire
velvutes Accionamientos Accionamientos Accionamientos Accionamientos Accionamientos DIAGRAMAS
manuales mecenicos electricos neumeticos combinados
DE CIRCUITOS
Principios besicos Distribuci6n de un circuito
A.1 A.2 A.2 A.3 A.3
A.4 A.4 A.4 A.5 A.5 A.7
VII
1.
INTRODUCCION A LA NEUMATICA pRACTICA
lQUE PUEDE HACER LA NEUMATICA? • Introducci6n PROPIEDADES DEL AIRE COMPRIMIDO • • • • • • • • •
Disponibilidad Almacenamiento Simplicidad de diseno y control Elecci6n de movimiento Economia Fiabilidad Resistencia al entorno Limpieza del entorno Seguridad
0SVC MEXICO
indice general
7.5 7.6 7.6 7.7
Cilindro plana Cilindro tandem Cilindro multiposicional Montaje del cilindro Juntas flotantes SELECCION
7.8 7.8
DE UN CILlNDRO
7.8 7.8
Fuerza ieotice Fuerza necesaria Coeficiente de carga Carga limite de pandeo Control de velocidad Caudal de aire y consumo ACTUADORES
7.11 7.12 7.14 7.15 7.18
DE GIRO
Tipo piiion cremal/era Actuadores de giro por paleta Dimensionamiento de los actuadores de giro Par e inercia especiales
7.18 7.18 7.18 7.19
ESPECIALES
7.23
Cilindro con unidad de bloqueo Cilindro sin vastago Unidades deslizantes Cilindro de vastago hueco Pinzas
7.23 7.23 7.24 7.25 7.26
ACTUADORES
8 Circuitos baslcos INTRODUCCION
8.1
FUNCIONES
8.2
ELEMENTALES
Amptiticecion del caudal Inversion de la sefial Seleccion Funcion de memoria
0SlVC MEXICO
8.2 8.2 8.3 8.3
v
Introducci6n a la neumetice
oreaice
INTRODUCCION A LA NEUMATICA pRACTICA Un sistema de potencia fluida es el que transmite y controla la energia por medio de la utiltzaclcn de liquido 0 gas presurizado. En la neurnatica, esta potencia es aire que precede de la atrnosfera y se reduce en volumen por compresi6n, aumentando asl su presion.
ernbolo
El aire comprimido se utiliza principalmente 0 paleta.
para trabajar actuando sobre un
Aunque esta energia se puede utilizar en muchas facetas de la industria es el campo de la neumatica industrial el que nos ocupa. La utilizacion correcta del control neumatico requiere un conocimiento adecuado de 105 componentes neumaticos y de su funcion para asegurar su inteqracicn en un sistema de trabajo eficiente. Aunque normalmente se especifique el control electronico usando un secuenciador pregramable u otro controlador logico, sigue siendo necesario conocer la tuncton de los componentes neurnaticos en este tipo de sistema. Este libro trata de la tecnologia de los componentes de sistemas de control, describe tipos y caracteristicas de diserio de equipos de tratamiento de aire, actuadores y valvulas, metodos de interconexion y presenta los circuitos neumaticos fundamentales.
(, QUE PUEDE HACER LA NEUMATICA ? Las aplicaciones del aire comprimido no tiene Hmites: desde la utilizaci6n, por parte del 6ptico, de aire a baja presion para comprobar la presion del filtro en el ojo humano, a la multiplicidad de movimientos lineales y rotativos en maquinas con procesos rob6ticos, hasta las grandes fuerzas necesarias para las prensas neurnaticas y taladros neumaticos que rompen el hormig6n. La breve lista y los diagramas indicados rnas abajo sirven solamente -para indicar la versatilidad y variedad del control neurnatico en funcionamiento en una industria en continua expansion. -Accionamiento de valvulas de sistema para aire, agua 0 productos quimicos. -Accionamiento de puertas pesadas 0 calientes. -Descarga de depositos en la construccion, fabricacion de acero, mineria e industrias quimicas. -Apisonamiento en la colocacion de hormiqon.
0sw: MEXICO
I
1.1
-Elevaci6n y movimiento en maquinas de moldeo. -Pulverizaci6n de la cosecha y accionamiento de otros equipos del tractor. -Pintura por pulverizaci6n. -Sujeci6n y movimiento en .el trabajo de la mad era y la fabricaci6n de muebles. -Montaje de planillas y fijaciones en la maquina de ensamblado y maquinas herramientas. -Sujeci6n para encolar, pegar en caliente 0 soldar plasticos. -Sujeci6n para soldador fuerte y normal. -Operaci6n de conformado para curvado, trazado yalisado. -Maquinas de soldadura fuerte y normal. -Ribeteado. -Accionamiento de cuchillas de guillotina. -Maquinas de embotellado y envasado. -Accionamiento y alimentaci6n de maquinaria para trabajar la madera. -Plantillas de ensayo. -Maquinas herramientas, mecanizado 0 alimentaci6n de herramientas. -Transportadores de componentes y materiales. -Robots neumaticos. -Calibrado automatico. -Extracci6n del aire y elevaci6n por vaclo de placas finas. -Tornos de dentista. -y mucho rnas ...
PROPIEDADES
DEL AIRE COMPRIMIDO
Algunas razones importantes para la extensa utilizaci6n del aire comprimido en la industria son: Disponibilidad Muchas fabricas e instalaciones industriales tienen un suministro de aire comprimido en las areas de trabajo y compresores portatiles que pueden servir en posiciones rnas alejadas. Almacenamiento Si es necesario, se puede almacenar tacilrnente en grandes cantidades. Simplicidad de diseflo y control Los componentes neumaticos son de configuraci6n sencilla y se montan facilmente para proporcionar sistemas automatizados extensos con un control relativamente sencillo. E'ecci6n del movimiento Ofrece funcionamiento
1.£
un movimiento lineal 0 rotaci6n fijas y continuamente variables.
angular
con
velocidades
de
Introducci6n a /a neumetice orecttc«
Economia La instalaci6n tiene un costa relativamente bajo debido al costa modesto de los componentes. Tarnbien el mantenimiento es poco costoso debido a su larga duraci6n con apenas averias. Fiabilidad Los componentes neumaticos tienen una larga duraci6n consecuencia la elevada fiabilidad del sistema.
que tiene como
Resistencia al entomo A este sistema no le afectan ambientes con temperaturas atm6sferas corrosivas en 105 que otros sistemas fallan.
elevadas, polvo
0
Limpieza del entomo Es limpio y, con un adecuado tratamientos instalar sequn las norm as de "Cuarto Iimpio".
de aire en
er escape,
se puede
Seguridad No presenta peligro de incendio en areas de riesgo elevado y el sistema no esta afectado por la sobrecarga, puesto que 105 actuadores se detienen 0 se sueltan simplemente. Los actuadores neurnaticos no producen calor.
0SNC MEXICO
I
1.3
1.4
2.
EL SISTEMA NEUMATICO BAslCO
EL SISTEMA DE PRODUCCION DEL AIRE • • • • • • • • • •
Compresor Motor etectrico Presostato Valvula anti-retorno Deposito Manometro Purga eutometice Valvula de seguridad Secador de aire refrigerado Filtro de linea
EL SISTEMA DE COSUMO DE AIRE • • • • • •
Purga de aire Purga eutomeiice Unidad de acondicionamientod e aire Valvula direccional Actuador Contro/adores de velocidad
El sistema neumetico besico
EL SISTEMA NEUMATICO BAslCO Los cilindros neumaticos, los actuadores de giro y los motores de aire suministran la fuerza y el movimiento a la mayoria de los control neumatico para sujetar, mover, formar y procesar el material. Para accionar y controlar estos actuadores, se requieren otros componentes neumaticos, por ejemplo unidades de acondicionamiento de aire para preparar el aire comprimido y valvulas para controlar la presion, el caudal y el sentido del movimiento de 105 actuadores. Un sistema neumatico basico, ilustrado en la figura 2.1 se compone de dos secciones principales: - El sistema de produccion. - El sistema de consumo del aire.
Producci6n
Utilizaci6n
Figura 2.1 El Sistema Neurnatico Basico
SISTEMA DE PRODUCCION
DEAIRE
Las partes componentes y sus funciones principales son: 1.-"Compresor El aire tomado a presion atmosterica se comprime y entrega a presion mas elevada at sistema neumatico. Se transforma as! la energia rnecanica en energia neurnatica.
2.1
2.- Motor etectrico
Suministra la energia rnecanlca al compresor, transforma la energia electrica en energia mecanica. 3.- Presostato
Controla el motor electrico detectando la presion en el deposito. Se regula a la presion maxima a la que desconecta el motor y a la presion minima a la que vuelve a arrancar el motor. 4.- Valvula anti-retorno
Deja el aire comprimido del compresor al deposito e impide su retorno cuando el compresor esta parado. 5.- Dep6sito
Almacena el aire comprimido. Su tamario esta definido por la capacidad del compresor. Cuanto mas grande sea su volumen, rnas larqos son los intervalos entre los funcionamientos del compresor. 6.- Man6metro
Indica la presion del deposito. 7.- Purga eutometice
Purga toda el agua que se condensa en el deposito sin necesidad de supervision. 8.- Valvula de seguridad
Expulsa el aire comprimido si la presion en el deposito sube encima de la presion permitida. 9.- Secadorde
aire refrigerado
Enfria el aire comprimido hasta pocos grados por encima del punto de conqelacion y condensa la mayor parte de la humedad del aire, 10 que evita tener agua en el resto del sistema. . 10.- Filtro de linea
AI encontrarse en la tuberia principal, este filtro debe tener una caida de preslon minima y la capacidad de eliminar el aceite lubricante en suspension, sirve para mantener la linea libre de polvo, agua y aceite.
2.2
El
sistema neumetico besico
SISTEMA DE CONSUMO DE AIRE
1.- Purga del aire
Para el consumo, el aire es tomado de la parte superior de la tuberia para permitir que la condensacion ocasional permanezca en la tuberia principal; cuando alcanza un punto bajo, una salida de agua desde la parte inferior de la tuberia ira a una purga autornatica eliminando asi el condensado. 2.- Purga
eutometice
Cada tubo descendiente debe de tener una purga en su extremo inferior. El rnetodo rnas eficaz es una purga automatica pie impide que el agua se quede en el tubo en el caso en que se descuide la purga manual. 3.- Unidad de acondicionamiento del aire Acondiciona el aire comprimido para suministrar aire limpio a' una presion optima y ocasionalmente ariade lubricante para alargar la duracion de los componentes del sistema neurnatico que necesitan lubricacion. 4.- Valvula direccional Proporciona preslon y pone a escape altemativamente las dos conexiones del cilindro para controlar la direccion del movimiento. 5.- Actuador Transforma la energia potencial del aire comprimido en trabajo mecanico. En la figura se ilustra un cilindro lineal. pero puede ser tarnbien un actuador de giro o una herramienta neumatlca, etc. 6.- Controladores de velocidad Penniten una requlacion facil y continua de la velocidad de movimiento del actuador.
Estos componentes se ilustraran con mas detalle en 105 apartados del 4 al 7, tras estudiar la teoria del aire comprimido. Es imprescindible para comprender que pasa en un sistema neurnatico.
t)SM;MEXICO
2.3
2.4
3.
TEORIA DEL AIRE COMPRIMIDO
UNIDADES • Unidades de medida del Sistema Internacional • Unidades no mettices • Presi6n PROPIEDADES DE LOS GASES • • • • • • • •
Transform a cion isotermtce (Ley de Boyle) Transformaci6n isooerice (Ley de Gay tussec) Transformaci6n isoc6rica Transformaci6n eiiieaetice Volumen estenoer Gasto volumetrico Humedad del aire Presi6n y f1ujo
0SVC MEXICO
Teoria de aire comprimido
TEORIA DEL AIRE COMPRIMIDO
UNIDADES Para la aplicacion practice de los accesorios neumaticos, es necesario estudiar las leyes naturales relacionadas con el comportamiento del aire como gas comprimido y las medidas fisicas que se utilizan normalmente. El sistema Intemacional de unidades esta aceptado en todo el mundo desde 1960, pero EE.UU., el Reino Unido y Japon siguen utilizando en gran medida el Sistema legal de pesas y medidas. .
Magnitud i
. Masa . Lonottud Tiempo Temperatura ; Temperatura
I !
Absoluta (Celsius)
Radio Angulo Area, Secci6n Volumen Velocidad Velocidad angular Aceleraci6n
Simbolo 1. UNIDADES m s t T t,O
Unidad SI BASICAS kQ. m s v 2 K 2uC
2. UNIDADES r a.I3,"t,8,E,<.o A.S
COMPUESTAS , m
V v W a
Inercia Fuerza Peso Trabajo
J F G W E.W
Enernla Energia clnetica Momento de torsi6n Potencia Presi6n Volumen estandar Gasto volurnetrtco
E.W M P 3. RELACIONADAS P Vn Q
Energia, trabajo Potencia
E:W P
1 mL m"'
m s" s
.
m s"
.
klloorarno metro segundo Grado Kelvin Grado Celsius 0 oK
Cc = 273.16
metro radian (m/m) metro cuadrado metro cubico metro por segundo radianes por segundo metro por segundo por segundo
m" kg. Newton N Aceleraci6n de la uravedad N Joule = metro Newton J J Joule Joule J J Joule Wa.tt W CON EL AIRE COMPRIMIDO Pascal Pa m"'n metro cubico estandar rrr n s' metros cubicos estandar SeQundo Joule N'm watio W
Tabla 3.1 Unidades SI utilizadas en
0SVC MEXICO
Nombre
105
accesorios neurnaticos
3.1
Para numerar las unidades por potencia pequerias que las unidades arriba indicadas, preposiciones que se ilustran a continuacion: Potencia
10" 10.2 10.3 10-6
Preposici6n deci centi mili micro
Simbolo d c m
de diez, rnas grandes 0 mas fue acordada una serie de
Potencia
u
10' 102 103 106
Preposici6n Deka Hecto Kilo Mega
Simbolo da h k M
Tabla 3.2 Preposici6n para potencias de diez
UNIDADES NO METRICAS
La tabla que viene a continuaci6n ilustra una comparacion entre el sistema metrico (ISO) y el sistema legal de pesas y medidas.
Magnitud
Metrico (m)
Ingles (I)
kg Q
Longitud
Factor (m) a (I)
Factor (I) a (m)
libra onza
2.205 0.03527
0.4535 28.3527
m m mm
pie yarda pulgada
3.281 1.094 0.003937
0.3048 0.914 25.4
Ternperatura
°C
of
1.8°C+32
fF-32)/1.8
Area, Secci6n
m2 cm2
pie cuadr. oulo Cuadr.
10.76 0.155
0.0929 6.4516
Volumen
m3 cm3 dm3
yarda cub. pulg. cub pie cubico
1.308 0.06102 0.03531
0.7645 16.388 28.32
Masa
I
Gasto Volumetrico
m3/min. dm3/min.{lImin.)
pie cub.lmin. pie cub.lmin.
35.31 0.03531
0.02832 28.32
Fuerza
N
f. en libras (Ibf)
0.2245
4.4484
Presi6n
bar
.Ibf/lib pulg cuad. (psi)
14.5
0.06895
Tabla 3.3Unidades no rnetricas
3.2
Teoria de aire compomiao
PRESI6N Es necesario notar que la unidad ISO de presion es el Pascal (Pa) 1 Pa = 1 N/m2 (Newton por metro cuadrado). Esta unidad es extremadamente pequeria, asi que para evitar trabajar con numeros grandes, existe un acuerdo para utilizar el bar como unidad de 100,000Pa, puesto que esta medida es mas practica para utilizaci6n industrial. 100,000 Pa = 100 k Pa = 1 bar Corresponde, con sutlciente presion para fines practices, a kgf/cm2 y kp/cm2 del sistema metrico.
M etereologla
F Is Ic a
p: pr •• i6 n .tm o.nriea ab. oluh
p: presi6n Ablatuta 500
ItP.
400
kP.
p: • ; fOp
·· ··
kP.
200
kP •.
~350kP&
· ·
re.
pr •• ,6n i6 n m
relativa. •. nom'
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!. •
p: p re s i6 n de b a 10 del ••. tm o. ft (fic •.
4 bI r
3 b" r
•! 300
Tecnica de vacio
atlca
N eum
·· ·· ···
3 b •. r 2 b
I r
1 b.
r
100kP.
.
~'----~~--------~~--~--------~-+------------+---------~~ · Vaclo abs'!Jluto
i Atm 6.f.r. •• t'nd., 1Q1325
Figura
I
P ••••
3.4 Diferentes sistemas de indicaci6n
de presi6n
En el contexto de los accesorios neumaticos, una presi6n se cansidera como presion relativa, es decir par encima de la presion atmostenca, y denomina comunrnente presi6n manometrica (GA). La presi6n se puede expresar tarnblen coma presi6n absoluta (ABS), es decir una presi6n relativa a un vaclo total. En la tecnalagia del vacia se utiliza una presi6n por debajo de la atmostenca, es decir bajo presi6n. Las diferentes maneras de indicar la presi6n se ilustran en la figura 3.4 utilizando corno referencia una presi6n atrnosferica estandar de 1013 mbar, '''ay que natar que este no es 1 bar, aunque para calculos neumaticos normales se puede ignorar la diferencia.
3.3
PROPIEDADES DE LOS GASES LA LEY DE SOYLE
"A temperatura constante, la presi6n inversamente proporcional a su volumen"
de una masa
F
v=1;p=1
a
de
gas
es
F
v = 0.5; P = 2
b -
Figura
dada
C '-
....J
-
3.5 lIustraci6n de la ley de Boyle
=
Si el volumen V1 1 m3 a una presi6n absoluta de 100 kPa (1 bar ASS) se comprime a temperatura constante a un volumen V2 0.5 m3, entonces:
=
pN1
P2
= -------
V2 es decir, 100 kPa 1 m3
P2 = -------------
0.5 m3
=
209 kPa (2 bares ASS)
Nuevamente, si el volumen entonces la presion resultante : P1
P3 =
3.4
----
V1
100 kPa . 1 m3
= -----
0.2 m3
V1 a 100 kPa se comprime
..
=
500 kPa (5 bares ASS)
a V3
= 0.2 m3,
Teorle de a/re compi;mido
LEY DE CHARLES
"A presion constante, una masa de gas dada aumenta en volumen a razon de 1/273 de su volumen por cada grado Celsius de aumento de temperatura".
LEY DE GAY LUSSAC
"A presion constante, temperatura", por 10 tanto,
V T
el volumen de un gas aumenta
V1
=
V2
V1
=
cte.
T1
TRANSFORMACION
----------
V2
T2
en proporcion
a la
T1
=
-----------
T2
ISOCORICA
"Con un volumen constante, por 10 tanto,
la presion es proporcional
a la temperatura",
y
(En las expresiones superiores Kelvin, es decir °C+ 273 = OK) Las relaciones anteriores general de los gases perfectos".
--------
=
se debe utilizar la escala de temperntura
se combinan
=
para proporcionar
la "ecuacion
Con stante
Esta ley proporciona una de las bases teoricas principales para el calcuto a la hora de diseriar 0 elegir un equipo neumatico. cuando sea necesario tener en cuenta los cambios de temperatura.
0~MEXICO
3.5
TRANSFORMACION ADIASATICA Las leyes anteriores se referian siempre a cambios lentos, con solamente dos variables cambiando al mismo tiempo. En la practica, por ejemplo, cuando el aire entra en un cilindro, no tiene lugar un camino de estas caracteristicas, sino un cambio adiabatico. La ley de Soyle de p V = ete. eambia a p V k = ete. El diagrama ilustra la diferencia con suficiente claridad. Vemos que tenemos una perdida de volumen cuando la presi6n aumenta rapidarnente, Nos encontramos nuevamente esta ley, cuando hablemos acerca del consumo de 105 cilindros.
pv=c
v VOLUMEN ESTANDAR
Debido alas interrelaciones entre volumen, presi6n y temperatura, es necesario referir todos 105 datos de volumen de aire a una unidad estandanzada, el metro cubico estandar, que es la cantidad de 1.293 Kg. de masa de aire a una temperatura de 0 °c y una presi6n absoluta de 760 mm. Hg. (101325 Pa).
GASTO VOLUMETRICO (Caudal)
Launidad basica para el gasto volumetrico "Q" es el Metro Cubico Normal por segundo (m3n1s). En la neurnatica practica, los volomenes se expresan en termlnos de litros por minuto (I/min) 0 decimetros cUbicos normales por minuto 3 (dm /min). La unidad no metrica habitual para el gasto volumetrtco es el "pie cubico estandar por minuto" (scfm).
3.6
Teoria de aire comprimido
Ecuaci6n de Bemoulli
Bernoulli dice: "Si un liquido de peso espedfico P fluye horizontalmente por un tubo de diametrc variable, la energia total en los puntos 1 y 2 es la misma".
--------------------8----------------------------------------------::::::::::::::::::::
-----------------------------------------
1
:::::::::::::
-------------------------------
2
o bien:
Esta ecuaci6n se aplica tambien a los gases si la velocidad del flujo no supera 105 330 m/s aproximadamente. Aplicaciones de esta ecuaci6n son el tubo de Venturi y la compensaci6n del flujo en los reguladores de presi6n. HUMEDAD DEL AI RE El aire de la atmostera contiene siempre un porcentaje de vapor de agua. LCi cantidad de humedad presente depende de la humedad atmosterica y de la temperatura. Cuando el aire atmosterico se enfria, alcanza cierto punto en que se satura con la humedad. Esto se conoce coma punto de condensaci6n 0 punto de rocio. Si el aire se enfria mas, no retiene toda la humedad y el sobrante se decanta coma gotas en miniatura que fonnan un liquido condensado. La cantidad real de agua que puede ser retenida depende por completo de la temperatura, 1 m3 de aire comprimido es capaz de retener s610 la misma cantidad de vapor de agua como 1 m3 de aire a presi6n atmosterica. La tabla 3.6 abajo i1ustra el numero de gramos de agua por metro cUbico para una amplia gama de temperatura, desde -40°C hasta +40 "C. La linea en negrita se refiere al aire atrnosferico con el volumen a la temperatura en cuesti6n. La linea fina indica la cantidad de agua por metro cubico estandar, Todo consume de aire se expresa nonnalmente en volumen estandar, 10 que hace innecesario el . calculo.
09£ MEXICO
3.7
Para la gama de temperatura de las aplicaciones neumaticas, la tabla de abajo praporciona los valores exactos. La primera mitad se refiere alas temperaturas sobre cero, mientras que la parte inferior indica las temperaturas bajo cera. Las filas superiores muestran el contenido de un metro cubico estandar y las inferiores el contenido en un volumen de un m3 a la temperatura dada.
Temperatura QC g/m~n"(Estandar) g/m~ (Atrnosterico)
0 4.98 4.98
5 6.99 6.86
10 9.86 9.51
35 40 30 15 20 25 13.76 18.99 25.94 35.12 47.19 63.03 13.04 17.69 23.76 31.64 41.83 54.108
Temperatura QC q/rn" n "(Estandar) g/mJ (Atmosterico)
0 4.98 4.98
-5 3.36 3.42
-10 2.28 2.37
-15 1.52 1.61
Tabla 3.6 Saturaci6n
-20 1.00 1.08
-25 0.64 0.70
-30 0.40 0.45
-35 .025 0.29
-40 0.15 0.18
del aire por agua (Punto de condensaci6n)
Humedad relativa
A excepcion de condiciones atmostericas extremas, como una repentina cafda de la temperatura, el aire atmosterico no se satura nunca. El coeficiente entre el contenido real de agua y el del punto de condensacion se llama humedad relativa y se indica como porcentaje. contenido real de agua
Humedad relativa h.r .
= ---------------------------
x 100% cantidad de saturacion (punto de condensacion)
Ejemplo 1: Temperatura 25°C. h. r. 65 % l,Que cantidad de agua hay en 1 Punto de condensacion 25 QC= 24 g/m3 x 0.65 = 15.6 g/m3• Cuando el aire se comprime, su capacidad para contener humedad en forma de vapor es solo la de su "volumen reducido". Por 10 tanto, a menos que la ternperatura suba substancialrnente, el agua sera expulsada rnediante condensacion.
Ejemplo 2: 10m3 de aire atmosfenco a 15° y 65% de humedad relativa se comprime a 6 bares de presion rnanornetrica. Se modifica la temperatura hasta alcanzar los 25° l,Cuanta agua se condensara? De la tabla 3.6 : A 15 cC, 10 m3 de aire pueden contener un max, de 13.04 g/m3 x 10 = 130.4 g; al 65 % de h. r. el aire contendra 130.4 x 0.65 = 84.9 9 (a).
3.8
Teorfa de aire comprimido
P
1
V
1
=
P1
P
2
V2
V2
= --------
V1
P2
1.013 6 + 1.013 De la tabla 3.6: 1-44 m3 a 25°C puede retener un maxima de 23.76 9 x 1.44 = 34.2 9 (b),
La condensaci6n es igual a la cantidad de total de agua en el aire, menos el volumen que el aire comprimido puede absorber; asl de (a) y (b), al comprimir el aire 84.9 - 34.2 50.6 9 de agua condensada.
=
esvc
MEXICO
3.9
Esta agua de condensaci6n debe de eliminarse antes de que se distribuya el aire comprimido, para evitar efectos nocivos sobre 105 componentes del sistema neumatico.
Ir'
.~
/
//
150
v:/'l
¥
h~
100 ." fI
50
If
h
, »
15
10
/7
'I
H #"
5
J
/ ./
1.5
I
/
1 1#
D
.17
0.5 ~
0.1 -30
o
50
100<>C
Figura 3.7 Puntos de condensaci6n desde -30°C hasta aproximadamente +80 QC.La curva en negrita indica 105 puntos de saturaci6n de un metro cublco a la temperatura relacionada y la linea fina al vplumen estandar
3.10
Teorle de aire comprimido
PRESI6N
Y CAUDAL
La relacion rnas importante existe entre presion y caudal.
para los componentes
neurnaticos
es la que
Si no existe circulation de aire, la presi6n en todos los puntos del sistema sera la misma, pero si existe circulacion desde un punto hasta otro, esta querra decir que la presion en el primer punto es mayor que en el segundo punto, es decir, existe una diferencia de presion. Esta diferencia depende de tres factores:
- La presi6n inicial. - El caudal de aire que circula. - La resistencia al flujo existente entre ambas zonas.
La resistencia a la circulaci6n de aire es un concepto que no tiene unidades propias (como el ohmio en electricidad) si no que en neurnatica ·se usa el concepto opuesto, es decir, conceptos que reflejan la facilidad 0 la aptitud de un elemento para que el aire circule a traves de el, el area de orificio equivalente "S" 0 el "Cv" 0 el"Kv". La seccion de orifico equivalente "S" es expresada en mm y representa el area de un orificio sobre pared delgada que crea la misma relacion entre presion y caudal que el elemento definido por el. Estas relaciones son en cierta manera, similares a la electricidad, donde "Diferencia de Potencial Resistencia x Intensidad". Esto trasladado de alguna forma a la neurnatica, seria "Caida de presion Caudal x Area efectiva", solo que, mientras que las unidades electricas son directamente proporcionales, esta retacion para el aire es bastante rnas compleja y nunca sera simplemente proporcional.
=
=
En electricidad una corriente de un amperio (1A), crea sobre una resistencia de un Ohmio una tension de un voltio (1 V). Esto se cumple bien sea desde 100V a 99V 0 desde 4V a 3V. En cambio, una caida de preslon a traves del mismo objeto y con el mismo caudal, puede variar con la. presion inicial y tambien con la temperatura. Razon, la compresibilidad·del aire. Para definir uno de los cuatro datos interrelacionados que han sido mencionados, a partir de los otros tres, nosotros necesitamos el diagrama que se muestra a continuacion:
3.11
Fig. 3.8 Diagrama
en el que se muestra las relaciones entre presion orificio con una secci6n equivalente a 1 mm2
y
f1ujo para un
El trianqulo de la esquina inferior derecha marca el rango del "flujo a velocidad s6nica", cuando el caudal de aire alcanza una velocidad cercana a la del sonido. En este caso, el caudal ya no se puede incrementar independiente de la diferencia de presi6n que pueda existir entre la entrada y la salida. Como puede verse, las curvas en esta zona, caen verticalmente. Esto supone que el caudal no depende de la diferencia de presi6n sino de la presi6n de entrada.
Uso del diagrama
La escala de presi6n en la izquierda indica la presi6n de entrada como la salida. La primera linea vertical de la izquierda representa el caudal cero y evidentemente, la presi6n en la entrada y la salida; las diferentes curvas para las presiones de entrada desde 1 hasta 10 bar, indican como varia la presi6n de salida con el incremento del caudal. Ejemplo 1. - Presi6n de entrada de 6 bar. - Caida de presi6n det bar - Presi6n de salida 5 'bar. 3.12
Teoria de sire comprimido
Seguimos la linea que parte de 6 hasta que corta la horizontal del nivel de 5 bar. Oesde este punto, nosotros seguimos la linea a trazos que baja verticalmente hasta la escala de caudales, en la que obtenemos un valor de 55 IImin. Esta situacion concreta define 10 que se ha lIamado el "volumen de flujo estandar (On)", un valor encontrado en 105 cataloqos para una rapida comparacion de la capacidad de caudal de otras valvulae. El caudal obtenido en este diagrama es para un elemento (valvula, conexion, tuberia, etc.) con una seccion equivalente "S" de 1 mm". Si el elemento en cuestion tiene, sequn cataloqo, una "S" de 4.5 mm2, el caudal real sera 4.5 veces mayor. En este caso 4.5 x 54.44 = 245 IImin. . Ejemplo 2. Oado un elemento con una seccion equivalente "S" de 12 mm", con una presion de anrnentacton de 7 bar y un consumo de aire de 600 I/min. {,Oue presion obtendremos a la salida? Un caudal de 600 Vmin. con una seccion equivalente de 12 mrrr', corresponde a un caudal de 50 I/min. por cada mm2 de seccion equivalente (necesitamos esta conversion para utilizar el diagrama de la figura 3.8). Seguimos ahora la curva que comienza en 7 bar hasta que corta la linea vertical de 50 IImin. de On. A partir de este punto, seguimos la linea horizontal hasta la escala de presiones y obtenemos un valor de 6.3 bar.
Formulario:
Cuando se requiera un calcuto mas exacto que el que pueda ser obtenido en este diagrama, el caudal puede ser calculado con alguna de las dos formulas siguientes: Un vistazo al diagrama de la Fig. 3.8. nos 10 pueden aclarar y logicamente, deben existir dos formulas diferentes para los rangos de "flujo sonico" y para los rangos de "flujo subsonico". La frontera entre el f1ujosonico y el subsonlco viene establecida por las siguientes f6nnulas: Flujo scnico P2 + 1.013 ~ 1.896 (P1 + 1.013) Flujo subsonico P2 + 1.013> 1.896 (P1 + 1013) El caudal Q vendria dado por las siguientes formutas: Flujo subsonico: Q
= 22.2. S ~ (P2 + 1.013)
Flujo sonico: Q
= 11.1 . S (P1 + 1.013) 3.13
Siendo Pi Y P2 presiones relativas
0
manometricas.
Vea como un sistema neumatico nunca funcionara de forma satisfactoria condiciones de flujo s6nico ya que, por ejemplo, de una presi6n de alimentaci6n 6 bar no quedarian nada mas que 2.7 bar para trabajar.
en de
Ejemplo: Calcularnos el flujo del ejemplo 2 asumiendo una presi6n de trabajo de 7 bar y una presi6n de salida de 6.3, con una secci6n equivalente "S" de 12 mm' para el sistema de valvula y tuberias: Q = 22.2 . 12 ~
7.313 x 0.7
= 602.74 I/min.
Este dato nos muestra que la precisi6n del diagrama es suficiente para uso practice en neurnatica.
3.14
4.
COMPRESION Y DISTRIBUCION DEL AIRE
COMRESORES • Compresor allernativo • Compresor rotetivo • Capacidad normal del compresor ACCESORIOS DEL COMPRESOR • Dep6sito • Filtro de enlrada DESHIDRATACION
DEL AIRE
• Posl-enfriadores • Secadores DISTRIBUCION DEL AIRE • • • •
Final en linea abierla y conduclo principal en anii/o Lineas secundarias Selecci6n del temeiio de los conduclos principales de aire Maleriales para la luberia
~srJC MEXICO
Compresi6n y distribuci6n del aire
COMPRESION Y DISTRIBUCION DEL AIRE COMPRESORES Un compresor convierte la energia rnecanica de un motor electrico combustion en energia potencial de aire comprimido. Los compresores de aire se dividen en dos categorias alternativos y rotativos.
0
de
principales:
Los tipos principales de compresores incluidos en estas categorias se indican en la figura 4.1
COMPRESORES
DE DESPLAZAMIENT
Figura 4.1 Tipos prindpales de compresores utilizados en los sistemas neumaticos
COMPRESORES
AL TERNATIVOS
Compresor de embolo de una etapa
El aire recogido a presion atrnosferica se comprime a la presion deseada con una sola cornpresion El movimiento hacia abajo del embolo aumenta el volumen para crear una presion rnas baja que la de la atrnosfera, 10 que hace entrar el aire en el cilindro por la valvula de entrada. AI final de la carrera, el embolo se mueve hacia arriba, la valvula de entrada se cierra cuando el aire se comprime, obligando a la valvula de salida a abrirse para descargar el aire en el deposito de recogida.
09'£ MEXICO
4.1
Este tipo de compresor se utiliza generalmente en sistemas que requieran aire en la gama de 3-7 bares.
Figura 4.2 Compresor de embolo de una sola etapa
Compresor de emboto de dos etapas En un compresor de una sola compresion, cuando se cornprime el aire por encir'na de 6 bares, el calor excesivo que se crea reduce en gran medida su eficacia. Debido a esto, los compresores de embolo utilizados en los sistemas industriales de aire comprimido son generalmente de dos etapas.
Refrigerante intermedio
Flgura 4.3 Compresor de embolo de dos etapas:
4.2
Compresi6n y distribuci6n del aire
El aire reeogido a presi6n atrnosferica se eomprime en dos etapas hasta la presion final. Si la presion final es de 7 bares, la primera cornpresion normalmente eomprime el aire hasta aproximadamente 3 bares, tras 10 cual se enfria. Se alimenta entonees el eilindro de la segunda cornpresion que eomprime el aire hasta 7 bares. El aire comprimido entra en el cilindro de segunda cornpreslon a una temperatura muy reducida, tras pasar por el refrigerador intermedio, mejorando el rendimiento en cornparacion con una unidad de una sola cornpreslon. la temperatura final puede estar alrededor de 120°C.
Compresor de diafragma. Los compresores de diafragma suministran aire eomprimido seco hasta 5 bares y totalmente libre de aeeite, por 10 tanto se utilizan ampliamente en la industria alimenticia, farmaceutica y similares. El diafragma proporciona un cambio en el volumen de I~ camara, 10 que permite la entrada del aire en la carrera hacia abajo y la eompresi6n en la carrera haeia arriba.
SAUDA
Figura 4.4 Compresor de diafragma
4.3
COMPRESORES
ROTATIVOS
Compresor rotativo de paleta deslizante Este compresor tiene un rotor montado excentricamente paletas que se deslizan dentro de ranuras radiales.
con una serie de
AI girar el rotor, la fuerza centrifuga mantiene las paletas en contacto con la pared del estator y el espacio entre las paletas adyacentes disminuye desde la entrada de aire hasta la salida, comprimiendo asi el aire.
Entrada
Figura 4.5 Compresor
de paleta
La lubricaci6n y la estanqueidad se obtienen inyectando aceite en la corriente de aire cerca de laentrada. El aceite actua tarnbien como refrigerante para eliminar parte del calor generado por la compresi6n, para limitar la temperatura alrededor de 190 0 C. . Compresor de fomillo Dos motores helicoidales engranan girando en sentidos contrarios. El espacio libre entre ellos disminuye axialmente en volumen, 10 que comprime el aire atrapado entre los rotores (figura 4.6). El aire lubrica y cierra hermeticamente los dos tornillos separadores de aceite eliminan el mismo del aire de salida.
rotativos.
Con estas maquinas se pueden obtener cauda!es unitarios elevados; de rnas de 400 m3/min a presiones superiores a 10 bares. Este tipo de compresor, mas que el compresor suministro continuo libre de altibajos.'
4.4
de paletas,
Los
continuos
ofrece
y
un
Compresi6n y distribuci6n del aire
,.,
Figura
4.6 Pnncipio del compresor
de T omillo
El tipo industrial de compresor de aire rnas cornun sigue siendo la maquina alternativa, aunque los tipos de tornill0 y paletas se estan usando cada vez mas.
CAPACIDAD
NORMAL DEL COMPRESOR
La capacidad 0 salida de un cornpresorse indica como gasto volumetrico estandar, en m3n/s 0 m3n/min, dm3n/s 0 litros/min. La capacidad puede describirse tarnbien como volumen desplazado 0 "volumenteorico de entrada", un concepto teorico. Para un compresor de ernbolo, se basa en:
=
Q (I/min) area del ernbolo en dmi x longitud de carrera en dm x numero de cilindro de primera etapa x rpm. En el caso de un compresor de dos etapas, se considera solo el cilindro de primera etapa. El suministro efectivo es siempre inferior debido alas perdidas volurnetrlcas y termicas. La perdida volumetrica es inevitable, puesto que no es posible descargar la totalidad del aire comprimido del cilindro al final de la carrera de ccmpresion: queda algo de espacio, elllamado "volumen muerto". La perdida termica se produce debido al hecho de que durante la cornpresion el aireadquiere una temperatura muy elevada, por 10tanto su volumen aumenta y disminuy_e_cuando se enfria ct·;.!~~perC:lturaambiente (ver la ley de Charles en el apartado 3). /.~.-
4.5
Rendimiento
volumettico
aire libre descargado El coeficiente
= ------------------------desplazamiento
expresado como porcentaje, se conoce como rendimiento volumetrico y varia sequn el tarnafio, tipo y fabricaci6n de la maquina, nurnero de etapas y presi6n final. El rendimiento volurnetnco de un compresor de dos etapas es inferior a la del compresor de una sola etapa, puesto que tanto los cilindros de la primera como los de la segunda etapa, tienen volumenes muertos.
Rendimientos
termico y global
Aparte de las perdidas descritas anteriormente, existen tarnbien efectos termicos que bajan el rendimiento de la compresi6n del aire. Estas perdidas reducen aun rnas el rendimiento global dependiente del coeficiente de compresi6n y de la carga. Un compresor, que trabaja a capacidad casi total, acumula una gran cantidad de calor y pierde rendimiento. En un compresor de dos etapas, el coeficiente de compresi6n por etapa es inferior y el aire, comprimido parcialmente en el cilindro de primera etapa, se enfriaen un refrigerador intermedio antes de ser comprimido a la presi6n final en el cilindro de segunda etapa. Ejemplo: Si se comprime el alre atrnosferico absorbido por un cilindro de la primera etapa a un tercio de su volurnen, la presi6n absoluta a la salida es de 3 bares. El calor desarrollado por esta compresi6n relativamente baja es consiguientemente bajo. El aire comprimido pasa al cilindro de segunda etapa, a traves del refrigerador intermedio, y nuevamente su volumen se reduce a un tercio. La presi6n final es entonces de 9 bares abs. El calor desarrollado al comprimir el mismo volumen de aire en una sola compresi6n, directamente de la presi6n atrnosferica a 9 bares abs, seria mucho rnas elevado y se reduciria considerablemente et rendimiento global. El diagrama de la. figura 4;7 compara los rendimientos gtobales tipicos de compresores de una y dos etapas, para varias presiones finales. Para presiones finales bajas, es mejor un compresor de una etapa,puesto que su rendimiento vofurnefrico es rnas elevado..Sin embargo, con una presi6n final en aumento, tas perdidas termicas son cada vez mas importantes y son preferibles Joscompresores de dos etapas, con un rendimiento termico mas eJevado.
4.6
Compresi6n y distribuci6n del aire
l!.NA ETAPA
-
-
90%
DOS ETAPAS
~
":',:: -: ."-::::'
...••..•..
80%
<,
I'-...
70%
<, ~'
60%
4
5
7
6
8
10
9
11
12
~ Presl6n final
Flgura
(bar)
4.7 Diagrama del rendimiento
global
El consumo especifico de energia es una medida del rendimiento global y se puede utilizar para estimar el costa de produccion del aire comprimido. Como promedio, se puede estimar que se necesita un kW de energia electnca para producir 120-150 IImin. (= 0.12 ... 0.15 m3n/minlkW) para una presion de trabajo de 7 bares. Las cifras exactas deben de establecerse cornpresor.
ACCESORIOS DEP6sITO
sequn el tipo y el tamario del
DEL COMPRESOR
DE AIRE COMPRIMIDO
Un deposito de aire comprimido es una cisterna a presion construida en chapa de acero soldada, rnontado horizontal 0 verticalmente, directamente despues del refrigerador final para recibir el aire comprimido amortiguando asl los impulsos lniciales en el c~udalde aire. Sus funciones principales son las de atmacenar una cantidad suficiente de aire para satisfacer las demandas que superen la capacidad del compresor y minimizar la carga y descarga frecuentes del compresor: sin embargo, suministra tambien un enfriamiento adicional para precipitar el aceite y la humedad que lIegan del post-enfriador, antes de que el aire se ;distribuya. A este respecto, colocar el deposlto d~l sire en un lugar fresco representa. una ventaja. .
purga
·~r·
.
..-
,
~<-.:..:-
.
.
El deposito debe de estar provisto de valvulas de seguridad, man6metro, y tapas de lnspecclon para la comprobaci6n 0 limpieza del interior.
<)SVCMEXtCO
4.7
Selecci6n del lama/la del dep6sita de aire camprimida El tamario de los depositos del aire se selecciona sequn las salida del compresor, el tamario del sistema y el hecho de que la demanda sea relativamente constante 0 variable. Los compresores .con accionamiento electrico se utilizan en plantas industriales, para alimentar una red,normalmente se conectan y desconectan entre una presion minima y maxima. Este control se llama "automatico" para ello es necesario un volumen minima del deposito del aire para evitar que la conexion y desconexion sean demasiado frecuentes. Los compresores m6viles con un motor de combustion no se paran cuando se alcanza una presion maxima, sine que se elevan las vatvutas de succion de forma que elaire puede fluir libremente dentro y fuera del cilindro sin ser comprimido. La diferencia de presion entre la cornpresion y la carrera en vacio es bastante pequeria. En este caso se necesita solo un pequerio deposito. Para plantas industriales,
la regia aproximada para ef tarnafio del deposito
es: Capacidad
del deposlto
de aire = salida de aire comprimido por minuto del compresor (no F.A.D. no el "aire de consumo")
=
Ejemplo: descarga ef compresor 18 m3n/min. (aire libre), presion media de fa linea 7 bares Por 10 tanto, la salida de aire comprimido por minuto = 18000
---------- =
2500 litros aprox.
7 Un deposito con un -volumen de 2750 litros sera entonces el tamario mas adecuado.
FILTRO DE ENTRADA La atrnosfera de una ciudad tlpica puede contener 40 partes por miUon/m3 de particulas solidas, es decir polvo, suciedad, polen, etc. Si se comprime este aire a 7 bares, la concentracion seria de 320 partes por millon/n{ Una condicion importante para la fiabilidaq y duracl6n del compresor debe de ser la instalacion de un filtro eficaz y adecuado para impedir el desgaste excesivo de cilindros, anillos del ernbolo, etc., que es provocado principalmente por el efecto abrasivo de estas impurezas. El filtro no debe de ser demasiado fine puesto que el rendimiento del cornpresor dismihuye debido a la elevada resistencia al caudal de aire y asl las particulas de aire muy pequerias (2 - 5 ~t)no se pueden eliminar.
4.8
Compresi6n y distribuci6n del aire
La entrada de aire debe estar situada de forma que en la medida de 10 posible se aspire aire seco limpio, con conductos de entrada de diarnetro 10 suficientemente grande para evitar una.caidade presion excesiva. Cuando se utilice un silenciador, es posible incluir el filtro de aire que se colocara despues de la posicion del silenciador, de formaque este sujeto a efe~tos de PUIS9,cip~mlnirnos.
DESHIDRATACION
DEL AIRE
POST -ENFRIAOORES Despues de la compresion final, el aire esta caliente y, al enfriarse, el agua se depositara en cantidades considerables en el sistema de tuberias, 10 cual debera evitarse. La manera mas efectiva de eliminar la mayor parte del agua de condensaclon es someter el aire a la refriqeracion despues de la compresion. Los refrigeradas
Post-enfriadores son por aire 0 por agua.
Refrigeraci6n
intercambiadores
que
pueden
ser
unidades
por aire
Consiste en una serie de conductos por los cuales fluye el aire comprimido y sobre los cuales se hace pasar una corriente forzada de aire frio por media de un ventilador. Un ejemplo tipico se ilustra en la figura 4.8. La temperatura de salida del aire comprimido refrigerado de be ser de aproximadamente 15°C por encima de la temperatura del aire de refriqeraclon .
. WIll .
'. ;,\ ...::.;'.::-.:...
~..
~~..
Figura 4.8 Principio de un Post-enfriador
esvc
MEXICO
.:.
:
refrigerado por aire
4.9
Rettiqerecion por agua Se trata esencialmente de un revestimiento. de acero que aloja unos conductos en los que el agua circula por un lado y el aire por el otro, normalmente de forma que el flujo de ambos fluidos sea en sentido contrario a traves del refrigerador. Este principio se ilustra en la figura 4.9. Ingreso del agua de enfriamiento
---
l
:
1 ::I
u
~
Ingreso de air e
~ :r:
~ ~
..
~
...
. ,
lT1~ Salida del agua de
T
L
-----
--
Salida del aire
.
enfriamiento
Figura. 4.9 Principio de un Post-enfriador
por agua
Un post-enfriador de agua nos asequrara que el aire descargado estara aproximadamente 10 DCpor encima de la temperatura del agua de refrigeraci6n. Una purga autornatica acoplada condensado acumulado.
0
integrada,
en el post-enfriador
quita el
Los post-enfriadores podran estar equipados con una valvula de seguridad, un man6metro y se recomienda que se incluyan term6metros tanto para el aire como para el agua.
SECADORES DE AIRE
Los post-enfriadores enfrian el aire hasta unos 10 6 15 DC por encima del medic refrigerante. El control y operaci6n de los elementos de un sistema neurnatico seran normalmente a temperatura ambiente (aprox. 20 DC). Esto nos puede hacer pensar que no se precipitara ningun condensado mas y que la humedad remanente es expulsada con el aire de salida devuelta a la atm6sfera. A menudo, la temperatura del aire 0 Ia salida del post-enfriador puede ser mas alta que la temperatura circundante con la cual pasa por la Hneas de tuberias, por ejemplo durante la noche. Esta situaci6n enfria elaire comprimido todavia mas, por 10 que habra todavia vapor que se condensara corno agua. .
.
La medida em plead a en el secado de aire es la bajada del punta de rocio, el cual se define como la temperatura a la cual el aire esta completamente saturado de humedad (100 % h.r.). Cuanto mas bajo sea el punto de rocio, menos humedad· queda en el aire.
4.10
Campresi6n y distribuci6n del aire
Existen tres tipos principales de secadores de aire disponibles por procesos de absorcion, adsorcion 0 refriqeracion .
que operan
...... .~
. -f·
Secado por absorci6n (Secado coslescente)
El aire comprimido es forzado a traves de un agente secante, yeso deshidratado 0 cloruro de magnesio que contiene en forma solida cloruro de litio 0 cloruro de calcio, el cual reacciona con la humedad para formar una solucion que es drenada desde el fondo de la cisterna. El agente secante debe ser regenerado a intervalos regulares ya que el punto de roclo se eleva en funcion del consumo de sales durante el funcionamiento: de todas forrnas a presiones de 7 bar, son posibles puntos de rocio de 5°C. Las principales ventajas de este rnetodo son su bajo costa inicial y de funcionamiento, par contra la temperatura de entrada no de be exceder de 30°C, los productos quimicos implicados son altamente corrosivos necesitanda un filtrado cuidadosamente comprobado para asegurar que ninguna fina particula corrosiva sea arrastrada al sistema neumatico.
~
.
G9.C MEXICO
--
--
--'- .,_.-" . ~..
..
"
nf}-:~-'--, .'"/
SAUDA
."
4.11
Secado por adsorci6n (desecante) En una camara vertical est a contenido un producto quimico tal como la silica gel 0 la alurnina activada en forma granular, para que, por metodos fisicos, absorba la humedad del aire comprimido que pasa a traves de el. Cuando el agente secante se satura es regenerado mediante secado, por calentamientos 0, como en la figura 4.11, por la perdida de calor de un flujo de aire secado previamente. El aire cornprimido hurnedo entra a traves de una valvula de control direccional y pasa atravesando la columna desecante 1. El aire seco fluye hacia la via de salida. Entre un 10% y un 20% del aire seco pasa a traves del orificio 02 y de la columna 2 en 'direccion contraria, para reabsorber la humedad del desecante con el fin de regenerarlo. El flujo de aire de refrigeraci6n va entonces hacia el escape.
COLUMNA 1 FUNCIONANDO
COLUMNA 2 REGENERANDO
r '1.'-'1
T •
: T
11
:
•.•
02 s,J,UOA AIRE
\
ssco
l!:::==H~F==';:::r.c-ESCAPE ENT!"OA
AlRE HUMEOO
Figura 4.11 Principio del secador de aire por adsorci6n regenerado por perdida de calor.
4.12
Compresi6n y distribuci6n del aire
~s':-
La valvula de control direccional accionada periodicamente por un temporizador para conseguir alternativamente el suministro de aire a una columna y la reqeneracion de la otra; para proporcionar aire seco continuo. Con este metodo son posibles puntos de rocio extremadamente ejemplo de -40 QC.
bajos, por
Un indicador de color puede ser incorporado al desecante para comprobar el grado de saturacion. El microfillrado es esencial la salida del secador para prevenir el arrastre de particulas absorbentes. El costa inicial y de funcionamiento es comparativamente alto, pero los costos de mantenimiento tienden a ser bajos.
a
Secado por refrigeraci6n
Es una unidad mecanlca que incorpora un circuito de refriqeracion con dos intercambiadores de calor. El aire hurnedo a alta temperatura es pre-enfriado en el primer intercambiador de calor (1) transfiriendo parte de su calor al aire frio de salida. Entonces, en el intercambiador de calor 2, el aire es enfriado gracias al principio refrigerador de extraccion de calor come>resultado de la evaporacton de gas freon en su propio circuito de refriqeracton. E~ ese momento la humedad y las particulas de aceite se condensan y son automatlcamente drenadas. El aire trio seco de la tuberia de retorno pasa a traves del intercambiador de calor por aire (1) y coge calor del aire entrante a alta temperatura. Esto previene la tormacton de rocio en la sallda de descarga, aumentando el volumen y bajando la humedad relativa. Mediante los metodos modemos es posible una temperatura de salida de 2 QC aunque una temperatura del aire de salida de 5 QCes suficiente para la mayoria de las aplicaciones del aire comprimido. La temperature de entrada puede ser superior a 105 60°C pero es rnas econ6mico pre-enfriar1o para llevarto a temperaturas de entrada mas f?ajas. Como regia general, el costa del secado de aire comprimido representar entre el 10% y el 20% del costa del alre comprimido. .
puede
4.13
SAUDA DE AIRE SECO ENTRADA AIRE CAUENTE
CD
Intercamblador de calor alre de entrada/alre de sallda
®
Intercamblador de calor sire de enlradalfre6n
Enlrlador
@
Ventllador
CID
Oomprescr
®
Terrnostatc
cle fre6n (para enfrlador
3)
del fre6n
(]) Filtro de alre
® ~
Purga automAtica Oireccl6n de transmisl6n
del calor
Figura. 4.12 Principio del secador de aire por refriqeracion
Filtro de linea principal
Un filtro de gran capacidad sera instalado despues del deposito de aire para eliminar de este la contarninacion, los vapores de aceites procedentes del compresor y el agua. . El filtro debe tener una minima caida de presion y capacidad para eliminar el vapor de aceite procedente del compresor con el fin de evitar la emulsion en la linea con el liquido condensado. El filtro de linea principal no posee deflector para la separacion de agua como es le caso de los "Filtros estandar" descritos en la seccion de ''Tratamiento de aire". Una purga de drenaje autornatico, bien sea incluida de sene 0 bien acoplada, nos asequrara la descarga regular del agua acumulada. El filtro es generalmente del tipo de cartucho de cambio rapido.
4.14
Compresi6n y distribuci6n del aire
......
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Cartucha
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fltrante
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Vasa de metal
Mirilla
'r VAlvula
de drenale
~tL .1....,.;.
Figura 4.13 Tipico filtro de linea
DISTRIBUCION
DEL AIRE
La toma de aire es un sistema de distribucicn instalado de forma permanente para lIevar el aire a varios puntos de consumo. Se instalaran valvulae de aislamiento para dividir la toma de aire en secciones con el fin de limitar el area que deba ser vaciada durante periodos de mantenimiento 0 reparacion. Existen dos configuraciones de trazo basicas: FINAL EN liNEA ABIERTA Y CONDUCTO PRINCIPAL EN ANILLO.
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0gyc
MEXICO
4.15
Final en linea muerta
Figura. 4.14 Tipica configuraci6n de linea principal con final en linea abrerta
Para favorecer el drenaje las tuberias de trabajo tienen una pendiente de cerca del 1% en la direcci6n del fluido y deberan ser adecuadamente purgadas. A interval os ajustables, la linea principal puede ser devuelta a su original mediante dos largos tubos curvados en anqulo recto y disponiendo una derivaci6n de purga en el punto rnas bajo.
Conducto principal en anillo
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,
Figura 4.15 Conducto principal en anillo
4.16
Compresi6n y distribuci6n del aire
En un sistema de conducto principal en anillo, es posible alimentar el aire de dos lados a un punto de consumo elevado, 10 que permite minimizar la calda de presi6n. De cualquier forma, el agua es lIevada en cualquier direcci6n y se deben proveer tomas de salida para el agua con purgas automaticas.
LiNEAS SECUNDARIAS A menos que esten instalados un post-enfriador eficiente y un secador de aire, el conducto de distribucion del aire comprimido actua como una superficie refrigerante y el agua y el aceite se acumulan a 10 largo de su longitud. Las derivaciones de la linea se toman de la parte superior del conducto, para impedir que el agua del conducto principal entre en ellas. Mientras debera purgarse la parte inferior de la calda del conducto. Los puntos de purga deben de estar provistos de empalmes de T iguales jnstalados en puntos id6neos a 10 largo del recorrido, en cada puntoba]o. Deben de purgarse manualmente a interval os regulares 0 bien estar provistos de purga automatica.
El agua bala a la purga automAtlca
Figura 4.16 Salidas de aire (a) y agua (b)
. Las purgas automaticas son un poco mas caras de instalar al principio, pero compensa si. se. consideran las horas de traq'ajo que se ahorran con respecto al funclonamiento .de .tipo manual. Con la purg~ manual la negligencia con lIeva problemas debido a la contaminaci6n del conducto principal.
0sr.JC
MEXICO
4.17
Purgas eutometices En las figuras 4.17 y 4.19 se ilustran dos tipos de purga autornatica. En el tipo de purga con flotador (figura 4.17), el tubo guia el flotador y esta conectado internamente por media de un filtro, una valvula de alivio, un orificio en el piston de resorte y a 10 largo del vastaqo del accionamiento manual. El agua de condensacion se acumula en el fondo de la cavidad y cuando sube 10 suficiente para levantar el flotador de su asiento de la presion se transmite al ernbolo que se mueve a la derecha para abrir el aslento de la valvula de alivio y expulsar el agua. El flotador baja entonces para cerrar el suministro de aire al ernbolo.
Tobera Flotador
!:F.I.!.II!.!lr~o~d~e~b~r~on!:!!c~eus~ln!!t!!e r~iZ~a~d!Eo~ __ Asiento
-H-_--+~~;;::~_-----VAlvula
de la vAlvula de allvlo
Acclonamlento
de allvlo manual
Figura 4.17 Purga automatica de flotador
La valvula de alivio limita la presion par detras del embolo cuando el flotador cierra la tobera. Esta valvula pre-regulada asegura un tiempo adecuado de reiniciatizacion al ernbolo, puesto que el aire capturado es purgado por un escape funcional de la valvula desequridad. . . Para este tipo de purgas se recomienda si se preve una tuberia de descarga del condensado, deber tener un diarnetro de 10 mm minima y menos de Srn. de longitud (ver figura 4.18). La figura 4.19 ilustra un tipo de purqa accionado electricamente que drena periodicarnente el agua de condensaclon por medic de una leva que dispara una valvula de vastaqo vertical accionada por palanca.:
4.18
Compresi6n y distribuci6n del aire
de poder trabajar con cualquier orientacion y es Ofrece lasvventaias extremadamente resistente a la vibracion, asi que resulta idoneo para compresores rnoviles yen los sisternas neumatteos de autobuses 0 carniones ... i c .
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Figura 4.18 Conexion del drenaje para purga
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Figura 4.19 Purga automatica motorizada
SELECCI6N AIRE
DEL TAMANO DE LOS CONDUCTOS PRINCIPALES
DE
El costo de los conductos de aire representa una porcion elevada del costa inicial de una instalacion de aire comprimido. Una reduccion en el diarnetro de la tuberia, aunque baja el costa inicial de la lnstalaclcn, hace aumentar la calda de presi6n en el sistema, incrementado asl et costo. de funcionamiento y superando et costa adi~i9n~lqe
0SVCMEXICO
H<-in~Juberiade diam~tr9;m~s~~~~~~~.
I,
4.19
Tarnbten. puesto que los costos de la mane de obra representan gran parte del costo global y dado que dicho costa varia muy poco entre diferentes tamanos de tubeda, el costa de la instalacion, por ejemplo, de una tuberia de diametro interior de 25 mm, es parecido al de una tuberia de 50 mm de diametro, mientras que la capacidad de caudal de una tuberia de 50 mm es cuatro veces la de una tuberia de 25 mm. En un sistema de conducto principal en anillo 0 circuito cerrado, el suministro por cualquier punto de salida particular se alimenta por dos derivaciones de tuberia. A la hora de determinar el tamano de la tuberia, debera ignorarse esta ahrnentaclon doble, estimando que en cualquier momento, el aire se suministra solo por una tuberia, El tamafio del conducto del aire y de las derivaciones se calcula por la limitacion de la velocidad del aire, que normalmente se recomienda que sea de 6 m/s, mientras que los sub-circuitos a una preslon de aproximadamente 6 bares y de pocos metros de longitud pueden funcionar a velocidades de hasta 20 m/so La caida de presion desde el compresor al extremo de la denvacton de la tuberia no debe superar los 0.3 bares. El nomograma (figura 4.20) permite determinar el diametro de tuberia mas idoneo. Los codos y las valvulas pueden provocar rozamiento adicional. Este rozamiento se puede expresar como longitud adicional (equivalente) de la tuberia, con el fin de determinar la. perdida de presion global. La Tabla 4.21 indica las longitudes equivalentes por los distintos tipos de accesorios utilizados comunmente .
.Ejemplo (a) Para determinar el tamano de una tuberia en la que pasaran 16800 Um de aire libre con una calda de presion de no mas de 0.3 bares en un tubo de 125 m. El compresor de dosetapas se conectan a 8 bares y se detiene a 10 bares; la medida es 9 bares. La catda de presion de 3() kPa (0.3 bar equivalente a: .
= 30 kPa) en un tubo de 125 m. es
30kPa
= 0.24 kPalm 125m. Haciendo referencia al nomograma de la figura 4.20 dibujar un trazo a partir de 9 bares en la linea de presi6n pasado por 0.24 kPalm en la linea de la calda de preslon para cortar la linea de referenda en el punto X. Unir la X con 0.28 m3nts yprolongar el trazo hasta que corte la linea del tarnario de la tuberia, a aproximadamente 61 mm en nuestro ejemplo. Se puede utilizar una tuberia con un diarnetro interno de 61 mm. Una tuberia con un diametro intemo nominal de 65 mm (ver Tabla 4.22) tiene un diametro interne real de 69 mm y pliede satlstacerlos requisitos con cierto margen.
4.20
Compresi6n y distribuci6n del aire
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DIAMETRO INTERNO
•
DE LONGIT. DE' TUBERIA
•
DE LA l\JBERIA
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REFERENCIA
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Figura 4.20 Nomograma
para el calculo del tamaiio
del dlarnefro de la tuberla de 105 conduclos .
principales
4.21
Ejemplo (b) Si la tuberia de 125 m de longitud en el ejemplo (a) tiene cierto nurnero de accesorios en la tinea, por ejemplo dos codos, dos tubos curvos de 900, seis empalmes de T estandar y dos valvulas de compuerta l,Seria necesaria una tuberia de tamario mayor para limitar la caida de presion a 30 kPa? En la tabla 4.21 en la columna de 65 mm de diarnetro se encuentra la siguiente longitud de tuberia: - dos codos: - dos curvas de 900: - seis T standard: - dos valvulas de: compuerta:
2 X 1.37 m 2 X 0.76 m 6 X 0.67 m
= 2.74 m = 1.52 m = 4.02 m
2 X 0.49 m
=
Total:
0.98 m 9.26 m
Los doce accesorios tienen una resistencia a la fluencia equivalente a aproximadamente 10 m de longitud adicional de la' tuberia. La "Iongitud efectiva" de la tuberia es entonces de 135 m.
y por m:
30 kPa -----------135m
- 0.22 kPa/m
Haciendo nuevamente referencia al nomograma de la figura 4.20: la linea que representa el tamario de la tuberia se intersecciona ahora a aproximadamente 65 mm de diametro interno, asl que una tuberia de diametro interno nominal de 65 mm con un dlarnetro interno de 65 mm, con un diarnetro interno real de 69 mm. sera aun satisfactoria en este caso. Nota: A la hora de determinar el tamario de los conductos principales para una nueva lnstalacion, hay que tener en cuenta la posibilidad de extensiones futuras.
TIPO DE AC.CESORIO CODOELBOW CURVA A 90° (LONGIT) CODO DE 90° CURVA DE 180° VALVULA ESFERICA VALVULA DE COMPUERTA T ESTANDAR·· T LATERAL
TAMANO NOMINAL DE LA TUBERIA 15 20 25 30 40 50 65 80 100 0.3 0.4 0.5 0.7 0.8 1.1 1.4 1.8 2.4 0.1 0.2 0.2 0.4 0.5 0.6 0.8 0.9 1.2 1.0 1.2 1.6 1.8 2.2 2.5 . 3.0 3.9 5.4 0.5 0.6 0.8 1.1 1.2 1.7 2.0 2.6 3.7 0.8 1.1 1.4 2.0 2.4 3.4 4.0 5.2 7.3 0.1 0.1 0.2 0.3 0.3 0.4 0.5 0.6 0.9 0.1 0.2 0.2 0.4 0.4 0.5 0.7 0.9 1.2 0.5 0.7 0.9 1.4 1.6 2.1 2.7 3.7 4.1
125 3.2 1.5 7.1 4.1 9.4 1.2
-1
I
Tabla 4.21 Longitudes de tuberla equivalentes para accesortos del conducto principal
4.22
1.5 64
Compresi6n y distribuci6n del aire
MA TERIALES PARA LA TUBERiA Tuberfa de gas esta(l,par (SGP) ...,~.{_ -
...•
:
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El conducto de aire es normalrnente un tubo de: acero 0 de hierro maleable. Se' puede obtener en negro 0 galvanizado que esta menos sujeto a la corrosion. Este tipo de tuberia puede ser roscada para aceptar la gama de accesorios normalizados. Para diametros de mas de 80 mm. es mas economico instalar bridas soldadas que hacer roscas en tuberias largas. Las especificaciones de las tuberias de gas estandaro de acero al carbono (SGP) son:
ANCHURA
NOMINAL
A
6 8 10 15 20 ·25 32 40 50 65 75 100
DIAMETRO EXT.
ESPESOR TUBO
MASA
B
mm
mm
kg/m
1/8 1/4 3/8 1/2 3/4 1 11/4 1 1/2 2 2 1/2 3 4
10.5 13.8 17.3 21.7 27.2 34.0 42.7 48.6 60.3 76.1 88.9 114.3
2.0 2.3 . 2.3 2.8 2.8 3.2 3.5 3:5 3.65 3.65 4.05 4.5
0.419 0.552 0.851 1.310 1.680 2.430 3.380 3.890 5.100 5.510 8.470 12.100
Tabla4.22
Tuber/as de acero inoxidable Se utilizan sobre todo cuando se requieren grandes diametros en lineas de ~o~ductos largos y rectos. Tubos de cobre .Cuando se requieren resistencia a la corrosion. al calor y una rigidez elevada, se puede utilizar tubos de cobra con un diametro nominal de hasta 40_ mm. pero'tesultaran~relativamente caros1'"al'a'diametros mayores de 28 mm. Los accesonos'fabricedos para tubos de.esteftj~eri·al s~nlaciles de instalar. ~~~. .....
4.23 . .., ~~ .. ;::.
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Tubos de goma (manguera de aire) La manguera de goma 0 de plastico reforzado es la rnas adecuada para herramientas de mane neurnaticas manuales, puesto que ofrece flexibilidad para la libertad de movimiento del operador. Las dimensiones de las mangueras neurnaticas de goma son:
ANCHURA NOMINAL EN PULGADAS
DIAMETRO EXT. mm
DIAMETRO INT. mm
A. DE SECC. INTERNA
1/8 1/4 3/8 1/2 5/8 3/4
9.2 10.3 18.5 21.7 24.10 29.0 35.4 45.8 52.1 60.5 66.8" 81.1 90.5
3.2 6.3 9.5 12.7 15.9 19.0 25.4 31.8 38.1 44.5 SO.8 51.1 63.5
8.04 31.2 70.9 127 199 284 507 . 794 140 1560 2030 2560 3170
1
1 1/4 1 1/2 1 3/4 2 2 1/4 2 1/2
mm"
Tabla 4.23 Manguera forrada de tela
La manguera de goma se recomienda principalmente para herramientas otras aplicaciones en que el tubo esta expuesto a desqaste mecanico,
Tubos de PVC
0
y
de nylon
Se utilizan normalmente para la interconexi6n de componentes neurnaticos, dentro de sus limitaciones de temperatura de trabajo, presentan obvias ventajas de instalaci6n, permitiendo un facil corte de la longitud deseada y una conexi6n rapida con otros accesorios bien por compresi6no bien mediante enchufes rapidos. Si se requiere una mayor flexibilidad para curvas mas cerradas 0 movimiento constante, estadisponible un nylon de grado mas suave 0 poliuretano, que sin embargo presenta menores presiones admisibles de trabajo. '
Sistemas de conexi6n Dentro de 105 sistemas, los componentes neumaticos se conectan mediante varios rnetodos. En la figura 4.24 se ilustra una tlpica conexi6n raplda. El tubo se empuja y queda enqanchado firme y hermeficarnente.
4.24
Compresi6n y distribuci6n del aire
La conexion por INSERCION proporciona una fuerza de retenci6n fiable tanto por dentro como par fuera del tubo. El mismo esta presionado por el anillo exterior cuando se atomilla -la conexion, El tubo insertado al entrar -dentro del alojamiento, reduce su diarnetro anterior y representa asl una resistencia extra.
Flgura 4.24
EJemplo de conexi6n por inserci6n
La conexion por INTRODUCCION presenta la utilizacion de una junta de perfil especial asegura vacfo. No hay resistencia adicional al flujo, puesto section de paso interior que el diametro interior del
Figura 4.25
una gran fuerza de retencion y la estanqueidad para presion y que la conexion tiene la misma tubo que se conecta
Ejemplo de conexi6n por presi6n, tipo de codo
La cOnexi6n AUTOESTANCA tiene uti mecanismo incorparado de tonna que el aire no se escapa tras retirar el tubo y, ademas, se puede utilizar tamblen en aplicaciones de cobre.
a. Si no se introduce ningun tubo, la conexton queda cerrada par una valvula de retenci6r\. b. Cuando se introduce un tubo, se abre el caudal de aire empujando la valvula de retenclon fuera de su asiento
Flgurs 4.26
Ejemplo
de conexl6nautoestanca
4.7!:'i
5.
TRATAMIENTO DE AIRE
FILTRAJE• • • •
Filtro estender Filtro micr6nico Filtro submicr6nico Selecci6n del filtro
CAUDAD DEL AIRE • Nivetes de filtraci6n REGULACI6N • • • •
DE LA PRESI6N
Regu/ador esiender Regulador pilotado internamente Filtro-regulador Selecci6n del temetio de un regu/ador; caracteristicas
LUBRICACl6N
DEL AIRE COMPRIMIDO
• Lubricadores proporcionales UNIDAD F.R.L. • Selecci6n del temetio
Q.SVC MEXICO
e instalaci6n
Trafamienfo de aire
TRATAMIENTO DE AIRE Como se ha descrito anteriormente, el aire atmosfertco lIeva polvo y humedad. Tras la cornpresion, la humedad se condensa en el post-enfriador y en el deposito, pero siempre queda algo. Ademas, finas particulas de aceite earbonizado, easearillas de la tuberia y otras materias extrarias como por ejemp/o material de sel/ado desgastado forman sustancias gomosas. Todo esto puede producir etectos nocivos al equipo neurnatico, incrementando el desgaste de las juntas y de los componentes, la deformacion de las juntas y la corrosi6n y atasco de las valvulae. Para eliminar estos contaminantes, es necesario limpiar posteriormente el aire 10 rnas cerea posible del punto de utilizacion. El tratamiento de aire incluye tarnbien la requlacion de presion y, a veces, la lubricacion.
FILTRAJE FIL TRO ESTANDAR El filtro estandar consta de un separador de agua y un filtro combinados. Si el aire no ha sido deshidratado anteriormente, se recoqera una cantidad considerable de agua y el filtro retendra impurezas solidas como particulas de polvo y de oxide. La separacion del agua se produce principalmente por una rotacion rapida del aire, provocada por un deflector en la entrada, las particulas rnas pesadas de suciedad, agua y aceite son expulsadas para impactar contra el vasa del filtro antes de ir a depositarse en el tondo. Entonces elliquido puede ser purgado por un drenaje de purga manual 0 autornatica. La placa separadora crea una zona de calma debajo del torbellirio de aire, impidiendo que el liquido separado vuelva a entrar en la corriente de aire. El elemento filtrante elimina las particulas mas finas de polvo. de cascarilla, de oxide y de aceite carbonizada al fluir el aire hacia la saJida. El elemento filtrante estandar elimina todas las particulas contaminantes de hasta 5 micras. Este elemento puede retirarse facdrnente, lavarse y reutilizarse un cierto nurnero de veces antes de que sea necesario sustituirlo debido a una caida de presion excesiva. El vasa se fabrica normalmente en policarbonato. estar protegido por un protector metahco. En ambientes deben de utilizarse materiales especiales para el vaso. expuesto a calor, chispas, etc. es recomendable utili~ar.un
Por seguridad, debe de quimicamente peligrosos Cuando el mismo este vasa metalico.
5.1
Si el agua de condensaciones se acumula a gran velocidad, es aconsejable instalar una purga autornatica. La parte derecha de la figura 5.1 ilustra una unidad integrada de purga automatica de tipo flotador para filtros estandar.
Valvula pilotada
Ai re filtrado Deflector
.--- Flotador Elemenlo
filtrante
Torbellino Valvula de purga
Bafle Zona de calrna Vaso· Protector metalico para vase
Valvula de purga Filtro separador con purga
Filtro separador
automatics
Flgura 5.1 Tlpico filtro separador
5.2
y purga automatics opcional
Tratamiento de aire
FIL TROS MICR6NICOS Cuando la contaminaci6n poryapor de aceite es indeseable, ..se utiliza un filtro micr6nico. AI ser filtro puro, no esta provisto de casquete del deflector. El aire fluye desde la entrada al centro del cartucho filtrante y luego hacia atras hacia la salida. El polvo queda atrapado dentro de los elementos microfiltrantes, el vapor de aceite y la neblina de agua se convierten en tiquido por una acci6n coalescente dentro del material filtrante, formando asi un as gotas Em el cartucho filtrante que se recogen en el fondo del vaso.
1------:--------1 ,
Cartucho
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II
Placa de acero inoxidable
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·E·~·~·~~j·~··p·vc··l I ,···:····'·Papei"fiifiaiite·········l .•••••••••••••••••••••••••••••••••••
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Sfmbolo de filtro multietapa
Figura
5.2 Filtro micr6nico tipico
5.3
FILTROS SUB-MICR6NICOS Un filtro sub-micronico elimina virtualmente todo el aceite y el agua y tarnblen las particulas mas fina hasta 0.01 micras, para proporcionar la maxima proteccion para; dispositivos neurnaticos de mediclon precisa, pintura pulverizada electrostatica, limpieza y secado de accesorios electronicos, etc. El principio de su funcionamiento es el mismo que el del filtro micronico, pero su elemento filtrante tiene capas adicionales con una mayor eficacia filtrante.
Fll TRO ELlMINADOR DE OlORES Este tipo de filtros elimina 105 olores a base de carbon activado. El cartucho consta de 13 capas de carbon, en lugar de las dos usualmente utilizadas. El elemento de carbon activado, posee una gran superficie de filtracion (900
m2/g.). la vida del elemento filtrante de pen de de la densidad del olor en el aire comprimido y no es perceptible de manera facit. Por 10 tanto se debe checar perlodicamente el elemento filtrante. El olor del metano, monoxide de carbono y dioxide de carbono, no pueden ser eliminados con este elemento.
SElECCI6N
DEL Fll TRO
El tamario del filtro que se requiere para una aplicacion especifica depende de dos factores: a) El caudal maxima de aire comprimido utilizado por el equipo neumatico. b) la caida de preston maxima aceptable para la aplicacion. Los fabricantes suministran diagramas correcta seleccion del tamafio del filtro.
de caudal/preslon
para permitir la
Debe de observarse que la utitizacion de un filtro estandar para la aplicacion puede no resultar muy eficaz para bajas velocidades de flujo.
5.4
Trafamienio de aire
CAUDAD DEL AIRE NIVELES DE FIL
-rRAj~'
El aire procedente del compresor pasa por un post-enfriador provisto de purga automatics para eliminar el agua de condensacion y la suciedad. Mas agua de condensacion se elimina por la purga autornatica. puesto que el aire se enfria posteriormente en el deposito del aire. Se pueden instalar purgas adicionales en todos los puntos bajosdel conducto. El sistema se divide en tres partes principales: Las derivacion (1 y 2) proporcionan el aire directamente del deposito. Las derivaciones (3-6) utilizan el aire acondicionado por un secador de tipo refrigerado. La derivacion 8 incorpora un secador adicional de adsorcion. Los filtros estandar de las sub-derivaciones 1 y 2, provistos de purgas automaticas, elirninan el agua de condensacion: la sub-derivacion 2 es de mayor pureza debido al filtro micronico. Las sub-derivaciones 3-6 utilizan aire seco refrigerado, por 10 tanto, la derivacion 3 no requiere purga autornatica, la derivacion 4 no necesita filtraje previo y las derivaciones 5-6 proporcionan un nivel de pureza del aire utilizando un filtro micronico y un filtro sub-rnicronico, mientras que la humedad ha sido eliminada por un secador de aire refrigerado. La sub-derivacton 7 incorpora un fi/tro para la eumlnacicn de los olores. Un secador de adsorcion elimina todo riesgo de condensacion a temperaturas mas bajas en la sub-derivacion 8. Las aplicaciones
tipicas se indican en le tabla 5.4.
5.5
Selecclon correcta del equipo de limpieza de aire.
~~
Diferentes sistemas propuestos por SMC.
Lacalidad del aire. La clasificacK;n de calidades de aire co~mido, pueden se, comprendidas suticioenle precisKln, segun tas tres condiciones $iguienles: • El punlo de reetc. • El grado de filtracion (en micrones). • La indac'6n de que si, el ace;'_ del compresor es tillrado (aerosol 0 tonne liquida).
y delmidas con
y bajo que lorma
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Fig. 5.3 Definici6n esquematica de 7 grados de filtraje
<0
1O
Tratamiento de aire
I No.
I_--=E=L=IM=I:..:..;N:;...:A=C.:..,:IO:....:..N.:....;O=.;E=.=•• __
1
Partlculas de polvo>5~, aceite IIquido >99%, humedad saturada <96%'
2
Partleulas de polvo >0.3~ Neblina de aceite >99.9% humedad saturada : 99%
3
Humedad a punto de rode atmosterico de -17°C;lo dernas como en (1)
----=A--=p--=L=-Ic=A--=c:....:..~6.=....:...::N_-1.---=E=JE=M=p=--:L::..:o=-=s=-T..:...:~~P.:..::IC=__=O=__=S=___.J ' Oc!indees aeeptable algo de aceite, humedad e impurezas s61idas
Oonde predomina eliminaci6n de polvo y pero se tolera algo condensaci6n
la aceite, de .
Oonde es neeesario aire totalmente seeo, pero se aeeptan trazas de polvo fine y aeeite
Aire para soplado y aparatos simples de sujeci6n e impulso
Equipo industrial. Controles e Impulsores neumaticos, juntas metallcas, herramientas y motores neurnaticos
Similar a (1), pero siendo el aire seeo. Se agrega pintado por pulverizaci6n
. 4
5
6
7
8
Partlculas de polvo >0.3 ~ Niebla de aceite >99.9%, humedad hasta un punto de roelo atmosferico de -17°C
Oonde no son aceptables humedad, polvo fine ni vapor de aceite
Partlculas de polvo >0.01 ~ Niebla de aeeite >99.9999%, humedad eomo en (4)
Oonde se requiere aire puro, pracncamente libre de eualquier impureza
Control del proceso, equipo de medici6n, pintado de alta calidad enfriado de moldes y matrices de inyecei6n
Equipos neumaticos de medicion de alta precision, pintado electrostatico, limpieza y seeado de conjuntos electr6nicos
Igual que en el grado No. 5 pero se desea una Informaei6n visual del grado de saturaCi6n del filtraje.
Como en (5) con eliminaei6n adicional de los olores
Todas las Impurezas como en (6) pero con un punto de roclo atmosfenco de < -30°C
,
"
Donde se requiere aire absolutamente puro y ademas libre de olores
Donde debe evitarse et menor riesgo de condensacl6n durante expansi6n y a baja temperature . ..:~~: ,
"
Tabla 5.4 Definici6n
(}SVC MEXICO
y aplicaciones
"
Envasado de medicinas y alimentos , vitivinieultura, transporte neumatico, aire respirable
Secado de componentes electr6nicos, atmacenamiento de medicamentos, equipo de medicl6n de uso marine, transporte neurnatico de materiales en polvo
tlpicas de las siete calidades de aire
5.7
REGULACI6N
DE LA PRESI6N
La regulaci6n de la presion es necesaria porque, a presiones por encima del nivel optirno, se produce un desgaste rapido con un incremento minimo 0 nulo de efectividad. Cuando la presi6n del aire es demasiado baja, resulta antleconomlca puesto que tiene como consecuencia un rendimiento escaso. REGULADOR
ESTANDAR
Los reguladores de preslon pueden tener un embolo 0 diafragma equilibrar la presion de salida contra la fuerza regulable de un resorte.
para
La preslon de salida se predispone regulando el tornillo que carga el resorte de requlacion para mantener abierta la valvula principal, perinitiendo que fluya desde el orificio de entrada de presion p, al orificio de la presion de salida P2.
p1
p2
Conexi6n
Flgura 5.5 Principio del regulador de presi6n
5.8
Tratamiento de aire
Cuando el circuito conectado con la salida se encuentra a la presi6n preestablecida, actua sobre el diafragma .creando una fuerza elevadora contra la carga del resorte. Si desciende el nivel de consumo, P2 aumenta ligeramente, 10que hace aumentar la fuerza sobre e.1 diafragma contra la fuerza del resorte: el diafragma de la valvula se elevarentcnces hasta que -la fuerzadel resorte sea nuevamente igualada. El caudal de .aire que pasa por la valvula se reduce hasta que se equilibre el nivel de consumo y se mantenga la presi6n de salida.
Si el nivel disminuir la fuerza descienden hasta aumentar el caudal
de consumo aumenta P2 disminuye ligeramente, 10 que hace del diafragma contra la del resorte: el diafragma y la valvula que la fuerza del resorte se iguale nuevamente, 10 que hace de aire por la valvula hasta que se equilibra el nivel de consumo.
p2
p1 .
Figura 5.6 Funci6n de descarga
Sin consumo de aire la valvula esta cerrada. Si la presion de salida sube por encima del valor regulado debido a: - una nueva requlacion bien
del regulador a una presion de sal ida mas baja 0
- un impulso contrario extremo desde el actuador El diafragma se eleva para abrir el asiento de alivio de forma que la preslon en exceso puede ser. evacuada por el orific«t~es~pe en la capsula. del cuerpo del .'-~" regulador. . ,:. .
:~.
5.9
Con cauda/es unitarios muy elevados, la valvula se queda completamente abierta. Por /0 tanto el resorte se estira y se queda mas debil y el equilibrio entre P2 en el area del diafragma y el resorte se produce a un nivel mas bajo. Este problema se puede soluclonar creando una tercera camara con una conexion al canal de salida. En este mismo canal la ve/ocidad del caudal as e/avada. Como explicado en el apartado 3, la presi6n estatica es baja (Bemoulli). Puesto que P3 se ancuentra ahora a una presion estatica rnas baja, el equilibrio contra el resorte dabilitando a caudales unitarios elevados queda compensado. El efecto se puede mejorar insertando un tubo en la conexion, cortado en angulo con la apertura orientada h~cia la salida (flgura 5.7).
p3 ~ .' . . . - '~..,...~-:--:-:.l
..
p1
p2
·········.····u··u········)',·· :........
Conexi6n
Figura 5.7 Principle del regulador de caudal compensado
Quada aun un inconvenlente en el regulador de la figura 5.7 .si la presion de entrada Pi aurnenta, una fuerza mayor esta actuando sobre la parte inferior de la valvula, tratando de cerraria. Esto significa que un aumento de la preslon de entrada hace disminuir la presi6n de salida y viceversa. Esto se puede obviar por medlo de una valvula cuyas areas de superfiCie sean iguales para la presion de entrada y sa/ida en ambos santidos. As. 10 demuestra al regulador de la figura 5.8.
5.10
Tralamienlo de aire
las
plezas mb
Importantes
o
Huslllo de regulacl6n
f)
Resorte regulador
e o
son:
Aslento de escape Oialragma
e C6mara
de compensacl6n
del caudal
o
Tubo de conexl6n de la compensaci6n del caudal
f)
VAlvula
o Junta t6rlca para compensacl6n o Resorte de la vAlvula Gl Junta
t6rica de compensacl6n
de presl6n
del cauda
••
', -» :
•
Figura 5.8 Regulador de presion completamente
OSftJC MEXICO
compensado
5.11
REGULADOR
PILOTADO INTERNAMENTE
El regulador accionado por piloto ofrece una mayor presion en la requlacion de la presion dentro de una amplia gama de caudales. Esta precision se obtiene sustituyendo el resorte de requlacion de un regulador estandar por una presi6npiloto a partir de un pequerio regulador de pilotaje situ ado en la unidad. El regulador de pilotaje en la parte superior de launidad suministra aire de piloto s610 durante las correcciones de la presi6n de salida. Por 10tanto, su resorte no se alarga con 'caudales unitarios rnuy elevados .
.-.------- ...-.......... .. -..-. Boton de regulacion
... Resorte de regulacion
-- .. -...... Descarga del piloto de presion ........• ,
Diafragma del piloto ',.
~--~=~--~~~."~ .._--.-... "Valvula
auxiliar
Diafragma principal
~
Pt
;~P2
Valvula principal Resorte de la valvula principal ..,.... - Descarga de la presicn de salida
Flgura 5.9 ~egulador de preslon pilotado internamente
5.12
·...
:.,.:.
Tratamiento de aire
FIL TRO-REGULADOR El filtraje del aire y la requlacionde Ia.presion se combinan en un solo filtroregulador que proporciona una unidad compactaqueahorra esp~~i9;, .'
SELECCI6N
..
;""
'
.'
~.
DEL TAMANO DE UN REGULAOOR; CARACTERisTicAS
El tamario de un regulador se selecciona para obtener el caudal deseado para la aplicacion, con una variacion minima de presion en toda la gama de caudales de la unidad. Los fabricantes suministran informacion grafica con respecto alas caracteristicas de caudal de sus equipos. El mas importante es el diagrama caudal/p2. lIustra como revoluciona P2 al aumentar el caudal (figura 5.11). La curva tiene tres partes distintas: I Poco consumo, con un pequerio intersticio en la valvula que no permite aun una requlacion real,
11 la gama de caudales efectiva la requlacion y,
en 105 que es
III la gama de saturacion: la valvula esta completamente abierta y una requlacion posterior es imposible. p2 -
(bar) 8----
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I-11
7
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O,51--~ '
(I-
f)
Flgura 5.10 Regulador-filtro
.. -
~.
0
2000 .
4000
~
6000 Q (1/min)
Flgura 5.11 Dlagrama de caudallpresl6n
5.13 .
0S1VC MEXICO '•....
.",.
.:'.1.-,
LUBRICACION
DEL AIRE COMPRIMIDO
La lubricaci6n ya no es una necesidad para los componentes modernos, puesto que estan prelubricados para toda su vida.
neumaticos
La duraci6n y el rendimiento de estos componentes satisfacen por completo los requisitos de la modern a maquinaria de procesos de gran nurnero de ciclos. Las ventajas de los sistemas
"\10
lubricados" incluyen:
a) Ahorro en el coste del equipo de lubricaci6n, acelte de lubricaci6n y de mantenirniento de los niveles de aceite. b) Es mas limpio. Los sistemas son mas higienicos y esto es especialmente importante en las industrias alimenticia y farmaceutica. . c) La atm6sfera queda limpia de aceite para un ambiente de trabajo mas sa no y rnas seguro. Algunos equipos aun requieren lubricaci6n. Para asegurarse de que esten continuamente lubricados, se aliade cierta cantidad de aceite al aire comprimido por media de un lubricador. LUBRICADORES
PROPORCIONALES
En un lubricador (proporcional) se crea una caida de presi6n entre la entrada y la salida, directamente proporcional al caudal unitario y se hace subir el aceite del vasa al visualizador del goteo. Con. un tarnafio fijo de restricci6n, un caudal unitario muy alto crearia una caida de presi6n excesiva y produciria una mezcla de aire-aceite que contendria demasiado aceite y que inundaria el sistema neumatico, AI contrario, un caudal unitario disminuido puede no crear la caida de presi6n suficiente, 10 quetendra como consecuencia una mezcla constante. El aire que entra en (a) sigue dos caminos: fluye por la paleta amortiguadora hacia la salida y tarnblen entra en el vasa del lubricador por la valvula de retenci6n. Cuando no hay caudal, existe la misma presi6n sobre la superficie del aceite en el vaso, en el tubo del aceite y en el visualizador del goteo. Por consiquiente.' no hay movimientq de aceite. Cuandoel aire fluye por la unidad, el restrictor del visualizador de goteo provoca una caida de presi6n entre la entrada y la salida. Cuanto rnas elevado es el caudal, rnas grande es la caida de preslon.
5.14
Tratamiento de aire
Puesto que el visualizador del goteo esta conectado por un orificio capilar a la zona de baja presion inmediatamente despues del mismo, la presion es inferior a la del vaso. .' . -9: ~.
': ."'••
Esta diferencla de pre~iQn fuerza la subida del aceit~';-~b el tubo, por la valvula de retencion del aceite y el regulador del caudal hasta el vlsualizador, Una vez en el visualizador, el aceite se infiltra por el orificio capilar en al corriente de aire principal de mayor velocidad. El aceite se rompe en particulas mlnusculas, se atomizay mezcla homoqenearnente con el aire debido al torbellino creado por la paleta amortiguadora.· . TAPON UENADO VISUAUZADOR
DE GOTEO
-t+#-oO
CONEXION CAPILAR
VALVULA DE rI
o~+-
.
OOSIFICACION DE ACEITE VALVULA DE CONTROL ACEITE
ALETA AMORT1GLtAOORA-n---+-~
VALVULA ERETENCION DELAIRE IPII-~--
rueo DE ACEITE VASO
:mOTECTOR
_r7!'":'1'1r
:-:---~~:
DE VASO
FILTRO DE ACEITE DE BRONCE SINTERIZADO ,
Figura 5.12 Lubricador proporcional
La paleta amortiguadora esta fabricada en material flexible para permitir que se doble al aumentar el caudal, ensanchando el paso del caudal, para regular automaticarnente la caida de presion y mantener siempre una mezcla constante. El regulador del caudal permite la regulacion de la cantidad de aceite para una caida ..de presion determinada. La y~Lvula;q~_.fet~ncion del aceite retiene el aceite . '-. partesuperior del tubo, en.ee~'s·o~ertque 'se detuviera temporalmente ..".'" ' ·1:·-·1J~· . ~ , ..•. el caudal de alre. ,.,
en ta
La valvula de' retencion del aire posibilita el rellenado de la unidad sin necesidad de desconectar el suministro de aire.
0S'£ MExiCO
5.15 "
•.. ..,.
..
~
.•. ,.-;,..- -';
.
El avance correcto del aceite depende de las condiciones de funcionamiento, aunque, como norma general, se permiten una 0 dos gotas por ciclo de la rnaquina. Se recomienda un aceite mineral puro de 32 centistokes de viscosidad.
UNIDADES DE FILTRO-REGULADOR-LUBRICADOR
(F.R.L.)
Los elementos compuestos por filtro, regulador de presion y lubricador modulares pueden estar combinados en una unidad de servicio conectandotos con bloques de uni6n y anclaje. En las configuraciones mas recientes se pueden instalar facilrnente escuadras de fijacion y otros accesorios. SELECCI6N
DEL TAMANO E INSTALACI6N
El tamario de la unidad modular de be de seleccionarse de acuerdo con el caudal unitario maximo del sistema. Generalmente, los fabricantes proporcionan esta intormacion.
LU8RICADOR REGULADOR FILTRO
Figura 5.13 Unidad de filtro-regulador-Iubricador
5.16
en una configuraci6n
modular
·6.
VALVULAS DE CONTROL DIRECCIONAL
FUNCIONES DE LA VALVULA • Monoestable y biestable • Identificaci6n de las vias TIPOS DE VALVULAS
• vetvutes • vetvines
de asiento vertical de corredera
ACCIONAMIENTOS • • • •
DE LAS VALVULAS
Accionamientos mecenicos Accionamientos manua/es Accionamiento de aire Accionamiento por solenoide
MONTAJES DE LA VALVULAS • Conexi6n directa de tubo • Manifolds • Bases SELECCION DE LA VALVULA • • • •
Capacidad de flujo Unidades de uso Flujo sonico y subsonico . La capacidad de flujo en tuberfas y conexiones
VALVULAS AUXILlARES • • • •
Valvula Valvula Valvula Valvula
anti-retorno reguladora de velbcidad selectora de escepe rapido
V~/vulas de control direccional
VALVUlAS DE CONTROL DIRECCIONAL FUNCIONES DE LA VALVULA Una valvula de control direccional determina et paso de aire por entre sus vias abriendo, cerrando 0 cambiando sus conexiones internas. Las valvulas se definen en terminos de: - nurnero de vias - nurnero de posiciones su posicion normal (no activada) - y metodo de activacion. Los primeros dos puntos se expresan 3/2, 2/2. etc.
normalmente
con 105 terminos
5/2,
La primera cifra indica el nurnero de vias (excluidos les orificios del pi/oto) mientras que la segunda se refiere al nurnero de posiciones que la valvula puede asumir en el tiempo. Para las valvulas de dos y tres posiciones. Una valvula es normalmente cerrada cuando el aire de alimentacion (P) es interceptado, es normalmente abierta cuando el aire de alimentacion es (P) es dirigido a una salida (como por ejemplo elllenado de una camara de un cilindro). Para la valvula de 3 posiciones debe especificarse ejemplo: centro cerrado, centro presurizado, etc.)
la tercera posicion (por
Las funciones principales y sus simbolos ISO se representan en la figura 6.1:
MONOESTABLE
Y BIESTABLE
Las valvulas de retorno por muelle son monoestables. Tienen una posici6n preferencial definida a la cual vuelven autornaticamente cuando desaparece la sefial en sentido contrario. Una valvula biestable no tiene una posicion preferencial y permanece cualquier posicion hasta que se activa una de las dos sefiales de impulso.
6.1
en
Funcion de conexion
[]]]
Aoticacion principal
2/2 ON/OFF sin escape
Motores de aire y herramientas neumaticas
3/2 Normalmente cerrada NC
Cilindros de simple efecto (tipo "impulso") y senales neumaticas
3/2 Normalmente abierto NO
Cilindros de simple efecto (tipo "traccion")
[[I XI
4/2 Conexion entre salidas A y B con escape en cornun
Cilindros de doble efecto
mJ
5/2 Conexlon entre salidas A y B con escapes separados
Cilindros de doble efecto
5/3 Centro abierto: como para 5/2 , pero con salidas A y B a escape cuando esta en su poslclon centro 5/3 Centre cerrado: como para 5/2. Pero con posicion centro con todas sus vias cerradas 5/3 Centre presurizado: como para 5/2 pero con presionen ambas vias de utilizacion en su noslcion centro
Cilindros de doble efecto con posibilidad de despresurizar el cilindro
[G]XJ [G]X]
,IT
T1
/-1 LL I -L 1-1 • IT•
rr\,
A ir\
.
-.
Cilindros de doble efecto con posibilidad de detener el cilindro en cualquier posicicn
Aplicaciones especiales
Tabla 6.1 Funciones delas valvulas, sus conexiones y aplicaciones
6.2
Va/vu/as de control direcciona/ IDENTIFICACI6N
DE LAS VfAS
.
Oriqinalrnerite el codiqo de identificacion componentes bidraulicos. o,,:~";'
de vias, se deriva del c6digo de .
La letra P para la via de alimentaci6n se deriva del inglt~s "Pump" que en hidraulica es la maquina que produce la energia fluida. La salida de una valvula 2/2 0 3/2 siempre esta indicada con una letra "A" y la segunda via contraria a la primera con letra "8". El escape era inicialmente indicado con R de "Retorno" del aceite al deposito. La segunda via de escape en una 5/2 era denominado con una S ahora es R 1 para la primera y R2 para la segunda. El puerto pilotado que conecta la potencia (aire a presion) del conducto A era originalmente denominado par Z y el puerto que conecta la presion a B era denominado con una letra Y. Despues de 20 arios existia un conflicto en 10 que se refiere a la simbologia hidraulica y neurnatica, un miembro del grupo de trabajo del 1S0 (International Standard Organization) tuvo la idea de que la identificacion de las vias se representaran con nurneros, del ante de la letra para posteriormente lIegar a la normatividad de ISO 1219. Finalmente la normatividad da el nurnero "1" para el conducto de alimentacion, los nurneros pares "2", "4" para el conducto de salida, contrariamente a la utilizacion de los nurneros impares, excepto el numero "1", los numeros "3", "5" se utilizan para los conductos de escape. Los conductos
de pilotaje que permiten la conexion entre la alimentacion "1" "12", mientras que los conductos de pilotaje que permiten la conexi6n entre la alimentacion "1" y la salida "4" se representan con el numero "14".
Y la salida "2" se representan
La tabla 6.2 muestra la las cuatro tipologias fundamentales posibles para la identiflcacion de Jas vias en uso. Lo preferibJe es representar con numeros.
Atimentacion P
P P
Salida NC A A
1 t.
Salida NO
A
.8 8 8
2
4
Escape deNC R R1
Escap~ deNO
Pilotaje para NC
Pilotaje para NO
S R2
Z Z
Y Y
EA
EB
PA
PS
·3
5
12
14
~"
.".
.,. ~
.'
. Tabla 6.2,
0SNC MEXICO
6.3
.
TIPOS DE VALVULA Los dos rnetodos principales de construcci6n son de asiento vertical y de corredera, con juntas metalicas 0 elasticas. La figura 6.3 ilustra 105 distintos tipos de valvulae
VAlvula de control d'recclonal
V;llvulas de CllTete Vjlvulu
rol.Uvas
Figura 6.3 Varios tipos de valvulas y metodos de cierre hermetico
I
VALVULAS DE ASIENTO VERTICAL . En una valvula de asiento vertical el fluido es contralado por un disco u obturador que se eleva en angulo recto con respecto a su asiento, con una junta elastica. '. Las valvulae de vastaqo vertical pueden ser valvulae de dos 0 tres vias. Para valvulae de cuatro 0 cineo, seria necesario integrar dos 0 mas valvulae de asiento vertical en una sola valvula.
Figura 6.4 Prlncipalesupos de valvutas de vastaqo vertical.
6.4
Valvulas de control direccional
En a), la presion de entrada tiende a levantar la junta de su asiento y se requiere una fuerza suficiente (resorte) para mantener cerrada la valvula en b), la presi6n de entrada ayuda al resorte que mantiene cerrada la valvula, pero la fuerza de accionamiento varia para presiones diferentes. Estos factores limitan estas configuraciones a valvulas con orificios de entrada de 1/8 " 0 rnas pequerios. La figura 6.5 a) i1ustra una valvula de asiento vertical de 3/2 normalrnente cerrada coma se muestra en la figura 6.4 b. En su posici6n en reposo (a), el aire de la utilizaci6n sale par el escape. Cuando se activa (b), el orificio de escape se cierra y el aire fluye desde la entrada de presi6n P a la via de utilizaci6n A.
Simbolo ISO
Figura 6.5 Valvula de asiento vertical accionada mecanicarnente
La configuraci6n 6.4 c) es una valvula de asiento vertical equilibrada. La presi6n de entrada sobre superficies iguales y contrarias del ernbolo. Esta caracteristica permite que las valvulas se conecten normalrnente cerradas (NC) 0 normalmente abiertas (NO). Las valvulae normalmente abiertas se pueden utilizar para bajar 0 hacer retroceder los actuadores presurizados, pero se utilizan mas comunrnente en circuitos de seguridad 0 de secuencia. A
~ NC NO
Simbolo ISO 3/2 Ne A
NO NC
Simbolo ISO 3/2 NO Figura 6.6 Valvula de asiento vertical equilibrada de 3/2
,
VAL VULAS DE CORREDERA :"",~ .
las valvulas de carrete, rotativas y de corredera plana utilizan una acci6n
deslizante para abrir y cerrar las vias. QSo£ MEXICO
. 6.5
Va/vu/as de carrele Un carrete cilindrico se desliza longitudinalmente en el cuerpo de la valvula, mientras que et aire ftuye en angulos rectos sequn et movimiento del carrete. Los carretes tienen superficies iguates de cierre herrnetico y estan equilibradas en presi6n. Juntas e/asl6meras En tas figuras 6.7 y 6.8. se ilustran disposiciones de carrete y juntas. En la figura 6.7 las juntas t6ricas estan fijadas en las ranuras del carrete y se mueven en un alojamiento metalico.
Figura 6.7 Valvula de carrete con juntas torlcas en el carrete que cruzan las aperturas del cilindro
La valvula de la figura 6.8 tiene las juntas fijadas en el cuerpo de la valvula y mantienen su posici6n por medio de separadores.
~VR1Fig. 6.8 Valvula corijunto O-ring fijada en el cuerpo
La figura 6.9 muestraun carrete con aniIJos ovalados. Ninguno de ellos tiene que cruzar una apertura, sino solamente abrir 0 cerrar su propio asiento. Esta configuraci6n proporciona un cierre herrnetico sin fugas, con un rozamiento minima y por 10 tanto una duraci6n extremadainente larga.
6.6
Va/vu/as de control direcciona/
Figura 6.9 Valvula con carrete de anillo ovalado
Juntas metelices
Las valvulae de carrete metalico con superficies de contacto entre carrete y alojamiento ajustadas y Japeadas, tienen una resistencia de rozamiento muy baja, un funcionamiento clclico rapldo y una duracion extremadamente larga. Sin embargo, incluso con un mfnimo espacio de 0.003 mm, se produce perdidas internas de aproximadamente un Umin.
B
R2
B A
.-t>IDlill~· R2 P R1
Figura
Valvula d~
cottedere
.•..~-.": .
B A
51mbolo ISO
-t>rrlJII}~. R2 P R1
6.10 Principio de la valvula de carrete sin juntas
plana
:~:.,
.~:/~. ,
~
:
El f1ujoa traves de Jasvias es' cOntrolado por la posicion de una corredera de metal, nylon u otro plastico. Un carrete accioriado por el aire y provisto de junta elast6mera hace mover la corredera.
0sr£MEXICO
6.7
z
z
B A
B A
-[>1IrIDJ-~-
-i>1IlJXI}-~-
51mbolo ISO
R2 P Rl
Rl P R2
Figura 6.11 Valvula de corredera
plana de 5/2
Va/vu/as rotativas Un disco con soporte metalico se hace girar manualmente para interconectar las vias del cuerpo de la valvula. El efecto de presion es empleado para forzar el disco contra su superficie de contacto para minimizar la fuga. El suministro de presion esta situado por encima del disco.
~
P R Simbolo ISO
00 P
CJ P R
A
[3] P
A
Figura 6.12 Secci6n de una valvula de disco rotante y disco para funci6n de 4/3 con centre cerrado.
6.8
VtJlvulas de control direccional
.
ACCIONAMIENTO
DE LA VALVULA
ACCIONAMIENTO,MEcANICq,\~~~
,
En rnaquinas autornatizadas las vatvulas de accionamiento mecanico pueden detectar las partes de la rnaquina que estan en movimiento, para proporcionar seriales al control autornatico del cielo de trabajo. En la figura 6.13 se ilustran los accionamientos
mecanicos principales
~i £~. Leva
Leva con .rodillo Figura
Leva con rodillo a 90°
Leva de rodillo
6.13 Principales accionamientos
leva de rodiflo unidireccional
mecanicos
Cuidado a la hore de utilizar radii/os de palanca Es necesario tener un cuidado especial a la hora de utilizar levas para accionar valvulas de rodillo de palanca. La figura 6.14 10 ilustra: la porcion utilizada del recorrido total del rodillo no debe lIegar hasta el final de recorrido. La pendiente de la leva debe tener un anqulo de aproximadamente 300, mayores inclinaciones producen fatiga rnecanica sobre la palanca .
P(".. ,,~TCtc!: TI .) •.
..
A A.
c::::J
" •.•.pc: Precarrer.a
~~~=r~a'PTC.:·
o.
0
Postcarrera
CT :.carrera Total ,.--,Carrer~ del rodillo
L.i==::::;:;;;i~'----I
utilizable
o
o
o
Figura 6.14 Cuidado con 105 rodillos de palanca
y
o
excentricas
en
El rod ill 0 escamoteable (0 rodillo de retorno vacfo) ilustrado en la figura 6.13 se. acciona solo ciiando la leva se mueve en un sentido. En sentido contrario el rodillo cae sin accionar la valvula.
0SIVC MEXICO·
6.9
ACCIONAMIENTO
MANUAL
El accionamiento manual se obtiene generalmente acoplando una cabeza de accionamiento id6nea sobre una valvula de accionamiento rnecanico.
IIII~ Rasante
Simple·
Figura 6.15 Principales accionamientos
De Hongo
manu ales monoestables
Las valvulae de accionamiento manual, - monoestables (de retorno por resorte) se utilizan generalmente para arrancar, detener y controlar una unidad de control neumatico. En muchos casos, resulta rnas conveniente que la valvula mantenga su posici6n. La figura 6.16 muestra 105 tipos de accionamientos manuales biestables.
Selectora
Leva
Figura 6.16 Accionamientos
ACCIONAMIENTO
De Llave
manuales biestables
POR PILOTAJE NEUMATICO
Las valvulas principales (valvutas de control direccional) pueden colocarse cerca de un cilindro 0 de otro actuador y activarse por control remoto, por media de senates procedentes de valvulae 0 interruptores.
6.10
Valvulas de control direccional Una valvula monoestable pilotada por aire es accionada par la presion del aire que actua sobre un embolo, y retorna a su posici6n normal gracias a un retorno neumatico, un resorte mecanicoo una.comblnacion de ambos, cuando se elimina la presion de serial. A
r'-'-'-'-'-'-'-'~ A I
I· ·
-
Ingreso pilotaje
-~ _J /
Conexi6n de aire auxiliada por resorte
Figura
6.17 Valvula de 3/2 accionada
,·
. I
.
-~i
~r- -
I' ·", 1-_____ , R . ~._._._._._._._.J
\
Pist6n con area doble en comparaci6n con el de resorte
por aire con retorno por muelle, asistido por retorno por aire.
El retorno asistido por aire utiliza un resorte de aire adernas de un resorte mecanico relativamente ligero, para una caracteristica de fuerza mas constante y una mayor fiabilidad. En la figura 6.17 se muestra un resorte de aire proporcionado por un paso interno desde la entrada de presion para actuar sobre el embolo de diametro mas pequerio. La presion aplicada, por media del orificio de pilotaje al ernbolo de diametro mas grande, acciona la valvula. Este metodo de retorno del carrete se utiliza a menudo en diserios de valvulas miniatura dado que requiere un espacio muy reducido.
l(1greso pllotaje
A
Ingreso pilotaje
_._._._._.-,
. Simbolo ISO
I I IL.,-
I
i
i
:
-ftV7- p' -'-'-'-'-
Flgura 6.18 Vfllwla
de 3/2 accionada por alre con retorno por resorte de aire
Las valvulas de accionamiento neurnatico tratadas hasta ahora eran de tipo de pilotaje unlco 0 monoestable, sin· embargo las valvulas accionadas neurnaticarnente mas comunes para el control del cilindro tienen pilotaje doble y
estan diseriadas para permanecer en cualquier posicion (biestables).
0mcMEXlCO
6.11
En la figura 6.19 se ha aplicado una breve serial de presion a la apertura del piloto "Y~,que hace deslizar el carrete a la derecha y conecta la entrada de presion "P" a la via de utilizacton "B". La via "A" esta a escape por "R1". La valvula permanece en esta posici6n hasta recibir una contraserial: esto es 10 que se denomina "Iuncion memoria".
y
A
x
B
--';:D-_l_:~~t_;t~,t_'f~_..-;-'-"-
B A
--~~-y--
~ -'-.i· .\•.... t-- ..• :~.~ .. #
. .
-
r: 0 --.~,,'. O~,,·-,. -
R2 P AI
•
.
R1
p
Simbolo ISO
R2
Figura 6.19 Valvula biestable de 5/2 (accionada por doble pilotaje neurnatica).
Las valvulas biestables mantienen sus posiciones debido al rozamiento, pero deben de instalarse con el carrete horizontal, especialmente si la valvula esta sujeta a vibraciones. En caso de construccion con junta metalica las posiciones son bloqueadas por un reten. Accionamienlo
direclo
e indireclo
Un accionamiento directo se produce cuando una fuerza aplicada a un pulsador, rodillo 0 impulsor, hace mover el carrete 0 el vastaqo. Con el accionamiento indirecto se actua primero sobre una pequeiia valvula de pilotaje que a su vez activa neumatlcaments la valvula principal. B A SimbololSO
~AA.
~vv A2 P RI
0.'
Figura 6.20 Accionamlento
.
o
o
mecanico indirecto
La figura 6.20 i1ustra una valvula de 5/2, con accionamiento indirecto 0 accionamiento mecanico "pllotado", en su posiclon normal. Los detalles ampliados en bye muestran el piJotajeen las dos posiciones.
6.12
Va/vu/as de control direccionaf ACCIONAMIENTO
ELECTRICO
(por solenoide)
Los sistemas electroneurnaticos y controlados electronlcarnente, se trataran en un pr6ximo libro.de esta serie y, de momento, es suficiente considerar el accionamiento electrico de las valvulas de control direccional. . El accionamiento electrico de una valvula neumatica es realizado por una solenoide y un nueleo interno y. por 10 tanto, las unidades se conocen generalmente como electrovalvulas.
A
cz[[IJA p Simbolo ISO
. Simbolo ISO
Figura 6.21 Valvula de tipo de asiento vertical de retorno por resorte y accionamiento por solenoide de a) 212 y b) 3/2.
Las electrovalvutas de accionamiento directo emplean la fuerza electrornagnetlca de una solenoide para mover el vastaqo 0 el carrete (figura 6.22).
~ ,\
~ R2 P Rt Simboto ISO
00 0
Figura 6.22 Electrovalvulas
0SIVC MEXICO
de accionamiento
directo de 5/2 con retorno por resorte
6.13
Para limitar el tamario de la solenolde, las valvulas rnas grandes estan provistas de accionamiento indirecto por solenoide.
B A
R2 P R1
Simbolo ISO
Figura 6.23 Electrovalvula monoestable de 5/2 con carrete con juntas de material elast6mero.
La valvula de 5/3 tiene una tercera posicion (central) a la que retorna, por medio de resortes, cuando se desexcitan (figura 6.24) los dos solenoides.
B
R2P R1
Simbolo ISO
Figura 6.24 Electrovcilvula de 513 accionada por pi/oto con centro cerrado y centrado por resorte.
6.14
V~/vulas de control dirBccional MONTAJE
DE VALVULAS
CONEXION
OIRECTA
El metodo mas comun para conectar una valvula es roscar directamente las conextones en los onficios roscados de la vslvula. Este metodo requiere una conexl6n para cada entrada de cilindro, piloto, via y entrada de presi6n, un silenciador por cada salida de escape. Todas las valvulas mostradas anteriormente son de este tipo excepto la de la figura 6.22 que esta rnontada sobre pia ea base individual.
MANIFOLDS ,
Los bloques de vslvulas tienen vias de entrada de preslon cornunes para un cierto numero de valvulas. Las salidas de utilizacion se conectan separadarnente para cada valvula. La figura 6.25 muestra un bloque de valvulas con cuatro valvulae de funciones diferentes: una de 5/3, dos biestables y dos de tipo monoestable de la misma serie. Un bloque de valvulas debe de pedirse para alojar el nurnero deseado de valvutas, no es posible la extension posterior, pero las posiciones sin ocupar se pueden obturar utiJizando un accesorio de cierre. Con cinco 0 rnas valvutas, se recomienda suministrar la silenciadores, en ambos extremes.
preslon y montar los
.lImentaci6n cornun
Escapes comunes para las vias A y B
Flguta 6.25 Manifoldtlplco ~v90C
.
' MEXICO
6.15
PLACAS BASES Las valvulas con todas sus vias en una cara estan diseiiadas para ser montadas con juntas de estanqueidad sobre una placa base, a la que se le realizan todas las conexiones externas. Ello permite retirar y sustituir rapidarnente una valvula sin trastocar todo el sistema. Generalmente, una valvula montada sobre una base tiene una capacidad de caudal ligeramente mejor que una valvula normal del mismo tipo. La figura 6.22 muestra una valvula montada sobre placa base.
PLACAS BASES MULTIPLES De forma analoga a los bloques de valvulas, las bases subordinadas multiples proporcionan suministro y escape a cierto numero de valvulas por vias comunes. Tamblen las salidas de utilizaci6n son obtenidas a partir de la placa base. Tambien las placas bases multiples se deben de solicitar para el numero de valvulae deseado y pueden obturarse de la misma manera que los bloques de valvulas.
Alimentaci6n comun
/
.
~/;~ ..
/
(~
~--
.
,z
~
~ Escape comun
Figura 6.26 Placa base multiple.
6.16
VtJlvulas de control direccional PLACAS BASES ACOPLADAS
.
.
Las placas :'bases acopladas sonconjuntos de-,plEicas bases .individuales que permiten su lnterconexion en una sola unidad. Este sistema presenta la ventaja de permitir la extensi6n 0 reducci6n de la unidad sequn se altere el sistema, sin que los componentes existentes sean afectados. Si se requiere existe tarnbien, la opci6n de obturar las posiciones usadas. La Fig. 6.27 muestra una tipica placa base, equipada solenoide monoestable, dos biestables y una tapa ciega.
con una valvula
Tapa ciega
Aiimentaci6n
.> ,//
\
Uniones
Figura
.
6.27 Placa base acoplada con tres valvulas
<,
y una
Escape
posici6n obturada .
.
0~MEXICO
6.17
CAlCUlO
DEL TAMANO DE LA VALVULA
CAPACIDAD DE FLUJO . Unidades de uso Para el aire comprimido. el flujo no depende solamente del diametro interne del orificio, sine tambien de la forma completa del camino del flujo mismo. De el deriva que cualquier "diarnetro nominal" 0 cualquier termino equivalente tenga poco significado. Para especificar la capacidad de flujo. no es posible indicar solamente una dimension geometrical y debe estar descrito el flujo mismo. Eso depende de tres pararnetros, Presi6n de ingreso P1 Presion de salida P2 a !:!p (P1- P2) Secci6n de flujo equivalentede la valvula La unidad para la capacidad de flujo es la seccion equivalente de flujo en mm2 ihdicado con una "S". Esta corresponde a la secci6n de un orificio practicado en una lamina de espesor delgado que crea exactamente el mismo flujo y el limite rnaximo de presion del objeto a prueba (fig. 6.28). A causa de la contraccion de la corriente de aire, la seccion efectiva es ligeramente rnas pequefia que la seccion del foco.
......•...
.•.••....
••......
....•....
..•......
,."'....
.•..
1----.."..._......,..._ S
.....
Fig. 6.28 Secci6n de flujo efectiva de una restricci6n
En la neumatica capacidad de flujo.
practica· venian empleandose
anteriormente
untdades
de
El factor kv, empleado en Europa. es una unidad basad a en la medici6n del flujo del agua. Por ejemplo una valvula tiene un kv 1. si un litro de agua a 4 °C puede fluir a traves de esta en 1 minuto con una diferencia de presi6n entre la entrada y la salida equivalente a 1 bar ( 0.1 MPa).
=
El factor Cv empleado en USA es analoqo al factor kv 5610 que el flujo es medido en galones USA a una temperatura de 60'oF (15.6 °C) con una caida de presi6n de un psi (0.069 bar).
6.18
Va/vu/as de control direcciona/
El factor kv de una valvula (medida en agua) puede ser usado como mdicacion aproximada para: eHlliJj~e;3ire .. Los cataloqos de varios .oonstructores de equipo neurnatico que usan el factor kv, lIegan· a presentar una formula diferente para calcular el flujo (caudal). La formula para calcular el caudal Q para un liquido es:
Q
= kv (31.6)V
~
'--:~. p
donde: ~p diferencia de presion entre la entrada y la salida p = densidad del Hquido en kg/m3
=
El factor 31.6 es una constante cuya unidad de rnedicion es kg/m3bar El factor kv es un coeficiente adimensional, porque derjva de la diferencia entre la cantidad de f1ujo erectivo y la cantidad de flujo ideal de la valvula. Para el gas se debe distinguir- entre la velocidad de flujo sonico y subsonico.
A diferencia del Jiquido donde solo la diterencia entre la presion de entrada y la presi6n de salida de la valvula debe ser considerado, en 105 gases la intensidad de preslon tiene un rol importante en el calculo del caudal. La formula para la determlnaclon de la cantidad de f1ujo del aire mediante el factor kv es:
a
PP2 = ~1~~~
~
--T 1.29
donde: ~p = diferencia de presion entre entrada y salida P2 = presion absoluta a la salida T temperatura absoluta en oK 1.29 = masa de 1 Nm3 de aire a 0
=
°c .
Un constructor europeo de valvulas solenoides utiliza la siguiente formula:
0= 26.7 (kv)
V
~p P2
Esta se deriva de la formula anterior utilizando una temperatura absoluta T de 293 oK (20°C) para el aire. Para confrontar la capacidad de flujo de dos 0 mas valvulas se debe utilizar el caudal estandar an. Esto se define como la capacidad de caudal medida en litros normales por minuto a fraves de una valvula con una presi6n de entrada de 6 bar (0.6 MPa) y una presi6n de salida de 5 bar (~l5MPa).
Osw:: MEXICO
6.19
Debido a que la medicion hecha con On es muy dificil y el metodo de rnedicion empleado puede ser diverso, existen numerosas diferencias entre los datos reportados en los cataloqos de diversos constructores. La tabla 6.29 permite confrontar las diversas unidades. Cabe hacer notar que kv puede ser usado como kv en NI/min y como kv en Nm3/seg.
S (mih2) 1 1.2587 20.98 18 21.618
. kv (1/min) 0.7944 ... 1 16.66 ... 14.3 17.176
Kv (m3/s) 0.048 0.06 1 0.858 0.967
labia 6.29 Confrontaci6n
Cv (US qall 0.055 ... 0.0699 1.166 ... 1 1.201
fClmp.gall 0.04625 ·0.05822 0.97136 0.8326 1
Qn (l/min) 54.439 68.522 1142.13 979.896 1176.86
entre las diversas unldades de capacidad de caudal
La norma ISO define un factor de flujo "C" y una diferencia de presion critica "b" como dato para el calculo del caudal de una valvula. "C" es medido en condiciones de flujo sonlco, ab"es la diferencia de presien existente cuando el flujo es sontco. La formula para la cantidad de flujo y la diferencia de presion ~p es:
2
-b
1 -b
~
p
= ( 1- b)
donde:
~=
~ ~--
es el coeficiente de temperatura'absoluta debido a que la norma ISO hace referencia a una temperatura estandar de 20° C. T es la temperatura absoluta en oK del aire a traves de la valvula. . .. El caudal estandar calculado e indicado con On es rnas del 3.6%. 6.20
V~/vulasde control direccional
Para simplificar la utilizaci6n de trabajo en la seleccion de la valvula dada, se consulta en los cataloqos el di~grama complete presionlflujo para cada valvula. FLUJO S6NICO YSUBs6NICO La velocidad sonlca de flujo es alcanzada cuando la presion absoluta en la salida diverge 1.89 veces mas que la presion absoluta de ingreso. P111bs
Flujo suosonlcc :
<
1.89
P2abs
P111bs
Flujo sonico :
= 1.89 P211bs
P111bs
Flujo supers6nico :
> 1.89 P211bs
Es poslble calcular el caudal en Vmin en determinadas condiciones de preslon y S para una valvula que trabaja tanto para flujo subs6nico como sonico. Flujo subsonico:
Q
= 22.2 S \~\~ ~ 6p P'ob,
~
--T-
Flujo s6nico:
Q = 11.1
\r-m
--1---
S P1abs~
donde: P111bs
= presion absoluta de in'greso en bar;
= presi6n
absoluta de sa/ida en bar; L\p = caida de preslon a traves de la valvula T temperatura absoluta del aire en oK P2abs
=
(P1
- P2)
en bar
Existe una diferencia relativamerite poco importante entre las diversas formulas publicadas por varies productores.
esvc
MEXICO
6.21
El estandar "Cetop", por ejemplo, se calcula con una temperatura de referencia equivalente a 20 GC.
Diferencia muy grande si verificamos, el segundo metodo empleado para la medici6n de la cantidad de flujo de la valvula.
CAPACIDAD DE FLUJO DE TUBERiAS Y CONEXIONES Uno de 105 objetivos mas importantes para la protecci6n de las valvulas es el de obtener el madmo de flujo posible por volumen ocupado, y es necesario considerar ademas el efecto que el tubo y la conexi6n provocan sobre la capacidad de flujo de la valvula. Ejemplo: Una valvula tiene una secci6n de flujo equivalente a 30 mm" an = 1764 IImin.
y
un
Oespues de ser montada sobre una base con conexion de 1/4" y colocada con un tubo de 8 X 6 mm y 1 m de largo con doble conexion, la capacidad es de 205 IImin que corresponde al 11.6% de la capacidad de flujo de la valvula. La tabla 6.30 muestra la secci6n equivalente de varios tubos con sus correspondientes conexiones y la secci6n de flujo resultante de flujo equivalente. Cabe hacer notar la considerable diferencia de la capacidad de flujo entre la inserci6n usual y el tipo conexi6n rapida.
Mat
Dia.
mm 4X2.5 6X4
N.U
1.86
N.U
Conexiones
Longitud
1m
tubo
0.5m 3.87
TiDO Inserci6n Recto Codo
1.6
1.6
6.12
7.78
11
(9.5) 11
17
(12) 16
6
8X5
U
10.65
8X6
N
16.64
20.28
10 X6.5
U
20.19
.24.50
35
(24)30
10 X 7.5
N
28.64
33.38
30
(23) 26
12X8
U
33.18
39.16
35
1(24)30
12X9
N
43.79
51.00
45
1(27)35
6.22
5.6
4.2
13.1
11.4
18
14.9
26.1
21.6
29.5
25
41.5
35.2
46.1
39.7
58.3
50.2
6
13.41
labIa
Tloo conexi6n r€lpida Recto Codo
6.30 Secci6n de f1ujo equlvalente de tuberla mas conexi6n
Total 0.5 m tubo + 2 conexiones dir.
1.48 3.18 3.72 5.96 6.73 9.23 10.00 13.65 12.70 15.88 19.97 22.17 20.92 25.05 29.45 32.06
Valvulas de control direccional
Es necesario conocer la capacidad de flujo de la tuberla y las conexiones y como sumar la secci6n equivalenta.de Ja ..valv,wa del tubo y de las conexiones. la secci6n equivalente S' de ·Ia conexiones esta disponible. en los .cataloqos. El diagrama de la figura 6.31 presenta la secci6n equivalente de las tuberlas usadas corrientemente. :.
r:~--------~---.-----L---------.---------r---;-----------------,-,~ 2~
s
,I
I~ i
20--~
~
0.02
0.05
•
[--.
_._-.
-]
-.
--;
l:L~.~=~~~·~_~.· __-~'..--_..~:-:~':~~~~.~:~' ----.~ --~~~--~-; ~-.-~~_~ 0.1
0.2
--_. _._. --_ ...: -~ ...-.--
..":---
Fig. 6.31 Secci6n de flujo equivalente
0.5
1
...-------
.. --'-
2
..
5
10
Longitud del tubo en m
S en mm2 de tuberia de diamefro comunmente
y
longitud usada
SUMA DEL VAlOR DE S la S total de muchas secciones diferentes es naturalmente siempre mas pequeria que el valor de la S menor. Dos secciones de f1ujo de similares dimensiones conectada en serie reduce la secci6n equivalente total a 0.7 (..fii5) I
tres a 0.577
(/i73)
y cuatro a 0.5
(.JJ74)
correspondiente a la secci6n de cada
una.
'
50(201
...i-,100
70
~\
.•
7"
••
100l5l11201 ,
I
I .• 5(18)
\
90
.,/f45(~8) 80
40(16)
(12)
'l80
8~40(1~)
/'!
.'l. 35 (1,11\ 70
50
..•,
251101
70/-35 (14)
t:
"\.
f
30 (1?1~~ 60 ,.44020 . . ~5 (10) ~
l
.: /,,,.-'/
. 150
~
3
20 ,~ 10 ~
s.
60~30
I"
(121
.
SOJ:Cz; ( 10)
£1::
15 j:
,
Sr.= \. ,I --:-1-.--1·-1"'---.-'_-1
,?
.~.
"?S
'i
a
2
b2
_. _
n2
Fig. 6.32 Nomograma y formula para el calculo de la seccioo resultante S de dos 0 mas orificios conectados
0SNC MEXICO
en serie
·6.23
En el nomograma a cada punto se le asignan tres diferentes nurneros (normal, entre parentesis yen negrillas). Ellos permiten usar el nomograma para un amplio campo de valores de S sin tener que multiplicar pot el mismo factor para obtener el numero deseado. La escala exterior es usada para posicionar el valor de S. La linea recta conecta dos de estos valores indica, en cortespondencia con el punto de lnterseccion con la escala central, el valor de S resultante. Es necesario poner atencion y usar siempre el mismo tipo de numero para las tres lecturas. La formula para el calculo de la S resultante de una serie de diferentes secciones a , b , ... n en mm2 es presentada en la fig. 6.32 a la derecha. El nomograma permite la obtencion de la S resultante de dos valores como sigue: Ejemplo 1: Determiner la seccion resultante S de una valvula VF3120 con un tubo de 8 X 6 mm tipo conexlon rapida, Para el calculo se tiene: Valvula; S = 18 mm" Conexiones: S = 26.1 mm2 Tubo: S = 18 mm2 Paso 1: Para la conexion doble de 18 mm', se unen 105 dos valores 18 escala lateral izquierda y 18 escala lateral derecha. De la eseala central se obtiene el valor combinado de 12.7 mm2.. Paso 2: Para la valvula y la conexi6n, se une el valor de 18 mm" escala lateral lzquierda, con el valor de 12.7mm2 escala lateral derecha. De la eseala central se obtiene el valor de 10.4 mm". Paso 3: Para la valvula con conexlon y el tubo se une .el valor de 10.4 mm2 escalalateralizquierda, con 18 mm2 escala lateral dereeha. De la escala central se obtiene el valor de 9 mm", . Ejemplo 2: Datos Sa = 30 mm2 y Sb = 45 mm2, determinar la secci6n resultante. Uniendo 105 dos valores de las escalas extemas, mediante una recta, la intersecci6n con fa eseala central da el valor de 25 mm", Multiplicando 0 dividiendo el valor de la escala por un mismo numero pudiendo ser cualquiera delcampo de valores. Del nomograma se ve el campo de 50 a 100 mm2 en negrillas, de 10 a 50 mm~ en caracteres normales y de 10 a 20 mm2 en los de parentesis, Naturalmente debemos estar utilizando el mismo campo para toda la eseala. Valvula y cilindro Ahora . vearnos elcilindro: La forma mas simple para definir el dimensionamiento de la valvula, es teneruna tabla con el consumo de aire, donde la dimension de la valvUla sea directamente detectada. Puesto que el f1ujo es claramente el flujo de caida este depende de la velocidad. Esto es tarnbien mas grande que el valor te6rico que incluye la perdida de carga adicional de la conexi6n.
6.24
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Vtllvulas de control direccional
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OIam. CII,· mm B,10 12,16 20 25 32 40 50 63 80 100
50
Yel.ocldad media del cllin~ro en mm/s
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100 . F1. ...•;.::
0.1 0.12 0.2 0.35 0.55 0.85 1.4
125 140 160
10.6 13.8
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0.1 0.23 0.4
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0.15 0.36 0.6 1 1.7 2.6 4 6.3 10.2 16.2 25.2 31.7 41.4
0.67 1.1 1.7 2.7 4.2 6.8 10.8 16.8 21.1 27.6
2.1 3.4 5.4 8.4
150
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0.3 0.72 1.2 2 3.7 5 8.1
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13.6 21.6
12.6 20.4 32.4
16.8 27.2 43.2
33.6 42.2 55.2
42 52.8 69
50.4 62 82.8
67.2 84.4
750
1000
0.5 1.2 2 3.4 5.5 8.5 13.5
0.75 1.8 3 5 8.5 12.8 20.3
1 2.4 4 6.7 11 17 27
21 34 54 84 106 138
31.5 51 81
42 68 108 168 211 276
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0.6 1 1.7 2.8 4.3 6.8 10.5 17 27
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1 1.6 2.7 4.4
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126 158 207
Tabla 6.33 Seccl6n equivalente S en mm2 para valvulae y tuberla a 6 bar de trabajo y una 6p de 1 bar
Para hacer las cosas facil, y evitar 'todo el calculo descrito al principio del parrafo, la tabla 6.33 da el resultado de la seccion equivalente S para la valvula y para la seleccion de la tuberia y la conexion apropiada como en la tabla 6.30. La tabla esta basad a en una presion de alimentaclon de 6 bar y 'una perdida de carga de 1 bar primeramente del cilindro. Esta incluye tambien la perdida debida a el cambio adiabatico de la presion y el coeficiente de temperatura de 20°C. Aunque la presi6n de trabajo de 6 bar con una ~p=1 entra en la norma (el On es basado sobre estas condiciones) existe la posibilidad de que haya otras condiciones de presi6n, por consiguiente el resultado de la labia 6.33 puede requerir una correcci6n. 'EI diagrama 6.34 da el factor de transformaci6n del dato obtenido de la labia 6.33 para cada presi6n de alimentaci6n y perdida de carga.
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Fig. 6.34 Factor de eonversi6n • ....
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et· para la secci6n de la tabla 6.33 para alta presi6n .. ,'. ""
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Ejemplo 1: Un cilindro con diametro de 80 mm y una carrera de 400 mm, tiene una presion de trabajo de 6 bar. La perdida de carga admisible es de 1 bar. Se requiere una velocidad de cilindro de 500 mm/seg l,Cual debera ser el minimo Cv de la valvula? Obtenemos del diagrama de la fig. 6.33 una seccicn equivalente de 34 mm". Para obtener el factor Cv debemos dividir este numero entre 18: 34/18= 1.89. Un tubo de 12 x 9 mm con conexion rapida sera elque permita obtener la velocidad requerida. Ejemplo 2: Un cilindro con diametro de 50 mm debe laborar a una velocidad de 400 mm/seg, con una presion media de alimentacion de 7 bar y una perdida de carga admisible de 2.5 bar. Esto significa que el dimensionamiento del cilindro de be ser efectuado considerando una presion efectiva de trabajo de 4.5 bar. La tabla 6.33 da una S de 10.8 mm", A este dato se le hace una correccion para una presion de alimentacion de 7 bar y una ~p de 2.5 bar. Sigamos la linea "7 bar" de derecha a izquierda hasta intersectar la linea vertical de la linea de 2.5 bar l\p. Obtenemos un "cf' de 0.66. El requerimiento de S de la valvula y de la tuberia de conexion es de: 10.8 x 0.66=' 7.128 rnm'. Seleccionamos una valvula con estas caracteristicas 0 rnas grande. Entonces sera un tubo de 8 x 5.
6.26
Valvulas de control direccional
.
VALVULAS
AUXIUARES . :;.~/:.
..: ~!:-.
V AL VULAS ANTI - RETORNO Una valvula anti-retorno permite que el aire libre f1uya en un sentido y cierre hermeticamente el otro. Estas valvulae se lIaman tarnbien valvulae de retenci6n. Las valvulas anti-retorno estan incorporadas en los controladores de velocidad, en los accesorios autosellantes, etc.
_-4-{ff\
.It A A
VVVV
Simbolo ISO
Figura 6.35 Valvulas anti-retorno
REGULADORES
DE VELOCIDAD
Un regulador de velocidad consiste estranqulacion variable en un alojamiento.
en una valvula de retencion
y una
La figura 6.36 ilustra un ejemplo tipico con la indicacion del f1ujo. En a, el aire fluye libremente al cilindro: en b, f1uye hacia atras, hacia la salida de escape de la valvula con un flujo restringido.
-
I
b·~~I~
Simbolo ISO
Figura 6.36 Regulador de velocidad
0SM:MEXICO
6.27
VALVULA SELECTORA
DE CIRCUITO (SUMA)
Se trata de una valvula con tres orificios, dos entradas de la serial de presion y una salida. La salida se producira cuando exista cualquiera de las dos entradas de la serial. Si solamente hay serial en una de las entradas, el embolo de doble efecto impide que la presi6n de la serial salga a escape por el lado opuesto (figura 6.37).
Simbolo ISO'
Flgura 6.37 Valvula selectora de circuito
VALVULA DE ESCAPE RAplDO
Este componente permite una maxima velocidad de carrera de ida del embolo realizando el escape del cilindro directamente desde su orificio, con una gran capacidad de caudal, en lugar de hacerlo por el tubo y la valvula . El disco de goma cierra el orificio de escape (en la parte inferior) mientras que el aire de suministro fluye al cilindro. Cuando la valvula de control direccional, conectada al orificio de entrada (en la parte superior) se invierte, la tuberia de suministro es evacuada y la presi6n del cilindro elevael disco. Se cierra entonces el orificio de entrada y se abre automatlcementeel 9ri~cio de escape. '.
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Flgura 6.38 Vc\lvula de escape rc\pido8): Conexi6n, b) Sin presl6n 0 cilindro bajo presi6n, c) Flujo hacia el cllindro, d) Evacuaci6n.
6.28
7.
ACTUADORES
CILlNDROS LlNEALES • • • • • •
Cilindro de simple efecto Cilindro de doble efecto Construccion de un cilindro Amortiguaci6n Cilindros especiales Montaje de un cilindro
SELECCION DE UN CILlNDRO • • • •
Fuerza de un cilindro Coeficiente de carga Regulador de velocidad Caudal de aire y consumo
ACTUADORES DE GIRO • Tipo piiion-cremellere • Actuadores de giro por paleta • Selecci6n de actuador de giro ACTUADORES ESPECIALES • • • • • •
Cilindro con unidad de bloqueo Cilindro sin vastago Unidad deslizante Cilindro de vastago hueco Actuador combinado Pinzas
..
@S'~ MEXICO
Actuadores
ACTUADORES El trabajo realizado por un actuador neumatico puede ser lineal 0 rotativo. El movimiento lineal se obtiene por cilindros de embolo: estos tarnbien proporcionan movimiento rotativo con un angulo de hasta 2700 por medio de actuadores del tipo de paleta y de pilion-cremallera, y motores neumaticos de rota cion continua. CILlNDROS
LlNEALES
Los cilindros neumatlcos en distintas configuraciones representan los componentes de energia mas comunes que se utilizan en los circuitos neumaticos. Existen dos tipos fundamentales de 105 cuales derivan construcciones especiales. (a) Cilindros de simple efecto con una entrada de aire para producir una carrera de trabajo en un sentido. (b) Cilindros de doble efecto con dos entradas de aire para producir una carrera de trabajo de salida y retroceso. . En el apendice se incluye una gama variada de cilindros con sus simbolos. CILlNDRO
DE SIMPLE EFECTO
Un cilindro de simple efecto desarrolla un trabajo 5610 en un sentido. El embolo se hace retornar por medio de un resorte interno opor algun otro medio externo como carga, movimiento mecanico, etc. Puede ser tipo "normalmente
Filtro de bronce sinte~ado
dentro"
Tope
0
"normalmente
fuera" (figura 7.1)
Resorte
Figura 7,1 Cilindro de simple efecto del tipo "norrnalmente
dentro'
Los cllindros de simple efecto se utilizan para sujetar, marcar, expulsar, etc. Tiene un consumo de aire algo mas bajo que el cilindro de doble efecto de igual tarnano. Sin embargo, hay una reducci6n de impulso deblda la fuerza contraria del resorte, asi que puede ser necesario urr diametro interne mas grande. Tambien la adecuacion del resorte tlene como consecuencia una longitud global n-ails larga y una longitud de carrera limitada.
a
7.1
CILlNDRO DE DOBLE EFECTO Con este actuador, el trabajo se desarrolla en las dos carreras de salida y retroceso, dado que la presion del aire se aplica alternativamente a los lados opuestos del embolo. El impulso disponible en la carrera de retroceso es menor debido a que el area efectiva del ernbolo es rnas pequeria, pero se trata solo de una consideracion si el cilindro tie ne que "mover" la misma carga en los dos sentidos.
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Figura 7.2 Cilindros de doble efecto
CONSTRUCCI6N
DEL CllINDRO
Se ilustra la construccion de un cilindro de doble efecto. La camisa del cilindro esta realizado normalmente con un tubo sin costura que puede tener un revestimiento duro y muy bien acabado en la superficie de trabajo interna, para minimizar el desgaste y el rozamiento. Las culatas de los extremos pueden ser de aleacion de aluminio 0 de hierro maleable y estan sujetas por tirantes 0 bien, en el caso de cilindros pequefios, roscados en el tubo del cilindro 0 embutidos. Para trabajar en entornos agresivos 0 peligrosos, el cuerpo del cilindro puede estar hecho de aluminio, laton, bronce 0 acero inoxidable. Distintos tipos de juntas aseguran que el cilindro sea hermetico .JUNTA TORICA CULATA ANTERIOR
ORIFICIO
DEL TUBO DEL CIUNDRO
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SIMBOLOISO
I JUNTA DE AMORnGUACIO~
CASQUILLODE AMORnGUACION
. URANTE
Figura 7.3 Partes componentes de un cilindro de doble efecto con amortiguaci6n neumatica,
7.2
Actuadores
AMORTIGUACI6N Los cilindros neurnaticos pueden teneruna velocidad muy elevada 10 que ocasiona que se puedan desarrollar fuerzas de choqueconsiderables al final de la carrera, 105 cilindrosmas pequerios tienen una amortiquacion fija, por ejemplo amortiguadores de goma, para absorber el choque e impedir que el cilindro se darie internamente. En 105 cilindros rnas grandes el efecto del impacto puede ser una arnortiquacion neumatica que desacelera el ernbolo en la parte terminal de la carrera. El amortiguador atrapa parte del alre de escape cerca del punto de final de carrera y 10 evacua mas lentamente a traves de una restriccion regulable (figura 7.4).
Flgura 7.4 Principio de arnortiguacion por aire
El escape. normal del aire al orificio de salida se cierra en cuanto el casquillo de amortiquacion entra en la junta de amortlquacion, de forma que el aire puede escaparse solo a traves del orificio de restriccion regulable. El aire atrapado se comprime a una preslon relativamente elevada que absorbe la inercia del ernbolo. Cuando el cilindro inicia la carrera contraria, la junta de amortiquacion actua como una valvula anti-retorno para permitir el paso de aire al embolo. De cualquier forma restringe el flujo de aire y retrasa la aceleracion del ernbolo, la zona de amortlquacion debera ser entonces tan corta como sea posible. Para desacelerar grandes cargas 0 altas velocidades del cllindro se necesita un amortiguador externo. Si la velocidad del embolo supera los 500 mmls sera necesario un tope mecanico externo, tarnbien en los casos en que tenga· arnortiquacion incorporada. ~.~.
Qsw.: MEXICO
7.3
CILlNDROS ESPECIALES De doble
vesteqo
Figura 7.5 Principio del doble vastaqo
La figura 7.6 ilustra este tipo de cilindro siendo utilizado para accionar una mesa de carrera larga. La guia y la rigidez extra se obtiene al ser fijos los extremos del vastaqo del embolo, mientras que el cuerpo se mueve con la mesa.
Figura 7.6 Aplicacion tipica de un cilindro de doble vastaqo
Cilindro con vastago antigiro El vastaqo de -un cilindro estandar puede girar facilrnente si no existen guias que puedan prevenirlo. Esto nos puede condicionar en algunas ocasiones, el montaje directo de determinadas herramientas. Este tipo de aplicaciones, en las que la herramienta no ejerce un elevado par de giro, pueden ser solucionados utilizando un cilindro con vastaqo y en el casquillo. La rotaci6n se evita mediante dos caras planas en el vastaqo y en el casquillo guia. La figura muestra tambien coma un par crea las fuerzas de reacci6n en el vastaqo y en su casquillo guia y corno.iel este es elevado, puede dafiar ambos, especialrnente en carreraslargas. . .-..: ~ . .
Figura 7.7 Vastaqo antigiro
7,4
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-
Actuadores
Cilindro de vesteqos perelelos. Una posible solucion al problem a de la rotacion del vastaqo, es la de utilizar un cilindro con doble vastagoparalelo. Este cilindro tarnbien se utiliza para aumentar la fuerza decilindro." .'
Section
A-A
Fig. 7.8 Cilindro de vastaqos paralelos
Cilindro Piano Un cilindro normal tiene un perfil exterior rnas obvio, para cilindros de ernbolo circular.
0
menos cuadrado, como es
Si realizamos un ernbolo con la misma area efectiva, esto es, con la misma fuerza teorica pero con forma ovalada, obtendremos un cilindro con cubierta exterior rectangular, mas plana y que ademas lIeva ya incorporada la condicion antigiro.
A-
Section
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A-A"-
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Figura 7.9 Principle del cilindro PIano
0SNCMEXICO
7.5
Cilindro tandem
Un cilindro tandem esta formado por dos cilindros de doble efecto unidos .por un vastaqo comun, para formar una sola unidad.
Flgura 7.10 Principio del cilindro tandem
Presurizando sjmultanearnente las cameras de ambos cilindros, la fuerza de salida es casi el doble que la de un cilindro estandar del mismo dtametro. Ofrece una fuerza mas elevada para un dlametro de cilindro determinado, que puede ser utilizado cuando el espacio para instalacion sea reducido.
Cilindro multiposicional
las dos posiciones finales de un cilindro estandar proporcionan dos posiciones fijas. Si se necesitan rnas de dos posiciones. se puede utilizar una combinaci6n de cilindros de doble efecto. Existen dos principios: Para tres posiciones, es idoneo el conjunto ilustrado abaio, que permite fijar el cuerpo del cilindro. Es muy adecuado para movimientos verticales. por ejemplo para dispositivos de manipulation. El segundo tipo consta de dos cilindros independientes unidos por sus culatas posteriores, 10 que permite obtener cuatro posiciones distintas. pero el cuerpo del cilindro no se puede fijar. Combinando 105 tres cilindros se obtienen 8 posiciones, con cuatro, 16 poslciones.
7.6
Actuadores
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Figura 7.11 Dos tipos de cilindros multiposicionales.
MONTAJE DEL CILlNDRO Para asegurar que los cilindros esten montados correctamente, los fabricantes ofrecen una gama de fijaciones que satisfacen todos los requisitos, incluido el movimiento oscilante, utilizando fijaciones de tipo oscilante.
Figura 7.12 Varios metodos de fijaci6n del cilindro
0S£MEXICO
7.7
Juntas tiotentes Para arreglar la "desalineacion" inevitable entre el movimiento del vastaqo del cilindro y el objetivo guiado, es necesario predisponer una junta flotante en el extremo del vastaqo del ernbolo.
Figura 7.13 Junta flotante.
SELECCION
DE UN CllINORO
FUERZA TEORICA Los cilindros lineales tienen como recomendado
por ISO 4393 e ISO 497
R10, los siguientes diarnetros : 8,10,12,16,20,25,32,40,50,63,80,100,125,140,160,
200, 250, 320 mm.
La fuerza desarrollada por el cilindro esta en funcion del diarnetro del ernbolo, de la preslon del aire de alimentacion y de la resistencia debida al rozamiento. Para ernbolos estacionados (sin tener en cuenta las fuerzas de rozamiento), se pueden realizar calculos te6ricos utilizando las formulas: Fuerza (N)
= Area del embolo (m2) x presion del aire (N/m2)
Por 10 tanto, para un cilindro de doble efecto: .. 1t
Carrera de avance : F
E
.02 . pg
=
4 (0
= diametro
del embolo, pg = presion rnanornetrica) 1t
Carrera de retroceso : F
R
= --.,..- . 4
7.8
(02 - d2) . pg
Actuadores
(d = diahlelro del vastago) '-. '_ ' Para un cilindro de simple efecto: 7t
Carrera de salida:
F
E
=
. 02 . pg - F3 4
(F3
=
Fuerza del muelle al extremo de I~ carrera)
Para elegir el tamaiio de un cilindro, resulta mas practice utilizar un diagrama analoqo al de la figura 7.14. que indica las fuerzas te6ricas para 10,7 y 5 bares, utilizar cualquier informaci6n parecida per-parte del fabricante.
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100
125 140
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160
200
250
~
300
o(mm)
Figura 7.14, Fuerzas te6ricas de cilindros neurnaticos con diametro desde 2.5 hasta 30 mm (series de la izquierda y superiores) y desde 32 hasta 300 mm (series de la derecha e inferfores) para unas presiones de trabajo de 10, 7 Y 5 bares. ,
.
7.9
Z'
u:
Fuerza necesaria
La fuerza realmente neeesaria depende de la masa de la earga, el angulo del movimiento de elevaclon, el rozamiento la presion de trabajo y el area efeetiva del embolo. La earga eonsiste en el peso de la masa (fig. 7.15), la fuerza R representada por el factor de rozamiento multiplicado por la masa (fig. 7.15 b) Y la aceleracion necesesaria (fig. 7.15 c). La influeneia de todas estas fuerzas, depende del angulo de eje del cilindro en relacion con la horizontal, como se muestra en la fig. 7.15 d.
F F=G
= G .(sin a. +
U.
cos a.l
F = 11 • G
Fig. 7.15 Composici6n
de fuerzas para una determinada
carga
Un movimiento horizontal (angulo de elevacion 0°) neeesita solamente veneer el rozamiento. Esta viene definida por el factor de rozamiento el cual puede variar, normalmente, entre 0.1 y 0.4 para deslizamiento metal-metal (de 0.005 para deslizamiento sobre rodillos, 0.001 con casquillos lineales a bolas). Este factor entra parte de la formula general multiplicando al coseno del anqulo 01- con 10 cual varia desde 1 (oc 0°) hasta 0 (oc 90°).
=
=
La carga a mover sera igual al peso de la masa, movimiento sea vertical (elevacton a 90°). El peso es la fuerza creada par la aceleraclon de la gravedad actuando sobre la masa. El valor de la aceleracion de la gravedad (en una latitud de 45°) es 9.80629 mlseg2. Con movimiento horizontal, el peso tieneuna componente nula (aparte de su influencia con el factor de rozamiento) sobre la carga, Y?- que este estara soportado totalmente por la contiquracion de 105 elementos. redo el empuje del cilindro estara entonces disponible para acelerar la masa.. Lo componente del peso, propiamente dicho, sobre la carga a veneer por el cilindro vanara con.el angulo de elevacion oc desde un 0% h~sta un 100% ya que tiene como factor de composlcien el seno del angulo de inclinacion (oc), cuyo valor es ·0" para desplazamiento horizontal y "1" para desplazamiento vertical.
7.10
Actuadores COEFICIENTE
DE CARGA ..;....,
.•. :....
:;~,. FuerzaJ~e'6~saria' El coeficiente de carga es -----------.;-------Fuerza te6rica
",;., '
, ';
X 100%
Un cilindro no debe tener un coeficiente de carga superior a aproximadamente el 85%. Si se requiere un control de velocidad precise 0 si las fuerzas de carga varian notablemente, no se deberia superar el 70%.
La tabla 7.16 proporciona un coeficiente de carga para cilindros de diametro 25 a 100, para diferentes masas y para dos coeficientes de rozamiento (0.01 para rodadura y 0.2 para rozamiento acero-acero)
Diam. CiI. Masa (kg)
IL0.01 25
32
40
50
63
80
100
100 50 25 12.5 180 90 45 22.5 250 125 65 35 400 200 100 50 650 300 150 75 1000 500 250 125 1600 800
",~ .:400 200
-
51.8 54.9 '-
54.6
-
-
50
1L0.2
1L0.01
1L0.2
-
-
-
-
-
(87.2) 43.8
(96.7) 48.3
71.5 35.7
84.9 342.5
50.9 25.4
67.4 33.7
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
'93.1 ' 46.6
55.8 27.9
73.9 37
72.4 39
(86) 46.3
(99.2) 51.6 27.8
68.3 36.8
-
-
-
87 43.5
(96.5) 48.3
71.3 35.7
84.8 42.4
25.4
-
-
-
-
-
(95.6) 47.8
-
53
-
-
-
47.6
52.8
-
-
47.2
82.3 41.1
-
-
-50
1L0.01
-
-
(97.6) 48.8
1L0.2
.-.
30°
-
-
(94.4)
45°
60°
r
-
85 42.5
--
(87) 43.5
-
-
78.4 39.2
-
-
-
-
50.8 -
-
-
-
67.3 33.6
-
-
(91.2) 45.6
67.4 33.7
80.1. 40.1
48 24
63.6 31.8
-
-
-
-
-
49.6 24.8
65.7 32.8
-
-
(94.3) 47.1
69.7 34.8
82.8 41.4
(96.5)
-
84.4
-
48.3'
-
71.4
'~5.7
-
'42:2
' r
-
50.8 25.4
-
-
-
67.3 33.6
0.011L 1L0.2 4 80 40 2 1 20 0.5 10 4.4 2.2 43.9 1.1 22 0.55 11 3.9 78 39 2 1 20.3 0.5 10.9 79.9 4 40 2 1 20 0.5 0 81.8 4.1 1.9 37.8 0.9 18.9 9.4 0.5 78.1 3.9 2 39 1 19.5 0.5 9.8 4 79.9 40 2 1 20 0.5 10
-
Tabla 7.16 Coeficiente de carga a 5 bar de presi6n de trabajo y coeficiente de 0.01 a 0.2 ..
6SlJC MEXICO
7.11
Una ayuda mas practice para encontrar el diarnetro adecuado de cilindro es saber cual es la masa maxima que puede mover un cilindro bajo diferentes condiciones. En la tabla 7.17, se muestra la masa total en kg que resulta de aplicar alas condiciones especificas de trabajo un coeflciente de carga del 85%, trabajando a una presi6n de 5 bar y para 105 dos coeficientes de rozamientos tenidos en cuenta anteriormente.
Diam. eil.
J1:
25 32 40 50 63 80 100
600
t 21.2 39.2 54.5 85 135 217.7 340.2
0.01 24.5 .45 62.5 97.7 155 250 390.5
I
450
0.2 22 40.5 56.4 88 139.8 25.5 390.5
0.01 30 54.8 76.3 119 189 305 352
0.2 25 46.2 64.2 100.2 159.2 256.7 476.2
300
0.01 42.5 77 107 167.3 265.5 428 569.2
0.2 31.5 58.2 80.9 126.4 200.5 323.5 505.5
•••• 0.01 2123 3920 5450 -8500 13500 21775 34020
0.2 106 196 272.5 425 675 1089 1701
labia 7.17 Masa en kg. para cilindros desde diarnetro 25 a 100 mm., con coeficiente de carga de 85%
y
5 bar de presi6n de trabajo.
Carga Iimite de pandeo
Cuando se aplica un esfuerzo excesivo al cilindro, es necesario tener en cuenta la carga limite de pandeo. Este exceso de esfuerzo puede manifestarse cuando existen estas dos condiciones: . 1. Esfuerzo compresivo. 2. Cuando el elemento sometido a esfuerzo, por ejemplo cilindros, es largo y delgado.
La carga de pandeo depende en gran medida del rnetodo de fijaci6n. Existen cuatro metodos principales de fijaci6n:
1.- Fijaci6n rigida en un Jadoy suelta en el extremo contrario. 2.- Fijaci6n oscilante en ambos extremos.
7.12
Actuadores
3.- Fijacion rigiqa en un lado y ~oscilante en el otro, :'-, "".
."
4.- Fijacion rigida en ambos extremos. Las condiciones mencionadas anteriormente se generan si un cilindro levanta una carga verticalmente 0 10 empuja de cualquier otra forma: esta entonces sujeto a un esfuerzo compresivo. La segunda condicion se cumpie si se supera una longitud de carrera determinada. Si hubiera alguna confusion, la norma gel1jfal es: comprobar en la tabla de carga de pandeo contenida en el cataloqo si la carrera de los cilindros con diametro superior a 50 mm es tres veces el dlamefro 0, en el caso de cilindros rnas pequeflos, si la carrera es cinco veces el diametro, y el cilindro esta empujando un trabajo que le produce esfuerzos a compresion.
.;~.
.. ,·· ·. .. : •·
'W' .
~t ", ~~ .". ",
.
".
•
Figura 7.18 Cuatro tipos de montaje
CONTROL
DE VELOCIDAD
La velocidad de un cilindro esta determinada por la fuerza detras del embolo, sobre la carga. Si fuera necesario fijar una determinada velocidad, el coeficiente de carga, no debe superar aproximadamente el 85%. Cuanto mas bajo sea el coeficiente de carga mejor sera el control de velocidad controlando la salida a escape del aire del cilindro por media de un ·controlador de velocidad" que es una combtnaclon de-una valvula anu-retomopara pe'rrnittrla'libre circulaci6n de sire hacia el cilindro y un restrictor de caudal
0~MEX'CO
7.13
Para obtener una velocidad constante con un alto grado de fiabilidad, el coeficiente de carga deberia ser menor del 70%. La fuerza es la masa por la aceleracion, luego sus unidades son kg m/52• Ejemplo: Masa de 100 kg, trabajando a una presion de 5 bar, con un cilindro de diarnetro 32 mm, con movimiento horizontal y con un coeficiente de friccion de 0.2. La fuerza teorica es entonces, de 401.2 Newtons, y un coeficiente de carga del 95%
La tabla 7.16 muestra para este caso, y 90 kg. de omasa.un coeficiente de carqa del 39.1%. Esto hace que para 100 kg. se tenga un coeficiente de carga de: 100
=
43.9
48.77%
90
La fuerza de la carga sera rendimiento del 95%. 95
- 48.77
=
48.77%
x
401.92 N
=
196.05 N, con un
46.235% de la fuerza se utiliza para la aceleracion
de la
masa. Esto supone 185.81 N. La aceleracion sera entonces : 185.81 Kg.m.lseg2
F a =
= ---------------------100 Kg.
m
=
1.85 m/seg2
Sin un control de velocidad, el piston podra alcanzar teoricarnente una velocidad de aproximadamente 2 metros por sequndo, 'Teoricamente" significa que no exista limiia~ion en la entrada de aire, que no haya contrapresion en la carnara del cilindro puesta a escape. Una restriccion en el caudal de aire que escapa, crea una fuerza 'neumaflca'que viene definida por la velocidad del piston ya -que de ella depende el volumen de aire que trata de pasar a traves de la restriccion del regulador de velocidad. Cualquier incremento en la velocidad del piston se traduce en un incremento en la fuerza opositora. Este tenomeno limita yestabiliza la velocidad del piston. -
-
°
°
--
NOTA: Para que el control de la velocidadsea real, la capacidad de circulaci6n '~e_.las tuberias debera ser mucho mayor que la que pueda proporcionarpos -el regi.Jlador de velocidad, ~ja-que con tuberias excesivamente pequerias, esta~ tendrian una influencia sobre la velocldad 'del embolo tan grande, o incluso mayor, que la que pueda tener el proplo regu~adora la salida del cilindro.
7.14
.....
:.;.'::':
;-.,
Actuadores CAUDAL DE AIRE Y CONSUMO. Existen dos formas para expresar el consumo de aire de un cilindro 0 un sistema neumatico. Unoes el corisumo rnecro por hora: esta cifra $~,~utilizapara calcular el costa de la enerqla como parte del precio de costa total deproducto. El segundo aspecto es el consumo maxirno de un cilindro, que se usa para calcular el tamario correcto de la valvula 0, en el caso de un sistema neurnatico, para calcular correctamente el tamario de la unidad filtro-regulador-Iubricador. El consumo de aire de un cilindro viene definido como: Area del embolo x longitud de carrera x N~ de carreras por minuto x presion absoluta (bar). (AI decir No. de recorridos nos referimos al nurnero de carreras; cada cielo consta de dos carreras, una de ida y otra de vuefta).
a Palm
V=AE
e.S e---
•
. Palm
~--V=AneS.~
I' Palm
b
Flgura 7.19 Consumo
te6rico de aire en
105
cilindros.
Explicacion: Cuando el embolo se encuentra en uno de sus puntos finales, el volumen es cero (Fig. 7.19 a). Cuando el cilindro realiza una carrera, entra en el cilindro una cantidad de aire capaz de lIenar la carnara del cilindro hasta alcanzar la presion relativa de trabajo con 10 cual, necesitaremos el volumen de la carnara multiplicado por el valor de la presi6n absoluta. (Si queremos que en el interior de la camara haya 6 bar relatives,' deberemos tenerto lIenado una vez a preston atmosferica y despues deberemos meter1ela misma cantidad de aire tantas veces como presi6n relativa deseemos obtener. En este caso en concreto, seria el volumen de la camara del cilindro (6 + 1». Segun esto, el consumo de aire de un cilindro en una sola carrera es: '- '~'.
~
:';" .. .:
'-.
Pabs
4 7.15
Donde:
o = Diarnetro del cilindro en cm. I = Longitud de carrera en cm. Pabs = Presi6n absoluta en bar.
~. "
El resultado nos dara cm3tcarrera (cm" estandar). El consumo para un cielo sera el doble (carreras de ida y vuelta) ya que para niveles practices resulta despreciable el volumen del vastaqo en la carrera de retroceso. ." Para obtener el valor del consumo en Nltcarrera, bastara con dividir entre 1000.
D1AM. CIL.
20 25 32 40 50 63 80 100
3 0.124 0.194 0.319 0.498 0.777 1.235 1.993 3.111
Presi6n de trabajo en bar 5 6 4 0.155 0.186 0.217 0.243 0.291 0.340 0.398 0.477 0.557 0.622 0.746 0.870 0.971 1.165 1.359 1.542 2.158 1.850 2.487 3.479 2.983 5.436 3.886 4.661
7 0.248 0.388 0.636 0.993 1.553 2.465 3.975 6.211
Tabla 7.20 Consumo te6rico de aire en cilindros de doble efecto para diarnetros desde 20 mm. hasta 100 mm., en litros estandar por cada 100 mm. decarrera.
Consumo en las tuberias; el consumo de las tuberias entre las valvulas y el cilindro viene determinado por la formula: di2 --------
1t
L P
4 di = Oiametro interior del tubo L= Longitud total del tubo P= Presi6n manornetrica Ejemplo: Encontrar el costa de la energia por hora de, un cilindro de doble efecto de diametro 80 mm y carrera de 400 mm, con 12 ..ciclos completos por minuto y una preslon de trabajo de 6 bar. . En la tabla7.20. vemos que un cilindro de diametro 80, consume 3.5/100 mm. de carrera, por 10 tanto, el consumo total sera: (400) (12) (2) (3.5) =336Itmin. 100
7.16
Actuadores En el apartado de "rendimiento terrnico y global" encontramos que para cada 0.12 0.15 mJ/min., con una presion de 7 bar, consumimos aproximadamente 1 kw. Luego, para cad,~mJ/min necesitaremos 8 k'l!. aproximadamente. "!! :-~:'~"
." .. »:
". , .....·4~~·: -;.
J
Si suponemos que un kw/hora cuesta 12 pesos, el costo total sera de: (0.036) (8) (12)
= 32.25
pesos/hora
1
La suma de todos los cilindros de una rnaquina representa el consume de aire considerado como costa de energia. . Deberemos tener en cuenta que: . - El consumo que figura en la tabla anterior no ineluye los volurnenes muertos en cada extremo de la carrera, ni tampoco el volumen de las tuberias de conexi6n. - La energia neurnatica no sufre perdidas. Para seleccionar el tamario de la valvula de un cilindro es necesario otra cifra: el caudal maximo 0 el caudal de pico. Este caudal se determina para la velocidad maxima del cilindro. La suma rnas elevada de los caudales maximos de todos los cilindros que se mueven slrnultaneamente en un cielo de trabajo define el caudal al que hay que hacer referencia para seleccionar el tamario de la unidad filtro-regulador-Iubricador. Para no seguir dejando de lado las perdidas de energia debidas a tenomenos termicos, volvemos a la seccion referente a los cambios adiabaticos, es decir, procesos sin intercambio de calor, procesos que vienen definidos por la formula p Vk = cte., donde el exponente k es 1.4 en el caso de aire. Para compensar este fen6meno debemos multiplicar el caudal por un factor de 1.4. La labia 7.21 muestra las cifras mas reales correspondientes a la labia 7.20, pero ya corregidas.
Diam. cu 20 25 32 40 50
63 80 100
..
3 0.174 0.272 0.446 0.697 1.088 1.129 2.790 4.355
Presi6n de trabaio en bar 5 6 4 0.217 0.260 0.304 0.476 0.408 0.340 0.668 0.557 0.779 1.044 0.870 1.218 1.360 1.631 1.903 2.590' 2.159 3.021 .. 3.482 4.176. 4.870 5.440 6.525 7.611 .~ :
'.-
7 0.347 0.543 0.890 1.391 2.174 3.451 5.565 8.696
Tabla 7.21 consume de aire en cilindros de doble etecto en 1/100 mm. de carrera, corregidos para compensar tas perdidas por cambios adiabaticos.
<;svc MEXICO
7.17
Ejemplo: Cilindro de 63 mm. de diarnetro por 500 mm. de carrera. trabajando a 6 bar. "Cual es el consumo real de aire a 15 ciclos por minuto? 6 + 1.013
7t
. 500 ·15·2
4 Q
=
1.013
453.195 litros/min.
Utilizando la tabla 7.21 nos encontramos con 3.021 litros por cada 100 mm. deberemos mUltiplicarlo por 5 veces (500 mm. de carrera) y por 30 (15 ciclos completos) . (3.021) (5) (30) = 453.15
ACTUADORES
IImin.
DE GIRO
TIPO PINON-CREMALLERA El eje de salida tiene tallado un pi!ion que es una cremallera enganchada a un ernbolo doble, los anqulos de rotacion estandar son 90° 0 180°.
Rodamientos
Pinon
Simbolo ISO
Flgura 7.22 Unidad de giro de cremallera-pinon.
ACTUADORES
DE GIRO POR PALETA
La presi6n del aire actua sobre una paleta que esta unida al eje de salida. La paleta esta hermeticarnente cerrada por :una junta de goma 0 por un revestimiento elastomenco.
7.18
Acluadores
Una junta especial tridimensional cierra el tope contra el eje y el asiento. El tamario del to pe determina el giro d790, 1800 270°. Se pueden suministrar topes regulables para ajustar cualquier anqulo de giro de la unidad.
"
.
SimbOIOIS~
Figura 7.23 Unidad de giro por pal eta
DIMENSIONAMIENTO Par
DE LOS ACTUADORES
DE GIRO
e inercia
Los cilindros lineales poseen una arnortiquacion para reducir el impacto antes de que el ernbolo pueda golpear las culatas, la capacidad de la amortiquacion viene definida por la energfa cinetica que dicha amortiquacion puede absorber. Esta energia, 1/2 m v2, es el elemento mas importante a tener en cuenta cuando la carga es impulsada a altas velocidades y con una baja relacion de , carqa. ,
Estas caracteristicas dinarnicas son aun lrnportantes ven el caso de actuadores de giro. El hecho de que la parada de la masa que gira sea realizada de forma libre por el propio actuador sin amortiguaciones ni topes externos, provoca un alto riesgo de rotura de 105 dientes del pinon 0 de las paletas. La energia que es posible absorber, que' estara claramente definida por el fabricante, debera ser estrictamente respetada. Para definir esta energia, necesitamos saber la inercia de las masas en rotacion. Suponiendo que el material este compuesto de elementos diferenciales (pares de tamario extremadamente pequerio), la suma de todas estas masa multiplicada por la distancia del centre de gravedad de cada una de etlas al eje de rota cion, nos.dara la inercia total. -
. ..
.
'.
r
."
7.19
El caso basico es un cilindro colocado en posicion vertical y con un centro coincidente con el eje de rotacton, Su momento de inercia es:
Los momentos de inercia de formas mas complicadas, deben ser calculados mediante calculo diferencial, obteniendose distintas formulas para cad a forma especifica, la Fig. 7.25 indica estas formulas para las formas mas normales. En dispositivos giratorios mas complicados se pueden considerar divididos en elementos basicos mas simplificados y el momento de inercia total es la suma de los parciales. Por ejemplo, una pinza en un brazo como el de la tabla 7.25 se debera sumar el momento de inercia del brazo a la masa de la pinza y la pieza por el cuadrado de su distancia al eje de giro. Siempre que sea posible, las masas en rotacion deberan ser paradas contra topes mecanicos externos, preferiblemente con amortiguadores. Estos deberan estar situados tan lejos del eje de rotacion como sea posible. Un tope colocado entre la masa que gira y el centro de rotacion nos provocara reacciones en el eje del actuador. Si los topes extemos no se pueden situar en el propio piano de rotaci6n de las masa, tenemos la opcion de hacerlo colocando una palanca en el extremo opuesto del eje y actuando con los topes extemos sobre ella, tal y como muestra la siguiente figura. Esta dlsposlcion ocasionara esfuerzos de torsion en el eje. Debera ser evitada en 10 posible y en caso de duda, debemos consultar con el tabricante.
a
c Amortiguadores
I
I
b
~ Topes Fig. 7.24 Parada de los brazos
7.20
y
las masas en giro.
Actuadores
. r2
1--
1
1
2
J-m'-'4
@
; 82 J=m'(-+-) 12
,2 4
2,2 5
I
~
®
J
= !m
l
I
2
. --. -
1_~J
!
nu
J :::m
. --
-..-__
82
1_2
J
(I L...
.
= I;. m .
+ b2
1_2__
8
= m' i+1> ----------b'-ma
mb= m' -ba+
Figura 7.25 Formulario
de 105 momentos de inercia para elementos de distintas formas
7.21
1
Las inercias son respecto a los objetos en rotacion 10 mismo que las masas en movimiento son para movimientos lineales. La energia esta definida por la velocidad. En rotaci6n, la velocidad se define mediante la "velocidad angular (eo)" que esta expresada en radianes por segundo. La figura siguiente nos ilustra estas expresiones.
tp=
s j -,-radj
7
CJ)
Figura 7.26 Representaci6n
tp
1
t
1
0:-
i
de la velocidad angular
Para calcular la energia maxima que se debera absorber, deberemos considerar la velocidad final. Una aceleraci6n producida gracias al aire comprimido, si no esta limitada por restricciones en la carnara a escape, puede ser considerada como una aceleraci6n uniforme. El rnovlmlento comienza en cero y alcanza al final, el doble de la velocidad media. Para movimientos neurnaticos rapidos, los calculos se deben basar en este valor (el doble de la velocidad media).
Velocidad Lenta
·.~fm!!!mi!!!i~·:~:p·)'·:·:t·:·:·lmi!!m t
Fig. 7.27 Energia maxima en velocidad media y final.
7.22
Actuadores
ACTUADORES ESPECIALES Cilindro con unidad de bloqueo Un cilindro puede estar provisto de una cabeza de bloqueo al final de la culata delantera estandar, Se podra sujetar as! el vastaqo del cilindro en cualquier posici6n. La accion de bloqueo es mecanica, eso asegura que el vastaqo del ernbolo este sujeto correctamente, aun cuando este bajo carga completa.
Za ata de freno
Flgura 7.28 Cilindro con unidad de bloqueo
CILlNDROS SIN VASTAGO
Anillos magneticos con polaridad opuesta
Discos de hierm
Guias del cilindro en acero inox.
Figura 7.29 Cilindro sin vastago con fijaci6n rnaqnetica entre el embolo y el carro.
0SNCMEXICO
7.23
Un cilindro convencional con una carrera de, digamos 500 mm. puede tener una dimension aproximada total en posicion de salida de 1100 mm. Un cilindro sin vastaqo con la misma carrera puede ser instalado en un espacio mucho mas reducido, de 600 mm. Presenta una ventaja especial cuando se requieren carreras muy largas y puede estar disponible hasta una carrera estandar de 1 m 0 mas, bajo pedidos especiales. TUBO DE AMORTIGUAMIENTO
CARRO GUIA
BANDA DE REVESTIMIENTO
JUNTA DE AMORTIGUACION
Figura 7.30 Cilindros sin vastaqo con acoplamiento rnecanico.
La fuerza realizable por un cilindro sin vastaqo con rnaqnetico, esta limitada por la fuerza de retencion rnaqnetica.
acoplamiento
Para levantar 0 mover cargas mas pesadas, 105 cilindros de tipo ranurado normalmente ofrecen una mayor capacidad de fuerza, pero no estan totalmente exentos de fugas como 105 del tipo de acoplamiento rnaqnetico.
UNIDADES DESLlZANTES
La unidad deslizante es un actuador lineal de precision, de dimensiones compactas, que se puede utilizar en robots para fabricaci6n y ensamblaje. EMBOLOS
~~-~=-~----------~-~~----------~@
8
@
A
lQ)
B
c;Qt-//-"-//-",.-,,,-,,,,-,,.;-.;-//.-,,,,,-;;>/-,,-;>,,,-.;,,-,L,,,;:;:Q;@
SJ;hdN":':",n~rud~L»mw~il'
Figura 7.31 Unidad deslizante tlpica
7.24
·
';"',""".
Actuadores La alta precision de mecanizado de las superficies de montaje y de 105 vastaqos guia paralelos, aseguran un movimiento lineal perfectamente recto cuando estan integrados como partes constructivas de maquina de transferencia y de posicionamiento. En una posicion, el cuerpo se puede fijar y son los vastaqos tos que se pueden mover (b). Oandole la vuelta, los extremos de los vastaqos se apoyan sobre la superficie de montaje y el cuerpo se puede mover (c). En ambos casos, la valvula puede estar conectada a la parte que permanece fija, por los orificios A Y B o bien A y B en la figura 7.31 a.
CILlNDRO
DE VASTAGO HUECO
El vastaqo hueco proporciona una conexion directa entre el equipo generador de vacio y una' ventosa acoplada al extremo del vastaqo. El tubo de conexi6n en la parte posterior del cilindro permanece estatico independientemente de que el vastaqo este saliendo y entrando. Este actuador esta disefiado especificamente para aplicaciones .de "cog er" y "colocar".
Flgura
7.32 Cllindro de viistago hueco con conexiOn estanca para apllcaclones
de vaclo.
7.25 ;'.'
.
PINZAS Se trata de un actuador diseriado para coger componentes en aplicaciones de rob6tica la ilustraci6n de la figura nos muestra un tipo de pinza que em plea dos ernbolos en posici6n para abrir y cerrar las pinzas.
Figura 7.33 Pinza neumatica de apertura angular
7.26
8.
CIRCUITOS sAslCOS
INTRODUCCION
FUNCIONES ELEMENTALES • • • •
Ampliticecicn de caudal Inversion de sene! Seleccion Funcion de memotie
FUNCIONES DE TIEMPO
• Tempotizecion a la conexion • Tempotizecion a la desconexion • Impulso de presion a la conexion • Impulso de presion a la descotiexion CONTROL DEL CILlNDRO • Cilindro de simple efecto • Cilindro de doble efecto • Deteccion de la posicion de los cilindros CONTROL DE SECUENCIA • Como describir UO{J secuencia • Secuencia de dos cilindros • Comandos opuestos
0Sf.£ MEXICO
.....•
..
. I
Circuitos besicos
CIRCUITOS
sAslcos
INTRODUCCI6N
Los circuitos
basicos
son conexiones
funciones.
Existe un nurnero
componen
incluso los circuitos mas sofisticados.
de valvutas
limitado de funciones
que realizan
elementales
ciertas
de las que se
Estas funciones tienen la capacidad de:
Controlar un cilindro Accionar otra valvula. · para control remoto desde un panel. · para cambiar por otra la funcion de una valvula · para enclavamientos
Este ultimo
tipo de funci6n
de segunda, etc.
se denomina
tarnbien
una "funcion
logica",
Existen cuatro funciones logicas basicas:
Identidad ("SI") Negacion AND OR
0
0
0
inversion ("NO")
funcion suma
funcion producto
No se tratara aqui de 105 metodos logicos de conexion, pero se utilizan 105 terrninos puestos que describen claramente las funciones con una sola palabra.
8.1
FUNCIONES ElEMENTAlES AMPLlFICACI6N
DEL CAUDAL
Un cilindro grande necesita un caudal de aire grande. Se puede evitar tener que accionar manualmente una valvula grande con capacidad de caudal suficiente, utilizando una valvula grande de accionamiento neumatico pllotandola con una valvula mas pequelia de accionamiento manual. Esta funci6n se denomina "ampliflcacion del caudal". Se combina a menudo con el control remote: la valvula grande e5ta cerea del cllindro, pero la pequef\a puede encontrarse en un panel, para poder acceder facilmente a ella.
® "-------,,
CD
Flgura 8.1 Amplificaci6n
I
del caudal 0 control indirecto de una valvula.
INVERSI6N DE LA SENAl El rnetodo indicado en la figura 8.1, se puede utilizar tarnblen para cambiar la funci6n de una valvula desde su posici6n normalmente abierta a normalmente cerrada 0 viceversa. Si la valvula 1 en la figura 8.2, esta activada, la presion sobre la salida de la valvula 2 desaparece y reaparece cuando se desactiva la valvula 1
® ,.. _-------
, I I
Flgura 8,2 Inversl6n de la senal: si se activa la valvula
1, la preslon
sobre la sallda de la valvula 2
desaparece y reaparece cuando se suelta la v~lvula 1
8.2
Circuitos Msicos SELECCI6N -La selecci6n se alcanza convirtiendo una funci6n de. 3/2 a 5/2 ". . .. La valvula de mando 1 es una pequeria valvula de 3/2 accionada manualmente: la valvula 2, accionada indirectamente, es una valvula de 5/2 con una capacidad de caudal suficiente para accionar un cilindro de doble efecto. En esta funcian se realiza tamblen la amplificaci6n del caudal. Una posici6n del interruptor de palanca presuriza el punto indicado como verde mientras que la otra presuriza el rojo. La misma funcion se utiliza tarnblen para realizar la seleccion entre dos circuitos: una de las vias de utilizacian de la valvula de 5/2 suministra por ejemplo, aire a un circuito autornatico, mientras que la otra suministra las valvulae para el control manual. Esto asegura que no puede tener lugar un accionamiento automatico durante el accionamiento manual ni a la inversa.
@
,._------, ,,
Flgura 8.3 Selecci6n entre dos circuilos con una valvula monoestable de 3/2 aceionado manualmente
FUNCI6N DE MEMORIA Una funclon muy comun es perpetuar el accionamiento -momentaneo de una valvula manteniendo su sefial hasta que otra senal momentanea la desconecte permanentemente.
,._------,
,,
------------1 ,,
Flgura 8.4 Paso de rojo 8 verde por media de la valvula de acclonamlento manual 0 mee4nico 1 y de verde a rojo con la v6lvula 2 (Ias v6lvutas 1 y 2 proporcionan setiates momentaneas)
o srvr; MexiCO
8.3
FUNCIONES DE TIEMPO
Una temporizaclon neumatica se basa en el tiempo necesario para cambiar la preslon de un volumen fijo, mediante et paso de un caudal de aire por un orificio. Si, con un volumen y orificio determinados, se alcanza la curva caracteristica preslon/tiempo a de la figura 8.5, un mayor volumen a lIenar, 0 un orificio de paso mas estrecho, la cambiaa b. En el caso de la caracteristicas a, la temporizacion para accionar una valvula con una presi6n de pilolaje ps sera t1, con b se incrementara a t2. En la practica, el volumen a presurizar esta conectado con la entrada de pitotaje de una valvula de retorno muelle y se utiliza un "controlador de velocidad" (restrictor de caudal rnas valvula anti-retorno) para variar el orificio de paso: su valvula anti-retorno permite un caudallimitado en sentido contrario y por 10tanto un tiempo de reinicializacion breve.
---------------------------------------
5
a
ps
o
I
I
I
T1
:
:~ I
~
I I
n
Flgura 8.5 Relaci6n presl6nltiempo
~: del aire comprimido
que fluye por un orificio en un volumen
Existen cuatro funciones distintas de tiempo:
1.- Temportzacion a la CONEXION de una serial de presion 2.- Temporizaci6n a la DESCONEXION de una serial de presi6n 3.- Un impulso de presiOna la conexi6n 4.- Un impulso de presi6n a la desconexi6n Sellallnlcial OFF
.) retrazo ell "gN" b) ,eI'RZO ell ~ c) IcnpuIm _ "ON"
d) ImpuIso _ "OFF"
Flgura 8.8 Las cuatro funclones
8.4
de temporizacl6n
Circuitos Msicos
TEMPORlZACI6N A LA CONEXI6N La figura 8.7 ilustra como se puede retrasar una senal de. presion. La serial en el orificio de salida (A) de la valvula 2 aparece un tiernpo determinado despues del accionamiento de la valvula 1. Esto es debido a la valvula de restriccion de caudal.
Flgura 8.7 Temporizaci6n a la conexi6n
TEMPORlZACI6N A LA DESCONEXI6N El retraso en la vueIta a la posicion normal de una valvula se obtiene como se ha descrito anteriormente, pero en vez de limitar el flujo de aire hacia el orificio piloto de la valvula b, se restringe su escape. La figura 8.8 muestra una temponzacion para la desconexion de una senat, Tras el accionamiento de la valvula 1, se enciende inmediatamente el indicador, pero tras soltar la valvula, el indicador se queda encendido durante un periodo de tiempo regulable. .
Flgura 8.8 Temporizador a la desconexi6n.
GSM: MEXICO
8.5
IMPULSO DE PRESI6N A LA CONEXJ6N Si una serial desde una valvula pasa por una valvula normalmente abierta pero dictada por la misma serial no habra presi6n a la salida de la ultima valvula. Sin embargo, si se retrasa su pilotaje la serial puede pasar hasta que el pilotaje se produzca despues de la tempori~ci6n. La consecuencia es una serial de presi6n de duracion regulable en la salida de una valvula norma/mente abierta. En la figura 8.9 aparece una serial de duracion regulable en la salida de la valvula normalmente abierta 2, cuando la valvula 1 esta accionada
Flgura 8.9 Impulso de conexl6n
IMPULSO A LA DESCONEXI6N
DE UNA VALVULA
Cuando la serial temporizada de presi6n debe aparecer despues de que la serial inicial se haya desconectado, la presi6n para producirlo debe de proceder de otra fuente. El matodo que se utiliza es accionar al mismo tiempo una valvula 2 normalmente ablerta de 3/2 y presurizar un volumen 3 con la senal inicial. Cuando se descarga la valwla 1. la valvula 2 alcanza su posici6n nonnal, conectando el volumen con su salida. La serial de presi6n desde el volumen desaparece tras un breve periodo regulable por medio de un controlador de velocidad.
Flgura 8.10 ImpUlso de presl6n al desaparecer
8.6
una sel\al.
Circuilos Msicos CONTROL
DEL CILlNDRO
CILlNDRO DE SIMPLE EFECTO Accionamiento directo y control de velocidad Si un cilindro de simple efecto esta conectado a una valvula de 3/2 de accionamiento manual, este sale cuando se acciona la valvula y retorna cuando la valvula se libera. Este es el lIamado "control directo", En el caso de un cilindro grande, se aplica la ampliflcacion del caudal como indicado en la figura 8.11. La unica forma de regular la velocidad de la carrera de ida del embolo de un cilindro de simple efecto es reducir el caudal de entrada en el mismo. La velocidad de la carrera de retorno, par media del resorte, es raramente Jimitadaen la practlca.
Figura
8.11 Control directo de un cilindro de simple efecto.
Control desde dos puntos: Funci6n OR Un cilindro 0 una valvula pueden ser accionados de dos maneras distintas, par ejemplo manualmente 0 por medio de una senal del circuito automatico. Si las salidas de dos valvulas de 3/2 estan interconectadas con un empalme de T. elaire procedente de una de las valvulae sale par el escape de la otra. La utilizaci6n de una valvula selectora de circuito evila el problema:
Flgura
8.12 Acclonamlento
0SNC MEXICO
de un cilindro de &imple efedo desde dos puntos
8.7
EncJavamiento: Funci6n AND (Y)
En algunos casos, para permitir una operacion determinada, es necesario que se cumplan dos condiciones. Un ejemplo tlplco podria ser el de una prensa neurnatica que se puede accionar solo si esta cerrada una puerta de seguridad y si se acciona la valvula manual. Para controlar la puerta de seguridad, se usa una valvula de 3/2 accionada mecanicamente. La entrada de la valvula de accionamiento manual esta conectada con su salida, asi que solamente tendremos serial cuando ambas valvulas esten accionadas simultanearnente. En el caso de que las senates procedentes de cada una de tas dos valvulae tengan tambien otro use, como se muestra en el esquema "b" de la figura mediante los dos indicadores de color, se puede realizar la funcion AND (Y) mediante una valvula de 3/2 de accionamiento neumatico: Una de las seriales la alimenta y la otra la pilota.
VERDE
Flgura 8.13 Enclavamiento
de segurldad, funci6n AND (y)
. Operaci6n in versa: Funci6n NOT (NO) Enclavamientos meeanicos to e situaciones simllares pueden req'u pSI para prod~ctos sobre transportadores y bloqueo. El desbloqueo se roduce enr. e acc/ona~l1Ient~ de un cilindro para el este. tipo de aplicacion, s~ puede medlante el acclonamlento de una valvula. Para requlere que la misma senal que r~ usar ,valVUlas norma/mente abiertas. SI se cua/quier otro dispositivo, simboliz~c:iovoca ~ .d~~bloqueo debe tambh~n dar senal a usarse una senal de Inversion pro:eC::e~tIn ~cador 3 en la figura 8.14. tiene que e e otra valvu/a Independiente, de 8.8
Circuitos besicos
acclonarnleruo neumatico y normalmente abierta (valvula 2), que es accionada par la valvula normalmente cerrada.
Figura 8.14 Inversi6n de serial: et cilindro retrocede mientras la v~lvula 1 este accionada.
CllINDRO DE DOBLE EFECTO Control direclo La (mica diferencia entre el accionamlento de un cilindro de doble efecto y uno de simple efecto es que se ha de usar una valvula de 5/2 en lugar de la de 3/2. En su posici6n normal, la utilizaci6n B, esta conectada con la entrada de presi6n P. Esta vla de utilizaci6n ha de estar conectada a la camara delantera del cilindro si queremos que este en su posici6n normal este metido. Para un control independiente de la velocidad en ambas direcciones, hay acoplados "controladores de velocidad" (restrictor de caudal y valvula anti-retorno) en ambas conexiones del cilindro. Su orientacion es la opuesta a la de los cilindros de simple efecto ya que es el escape de aire el que es restringido. Esto proporciona un movimiento mas estable y positivo que la restriccion del aire de entrada. En lugar de suministrar solamente la energfa necesaria para mover el embolo, se ariade una carga adicional mediante una contrapresion en la camara que se vacia: esta contrapresion aurnentara si aumenta la velocidad, compensado las variaclones en la carga. .
Flgura 8.15 Control directo de un dlindro de doble efecto
0SNC MEXICO
8.9
Mantenimiento
de las posiciones finales
En la mayoria de los casos, un cilindro tiene que mantener su posici6n incluso despues de que la serial de mando haya desaparecido. Esto requiere la funci6n "memoria" de la figura 8.4. Una valvula biestable mantendra su posici6n hasta que aparezca la serial de pilotaje contraria. En la figura 8.16, la carrera de salida de un cilindro de doble efecto es iniciada con la valvula 1, y la de retomo con la valvula 2. la valvula 3 mantiene su posici6n y por tanto tamblen la del cilindro. la valvula 3 s610 sera accionada cuando solamente una de las dos valvulas manuales no tenga salida de presion.' Si ambas vias de pilotaje reciben serial al mismo tiempo, el carrele mantiene su posici6n anterior ya que presiones iguales actuando sobre areas iguales no pueden anular la anterior serial. Este fenorneno se conoce como "sefiales permanentes" y es uno de los mayores problemas en el diserio de circuitos.
Flgura 8.18 Mantenlmlento
8.10
de las poslclones de un clllndro de doble efecto
Circuitos bssicos
DETECCION DE LA POSICION DE LOS CILlNDROS Retorno eutometico
La valvula 2 en el circuito de la figura 8.16 puede ser sustituida por una valvula de accionamiento por rodillo de palanca, situada en el punto final de la carrera de salida del cilindro (carrera positiva). El cilindro entonces, conmuta el mismo la valvula 3 y asl retrocede automaticamente. A esto nos referimos como reciprocidad del cilindro. .
I I
I
'<2> Valvula de posici6n aquf @
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I I
I I I
1
~ Flgura 8.17 Retorno automatico de un cilindro
I I I
t<2> Valvula de posici6n aquf @
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I I I
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I I I .1 I
I
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I
~
Figura 8.18 Retorno automatlco de un ciUndroIncluso con una
0SIVC MexiCO
senal permanente 8.11
Aparecera un problema si la valvula 1 no esta desactivada cuando el cilindro alcanza el tinal de su carrera: el cilindro no retrocedera, La velocidad 2 es incapaz de conmutar la valvula 3 mientras permanezca la serial opuesta procedente de la valvula 1. Una valvula biestable solo puede ser conmutada mediante una serial de pilotaje. cuando ha desaparecido la serial de pilotaje opuesta. Si el cllindro debe retroceder incondicionalmente tan pronto como alcance el punto final: de la carrera, una' soluci6n simple seria transtormar la serial de la valvula manual en un impulso (serial mornentanea). Esto seria una combinaci6n de las dos tunciones elementales de las tiguras 8.9 y 8.17. Carreras repetitivas (repetici6n indefinida de la carrera)
Mediante la detecci6n en ambos extremos de la carrera .mediante valvulas accionadas por rodillo de palanca y usandolas para conmutar la valvula principal 2, el cilindro sera "reclproco" (el mismo produce las senates para su propio control de movimiento). Con una valvula biestable de accionamiento manual conectada en serie con la valvula accionada por rodillo de palanca 4 (un final de carrera), el cilindro parara de realizar ciclos repetitivos si desactivamos en 1, pero 10 hara despues de volver siempre a su posici6n de vastaqo dentro 0 posici6n negativa.
~
'1-+-----1
r-------
Flgura
8.12
------
8.19 Repetlcl6n de carrera de forma clclica mlentras la vcilvula 1: permanezca
acclonada
CirclIiios Msicos CONTROL DE SECUENCIA C6MO DESCRIBIR UNA SECUENCIA
Unas pocas reglas nos ayudaran para la descripci6n, de un ciclo de movimiento de una forma extremadamenle breve pero precisa. A cada actuador se le asigna una letra mayuscula. Si su posicion a1 inicio de cielo, a partir de las cuales se dibuja el dlaqrama de circuito es la de dentro 0 posicion ,negativa, se dice que el esta en "menos"; si su posicion allnicio es la de fuerza 0 posicion posiliva, decimos que esta en poslcion "mas". Las senales de presion para conmutar las valvulas de control direccional son IIamados "comandos" para distinguirlos de otras sefiales. Un comando para mover el cilindro "A", su c6digo
sera un simple "A+". Evidentemente,
"A-", es el comando para hacer
retroceder al cilindro A. Secuencia de dos cilindros
Con estos codigos, nosotros podemos escribir una secuencia de dos cilindros por ejemplo con:
A+, 8+, A-, 8-.
No puede haber dudas acerca de la secuencia de movimientos. Ahora lIega la cueslion de ver de donde salen estos comandos. La respuesta es bastante simple: de las valvulas de roditlos de palanca que detectan los puntos finales de la carrera. Ellos tambien necesitan un c6digo: este estara confeccionada de una forma bastante 16gica. Coma la poslcion inicial "menos" es lIamada "cera". Es obvio codificar con "ao", la valvula que detecta la posicion inicial del cilindro "A", la poslclon opuesta es entonces lIamada "a1". Para mayor claridad, las senates son slempre codificadas con letras rninuscutas. Las posiciones de detecci6n son designadas medlante un Indice,
De todo ello, resulta obvio que la finalizaci6n de un comando (...+) estara seiializado por la senal de presi6n que nosotros "convertlremos" como c6digo·a1·, etc. Con estos codigos podemos escribir la soludon para la secuencia mencionada con anterioridad tal y como sigue:
A+ -+ a1 -+ 8+ -+ bt -+ A- -+ ao -;t 8- -+ bo
Tarnblen necesilamos una valvula de accionamiento manual para arrancar y flnallzar la secuencia. Esta situada en la linea prioritaria para el primer comando
A+. Cuando .la secuencia necesite continuar entonces la valvula de puesta en marcha debera permanecer abierta, pero si el circuito es desactivado a mitad de cielo, este conunuara hasta que todos los movimientos de la secuencia hayan sido completados y el cielo vuelva a su posicion inicial. Esto signifiea. que la ultima serial, bo, ha aparecido pero es incapaz de pasar a traves de la valvula de puesta en marcha. Esta es otra aplicaci6n de la (unci6n elemental "AND" M de la figura B.13. El comando A+ necesita ambas seriales "bo", Y "s.", (start). Nos podremos referir a esto coma un "clrcuito carrado". La secuencia sefiales y comandos es coma slgue:
de
_A_
r<: MARCH"
A+
COMANOOS
B+
A-
B-
Fig. 8.20 Secuencla de Ias sel\ates de comando
La misma secuencia de este diagrama de bloques esta dibujada coma circuito neumauco en la figura B.21. con simbolos ISO. Coma tenemos ahora codirlcadas las valvulas de finales de carrera de acuerdo con su posici6n, no es necesario dibujar el clrcuito como un mspa con estas mostradas en sus emplazamientos fisicos reales, cerea delos cilindros, 0 indicandolas con numeros coma en las figuras 8.17 y 8.1 B. La norma es dibujar todos los cilindros en la parte superior, directamente de bajo de ellos, sus correspondientes valvulas princlpales de mando y debajo de ellas. las valvulas que proporcionan ·Ias senales de final de carrera. En circultos mas sofisticados, podra haber valwlas adicionales en un nlvellntermedio entre las .valvulas prlncipales y las de senal. E!ite es el caso de la figure 8.20 con la valvula de puesta en marcha "st", Ciclo unico, cic/o continuo Este tipo de valvula usada para poner en marcha una secuencia es 10 que determina la diferencia entre los 2 cidos: si es una valvula monoestable y nosotros la accionamos, se realizara un ciclounico. En el caso de una valvula biestable, el ciclo se repetira continuamente hasta que desconectemos la valvula. No Importa cuando 10 hagamos, el circuito siempre complementaria el ciclo y entonces pararfa.
n.1~
Circuitos basicos
~-.-------
..-••
B·
••
•••
Flgura 8.21 Clrculto para la secuencla A+, B+, A-, B-
COMANOOS OPUESTOS Eliminaci6n con una saIJal de corta duraci6n Anclaje: Control de presion
Los ciJindros de simple efecto de carrera corta son utilizados a menudo para sujeci6n. Si blen casi todos ellos pueden lIevar incorporados detectores para control electrico, esto no da suficiente seguridad. LLa parte que debe ser mecanizada esta suficientemente amarrada para aguantar las fuerzas ejercidas sobre eRadurante el mecanizado? la (mica senal fiable es la que nos indica que hay suficiente presi6n detras del embolo, para esto se emplean las valvulas secuenciales. Estas penniten al operador ajustar la presi6n minima requerida para un amarre seguro. la presi6n que han de detectar es la presi6n de amarrado del cilindro, por eso la entrada de pllotaje debe ser conectada con una a la via de alimentaci6n del cilindrQ: la senal de salida pondra en marcha la operaci6n de mecanizado .(cilindro -It). El cilindro tiene que retroceder Inmediatamente despues de que la operaci6n haya finalizado, por ejemplo, "el final de carrera, valvula b, proporciona esta informaci6n.
-r
0~MEXICO
8.15
Aqul nos encontramos un problema: B es incapaz de retroceder mlentras el cilindro de amarre eA- este presurizado pero, por otro fado, este no debe retroceder y soltar el amarre antes de que el dispositivo de mecanizado haya vuelto a su posicl6n inlcial. Podemos, de nuevo uti/izar el circuito basico de la figura 8.9 para resolver este problema transformando laselial permanente de la valvula secuencial en una senal de corta duracl6n. El ciclo es arrancade manualmente, pero en la practica el operador lnsertara un componente para ser mecanlzado y entonces rnantendra el pulsador acclonado hasta que el tra~ajo este completado.
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Figure 8.22 Clrculto para amarrado
I I I
y mecanlzado
De cualquler forma, hay una Imperfeccl6n: si el operador .suelta el pulsador despues de que el mecanlzado haya comenzado, la mordaza se abrira. Tenemos que prevenir esto. La soluci6n es 'memorlzar" la seilal de arranque manual con el circuito de 'a figura 8.6. Para la funcl6n de la vc\lvula 1, usaremos una vc\/vulaque detecte la poslci6n inlcial del cllindro B. la vc\/vula -bo". Pero esta vc\lvula esta aeclonada en la posiel6n inlcial, euando se ha producido el amarre y tiene que salir B. Esto slgnifiea que hay olra -senal permanente" que tendremos que eliminar haeiendo de ella.una seilal de corta duraci6n. Esto nos da como resultado el circuito de la figura 8.23. .
8.16
Circui(os nascos
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MARCHA
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Flgura
8.23. Amarrado
y
mecanizado
con endavamiento
adicional
Sislema de cascada
Debemos admitir que la forma en que hemos eliminado las serlales permanentes en el ejemplo anterior no puede ser el mejor metodo. Debe haber una soluci6n mas simple y fiable. . La verdadera soluci6n es poner a escape lodas las senates permanentes que se puedan "soplar". .No mediante niontajes temporlzados sine con el accionamiento de una valvula de selecci6n corno en el circuito de la figura 8.3. El problema es conocer d6nde ha de estar puestacada valvula y como debe ser conmutada y conectada. Existe un procedimiento simple para et aaseno de circuitos secuenciales lIamado ·Sistema Cascada", El ciclo es dividido en dos 0 mas grupos. Para posteriores expJicaciones supondremos que hay solo dos grupos. Cada uno tiene una linea de suministro procedente de la valvula de selecci6n. 0~MEXICO
8.17
La division de los grupos, por ejemplo del ctclo HA+, B+, A-, B_M,se realize de la siguiente manera: Observando cada comando, de izquierda a derecha, podemos subdividir los comandos en grupos: la regia sera que en cad a grupo solo se podra ineluir un comando de cad a actuador, bien sea + 0 -. En nuestro caso serla:
A+,B+
8-, A-
Grupo I
Grupo 11
Este principio es igualmente aplicable para ciclos rnas largos. Cuando se tiene tres 0 mas grupos no es necesario arrancar el clclo con un nuevo grupo: el fin de cielo puede estar en media de un grupo. La valvula de puesta en marcha y parada esta, simplemente, colocada en linea con el primer comando del cielo. AIgunas veces tie ne que trasladarse para encontrar el menor numero de grupos. las dernas reglas seran explicadas en el slqulente diagrama de bloques.
Todos los demas comandos del grupo I
3
Todos los dsmas comandos del gropo 11 Prlm.r c:o·_----maMO d.I gNpo 11
Primer eomando del grupo I
7
...••
Linea del gropo I LInea del gropo 11 JJ--..-.!
-lrn
VAlvulade seleccl6n •••.•
Fig. 8.24 Oiagrama de bloques de un sistema
cascada
Primera valvula principal que debe ser accionada por el grupo 1. Todas las valvulas de fin de carrera del grupo el ultimo movimiento del grupo ha finalizado.
1, excepto la que detecta que
T od os los comahdos de las valvulas principales del grupo desde la Ifnea de grupo.
R.1B
1 son alimentados
Circuitos Msicos
cv
El detector del final de la ultima carrera del grupo 1 conmuta la valvula de
®
Valvula principal del cilindro que realiza la primera carrera de grupo 11.
o CD . f8\
\.V
seleccion:
la linea de grupo 11es alimenlada
con presi6n.
T odas las valvulas de fin de carrera que proporcionan grupo 11,excepto la ultima.
los comandos de
Todos 105 comandos del grupo 11, proporcionados por las valvulas de fin de carrera estan alimentados desde la "linea de grupo W . El detector de la ultima carrera del grupo 11vuelve a conmutar la valvula de selecci6n a su posici6n anterior.
Los pasos de cilindro son ahora bastante Iaciles. El interruptor de puesta en marcha y parada esta siempre insertado en linea con el primer comando del cielo. En el ejemplo anterior el ciclo termina al finalizar un grupo. Pero este no es siempre el caso y, como se ha mencionado, no es necesario. Esto se demostrara
con un ejemplo: el cicto dado es:
A+, 8+, A-, C-, 0+, 0-. B-. C+ Si comenzamos grupos de la forma
IA+ 8+ t
a subdividir desde el principio de clclo, obtenemos
•
I A-
•
tres
C- 0+ I 0- 8- C+ •
•
I
Es mejor subdividirlo comenzando un paso mas tarde:
A+ ,
I 8+ "I A-
C- 0+ • I 0- • 8- , C+
y obtenemos solamente dos grupos. La valvula de cascada sera conmutada primero mediante "al'" Y volvera a su posici6n inidal mediante d.. La valvula de puesta en marcha y parada estara en la conexi6n que va desde Cl a la entrada del comando
A+. Recuerde que 105 finales de carrera accionados en la posiclon de reposo del sistema deberan ser dibujados con sus slmbolos en dicha poslcion.
0SM:
MEXICO
6.19
A+ ,--,,
A·
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••
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8i
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I
I I
••
Flgura 8.25 Dos cilindros en cascada
B.20
8· -.,
APENDICE
A
SIMBOLOS • Componentes para el tratamiento de aire • Actuadores
• vetvutes • • • • •
Accionamientos manua/es Accionamientos mecenicos .Accionamientos electricos Accionamientos neumeiicos Accionamientos combinados
DIAGRAMAS DE CIRCUITOS • Principios besicos • Distribuci6n de un circuito
Apendice A
APENDICE A Para la correcta construccion de un circuito neumatico es esencial conocer como se construyen los simbolos. SiMBOLOS Los simbolos para 105 componentes y los sistemas de la Mecanica de Fluidos estan normalizados en ISO 1219. Esta norma combina 105 componentes hidraulicos y neumaticos. Nos muestran la funcion de un componente pero no representan su construccion. EQUIPO PARA TRATAMIENTO
DE AIRE
El simbolo basico para los componentes de secado de aire y de limpieza de aire es un rombo que tiene la entrada y la satida dibujadas en una linea desde la esquina izquierda a la derecha. La funcion especifica se indica dentro del rombo usando 105 simbolos que se explican a continuacion. El simbolo basico para los reguladores de presion es un cuadro con las lineas de entrada y salida dibujadas en el centre-de los lados izquierdo y derecho. El flujo de aire se indica mediante una flecha; el resorte de equilibrio, indicado en forma de zigzag, esta cruzado por una flecha para indicar la graduabilidad. Los simbolos principales son: SECADO Y lIMPIEZA
V
Drenafe automatico
DEL AIRE
~ Refrigeraci6n por aire
V -W Separador de agua
AEGULACION
~ Fdlro I Separador
Filtro
-$- -$-
Secador de a1re
CaJentador de a1re
V
~
Intercambiador termlco
-0-
Altro I Separador con drenaje automatlco
Microtillro de varias etapas
Lubrlcador
Regulador con escape
Regulador de presl6n diferenclal
Manometro
DE LA PRESION
D 51mbolo baslco
*
Secador de aire refrigerado
-9-
~ Resorts de equllibrado ajustable
Aegulador . de presion
Unldad FRL. s1~lIficada
Fig. A.1 Simbolos para el tratamiento de aire
~~MEXICO
A.1
ACTUADORES Un cilindro lineal se dibuja como una seccion transversal simplificada. No se hace diferencia entre un piston y otros tipos de cilindros. Un actuador giratorio tiene su propio simbolo que se aplica tanto a 105 tipos de paletas como a los de pirion-cremallera
Cffindro de cimple efecto, del tlpa tracclon
Cfllndro de cimple efecto, del tlpa de compresion
Cifindro de doble erecto con amortlquacien neurnatica ajustable •
Cifindro de doble efecto
Actuador giratorio, de doble erecto
Cifindro de doble erecto, con doble vastago
Fig. A.2 51mbolos de actuadores
y
cilindros
ISO
VALVULAS Alas valvulas para el control direccional, se les da la desiqnacion 2/2, 3/2 Y 5/2 y es importante entender 10que significa esto El primer numero de la confiquracion indica el numero de orificio de vias que tiene una valvula, el segundo numero indica las posiciones que puede alcanzar la valvula, normalmente 2 0 3. El slrnbolo bastco para una valvula de control direccional es un cuadro 0 grupo de cuadros. La entrada y el escape (s) se dibujan en la parte inferior, las salidas se dibujan en la parte superior. Hay un cuadro para cada funcion (posicion de la valvula). Y21 que una villvula para el control direccional tiene dos 0 mas funciones, los cuadros se alinean lado con Jado para- tantas funciones como haya. Asi una valvula para el control direccional 5/2 0 3/2 tiene un simbolo con dos cuadros una valvula tiene tres cuadros, etc.
A.2
-, :':: ...•...
Apendice A
Dentro del cuadro, las entre orificios interconectados.
trayectorias del flujo se indican mediante flechas
IT]
[Q]
Si un orificio externa esta internamete cerrado, se muestra con el simbolo
T.
Las conexiones internas se representan con un punto.
Los conductos (alimentacion utilizacion) se representan en un solo cuadro de la valvula. .
ACCIONAMIENTOS
MANUALES
ACCIONAMIENTOS
MECANICOS
0~MEXICO
A.3
t
ACCIONAMIENTOS
ELECTRICOS
ACCIONAMIENTOS
NEUMATICOS
ACCIONAMIENTOS
COMBINADOS
La figura A.3 que aparece a continuacion, explica como se combinan estos elementos simbolicos para formar un simbolo de valvula completo. Furck)oa· mierfO
cnerada oern.dl
manual
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In
Figura A.3
A.4
oblerU
III SAlldt
Apendice A
DIAGRAMAS PRICIPIOS
DE CIRCUITO
sAslCOS •..•.
~--.-... --
'~:.---.
-
Un diagrama de circuito se dibuja con el sistema en reposo. Se supone que la alimentaci6n esta con presi6n, pero en el caso de circuitos mixtos, no hay potencia electrica. Las posiciones en las que se han dibujado los diversos componentes, tienen que ref/ejar estos supuestos. La figura A.4 ilustra esto: Esta carnara del cilindro y el lado del vastaqo del piston estan bajo presion: Vastago dentro o
Esta linea esta en conexion con la atirnentacion a traves de la valvula: Estzi presurizada
La carnara del cilindro posterior y esta linea estan a escape
------------------
En reposo, no hay activacion del solenoide: El accionamiento esta desactivado y la posicion de la valvula esta definida por el resorte
•
Oebido a que el resorte define la posicion, este cuadrado esta en funcionamiento
Figura A.4 Principios basicos en un diagrama del circuilo
Las valvulas accionadas (fin de carrera) rnecanicamente, que controlan las posiciones de reposo de los cilindros, estan accionadas en la posici6n de reposo y se tiene que dibujar la figura en consecuencia, esto es, con las conexiones externas dibujadas en el cuadro del lado del accionamiento. En una valvula 3/2 normalmente cerrada, pero accionada, la salida esta conectada con la alimentaci6n y, por consiguiente, bajo presi6n. Igualmente si el pilotaje de una valvula accionada neurnatlcarnente y monoestable esta bajo presi6n. se tie ne que dibujar en la posici6n accionada.
Valvulas accionadas manualmente Elsegur;.debe Presion
312, normalmente
Silrresion.?
Figura A.5 Reglas respecto alas
con la POspicI6n.~e la valvula \
reslon
o
312, normalmente cerradas
cerrada,
V:ilvulas monoestables nunca accionadas
corres\
valvutas biestables: Ambas posiciones posibles
posiciones de
la valvula: Funciones manual
A.S
Valvulas
accionadas
y neurnaticarnente
electrica
Pre sion
Las valvulas neurnaticas se pueden hacer funcionar en reposo
I
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-~M
'
8
r-r---.-'r----.
Los solenoides no se activan nunca en reposo
Figura A.6 Reglas para la posicion de reposo del solenoide y las valvulas neurnaticas
VaJvulas accionadas Todas las valvulas
rnecanlcarnente
con indice .1,. estan en reposo Presion
Sin preslcn
a ...
8= a ...
'1
f1
Todas las valvulas con indice .010 estan activadas PresiOn
,--,f--r-r--,
Figura A.7 Reglas para la posici6n de reposo de las valvulas accionadas mecanicamente
A6
Apendice A
DISTRIBUCI6N
DE UN CIRCUITO
En un diagrama de circuito, se supone que la direcci6n de la energia de trabajo va desde la parte inferior a la parte superior y la secuencia del cielo de trabajo desde la izquierda a la derecha. En consecuencia, los cilindros y las valvulas de potencia estan situadas en la parte superior, con el cilindro que lIeva a cabo la primera carrera del cic/o en la parte izquierda. Las valvulas 3/2 de palanca y rodillo, que control an las posiciones finales de los cilindros, estan situadas en el nivel inferior. Entre estas ultunas valvulas de los cilindros, puede haber valvulae adicionales para conseguir la secuencia correcta (La funci6n de memoria ylo ciertos enc/avamientos con funciones 16gicas).
Ultimo impulso del delo
Primer impulse del dele
c
B
A
A+
8-
A-
--1>-
c --..p>:-
Nivel de POTENCIA
I
S~L...-.--L...-.--I Nivel de Em-RADA
en
rn
Nivel LOGICO Memorias, AND's (y). OR's (6), Temporizaci6ri, etc.
IT]
IT]
DE SENAL
0:=1
09'£ MEXICO
A.7
