Actuadores Neumáticos

Idalia Angélica Bustos ZapienRicardo Molinet Farias

Sergio Carlos Muciño Hernández

Neumática

La neumática es la tecnología que emplea el aire comprimido como modo de transmisión de la energía necesaria para mover y hacer funcionar mecanismos. El aire es un material elástico y, por tanto, al aplicarle una fuerza se comprime, mantiene esta compresión y devuelve la energía acumulada cuando se le permite expandirse.

Introducción a la neumática

Una instalación neumática es un conjunto de dispositivos que funcionan mediante aire comprimido

Los sistemas neumáticos se basan en la utilización del aire, que actúa como fluido de trabajo. Se utilizan en multitud de procesos industriales y sus ventajas más apreciables son las siguientes:

El fluido de trabajo (aire) es fácil de obtener y manipular Dicho fluido es muy fácil de transportar, a través de tuberías. Los circuitos son muy sencillos de automatizar El coste de la instalación es barato en comparación con otros tipos de sistemas.

Los sistemas de aire comprimido también se utilizan en objetos que forman parte de nuestra vida cotidiana: el sistema de apertura de las puertas de los autobuses, los frenos de los camiones, las pistolas de pintar, los martillos neumáticos utilizados en las obras públicas, etc.

Todos ellos emplean el aire comprimido como medio por el que se transmite la energía necesaria para desplazar algún cuerpo.

Energía neumática

La energía neumática es la que proporciona la presión producida por el aire comprimido.

El aire es un gas y, como tal, se puede comprimir y reducir el volumen que ocupa. Si un globo inflado se aprieta con las manos, se deforma y se reduce su volumen; de modo que la misma cantidad de aire ocupa un volumen menor. Al mismo tiempo, las paredes del globo ejercen una presión sobre las manos debido a que, para reducir el volumen, se ha aplicado una fuerza y, al hacerlo, se ha aplicado una energía que ha quedado almacenada en el aire contenido en el globo.

Al comprimir el aire de su interior, la energía almacenada en el globo se manifiesta en forma de una fuerza que actúa en todas las direcciones sobre las paredes del globo.

La energía que se acumula en el aire comprimido se denomina energía neumática, y se emplea para transmitir pequeños esfuerzos y para producir movimiento.

Principios físicos de los sistemas neumáticos

 1.- Principio de Pascal

“Cualquier fluido sometido a presión distribuye dicha presión a lo largo de todo el fluido, sin direcciones preferentes”

Es decir, si tenemos aire a presión, este tratará de expandirse en aquel lugar donde pueda hacerlo. La mayoría de las instalaciones neumáticas trabajan a presiones entre 6 y 8 kp/cm2

 2- Ley de Boyle y Mariotte

“El producto del volumen V que ocupa una cantidad de gas por la presión p a la que está sometido permanece constante si no se producen variaciones de temperatura”

p.V = constante Normalmente, hay que hallar la relación existente entre dos estados en que se pueden encontrar el gas. Para ello se utiliza la fórmula siguiente:

p1 .V1 = p2 . V2

p1 = presión en el estado inicial (Pa) V1 = volumen en el estado inicial (m3) p2 = presión en el estado final (Pa) V2 = volumen en el estado final (m3)

3.- Ley de los gases ideales

El modelo de los gases ideales se basa en considerar que los gases están formados por partículas puntuales que se mueven libremente sin dirección preferente. En los gases ideales se cumple la siguiente expresión:

p.V = n . R. T

p = presión (atm)

V = volumen (L)

n = número de moles del gas

R = constante de los gases, de valor 0,082 atm.L/K.mol

T = temperatura en grados kelvin (K)

En las condiciones de trabajo habituales de los sistemas neumáticos, se pueden considerar que el aire se comporta como un gas ideal.  

 

 

4.- Presión

“Se denomina presión a la fuerza aplicada por unidad de superficie”

p = F/ S

1.- Unidades de presión

En el Sistema Internacional es el pascal (Pa):

1 Pascal (Pa)= 1 newton (N)/ 1 metro2 (m2)

Como el pascal es una unidad muy pequeña si se compara con las presiones que se utilizan habitualmente en neumática, se suele trabajar con una unidad llamada bar. La equivalencia es:

1 bar = 105 Pa

En neumática, se suele trabajar con otras unidades que no pertenecen al Sistema Internacional y que es importante reconocer:

Kilopondio por centímetro cuadrado (kp/cm2). El kilopondio es una unidad de fuerza equivalente a 9,8 N.

Atmósfera (atm). Equivale a la presión atmosférica medida a nivel del mar. La presión atmosférica se define como la presión que ejerce, por unidad de superficie, el peso de la columna de aire situada entre dicha superficie y la última capa de la atmósfera

 2.- La equivalencia entre las principales unidades es la siguiente:

1 Pa = 0,00001 bar = 0,000010197 kp/cm2

1 bar = 100.000 Pa = 1,019 kp/cm2 = 0,986 atm

1 atm = 1,0131 bar

A efectos prácticos se pueden considera equivalentes entre sí:

1 bar ~ 1 atm ~ 1 kp/cm2

Para medir la presión a la que se encuentran sometidos los fluidos encerrados en un recipiente se utiliza el manómetro.

Elementos de los circuitos neumáticos e hidráulicos

 

Los circuitos neumáticos e hidráulicos comparten elementos similares en cuanto a la función que desempeñan en el conjunto:

Elemento generador de la energía. En el circuito en neumático es el compresor y en el hidráulico es la bomba

Elementos de transporte. Tanto en los circuitos neumáticos como en los hidráulicos son las tuberías por las que circula el aire y el aceite respectivamente. Son las encargadas de unir los distintos dispositivos del circuito.

Actuadores. Son los encargados de transforman la energía recibida en otro tipo de energía. En ambos circuitos, neumático e hidráulico, el actuador principal es el cilindro, que desplaza linealmente un émbolo y vástago.

Elementos de mando y control. Las válvulas son los elementos que permiten o impiden la circulación de fluido por el circuito.

 

Nota: El concepto de fluido engloba tanto a los líquidos como a los gases, ya que, en ambos estados, las sustancias pueden fluir. Los fluidos no tienen forma propia, sino que adoptan la del recipiente que los contiene.

Producción de energía neumática

 1. Unidad de mantenimiento

La unidad de mantenimiento es la instalación encargada de preparar el aire comprimido que consumen los dispositivos neumáticos.

Los dispositivos que componen una instalación neumática deben recibir el aire comprimido libre de impurezas y con una presión uniforme. Además muchos de estos dispositivos tienen elementos móviles que necesitan ser lubricados.

La unidad de mantenimiento está formada por el filtro, el regulador y el lubricador.

El filtro. La función del filtro consiste en liberar el aire comprimido de todas las impurezas y del vapor de agua que lleva en suspensión.

El regulador. El regulador es una válvula cuya misión es mantener constante la presión de trabajo del aire.

El lubricador. El lubricador añade al aire comprimido aceite en suspensión, que es arrastrado hasta los elementos móviles de los dispositivos neumáticos, los cuales son lubricados al quedar recubiertos por una fina capa de aceite, lo que disminuye la fricción y reduce el desgaste que sufre estos elementos.

2.- Compresor

 

Un compresor es una máquina capaz de transformar diferentes tipos de energía en energía neumática.

 

Los compresores aprovechan diversas fuentes de energía (electricidad, energía de motores de combustión interna) para producir aire comprimido.

 

Los compresores toman el aire del exterior a través de un conducto en cuyo interior se encuentra un filtro donde quedan atrapadas las impurezas que contenga el aire.

 

Este aire se comprime en la cámara de compresión y se envía a un depósito. Éste lo almacena para suministrarlo a la instalación cuando es requerido. Se dispone de un preostato cuya misión es mantener la presión del depósito dentro de los márgenes adecuados, conectando o desconectando el compresor; es decir, cuando la presión en el depósito es inferior a la presión de trabajo, el compresor se pone en marcha. Una vez alcanzada la presión estipulada en el depósito, el compresor se para. Gracias a la existencia del depósito se evita que el compresor esté en permanente funcionamiento. El depósito dispone también de una válvula de seguridad que se abre en caso de sobrepresiones.

 

1.- Tipos de compresores

En función de la forma de comprimir el aire, los compresores pueden ser:

Alternativos. Funcionan mediante un mecanismo de biela-manivela que desplaza un émbolo dentro de un cilindro con un movimiento de aspiración y otro de compresión.

Rotativos. En su interior va colocado excéntricamente un rotor con ranuras en las que se alojan paletas. Estas paletas salen de las ranuras impulsadas por la fuerza centrífuga del giro del rotor y se adaptan a las paredes del cilindro. Dichas paletas toman pequeños cámaras de aire y, conforme las paletas van girando, comprimen el aire a la salida.

Actuador

Un actuador es un dispositivo capaz de transformar energía hidraúlica, neumática o eléctrica en la activación de un proceso con la finalidad de generar un efecto sobre un proceso automatizado.

Actuadores Neumáticos

A los mecanismos que convierten la energía del aire comprimido en trabajo mecánico se les denomina actuadores neumáticos.

En un sistema neumático los receptores son los llamados actuadores neumáticos o elementos de trabajo, cuya función es la de transformar la energía neumática del aire comprimido en trabajo mecánico.

Los actuadores neumáticos se clasifican en dos grandes grupos:

Cilindros

Motores

Aunque el concepto de motor se emplea para designar a una máquina que transforma energía en trabajo mecánico, en neumática sólo se habla de un motor si es generado un movimiento de rotación, aunque es también frecuente llamar a los cilindros motores lineales.

Cilindros Neumáticos

Son, por regla general, los elementos que realizan el trabajo. Su función es la de transformar la energía neumática en trabajo mecánico de movimiento rectilíneo, que consta de carrera de avance y carrera de retroceso.

Existen diferentes tipos de cilindros neumáticos. Según la forma en que se realiza el retroceso del vástago, los cilindros se dividen en dos grupos:

Cilindros de simple efecto.

Cilindros de doble efecto.

Los cilindros son los actuadores más utilizados en neumática, debido a su versatilidad y fácil manejo.

Básicamente consiste en una cámara con forma de cilindro hueco por la que se mueve un pistón o émbolo. En función del tipo de cilindro la cámara dispone de uno o dos orificios de entrada y salida de aire. Por ellos puede introducirse el aire a presión, el cual empuja el pistón provocando su avance o retroceso. Para garantizar el cierre hermético entre el émbolo y las paredes del cilindro, se utilizan juntas de goma denominadas juntas de estanqueidad.

1.-Tipos de cilindros

De simple efecto. Solo realiza trabajo en su carrera de avance, el retorno lo realiza por la oposición de un muelle. Al introducirse aire comprimido, el émbolo se desplaza y el vástago sale al exterior. Al cesar la presión, el émbolo retorna a la posición inicial impulsado por el muelle

De doble efecto. Realiza trabajo en su carrera de salida o avance y en su carrera de retorno. Los cilindros de doble efecto son similares a los de simple efecto, pero carecen de muelle de recuperación y permiten carreras mayores. Cuando el aire comprimido entra por la tapa posterior, desplaza el émbolo y hace salir el vástago. Al introducirse aire por la toma de la tapa delantera, el émbolo retorna a la posición inicial.

Elementos de mando: Válvulas

En un circuito neumático, las válvulas son los dispositivos de mando que sirven para dirigir y controlar la circulación del aire comprimido.

Según la función que realicen, las válvulas pueden ser: distribuidoras o de vías, de bloqueo y de flujo

1.- Válvulas distribuidoras o de vías.

Las válvulas distribuidoras dirigen el aire comprimido hacia los elementos de trabajo.

Según la posición que ocupan fuerzan al aire a discurrir en una u otra dirección. Las principales características de una válvula distribuidora son el número de posiciones que pueden ocupar, el número de vías (orificios) que tienen y el tipo de accionamiento.

Las posiciones se representan mediante cuadrados adyacentes.

Las válvulas se nombran mediante dos números separados por una barra: el primero indica el número de vías y el segundo, el número de posiciones.

Dentro de cada cuadrado se dibujan las líneas que indican el sentido de flujo del aire mediante flechas y los cierres de paso mediante símbolos en forma de T. Los conductos de escape se representan con un triángulo.

La válvula pone en contacto las líneas de presión (P) y retorno (R) con las líneas de trabajo (A, B...) En función de la posición que ocupe la válvula, el aceite circulará según el sentido que indiquen las líneas y las flechas.

La posición que ocupa una válvula depende del “accionamiento”. El accionamiento de una válvula se efectúa mediante dispositivos manuales, mecánicos, neumáticos o eléctricos.

Aplicaciones de las válvulas distribuidoras Control de un cilindro de simp le efecto . Al

cilindro le llega un solo conducto ya que solo tiene una cámara. Se utiliza una válvula de tres vías y dos posiciones. La posición de reposo de la válvula evita la entrada de presión en el cilindro y a su vez permite que el aire salga del cilindro hacia la salida R Cuando se aprieta el pulsador, se conecta el conducto de presión con la cámara del cilindro y éste sale. Al soltar, la válvula vuelve a su posición de reposo y de nuevo se permite la salida de aire de la cámara del cilindro, por lo que éste retrocede impulsado por su muelle.

Control de un cilindro de doble efecto. En este caso, el cilindro tiene dos cámaras; por los tanto le llegan dos conductos. Se utiliza una válvula de cuadro vías y dos posiciones. La válvula actúa de modo que al mismo tiempo que llena una cámara, vacía la otra.

La posición de retroceso canaliza la presión al conducto B y la cámara anterior se llena de aire, haciendo que el cilindro retroceda. Mientras permite que salga el aire de la cámara posterior hacia la salida R.

La posición de avance, al mantener apretado el pulsador, canaliza la presión al conducto A, por lo que la cámara posterior se llena de aire, y el cilindro avanza. Mientras pone en contacto el conducto B con la salida de aire R.

Al dejar de apretar, la válvula vuelve a su posición de reposo gracias a la acción del muelle. El cilindro inicia, de nuevo, su movimiento de retroceso. Tras llegar al final, se queda en esa posición hasta que se vuelve a actuar sobre el pulsador.

2.- Válvulas de bloqueo

Las válvulas de bloque cortan el paso del aire comprimido en un sentido y lo permiten en el sentido contrario.

Tipos de válvulas de bloqueo

Válvulas antirretorno. Funcionan desplazando el dispositivo de cierre, que vence la resistencia de un muelle. Al cesar la fuerza, el dispositivo de cierre vuelve a impedir el paso del aire.

Válvulas selectoras módulo “O”. Tienen dos entradas y una salida. Al recibir aire por una entrada, ele elemento móvil de su interior se desplaza, cierra la otra y el aire pasa a la salida. Si reciben aire por las entradas al mismo tiempo, también existe salida de aire.

Válvulas de simultaneidad módulo “Y”. Tiene dos entradas de aire, X e Y, y una vía de utilización

A. Hay aire con presión en A solo cuando ambas entradas reciben aire comprimido. Si solo llega aire a una de ellas, el paso de aire a A queda bloqueado

A.7.2.2.- Aplicación de una válvula de simultaneidad Para lograr que una máquina se más segura en su puesta en marcha, haremos que el cilindro de dicha máquina sólo funcione al activar dos pulsadores separados. Esto obliga al operario a utilizar sus dos manos para poderla poner en marcha.

El cilindro únicamente se acciona si se presionan los pulsadores P1 y P2 a la vez, ya que la vávula de simultaneidad solo produce salida de aire hacia el cilindro si se introduce aire por las dos entradas.

.3.- Válvulas de flujo Las válvulas de flujo o reguladoras de caudal controlan la cantidad de aire comprimido que circula. Este tipo de válvulas, que también se conocen con el nombre de válvulas de estrangulación, permiten regular la velocidad de los cilindros.

.- Conducciones y conexiones neumáticas Para conducir el aire comprimido se emplean tubos, que pueden ser:

Rígidos de cobre o acero. Se unen mediante soldadura. Flexible de nailon, PVC o similares. Se emplea en las conexiones de elementos con movimiento.

Nota: Un racor es un elemento de unión entre componentes de un a instalación neumática que asegura la unión sin escapes de aire (estanqueidad)

Electroválvula

Una electroválvula es una válvula electromecánica, diseñada para controlar el flujo de un fluido a través de un conducto como puede ser una tubería. La válvula está controlada por una corriente eléctrica a través de una bobina solenoidal.

No se debe confundir la electroválvula con válvulas motorizadas, que son aquellas en las que un motor acciona el cuerpo de la válvula.

Clases y funcionamiento

Una electroválvula tiene dos partes fundamentales: el solenoide y la válvula. El solenoide convierte energía eléctrica en energía mecánica para actuar la válvula.

Existen varios tipos de electroválvulas. En algunas electroválvulas el solenoide actúa directamente sobre la válvula proporcionando toda la energía necesaria para su movimiento. Es corriente que la válvula se mantenga cerrada por la acción de un muelle y que el solenoide la abra venciendo la fuerza del muelle. Esto quiere decir que el solenoide debe estar activado y consumiendo energía mientras la válvula deba estar abierta.

A- EntradaB- DiafragmaC- Cámara de presiónD- Conducto de vaciado de presiónE- SolenoideF- Salida.

Motores Neumáticos Los motores neumáticos realizan la función de transformar la energía

neumática en energía mecánica de rotación.

Sus principales características pueden resumirse en las siguientes:

Son ligeros y compactos.

El arranque y paro es muy rápido, pueden trabajar con velocidad y variables sin necesidad de un control complejo.

Baja inercia.

Simbología neumática

Gracias!!=)

Preguntas1. ¿Qué es la Neumática?

2. ¿Qué es un actuador neumático?

3. Menciona los principios físicos de los sistemas neumáticos?

4. ¿Cuales son los elementos de los circuitos neumáticos?

5. ¿A que se refiere el termino de ¨Unidad de mantenimiento¨ en la Producción de energía neumática?

6. ¿Qué es un compresor?

7. ¿Cuáles son los tipos de compresores?

8. ¿Que es un cilindro neumático?

9. ¿Cuáles son los tipos de cilindros neumáticos?

10. ¿Cuáles son los tipos de válvulas?