Tecnología Neumática

JJSG

Tecnologa neumtica

Juan Jos Snchez Gzquez I.E.S. Onda Divisi d Electricitat

Tecnologa Neumtica. Introduccin a la neumtica

prctCa

1. INTRODUCCION A LA NEUMATICA PRACTICA Un sistema de potencia fluida es el que transmite y controla la energa por medio de la utilizacin de lquido o gas presurizado. En la neumtica, esta potencia es aire que procede de la atmsfera y se reduce en volumen por compresin, aumentando as su presin. El aire comprimido se utiliza principalmente para trabajar actuando sobre un mbolo 0 paleta. Aunque esta energa se puede utilizar en muchas facetas de la industria, el campo de la neumtica industrial es el que nos ocupa. La utilizacin correcta del control neumtico requiere un conocimiento adecuado de los componentes neumticos y de su funcin para asegurar su integracin en un sistema de trabajo eficiente. Aunque normalmente se especifique el control electrnico usando un secuenciador programable u otro controlador lgico, sigue siendo necesario conocer la funcin de los componentes neumticos en este tipo de sistema. Este manual trata de la tecnologa de los componentes de sistemas de control, describe tipos y caractersticas de diseo de equipos de tratamiento de aire, actuadores y vlvulas mtodos de interconexin y presenta los circuitos neumticos fundamentales.

;QUE PUEDE HACER LA NEUMATICA? Las aplicaciones del aire comprimido no tienen lmites: desde la utilizacin, por parte del ptico, de aire a baja presin para comprobar la presin del fluido en el ojo humano, a la multiplicidad de movimientos lineales y rotativos en mquinas con procesos robticas, hasta las grandes fuerzas necesarias para las prensas neumticas y taladros neumticos que rompen el hormign. La breve lista y los diagramas indicados ms abajo sirven solamente para indicar la versatilidad v variedad del control neumtico en funcionamiento en una industria en continua expansin. Accionamiento de vlvulas de sistema para aire, agua o productos qumicos. Accionamiento de puertas pesadas o calientes. Descarga de depsitos en la construccin, fabricacin de acero, minera e industrias qumicas. Apisonamiento en la colocacin de hormign. Elevacin y movimiento en mquinas de moldeo. Pulverizacin de la cosecha y accionamiento de otro equipamiento tractor. Pintura por pulverizacin. Sujecin y movimiento en el trabajo de la madera y la fabricacin de muebles. Montaje de plantillas y fijaciones en la maquinaria de ensamblado y mquinas herramientas.

-l-

Tecnologa Neumtica. Introduccibn a la neumtica prctica

l l l

l l l l l l l l l l l

Sujecin para encolar, pegar en caliente o soldar plsticos. Sujecin para soldadura fuerte y normal. Operaciones de conformado para curvado, trazado y alisado - Mquinas de soldadura elctrica por puntos. Ribeteado. Accionamiento de cuchillas de guillotina - Mquinas de embotellado y envasado. Accionamiento y alimentacin de maquinaria para trabajar la madera. Plantillas de ensayo. Mquinas herramientas, mecanizado o alimentacin de herramientas. Transportadores de componentes y materiales. Robots neumticos. Calibrado automtico. Extraccin del aire y elevacin por vaco de placas finas. Tornos de dentista. y mucho ms..

PROPIEDADES DEL AIRE COMPRIMIDO Algunas razones importantes para la extensa utilizacin del aire comprimido en la industria son: Disponibilidad Muchas fabricas e instalaciones industriales tienen un suministro de aire comprimido en las reas de trabajo y compresores porttiles que pueden servir en posiciones ms alejadas. Almacenamiento Si es necesario, se puede almacenar fcilmente en grandes cantidades. Simplicidad de diseo y control Los componentes neumticos son de configuracin sencilla y se montan fcilmente para proporcionar sistemas automatizados extensos con un control relativamente sencillo. Eleccin del movimiento Ofrece un movimiento lineal o rotacin angular con velocidades de funcionamiento fijas y continuamente variables. Economa La instalacin tiene un coste relativamente bajo debido al coste modesto de los componentes. Tambin el mantenimiento es poco costoso debido a su larga duracin sin apenas averas. Fiabilidad Los componentes neumticos tienen una larga duracin que tiene como consecuencia la elevada fiabilidad del sistema. Resistencia al entorno A este sistema no le afectan ambientes con temperaturas elevadas, polvo o atmsferas corrosivas en los que otros sistemas fallan.

-2-

Tecnologa Pleumtica. Introduccibn a la neumtica prctica

Limpieza del entorno Es limpio y, con un adecuado tratamiento de aire en el escape, se puede instalar segn las normas de sala limpia. Seguridad No presenta peligro de incendio en reas de riesgo elevado y el sistema no est afectado por la sobrecarga, puesto que los actuadores se detienen o se sueltan simplemente. Los actuadores neumticos no producen calor.

-3-

Tecnologa Neumtica. El sistema neumtico bsico

2. EL SISTEMA NEUMATICO BASIC0

Los cilindros neumticos, los actuadores de giro y los motores de aire suministran la fuerza y el movimiento a la mayora de los sistemas de control neumtico para sujetar, mover, formar y procesar el material. Para accionar y controlar estos actuadores, se requieren otros componentes neumticos, por ejemplo unidades de acondicionamiento de aire para preparar el aire comprimido y vlvulas para controlar la presin, el caudal y el sentido del movimiento de los actuadores. Un sistema neumtico bsico, ilustrado en la figura 2. 1, se compone de dos secciones principales:l l

El sistema de produccin y distribucin del aire. El sistema de consumo del aire

Produccin

Utilizacin

Figura 2.1: El sistema neumtico bsico

SISTEMA DE PRODUCCION DE AIRE Las partes componentes y sus funciones principales son: 1. Compresor El aire tomado a presin atmosfrica se comprime y entrega a presin ms elevada al sistema neumtico. Se transforma as la energa mecnica en energa neumtica. 2. Motor elctrico Suministra la energa mecnica al compresor. Transforma la energa elctrica en energa mecnica. 3. Presostato Controla el motor elctrico detectando la presin en el depsito. Se regula a la presin mxima a la que desconecta el motor y a la presin mnima a la que vuelve a arrancar el motor.

-4-

Tecnologa Neumca. El sistema neumtico bsico

4. Vlvula anti-retorno Deja pasar el aire comprimido del compresor al depsito e impide su retorno cuando el compresor est parado. 5. Depsito Almacena el aire comprimido. Su tamao est definido por la capacidad del compresor. Cuanto ms grande sea su volumen, ms largos son los intervalos entre los funcionamientos del compresor. 6. Manmetro Indica la presin del depsito. 7. Purga automtica Purga toda el agua que se condensa en el depsito sin necesitar supervisin. 8. Vlvula de seguridad Expulsa el aire comprimido si la presin en el depsito sube por encima de la presin permitida. Secador de aire refrigerado Enfra el aire comprimido hasta pocos grados por encima del punto de congelacin y condensa la mayor parte de la humedad del aire, lo que evita tener agua en el resto del sistema. 10. Filtro de lnea Al encontrarse en la tubera principal, este filtro debe de tener una cada de presin mnima y la capacidad de eliminar el aceite lubricante en suspensin. Sirve para mantener la lnea libre de polvo, agua y aceite. 9.

SISTEMA DE CONSUMO DE AIRE 1. Purga del aire Para el consumo, el aire es tomado de la parte superior de la tubera principal para permitir que la condensacin ocasional permanezca en la tubera principal; cuando alcanza un punto bajo, una salida de agua desde la parte inferior de la tubera ir a una purga automtica eliminando as el condensado. 2. Purga automtica Cada tubo descendiente debe de tener una purga en su extremo inferior. El mtodo ms eficaz es una purga automtica que 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 presin ptima y ocasionalmente aade lubricante para alargar la duracin de los componentes del sistema neumtico que necesitan lubricacin. 4. Vlvula direccional Proporciona presin y pone a escape alternativamente las dos conexiones del cilindro para controlar la direccin del movimiento.

-5-

Tecnologa Neumtica. El sistema neumtico bsico

5 . Actuador

Transforma la energa potencial del aire comprimido en trabajo mecnico. En la figura se ilustra un cilindro lineal, pero puede ser tambin un actuador de giro o una herramienta neumtica, etc. 6. Controladores de velocidad Permiten una regulacin fcil y continua de la velocidad de movimiento del actuador. Estos componentes se ilustrarn con ms detalle en los apartados del 4 al 7, tras estudiar la teora del aire comprimido. Es imprescindible para comprender qu pasa en un sistema neumtico.

-6-

Tecnologr Neumtica. Teora del aire comprimido

3. TEORIA DEL AIRE COMPRIMIDO UNIDADES Para la aplicacin prctica de los accesorios neumticos, es necesario estudiar las leyes naturales relacionadas con el comportamiento del aire como gas comprimido y las medidas fsicas que se utilizan normalmente. El Sistema Internacional de Unidades est aceptado en todo el mundo desde 1960, pero EE.UU., el Reino Unido y Japn siguen utilizando en gran medida el Sistema legal de pesas y medidas. Magnitud Masa Longitud Tiempo Temperatura absoluta Temperatura (Celsius) Radio ngulo rea, seccin Volumen Velocidad Velocidad angular Aceleracin Inercia Fuerza Peso Trabajo Energa potencial Energa cintica Momento de torsin Potencia Presin Volumen standard Gasto volumtrico Energa, trabajo Potencia1

Smbolo 1 Unidad SI 1 1. Unidades bsicas m kg m S t OK T C t, 3 2. Unidades compuestas m r 1 a, P, Y, 0% cp m2 A, S V m3V

Nombre Kilogramo Metro Segundo Grado Kelvin Grado Celsius metro radin (m/m) metro cuadrado metro cbico metro por segundo radianes por segundo metro por segundo cuadrado

m2-kg Newton N Aceleracin de la gravedad N Julio = metro-Newton J Julio J Julio J Julio J P Vatio W 3. Relacionadas con el aire comprimido Pascal Pa P Metro cbico standard m3n Vn Metro cbico standard segundo mn-3-l Q N-m Julio E, W P W Vatio

0 a J F G W E, W E, W M

Ill.54 -1 S

-1

IIYS2

Tabla 3.1: Unidades SI utilizadas en los accesorios neumticos

Para numerar las unidades por potencias de diez, ms grandes o ms pequeas que las unidades arriba indicadas, fhe acordada una serie de preposiciones que se ilustran a continuacin:

-7-

Tecnologa Neumtica. Teora del aire comprimido

Potencia 10-l 1o-2 10 lo+-

Preposicin deci centi mili micro

Smbolo dC

m c1

Potencia 10 lo2 lo3 lo6

Preposicin Deca Hecto Kilo Mega

Smbolo da h k M

Tabla 3.2: Preposiciones para potencias de diez

PRESION Es necesario notar que la unidad ISO de presin es el Pascal (Pa) 1 Pa = 1 N/m2 (Newton por metro cuadrado). Esta unidad es extremadamente pequea, as que para evitar trabajar con nmeros grandes, existe un acuerdo para utilizar el bar como unidad de 100.000 Pa, puesto que esta medida es ms prctica para utilizacin industrial. 100.000 Pa = 100 kPa = 1 bar Corresponde, con suficiente precisin para fines prcticos, a kgfYcm2 y kp/cm2 del sistema mtrico.

1050 rnbar 1;1l L-----

Atmosfera

I

I

i,

--___

__---

---_---

Vacio Absoluto

Figura 3.4: Diferentes sistemas de indicacin de presin

En el contexto de los accesorios neumticos, una presin se considera como presin relativa, es decir por encima de la presin atmosfrica, y denomina comnmente presin manomtrica (GA). La presin se puede expresar tambin como presin absoluta (ABS), es decir una presin relativa a un vaco total. En la tecnologa del vaco se utiliza una presin por debajo de la atmosfrica, es decir bajo presin. Las diferentes maneras de indicar la presin se ilustran en la figura 3.4 utilizando como referencia una presin atmosfrica standard de 1013 m/bar. Hay que notar que este no es 1 bar, aunque para clculos neumticos normales se puede ignorar la diferencia.

-8-


PROPIEDADES DE LOS GASES LA LEY DE BOYLE A temperatura constante, la presin de una masa dada de gas es inversamente proporcional a su volumen

Q ....

..r...p,T,1,..: ~plxV1 =

zl

.

p2xv2

=

p3x v 3

Figura 3.5: Ilustracin de la ley de Boyle

Si el volumen VI = 1 m3 a una presin absoluta de 100 kPa (1 bar ABS) se comprime a temperatura constante a un volumen V2 = 0,5 m3, entonces:PI 45 =P2 -2P2 = P13 v2

es decir:P2 = 1 OOkPa . lm3 0,5m3 = 200 kPa (2 bares AEB)

Nuevamente, si el volumen V, a 100 kPa se comprime a V3 = 0,2 m3, entonces la presin resultante:p3 JT$!!_= 100kPa. lm3 = 500 kPa (5 bares ABS) 0,2m3 3

LEY DE CHARLES A presin constante, una masa de gas dada aumenta en volumen a razn de 11273 de su volumen por cada grado Celsius de aumento de temperatura .

LEY DE GAY LUSSAC A presin constante, el volumen de un gas aumenta en proporcin a la temperatura por lo tanto, V -=cte.; T v, V2 r,=T,>. VI Tl

v,=T,

-9-


TRANSFORMACION ISOCORA

Con un volumen constante, la presin es proporcional a la temperatura, por lo tanto:Pl . P 2 Tl *l-2

Y

P2 =Pl$1

[En las expresiones superiores se debe utilizar la escala de temperatura Kelvin, es decir C + 273C =K] Las relaciones anteriores se combinan para proporcionar la ecuacin general de los gases perfectos. PI 3 P242 ---=Tl T2

Esta ley proporciona una de las bases tericas principales para el clculo a la hora de disear o elegir un equipo neumtico, cuando sea necesario tener en cuenta los cambios de temperatura.TRANSFORMACION ADIABATICA

Las leyes anteriores se referan siempre a cambios lentos, con solamente dos variables cambiando al mismo tiempo. En la prctica, por ejemplo, cuando el aire entra en un cilindro, no tiene lugar un cambio de estas caractersticas, sino un cambio adiabtico. La ley de Boyle de p . V = cte. cambia a p . V = cte. El diagrama ilustra la diferencia con suficiente claridad. Vemos que tenemos una prdida de volumen cuando la presin aumenta rpidamente. Nos encontraremos nuevamente esta Ley, cuando hablemos acerca del consumo de los cilindros.

VOLUMEN ESTANDAR

Debido a las interrelaciones entre volumen, presin y temperatura, es necesario referir todos los datos de volumen de aire a una unidad estandarizada, el metro cbico estndar, que es la cantidad de 1293 Kg de masa de aire a una temperatura de 0C y una presin absoluta de 760 mm. Hg. (101325 Pa).GASTO VOLUMETRICO (Caudal)

La unidad bsica para el gasto volumtrico Q es el Metro Cbico Normal por segundo (m3n/s). En la neumtica prctica, los volmenes se expresan en trminos de litros

- IO-

Tecnologa Neumtica. Teora del ake comprimido

por minuto (l/min) o decmetros cbicos normales por minuto (dm3/min). La unidad no mtrica habitual para el gasto volumtrico es el pie cbico standard por minuto (scfm). Ecuacin de Bernoulli Bernoulli dice: Si un liquido de peso especfico P fluye horizontalmente por un tubo de dimetro variable, la energa total en los puntos 1 y 2 es la misma

0 bien:Pl +jlsP-Y2 =p2 +4:P*Vz2

Esta ecuacin se aplica tambin a los gases si la velocidad del flujo no supera los 330 m/s aproximadamente. Aplicaciones de esta ecuacin son el tubo de Venturi y la compensacin del flujo en los reguladores de presin.

HUMEDAD DEL AIRE El aire de la atmsfera contiene siempre un porcentaje de vapor de agua. La cantidad de humedad presente depende de la humedad atmosfrica y de la temperatura Cuando el aire atmosfrico se enfria, alcanza cierto punto en que se satura con la humedad. Esto se conoce como punto de condensacin o punto de roco. Si el aire se enfra ms, no retiene toda la humedad y el sobrante se decanta como gotas en miniatura que forman un lquido 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 slo la misma cantidad de vapor de agua como 1 m3 de aire a presin atmosfrica. La tabla ms abajo ilustra el nmero de gramos de agua por metro cbico para una amplia gama de temperaturas, desde -30C hasta +8OC. La lnea en negrita se refiere al aire atmosfrico con el volumen a la temperatura en cuestin. La lnea fina indica la cantidad de agua por metro cbico standard. Todo consumo de aire se expresa normalmente en volumen standard, lo que hace innecesario el clculo. Para la gama de temperaturas de las aplicaciones neumticas, la tabla de abajo proporciona los valores exactos. La primera mitad se refiere a las temperaturas sobre cero, mientras que la parte inferior indica las temperaturas bajo cero. Las filas superiores muestran el contenido de un metro cbico standard y las inferiores el contenido en un volumen de un m3 a la temperatura dada.

-ll-

Tecnologa Neumtica. Teora del aire comprimido Temperatura C 0 4.98 4.98 0 4.98 4.98 5 6.99 6.86 -5 3.36 3.42 10 9.86 9.51 -10 2.28 2.37 15 20 30 35 25 40 13.76 18.99 25.94 35.12 47.19 63.03 13.04 17.69 23.76 31.64 41.83 54.10 -15 1.52 1.61 -20 1.00 1.08 -25 0.64 0.70 -30 0.40 0.45 -35 0.25 0.29 -40 0.15 0.18

g/m 3 n (standard)g/m (atmosfrico) Temperatura C 3 m n standard g/m3 (atmosfrico)

Tabla 3.6: Saturacin del aire por agua (punto de condensacin)Humedad relativa

A excepcin de condiciones atmosfricas extremas, como una repentina cada de la temperatura, el aire atmosfrico no se satura nunca. El coeficiente entre el contenido real de agua y el del punto de condensacin se llama humedad relativa y se indica como porcentaje. humedad relativa h.r. = contenido real de agua x 100% cantidad de saturacin (punto de condensacin) Ejemplo 1: Temperatura 25 C, h.r. 65 % . Qu cantidad de agua hay en 1 m3? Punto de condensacin 25C = 24g/m3 x 065 = 156 g/m Cuando el aire se comprime, su capacidad para contener humedad en forma de vapor es slo la de su volumen reducido. Por lo tanto, a menos que la temperatura suba sustancialmente, el agua ser expulsada mediante condensacin. Ejemplo 2. 10 m3 de aire atmosfrico a 15 y 65%de humedad relativa se comprime a 6 bares de presin manomtrica. Se modifica la temperatura hasta alcanzar los 25 iCunta agua se condensar? De la tabla 3.6: A 15C, 10 m3 de aire pueden contener una mx. de 1304 g/m3 x 10 = 1304 g; Al 65% de h.r., el aire contendr 1304 x 065= 849 g (a). Se puede calcular el volumen reducido del aire comprimido a 6 bar de presin.p1 4, =pz *v,=>v, =-4, = 1,013

P2 342 g (b)

6+1.013

.10=1,44m3

De la tabla 3.6: 144 m3 de aire a 25C puede retener un mximo de 23,76 g - 144 =

La condensacin es igual a la cantidad total de agua en el aire, menos el volumen que el aire comprimido puede absorber; as de (a) y (b), al comprimir el aire, 84,9 - 34,2 = 50,6 g de agua se condensa. Esta agua de condensacin debe eliminarse antes de que se distribuya el aire comprimido, para evitar efectos nocivos sobre los componentes del sistema neumtico.

- IZ-


. . _. _.i-__ . . . f--_ . . . . . .0.1. -30 0

i

/

~._ _ .~. _.~ ._._i~._~. ~ ~ . . . _. .

,

/

I... . . . . . t.._.__ .

!.__j.. . . . _. . . .

I.. j . . .

J

.._

50

lOOOC

Figura 3.8: Puntos de condensacin para temperaturas desde -3OO hasta aproximadamente +80C. La curva en negrita indica los puntos de saturacin de un metro cbico a la temperatura relacionada y la lnea fina al volumen standard

PRTWON Y CAUDAL La relacin ms importante para los componentes neumticos es la que existe entre presin y caudal. Si no existe circulacin de aire, la presin en todos los puntos del sistema ser la misma, pero si existe circulacin desde un punto hasta otro, sta querr decir que la presin en el primer punto es mayor que en el segundo punto, es decir, existe una diferencia de presin. Esta diferencia depende de tres factores: 0l l

La presin inicial.

El caudal de aire que circula. La resistencia al flujo existente entre ambas zonas.

La resistencia a la circulacin de aire es un concepto que no tiene unidades propias (como el ohmio en electricidad) sino que en neumtica se usa el concepto opuesto, es decir, conceptos que reflejan la facilidad o la aptitud de un elemento para que el aire circule a travs de l, el area de orificio equivalente S o el CV o el K V .

- 13-


La seccin de orifico equivalente S es expresada en mm2 y representa el rea de un orificio sobre pared delgada que crea la misma relacin entre presin y caudal que el elemento definido por l. Estas relaciones son en cierta manera, similares a la electricidad, donde Diferencia de Potencial = Resistencia Intensidad . Esto trasladado de alguna forma a la neumtica, sera Cada de presin = caudal . irea efectiva , slo que, mientras que las unidades elctricas son directamente proporcionales, esta relacin para el aire es bastante ms compleja y nunca ser simplemente proporcional. En electricidad una corriente de un amperio (lA), crea sobre una resistencia de un Ohmio una tensin de un voltio (1V). Esto se cumple bien sea desde 1 OOV a 99V desde 4V a 3V. En cambio, una cada de presin a travs del mismo objeto y con el mismo caudal, puede variar con la presin inicial y tambin con la temperatura. Razn, la compresibilidad del aire. Para definir uno de los cuatro datos interrelacionados que han sido mencionados, a partir de los oi:ros tres, nosotros necesitamos el diagrama que se muestra a continuacin:

...--_,_.r.._.T . . ,[ : . +--.; i :

. ., . . ..._I

,_._ ._.,

: ;

Tecnología Neumática

Documents

Transcript of Tecnología Neumática