concepto de automatizaciÓn
TRANSCRIPT
CONCEPTO DE AUTOMATIZACIÓN
Automatizar es realizar procesos o trabajos utilizando poco o nada la mano del hombre.
Existen cada vez más procesos automáticos, de un tipo u otro, incluso algunos de ellos no lo parecen a simple vista, como un tostador de pan que es un sistema de control de lazo abierto es decir que no se modifica (normalmente) dependiendo del resultado obtenido.
Normalmente en un circuito automatizado hay dos partes claramente diferenciadas:
Fuerza: parte del circuito que realiza el trabajo, utilizando energía neumática, hidráulica, eléctrica, etc.
Control o maniobra: parte del circuito que se encarga de decir el cuándo y cómo, se pueden utilizar también muy variados tipos de energía, neumática, eléctrica, lógica, electrónica, plc, etc.
EL COSTE DE LA AUTOMATIZACIÓN
El aire comprimido que llega a las máquinas con mecanismos neumáticos sufre una serie de adaptaciones y conversiones; básicamente, se necesita aumentar la presión del aire, quitarle la humedad y limpiar todas las partículas de suciedad. Obviamente este proceso requiere de unos dispositivos y medios específicos que encarecen el uso de esta energía.
En la relación de costes del gráfico sólo se aplica el coste de adquisición de la energía, en la que claramente, la energía neumática es la más costosa. Sin embargo, también se debe tener en cuenta el precio del material neumático aplicado en la automatización, precio que es sensiblemente menor que el de los elementos hidráulicos y eléctricos.
COMPARACIÓN TIPOS DE ENERGÍA Energía eléctrica Energía hidráulica Energía neumáticaProducción de energía
A nivel nacional, dependiendo de la localización (hidráulica, térmica, atómica)
En grupos moto-bomba estacionarios o móviles, accionados con motores eléctricos, en casos excepcionales con motor de combustión interna. Pequeñas instalaciones
Por medio de compresores estacionados o móviles, accionados con motores eléctricos o motores de combustión interna. Sistema de compresores a elegir según la presión y el caudal necesario. En todas partes existe aire en cantidades ilimitadas
1
también con accionamiento manual.
para su compresión
Almacenaje de la energía
Difícil y solo en cantidades reducidas mediante baterías
El almacenaje es limitado, con aire como medio auxiliar, solo es económico en pequeñas cantidades
Fácil. El almacenaje en grandes cantidades es posible sin demasiados esfuerzos. El aire comprimido almacenado es transportable (botellas de gas)
Transporte de energía
Ilimitado, aunque con pérdida de energía
Hasta 100 m, velocidad de flujo v = 2 hasta 6 m/s
Hasta 1000 m, velocidad de flujo v = 20 hasta 40 m/s. Velocidad de la transmisión de señales 20 hasta 40 m/s
Fugas
Sin conexión con otras piezas no hay pérdidas de energía (peligro de muerte con alta tensión)
Contaminación del medio ambiente
Aparte de la pérdida de energía, no tiene desventajas
Influencias del entorno
Peligro de explosión de determinados entornos; sensible a la temperatura
Sensible a las oscilaciones de la temperatura Peligro de incendio en caso de fugas
No produce explosiones Insensible a las temperaturas En determinadas circunstancias se puede congelar (mucha humedad y bajas temperaturas
Velocidad de trabajo
Hasta 16 m/s Hasta 0.5 m/s. Hasta 1.5 m/s.
Costes de la energía consumida
Bajos Altos
Muy altos, 1 m3 de aire comprimido a 6 bar cuesta entre 0,45 ptas. a 0,90 ptas. según la instalación y el rendimiento.
0.25
1 2.5
Movimiento lineal
Difícil y costoso Fuerzas pequeñas Complicada regulación de las velocidades.
Sencillo con cilindros Fácil regulación de la velocidad. Fuerzas muy grandes.
Sencillo con cilindros de hasta 2000 mm, gran aceleración. Fuerzas limitadas Velocidades muy dependientes de las cargas.
Movimiento rotativo
Sencillo y de gran rendimiento(motores)
Motores hidráulicos Par de giro elevado Revoluciones bajas
Sencillo. Bajo rendimiento Revoluciones elevadas (hasta 500000 rpm).
Movimiento giratorio
Obtención de movimientos giratorios mediante elementos mecánicos
Fácil de obtener, hasta 360º o más mediante piñones y cremalleras
Fácil de obtener, hasta 360º o más mediante piñones y cremalleras
Exactitud de posicionamiento
Exactitudes hasta ± 1 mm y superiores
Dependiendo de la sofisticación del sistema, es factible alcanzar exactitudes de ± 1 mm
Sin cambios de cargas, exactitud factible hasta 1/10 mm
RigidezMuy buena si se utilizan interconexiones mecánicas
Buena, puesto que el aceite prácticamente no se comprime; además, el nivel de presión es muy superior al de los sistemas neumáticos
Deficiente, puesto que el aire se comprime
Fuerzas
No es resistente a sobrecargas. Grado deficiente de eficiencia por componentes mecánicos Pueden obtenerse fuerzas considerables
Resistente a sobrecargas. Si el sistema tiene presiones elevadas de hasta 600 bar, es factible generar fuerzas muy grandes, F < 3000 kN
Resistente a sobrecargas. Limitación de las fuerzas por la presión del aire y el diámetro de los cilindros. F < 30000 N hasta 6 bar
RuidosLos contactores y los elecroimanes producen ruido al ser conectados.
Con altas presiones ruido de las bombas y se producen vibraciones de las tuberías.
Ruidos del aire de escape desagradables, se pueden reducir mucho aplicando silenciadores.
2
AUTOMATIZACIÓN NEUMÁTICA
El aire que empleamos en las instalaciones neumáticas tiene una composición por unidad de volumen de 78% ce Nitrógeno, 20% de oxígeno y 1,3% de gases nobles como helio, argón, neón, etc. y cantidades menores de anhídrido carbónico, vapor de agua y partículas sólidas.
La densidad de este aire es de aproximadamente 1,293 gramos/dm3 o kg/m3, es por lo tanto el aire que se encuentra en la atmósfera.
PROPIEDADES DEL AIRE PARA LA AUTOMATIZACIÓN
Abundante.Transportable y sin necesidad de tuberías de retorno.Almacenable.No le influye demasiado la temperatura.Antideflagrante.No ensucia la atmósferaEs rápido.
Aunque pudiera parecer lo contrario, no es una energía barata, aunque comparada con otros gastos no es muy importante, de manera orientativa se puede decir que cada metro cúbico de aire viene a tener un coste de 0,75 céntimos de euro.
CONCEPTOS ÚTILES
Magnitud es toda cualidad que tiene un objeto y que es susceptible de ser medida.
Las magnitudes se agrupan en sistemas de unidades, siendo el más utilizado el sistema internacional, aunque en algunos ámbitos todavía se utiliza mucho el sistema técnico.
Para no alargarse en estos conceptos, cada vez que aparezca una magnitud medida en uno u otro sistema se prestará atención a los posibles factores de conversión que deben utilizarse.
No obstante, lo que es imprescindible es indicar al lado de cada medida, la unidad en que se ha medido
MAGNITUDES FUNDAMENTALES EN EL SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES MAGNITUD UNIDAD
LONGITUD MetroMASA KilogramoTIEMPO SegundoINTENSIDAD DE CORRIENTE ELÉCTRICA AmperioINTENSIDAD LUMINOSA CandelaTEMPERATURA KelvinCANTIDAD DE MATERIA Mol
PREFIJOS PARA MÚLTIPLOS Y DIVISORES (SIST. MÉTRICO)
MÚLTIPLOS Veces que contiene a la
unidadDIVISORES Veces que está contenido
en la unidad
Deca 101 deci 10-1
Hecto 102 centi 10-2
Kilo 103 mili 10-3
Mega 106 micro 10-6
Giga 109 nano 10-9
Tera 1012 pico 10-12
3
No todas las magnitudes fundamentales y que están en el cuadro se van a utilizar con alguna frecuencia a lo largo del curso, pero, a cambio, se utilizarán otras muchas que no se encuentran en él.
Trabajo: suele definirse (trabajo mecánico) como el producto de la fuerza por la distancia, aunque hay otros tipos de trabajo que se medirán de otras maneras, desde el punto de vista neumático que es el que más nos interesa
Siempre medido en Newton x metro (JULIO) en el sistema internacional.
Energía: se define como la capacidad que tiene un cuerpo para realizar trabajo y por lo tanto también se medirá en julios.
Fuerza: que aunque en el sistema internacional (Newton) no es magnitud fundamental, sí lo es en el técnico (Kilopondios o kilogramos fuerza.
Caudal: cantidad de volumen que atraviesa una determinada superficie en un tiempo determinado, en el sistema internacional se mide en m3/s, aunque es también muy empleada la unidad litros/s.
El caudal es también el producto de la velocidad por la superficie de paso.
Presión: es la fuerza que se ejerce en la unidad de superficie.
En el sistema internacional se mide en N/m2 (pascal), aunque como la unidad es muy pequeña, suelen, en este caso, utilizarse otras. Seguramente es una de las magnitudes en las que más y más diversas unidades se utilizan.
Los factores de conversión entre las unidades más utilizadas son:
1 atmósfera = 1,033 kgf/cm2 =101325 Pascal =1,013 bar
Para este curso será suficiente recordar que una atmósfera es aproximadamente igual al bar y al kgf/cm2 y que:
1 bar es aproximadamente 100.000 pascales.
En ocasiones será necesario realizar cálculos para conocer la fuerza que es capaz de realizar un determinado vástago, o saber el volumen de aire que se consume en una instalación, no obstante, en muchos casos nos encontraremos con que disponemos de tablas o gráficas que nos permiten conocer esos datos sin necesidad de realizar los cálculos.
Normalmente los datos así obtenidos son algo menos exactos, pero suficientes para las necesidades de este curso.
Cuando se habla de presión en un circuito neumático, nos referimos a la presión que miden los manómetros. Ésta es la presión relativa, es decir lo que tiene el circuito de presión, sobre la presión atmosférica.
Si deseamos el dato de presión absoluta, deberemos sumar la presión atmosférica que aproximadamente será de 1 bar.
4
Por debajo de la presión atmosférica estamos hablando de depresiones o zona de vacío.
MÁS PROPIEDADES DEL AIRE
La ley que rige los fenómenos de expansión y compresión es la ley general de los gases
La ley de boyle – Mariotte se refiere a esa fórmula pero cuando la temperatura es constante, de tal manera que en ese caso el producto de Presión por Volumen permanecerá constante.
Si aumenta por lo tanto la presión, el volumen disminuirá en la misma proporción.
Otra ley interesante realiza la transformación a presión constante (Gay – Lussac)
Su ley dice que a presión constante, el volumen es directamente proporcional a la temperatura.
En todas las fórmulas estudiadas la temperatura ha de utilizarse obligatoriamente en Kelvin.
Charles realiza la transformación a volumen constante
5
Que quiere decir que si la temperatura aumenta y el volumen no varía, aumenta proporcionalmente la presión.
ALGUNOS CÁLCULOS
VOLUMEN DE AIRE CONSUMIDO
Realizaremos un ejercicio ilustrativo.
Un cilindro de 35 mm de diámetro eleva paquetes de 200 N (20 kgf) de peso, y otro, también de 35 mm de diámetro, los empuja hacia una cinta de transporte
Recorrido del cilindro 1 = 400 mm
Recorrido del cilindro 2 = 200 mm
Presión 600 Kpa ( 6 bar)
Cálculo de la fuerza
Fuerza de empuje
Consumo de aire (veremos más adelante que estos cálculos están tabulados y resulta más sencillo realizarlos)
Al no conocer el diámetro del vástago, el cálculo del aire consumido no es real, pero lo damos por bueno, ya que en todo caso estamos calculando más consumo del real.
6
De la tabla salen 7 litros (pero en realidad son gráficas que a escala pequeña no dan valores exactos).
Por lo tanto, con 1 metro cúbico de aire se podrían levantar 125 paquetes.
VOLUMEN DE PÉRDIDA POR UNA FALTA DE ESTANQUEIDAD.
El diagrama muestra el caudal que escapa en función de la sección de la abertura y de la presión del circuito.
En abscisas tenemos datos para entrar con sección o diámetro.
Por ejemplo, por un taladro de 3,5 mm de diámetro escapa, a una presión de 600 kpa una cantidad de 0,5 m3 cada minuto.
PRODUCCIÓN DEL AIRE COMPRIMIDO
GENERADORES. COMPRESORES.
El aire con que se trabaja en neumática debe ser un aire limpio, seco y debe tener una presión determinada. Dado que el aire de la atmósfera no cumple estas especificaciones deberá ser transformado en diferentes etapas, que se irán describiendo en los siguientes apartados.
Sin lugar a duda el elemento más importante en el tratamiento del aire es el compresor. El compresor coge el aire atmosférico y eleva su presión hasta conseguir el valor de trabajo que
7
requiera toda la planta (entre 6 y 13 bar). Las diferentes máquinas que tengan algún elemento neumático se conectarán a la red principal de aire.
Generalmente conviene elegir un compresor de mayor tamaño al que resulte de los cálculos, previendo mayores consumos futuros.
La alimentación de un compresor viene dado por un motor, éste arrancará cuando la presión sea menor que la de trabajo y se parará cuando la presión del aire sea la correcta. Dado que toda la planta se alimenta del aire que produce el compresor, cada vez que se ponga en marcha una máquina debería arrancar el motor del compresor. Para evitar que el compresor tenga que estar trabajando de forma continua se almacena el aire que genera en un acumulador, una vez que el aire almacenado tiene la presión adecuada el compresor se para; volverá a ponerse en funcionamiento cuando se haya consumido parte del aire almacenado.
TIPOS DE COMPRESORES
Émbolo oscilante
Pistón.
Pistón con etapas.
Membrana.
Émbolo rotativo
De paletas.
De tornillo.
Roots.
Turbocompresor
Axial.
Radial
COMPRESOR DE PISTÓN DE UNA ETAPA
Va dibujo
El funcionamiento de un compresor de émbolo se podría explicar de una manera simplificada de la siguiente manera:
8
Cuando el motor del compresor gira, la biela desciende, este descenso provoca una absorción de aire atmosférico que hace que la válvula 1 se abra y la válvula 2 se cierre, estas dos acciones hacen que el aire quede atrapado en la cámara.
Cuando la biela asciende, el pistón reduce el volumen de la cámara, la presión del aire aumenta y la válvula 1 se cierra a la vez que se abre la válvula 2, dando como resultado que a la salida del compresor tenemos el aire a mayor presión que la de de entrada.
Es el tipo de compresor más utilizado junto con los que siguen la misma tecnología pero tienen más etapas.
COMPRESOR DE PISTÓN DE DOS ETAPAS
El funcionamiento es similar al de una etapa, la única diferencia que existe es que la compresión se hace mediante dos pistones que se mueven a la inversa, cuando uno sube el otro baja y viceversa. Normalmente el pistón de la segunda etapa tiene un diámetro menor.
Debido a que al comprimir el aire eleva su temperatura, se introduce un dispositivo refrigerador entre las dos etapas de la compresión de esa manera la compresión resulta más eficiente ya que el aire frío ocupa un volumen menor.
COMPRESOR DE MEMBRANA
En estos compresores el pistón es sustituido por una membrana, pero el funcionamiento está basado en los mismos principios.
La ventaja que tienen los compresores de membrana respecto a los de émbolo, es que el aire no está en contacto con los elementos mecánicos, y por lo tanto, no se contamina con el aceite de lubricación que estos necesitan para su buen funcionamiento. Este tipo de compresores se instalarán en ambientes donde la limpieza es una condición imprescindible
9
COMPRESOR ROTATIVO DE PALETAS
Este tipo de compresores al igual que los anteriores, reduce el volumen en el que se aloja el aire para conseguir un aumento de presión, la diferencia es que lo hace mediante movimientos rotativos en vez de lineales .
La ventaja que proporcionan estos compresores es que son menos ruidosos y dan un caudal más constante que los de émbolo.
Estos compresores se componen de un rotor excéntrico que gira en el interior del cuerpo y de unas paletas que siempre están en contacto con las paredes de dicho cuerpo; este contacto se provoca por la fuerza centrífuga del giro y en algunas ocasiones por la ayuda de algunos resortes. Gracias a la acción de estas paletas, la cámara de aire queda dividida en varias celdas en las que queda atrapada, estas celdas van reduciendo su volumen y como consecuencia, el aire que almacenan irá aumentando su presión y será conducida hacia el exterior mediante el giro del rotor.
COMPRESOR DE TONILLO HELICOIDAL
Dos tornillos helicoidales engranan con sus perfiles cóncavo y convexo, impulsan hacia el otro lado el aire aspirado.
Es muy silencioso.
10
COMPRESOR DE ROOTS
El aire es llevado de un lado a otro sin modificar el volumen.
COMPRESOR AXIAL (TURBOCOMPRESOR AXIAL)
Grandes caudales pero presiones no muy elevadas.
COMPRESOR RADIAL (TURBOCOMPRESOR RADIAL)
La alta energía cinética de giro es lo que se convertirá en energía elástica de compresión.
11
ELECCIÓN DEL COMPRESOR
Hay que tener en cuenta algunos valores
CAUDAL
Es la cantidad de aire que suministra el compresor por unidad de tiempo, se expresa en m 3/min ó m3/hora.
Después de conocido el consumo de la instalación en su momento o situación de máximo consumo y teniendo en cuenta que hay que dar un margen para posibles incrementos en la instalación, se conoce el caudal que debe tener el compresor, que no será el teórico (volumen de cilindrada por velocidad) sino que se le aplicará el rendimiento volumétrico para tener en cuenta las pérdidas.
En la imagen de la figura se puede observar de manera relativa los caudales y presiones de cada tipo de compresor.
12
PRESIÓN
Los actuadores de un circuito suelen trabajar a una presión (presión de trabajo) de 6 bar (600 kpa), y teniendo en cuenta las pérdidas de presión producidas en la instalación por el rozamiento del aire con las paredes de las tuberías y en su paso por estrechamientos, codos, etc. se conocerá la presión de servicio del compresor.
Próximamente se aprenderá a calcular las pérdidas de una instalación.
REFRIGERACIÓN
Al comprimirse el aire se genera una cantidad de calor importante, se calienta el aire pero también el compresor, por ello es necesario evacuar el calor generado. Podrá hacerse con una refrigeración por aire o por agua (más eficiente).
13
LUGAR DE EMPLAZAMIENTO
El compresor debe colocarse en un lugar cerrado, a poder ser insonorizado, pero imprescindible que estén ventilado y limpio para que el aire aspirado sea limpio y seco.
EL ACUMULADOR
El acumulador sirve para estabilizar el suministro de aire comprimido, compensa las oscilaciones de presión provocadas por la distinta necesidad de aire en cada momento del ciclo de trabajo.
Evita el trabajo continuo del compresor.
Colabora en la refrigeración del aire.
El tamaño del acumulador debe ser acorde a la instalación de que se trate, en la página siguiente hay una tabla que permite calcularlo, conociendo:
Caudal del compresor.
La diferencia de presión permitida en la instalación.
La frecuencia de conmutación (cantidad de arranques cada hora).
En la gráfica se entra con el caudal del compresor, en horizontal hasta cortar la pérdida de presión admisible en el circuito, en vertical hasta cortar con la frecuencia de conmutación y en horizontal para conocer la capacidad del acumulador que se necesita.
14
15
16
SECADOR
El agua llega al interior del circuito mezclado con el aire, en mayor o menor proporción dependiendo de la humedad relativa del aire, de la temperatura y de las condiciones meteorológicas.
Recordando que HUMEDAD ABSOLUTA es la cantidad de agua contenida en un m3 de aire (gramos)
SATURACIÓN O PUNTO DE ROCÍO es la cantidad máxima de agua que puede contener un m3
de aire, esta cantidad es mayor si la temperatura aumenta y menor si disminuye.
17
La HUMEDAD RELATIVA es el cociente entre el agua que contiene un m3 de aire y la que podría contener como máximo, suele expresarse en %.
La humedad en saturación se obtiene de las tablas o la gráfica del punto de rocío.
El SECADOR es un elemento que se intercala en el circuito con la misión de eliminar la mayor cantidad de agua posible. Generalmente se aprovecha la característica de que a menor temperatura el aire es capaz de contener menos agua, de esta manera, se enfría el aire y el agua que no es capaz de contener se licuará para su posterior purgado.
MÉTODOS DE SECADO
SECADO POR ABSORCIÓN
Es un procedimiento químico en el que el aire es obligado a pasar a través de sustancias secantes que se mezclará con el agua que lleva el aire decantándola.
SECADO POR ADSORCIÓN
Es un proceso físico (adsorción: depositación de sobre la superficie de cuerpos sólidos) el agua contenida en el agua se deposita sobre los cantos vivos del gel. Será necesario regenerar el gel.
SECADO POR ENFRIAMIENTO
Se basa en que al bajar la temperatura el aire podrá contener menos agua y por lo tanto decantará una parte importante de la misma.
18
RED DE DISTRIBUCIÓN
El diámetro de las tuberías debe elegirse con cuidado y teniendo en cuenta que el consumo de la instalación puede aumentar posteriormente, en todo caso la pérdida de presión en las tuberías no debería sobrepasar los 10 Kpa (0,1 bar), ya que si se rebasa ese valor el rendimiento de la instalación baja mucho.
DIMENSIONADO DE LAS TUBERÍAS
No debe hacerse al azar sino teniendo en cuenta:
El caudal.
La longitud de la tubería.
La pérdida de presión admisible.
La presión de trabajo.
Las pérdidas por estrangulaciones en la red.
¿CÓMO UTILIZAR LOS NOMOGRAMAS?
Hay que utilizarlo dos veces, la primera con la longitud de tubería inicial para obtener un diámetro inicial, posteriormente con el valor de ese diámetro se calculará en el nomograma de longitudes supletorias la longitud equivalente de todos los codos y estrechamientos de la instalación, de nuevo se trabajará con el monograma de diámetro de tubería con la única modificación de la longitud que ahora será la inicial más la equivalente y se obtendrá el diámetro final del las tuberías.
Para la utilización del monograma diámetro de tuberías se trazará una recta que una los valores
Longitud de tubería con caudal
La recta cortará en un punto a la vertical “eje 1”
Se trazará otra recta que una la pérdida de presión admisible con la presión de trabajo obteniéndose un punto en el “eje 2”
Se trazará una recta que pase por los puntos obtenidos en los dos ejes, esta recta cortará la vertical “diámetro nominal” donde obtendremos el valor buscado.
Como se ha explicado, con el valor de ese diámetro y conociendo los estrechamientos se buscará el valor de longitud equivalente a los estrechamientos para con la longitud total buscar el diámetro nominal definitivo.
19
MONOGRAMA DIÁMETRO DE TUBERÍA
Estos monogramas debido a su tamaño reducido simplemente sirven para aprender su utilización, ya que los resultados no son muy fiables si no se utilizan monogramas grandes y milimetrados.
NOMOGRAMA DE longitudes SUPLETORIAS
20
TENDIDO DE TUBERÍAS
Además de calcular las dimensiones correctas de las tuberías también es importante su colocación.
21
Ya se han estudiado las pérdidas por fuga y su importancia, de ahí que sea importante que las tuberías sean accesibles para un mayor control y más fácil reparación.
La tubería ha de tener un descenso en el sentido de la corriente de aproximadamente un 2% así cualquier residuo, incluyendo agua decantada, descenderá por la tubería y se recogerá en un punto de recogida o purga de la que volverá a salir el tubo por su parte superior con la misma inclinación. Estas zonas se aprovechan para posibles disminuciones de sección de la tubería si fuese necesario para asistir a partes del circuito con menor consumo.
En la figura se puede observar también cómo se realizan las tomas de consumo (por la parte superior) para evitar el arrastre por ellas del condensado.
Los tubos de la instalación se pintan de color rojo y azul por tramos.
TIPOS DE REDES
Las tuberías suelen formar mayas que faciliten el acceso de aire a todos los puntos de trabajo y suelen disponer de válvulas de cierre que permiten abrir o cerrar unos tramos con el fin de facilitar su mantenimiento.
UNIDAD DE MANTENIMIENTO
Es el conjunto de filtro, regulador de presión y lubricador y disponen de él todas las instalaciones.
22
El filtrado se realiza con filtros y suele haber en la instalación con elementos filtrantes de mayor o menor eficacia según la necesidad.
Los reguladores de presión mantienen la presión de salida en el valor deseado y establecido por el muelle, sobre el que se actuará por medio del tornillo inferior.
En la figura, el de la izquierda tiene un orificio de escape que evitará sobrepresiones.
23
La lubricación previene un desgaste prematuro de las piezas móviles y reduce las pérdidas por rozamiento y se produce por un aporte al aire de finísimas gotas de aceite.
El aporte se produce en el lubricador debido al conocido efecto vénturi que se basa en que en la zona estrecha de una tubería la velocidad de paso aumenta provocando una depresión en esa zona estrecha que provoca la absorción por diferencia de presiones, en este caso, al aceite del depósito.
CÁLCULO DE LA FUERZA QUE PUDE HACER UN CILINDRO
La fuerza que puede desarrollar un cilindro depende de la presión de trabajo, de la superficie del pistón y de las pérdidas.
Hay que tener cuidado con las unidades, deben ser homogéneas
Superficie: m2 Presión: pascales Dará lugar a una fuerza expresada en Newton
Aunque lo anterior es lo más normal por ser unidades del sistema internacional son muy utilizadas también por comodidad otras.
Superficie: cm2 Presión: atmósferas, bar, kgf/cm2
24
Da lugar a la fuerza expresada en kgf.
Será útil recordar que 1 kgf = 9,8 Nw (se puede utilizar 10 en los cálculos)
PÉRDIDAS
En un cilindro de doble efecto únicamente hay que tener en cuenta las pérdidas por rozamiento de las juntas, aunque se pueden encontrar en algunos catálogos de cilindros, lo más normal es aplicar un 10 % de la fuerza teórica.
En los cilindros de simple efecto existe una pérdida debido a la fuerza que se emplea en comprimir el muelle recuperados, cuando no se dispone de datos se emplea un valor del 10% de la fuerza teórica, igual que en el caso anterior.
ÍNDICE DA CARGA
Es la relación expresada en porcentaje entre la carga real que se debe superar y el esfuerzo disponible en el vástago en su extremo más alejado que es el dato que aparece en los catálogos ya que es el más bajo del recorrido.
En realidad no es más que una seguridad de que el cilindro trabaje por debajo de sus posibilidades límite, es decir se selecciona un cilindro con mayor disposición de la necesaria.
El índice de carga debe ser como máximo del 75%.
Primero se ha de conocer la carga a mover, luego aplicando el índice de carga se obtiene el valor mínimo que debe ser capaz de mover el cilindro, y después se seleccionará el cilindro más adecuado, de tal manera que como no se dispone de todos los valores, el índice de carga tomará finalmente cualquier valor inferior a 75%.
OTRAS CONSIDERACIONES
Hay que tener presente que en los cilindros de doble efecto la superficie activa de las dos carreras no es la misma ya que en el retroceso hay que descontar la superficie ocupada por el vástago en la que el aire no actúa.
Diagrama presión – fuerza (hoja siguiente)
indica la fuerza teórica o neta, además al ser un diagrama pequeño no es fácil llegar a resultados buenos, pero sirve para aprender a utilizar los diagramas.
LONGITUD DE LA CARRERA.
Los cilindros no deben tener más de 2 metros de carrera, el consumo de aire es demasiado grande además los esfuerzos que soporta el vástago y los cojinetes son muy elevados.
VELOCIDAD DEL ÉMBOLO O PISTÓN
La velocidad depende de algunas variables (presión, sección de tubería, fuerza antagonista, etc) no obstante suele ser inferior a 1,5 m/s, aunque con cilindros especiales puede llegar a 10 m/s.
25
La velocidad del émbolo se regula con válvulas de estrangulación (mejor ponerlas en el escape) y escapes rápidos.
CONSUMO DE AIRE
Ya en el primer tema se habló un poquito del cálculo de consumo, se repite no obstante el cálculo completo.
Se puede obtener el dato en el diagrama de consumo de aire, recordando que los datos obtenidos en un diagrama de este tamaño son únicamente orientativos. Se obtiene el consumo conocido el diámetro del pistón y la presión de trabajo y la salida del diagrama viene expresado en litros por centímetro de carrera.
Es evidente que el consumo de aire depende de la presión de trabajo, por eso después de realizar el cálculo de la capacidad del cilindro habrá que realizar la corrección multiplicando por la relación de compresión.
Poniendo las presiones en una misma unidad por ejemplo si utilizamos pascales y la presión de trabajo es 600 kpa
Si se utiliza el valor de 100000 pascales para la presión atmosférica el resultado sería una relación de compresión de 7 que para nuestros cálculos es aceptable.
Calculando la capacidad de aire en un cilindro que suponemos de doble efecto (en caso de ser de simple efecto únicamente se tendría en cuenta el primer volumen)
VOLUMEN EN LA SALIDA (lado sin vástago)
¡Ojo con las unidades! Deben ser uniformes
VOLUMEN DE REGRESO (lado del vástago)
VOLUMEN TOTAL
Dependiendo de que el cilindro sea de simple o de doble efecto habrá que tener en cuenta uno o los dos volúmenes.
CONSUMO POR MINUTO
Además del volumen y la relación de compresión se tendrá en cuenta el número de veces que el cilindro se mueve en un minuto (ciclos por minuto)
26
¡Ojo con las unidades! Han de ser homogéneas. La relación de compresión no tiene unidades.
En el diagrama de la página siguiente se puede calcular el consumo de un cilindro conocido el diámetro del pistón y la presión de trabajo, la salida son litros por centímetro de carrera.
No se tiene en cuenta el vástago en el consumo de regreso, cosa que no tiene una importancia relevante ya que se obtiene un consumo algo superior al real. Por otra parte hay que recordar que estos diagramas no ofrecen datos muy fiables, es únicamente para aprender a utilizarlas y conocer su existencia.
27
28
ELEMENTOS DE UN CIRCUITO NEUMÁTICO
CILINDROS Y MOTORES
Son los elementos en que se convierte la energía neumática en energía cinética, es decir desarrollan un trabajo.
Cilindros de simple efecto. Cilindros de doble efecto. Cilindros diferenciales. Cilindros de doble vástago. Cilindros con amortiguación en los extremos. Cilindros telescópicos. Cilindros tandem. Cilindros de giro.
Motores de pistones.
Motores de paletas.
CILINDROS DE SIMPLE EFECTO
Únicamente reciben aire a presión por uno de sus lados con lo que realizan trabajo sólo en un sentido, generalmente la salida del vástago.
El regreso lo realizarán por la fuerza de un muelle llamado de recuperación o por una fuerza externa que hará retroceder al vástago cuando desaparezca el aire a presión de su cámara delantera.
CILINDROS DE DOBLE EFECTO
Los cilindros de doble efecto pueden realizar el trabajo en ambas direcciones porque se les aplica la presión en ambas caras del émbolo.
Hay que tener en cuenta que el trabajo de regreso siempre será inferior al de salida debido a la pérdida de superficie provocada por el vástago.
En muchos casos el hecho de que sea de doble efecto no significa que vaya a trabajar en sus dos recorridos, simplemente se utiliza la cámara secundaria para provocar el retroceso del cilindro a su posición de adentro.
29
Los CILINDROS DIFERENCIALES son aquellos cuya superficie grande (cámara primaria) es doble de la superficie útil pequeña.
Los CILINDROS DE DOBLE VÁSTAGO se suelen utilizar cuando se quiere realizar trabajo en los dos sentidos.
CILINDROS CON AMORTIGUACIÓN EN LOS EXTREMOS
Para evitar que el pistón golpee con las tapas del cilindros sobre todo en cilindros de alta velocidad, se utilizan unos cilindros que utilizan unos amortiguadores neumáticos que no es otra cosa que hacer que el parte final del recorrido el aire deba pasar por unos canales más estrechos reduciendo la velocidad en la parte final del recorrido.
CILINDRO TELESCÓPICO
Los cilindros telescópicos se caracterizan por conseguir largas carreras (mucha longitud de trabajo) utilizando una camisa relativamente corta pueden ser de doble efecto y de simple efecto.
El de la figura es de simple efecto
CILINDRO TÁNDEM
Un cilindro tándem son dos cilindros de doble efecto en serie, es decir el vástago de uno empuja sobre la superficie del émbolo del otro.
Las fuerzas de los dos cilindros se suman y gracias a esto se pueden conseguir grandes fuerzas sin la necesidad de utilizar grandes presiones ni cilindros con grandes diámetros.
CILINDRO DE GIRO
30
Los cilindros oscilantes se utilizan para mover un eje un determinado ángulo, por ejemplo 90° o 180°.
Se utilizan en manipuladores, cambios de piezas, cambio automático de herramientas, en general en manipulación.
Están compuestos por dos émbolos entre los cuales se haya una corredera, a esta corredera está unido el eje a través de un piñón. AI moverse los émbolos se consigue un giro angular en el eje del elemento.
MOTOR DE PISTONES
Se obtiene movimiento giratorio continuo.
MOTOR DE PALETAS
VÁLVULASEn un circuito neumático se pueden encontrar los órganos motrices (cilindros y motores), órganos de regulación y mando (válvulas distribuidoras, de simultaneidad, de secuencia, etc) y emisores de señales (válvulas de mando manual, finales de carrera, etc). Como vemos, casi todos los elementos no de "fuerza" se denominan válvulas, por ello y por que pueden estar construidas de diversa manera y pilotadas también de formas distintas, la cantidad de válvulas que existen son muchas.
CLASIFICACIÓN
Por su constitución. Por su función en el circuito. Por su tipo de pilotaje.
31
POR SU CONSTITUCIÓN
Válvulas de asiento esférico
Válvulas con asiento plano
Válvulas de corredera.
SEGÚN SU FUNCIÓN EN EL CIRCUITO
Emisores de señal: detectan posición de cilindros etc. (finales de carrera).
Órganos de control o mando: proporcionan pilotaje a otras válvulas.
Órganos de regulación: distribuyen el aire a los actuadores (distribuidoras).32
Reguladoras de caudal, selectoras de circuito, etc.
POR SU ACCIONAMIENTO O PILOTAJE
MANUAL MECÁNICO
ELÉCTRICO
NEUMÁTICO
SIMBOLOGÍA DE LAS VÁLVULAS
Los símbolos de las válvulas no orientan sobre el método constructivo de la válvula, sólo de su función.
Hay varios elementos clave:
POSICIONES DE LAS VÁLVULAS DISTRIBUIDORAS
Se representan por medio de cuadrados: la cantidad de cuadrados del símbolo indica la cantidad de posiciones distintas de la válvula.
Las direcciones y pasos de aire son representados por flechas.
Representación de conexiones bloqueadas
33
Las conexiones de tubos a la válvula son representadas por líneas. Siempre en un única posición que corresponde con la que tendrá en reposo la válvula.
La alimentación y el escape tienen su representación singular
Para evitar errores durante el montaje de las conexiones, los empalmes se identifican con letras o con números (simbología más moderna).
IDENTIFICACIÓN DE UNA VÁLVULA
Para identificar el tipo de válvula es necesario indicar varias cosas, priméro dos números, "válvula 3/2", el primero indica número de vías y el segundo número de posiciones (vías / posiciones)
Además puede indicarse si la válvula está normalmente abierta o cerrada en posición de reposo, si tiene dos posiciones estables (biestable, una vez pilotada por un lado no cambiará hasta que se pilote por el otro) o únicamente una (monoestable - únicamente se mantiene en la posición mientras está pilotada).
34
También se indica cómo se pilota.
EJEMPLOS
VÁLVULAS ESPECIALES
VÁLVULAS ANTIRRETORNO
Permiten la circulación del aire en un sentido y lo cortan en el contrario.
35
VÁLVULA DE ESTRANGULACIÓN
La válvula de estrangulación disminuye la sección del conducto por el que circula el aire, de esta forma se puede regular el caudal o cantidad de aire que pasa por las tuberías.
Al regular la cantidad de aire se controla la velocidad del cilindro, si es posible siempre se regulará el escape de aire en lugar de la entrada.
VÁLVULA DE ESTRANGULACIÓN UNIDIRECCIONAL (REGULADORA DE CAUDAL)
El aire es regulado en un único sentido.
VÁLVULA “O”, SELECTORA DE CIRCUITO
Da señal de aire a la salida cuando al menos hay señal en una de las entradas.
VÁLVULA “Y” , DE SIMULTANEIDAD
Da señal de aire a la salida cuando sus dos entradas tienen señal.
36
VÁLVULA DE ESCAPE RÁPIDO
Son válvulas que permiten evacuar el aire de los cilindros sin que éste tenga que llegar a los escapes de las distribuidoras con lo cual la evacuación es más rápida.
VÁLVULA DE TEMPORIZACIÓN
Retrasan una señal un tiempo.
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51