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1
DISEO E IMPLEMENTACIN DE MDULO ELECTRO NEUMTICO
JHON STEVEN HERNNDEZ SERNA [email protected]
JOS NORBEY DAZ LPEZ [email protected]
ALEJANDRO ALBERTO ARANGO ARISTIZABAL [email protected]
ELKIN DARO PALACIO HENAO [email protected]
ENIDH JOHANA BRAVO CIFUENTES [email protected]
MAURICIO ALEXANDER BEDOYA AGUDELO [email protected]
MAURICIO QUIJANO VILLADA [email protected]
JUSSED IBRAIN ACOSTA RENGIFO [email protected]
LUS FERNANDO CORREA GIRALDO [email protected]
JONNY ALEXANDER VALENCIA ZAPATA [email protected]
UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA SECCIONAL MEDELLN FACULTAD DE INGENIERA
MEDELLN 2010
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2
DISEO E IMPLEMENTACIN DE MDULO ELECTRO NEUMTICO
ASESOR: ANDRES MAURICIO CARDENAS TORRES
INGENIERO ELECTRNICO
PROYECTO DE GRADO PRESENTADOPARA OBTENER EL TTULO DE: INGENIEROS ELECTRNICOS
UNIVERSIDAD DE SAN BIENAVENTURA SECCIONAL MEDELLN FACULTAD DE INGENIERIA
MEDELLN 2010
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3
CONTENIDO
NDICE DE FIGURAS ............................................................................................................................... 6
NDICE DE TABLAS .................................................................................................................................. 8
RESUMEN................................................................................................................................................... 9
ABSTRACT ............................................................................................................................................... 10
PALABRAS CLAVE ................................................................................................................................. 11
KEY WORDS ............................................................................................................................................ 11
JUSTIFICACIN ...................................................................................................................................... 12
Referente Contextual ............................................................................................................................... 13
INTRODUCCIN ................................................................................................................................. 14
ESTADO DEL ARTE ........................................................................................................................... 15
CAPTULO 1 ............................................................................................................................................. 17
PRINCIPIOS FSICOS DE LA NEUMTICA ................................................................................... 18
1.1. La materia .................................................................................................................................. 18
1.1.3. Estado gaseoso .................................................................................................................... 18
1.2. La presin .................................................................................................................................. 20
1.3. Caudal ........................................................................................................................................ 25
1.4. Propiedades de los fluidos neumticos ................................................................................ 27
CAPTULO 2 ............................................................................................................................................. 29
2.1. Compresor ................................................................................................................................. 30
2.2. Unidades de Mantenimiento (FRL) ........................................................................................ 32
2.3. MANMETRO .......................................................................................................................... 33
2.4. Vlvulas neumticas ................................................................................................................ 35
2.4.1. Vlvulas de control direccional ........................................................................................... 35
2.5. Cilindros neumticos ............................................................................................................... 43
2.6. Ventosas .................................................................................................................................... 48
2.7. Sensores Neumticos ............................................................................................................. 49
2.8. Accesorios ................................................................................................................................. 53
CAPTULO 3 ............................................................................................................................................. 55
Un poco de historia .............................................................................................................................. 56
-
4
3.1. Qu son los PLC? ............................................................................................................... 57
3.2. Componentes del PLC ............................................................................................................ 57
3.3. Entradas y salidas digitales y su conexin ........................................................................... 59
3.4. Comunicacin en los PLC .................................................................................................... 61
3.5. Lenguajes de programacin para los autmatas programables ....................................... 62
3.6. Marcas de memoria ................................................................................................................. 65
CAPTULO 4 ............................................................................................................................................. 69
4.1. Diseo e Implementacin de Mdulo Electro-neumtico ................................................... 70
4.2. Diseo y fabricacin de mdulo estructural electro neumtico ......................................... 71
4.2.1. Especificaciones Tcnicas .................................................................................................. 72
4.3. Materiales y herramientas ....................................................................................................... 73
4.4. Diseo de diagramas y planos electro neumticos ............................................................ 74
4.5. Adquisicin de elementos electro neumticos .................................................................... 79
4.6. Montaje de piezas en banco electro neumtico .................................................................. 79
4.7. Programacin y control del PLC (Controlador Lgico Programable) para el
automatismo del mdulo electro neumtico .................................................................................... 82
4.8. Pruebas de implementacin ................................................................................................... 83
4.9. Resultados................................................................................................................................. 86
CAPTULO 5 ............................................................................................................................................. 87
Objetivos de las prcticas ................................................................................................................... 88
Convenciones a usar en las prcticas .............................................................................................. 88
Prctica N1 .......................................................................................................................................... 89
Prctica N2 .......................................................................................................................................... 93
Prctica N3 .......................................................................................................................................... 97
Prctica N4 ........................................................................................................................................ 101
Prctica N5 ........................................................................................................................................ 105
Prctica N6 ........................................................................................................................................ 109
Prctica N7 ........................................................................................................................................ 113
Prctica N8 ........................................................................................................................................ 118
Prctica N9 ........................................................................................................................................ 123
Prctica N10 ...................................................................................................................................... 128
TRABAJO FUTURO .............................................................................................................................. 133
-
5
RECOMENDACIONES ......................................................................................................................... 134
BIBLIOGRAFA ....................................................................................................................................... 135
ANEXOS ....................................................................................................... Error! Marcador no definido.
-
6
NDICE DE FIGURAS
FIGURA 1. ESTADO GASEOSO ..................................................................................................................................... 19
FIGURA 2. EL PLASMA ................................................................................................................................................. 19
FIGURA 3. DESCOMPOSICIN DE LA FUERZA .............................................................................................................. 21
FIGURA 4. ESCALA DE PRESIONES .............................................................................................................................. 23
FIGURA 5. PRINCIPIO DE CONTINUIDAD ...................................................................................................................... 23
FIGURA 6. EL EFECTO VENTURI .................................................................................................................................. 24
FIGURA 7. LA PRENSA HIDRULICA ............................................................................................................................. 25
FIGURA 8. UNIDAD DE MANTENIMIENTO ...................................................................................................................... 33
FIGURA 9. MANMETRO DE BOURDON ....................................................................................................................... 34
FIGURA 10. MANMETRO DE COLUMNA LQUIDA ........................................................................................................ 34
FIGURA 11. MANMETRO DE TUBO INCLINADO .......................................................................................................... 35
FIGURA 12. NUMERO DE POSICIONES EN LAS VLVULAS DE VAS .............................................................................. 36
FIGURA 13. NMERO DE VAS ..................................................................................................................................... 36
FIGURA 14. VLVULA DE RETENCIN.......................................................................................................................... 40
FIGURA 15. VLVULA REGULADORA DE CAUDAL UNIDIRECCIONAL ............................................................................ 40
FIGURA 16. REGULACIN A LA ENTRADA .................................................................................................................... 41
FIGURA 17. REGULACIN A LA SALIDA ........................................................................................................................ 42
FIGURA 18. VLVULAS REGULADORAS DE PRESIN ................................................................................................... 43
FIGURA 19. CILINDRO DE SIMPLE EFECTO .................................................................................................................. 44
FIGURA 20. CILINDRO DE DOBLE EFECTO ................................................................................................................... 45
FIGURA 21. CILINDRO DE DOBLE EFECTO CON AMORTIGUADOR ................................................................................ 45
FIGURA 22. CILINDRO DE DOBLE VSTAGO ................................................................................................................ 46
FIGURA 23. CILINDRO DE MEMBRANA ......................................................................................................................... 47
FIGURA 24. CILINDRO DE MEMBRANA ARROLLABLE ................................................................................................... 47
FIGURA 25. CILINDRO TNDEM ................................................................................................................................... 48
FIGURA 26. VENTOSA ESTNDAR ............................................................................................................................... 48
FIGURA 27. CAPTADOR DE OBTURACIN DE FUGA ..................................................................................................... 50
FIGURA 28. DETECTOR DE PASO ................................................................................................................................ 51
FIGURA 29. DETECTOR DE PASO DE HORQUILLA ........................................................................................................ 52
FIGURA 30. DETECTOR RFLEX ................................................................................................................................. 52
FIGURA 31. INTERRUPTOR DE PROXIMIDAD ................................................................................................................ 53
FIGURA 32. ESTRUCTURA DEL PLC KOYO ............................................................................................................... 59
FIGURA 33. CONEXIN DE SALIDA POR RELEVO ......................................................................................................... 60
FIGURA 34. CONCEPTO DE BIT, BYTE Y PALABRA ....................................................................................................... 63
FIGURA 35. OPERACIN AND .................................................................................................................................... 66
FIGURA 36. FUNCIN OR ........................................................................................................................................... 67
FIGURA 37. FUNCIONES SET Y RESET .................................................................................................................... 67
FIGURA 38. MDULO ELECTRO NEUMTICO ............................................................................................................... 72
FIGURA 39. ESQUEMA GENERAL DEL DISPOSITIVO..................................................................................................... 76
FIGURA 40. ENTRADAS DIGITALES V.0 ....................................................................................................................... 77
FIGURA 41. SALIDAS DIGITALES V.0 ........................................................................................................................... 78
FIGURA 42. MONTAJE DE PIEZAS EN LMINA PERFORADA ......................................................................................... 80
-
7
FIGURA 43. POSICIONADO DE ELEMENTOS Y RIEL DE CONEXIONADO ........................................................................ 81
FIGURA 44. UNIDAD DE MANTENIMIENTO .................................................................................................................... 81
FIGURA 45. PLC DIRECT 06 ....................................................................................................................................... 82
FIGURA 46. DIAGRAMA DE FLUJO PRCTICA 1 ........................................................................................................... 90
FIGURA 47. DIAGRAMA DE NEUMTICO PRCTICA 1 .................................................................................................. 91
FIGURA 48. DIAGRAMA DE FLUJO PRCTICA 2 ........................................................................................................... 94
FIGURA 49. SISTEMA DE EMPAQUETADO Y ALMACENAMIENTO DE PIEZAS ................................................................. 95
FIGURA 50. DIAGRAMA DE FLUJO PRCTICA 3 ........................................................................................................... 98
FIGURA 51. LLENADO DE BULTOS ............................................................................................................................... 99
FIGURA 52. DIAGRAMA DE FLUJO PRCTICA 4 ......................................................................................................... 102
FIGURA 53. SISTEMA DE LAVADO DE AUTOS ............................................................................................................. 103
FIGURA 54. DIAGRAMA DE FLUJO PRCTICA 5 ......................................................................................................... 106
FIGURA 55. SISTEMA DE TALADRADO DE PIEZAS ...................................................................................................... 107
FIGURA 56. DIAGRAMA DE FLUJO PRCTICA 6 ......................................................................................................... 110
FIGURA 57. SISTEMA DE LLENADO DE ENVASES ....................................................................................................... 111
FIGURA 58. DIAGRAMA DE FLUJO PRCTICA 7 ......................................................................................................... 115
FIGURA 59. SISTEMA DE APILADO DE BULTOS .......................................................................................................... 116
FIGURA 60. DIAGRAMA DE FLUJO PRCTICA 8 ......................................................................................................... 120
FIGURA 61. SISTEMA DE FABRICACIN DE LADRILLOS ............................................................................................. 121
FIGURA 62. DIAGRAMA DE FLUJO PRCTICA 9 ......................................................................................................... 125
FIGURA 63. SISTEMA DE FABRICACIN DE OLLAS .................................................................................................... 126
FIGURA 64. DIAGRAMA DE FLUJO PRCTICA 10 ....................................................................................................... 130
FIGURA 65. SISTEMA PARA COMPACTAR CARTN .................................................................................................... 131
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8
NDICE DE TABLAS
TABLA 1. CONVERSIN DE UNIDADES DE PRESIN .................................................................................................... 22
TABLA 2. MTODOS DE MEDICIN ............................................................................................................................... 27
TABLA 3. IDENTIFICACIN DE ORIFICIOS ..................................................................................................................... 37
TABLA 4. ACCIONAMIENTOS PARA VLVULAS NEUMTICAS ....................................................................................... 39
TABLA 5. CLCULO DE LA FUERZA EN LAS VENTOSAS ................................................................................................ 49
TABLA 6. ACCESORIOS PARA LAS CONEXIONES NEUMTICAS.................................................................................... 54
TABLA 7. CONTACTOS N.A Y N.C ............................................................................................................................... 64
TABLA 8. SIMBOLOGA EQUIVALENTE EN LADDER ................................................................................................... 64
TABLA 9. TABLA DE VERDAD FUNCIN AND ............................................................................................................... 66
TABLA 10. TABLA DE VERDAD FUNCIN OR ............................................................................................................... 66
TABLA 11. LISTA DE ELEMENTOS ................................................................................................................................ 74
TABLA 12. LISTA DE CHEQUEO DEL SISTEMA ELCTRICO ........................................................................................... 84
TABLA 13. LISTA DE CHEQUEO DEL SISTEMA NEUMTICO .......................................................................................... 85
TABLA 14. CONVENCIN GENERAL ............................................................................................................................. 88
TABLA 15. SISTEMA DE AGRUPACIN Y DISPOSICIN DE PIEZAS SECUENCIAL PRCTICA 1 ..................................... 89
TABLA 16. SISTEMA DE AGRUPACIN Y DISPOSICIN DE PIEZAS SECUENCIAL PRCTICA 2 ..................................... 93
TABLA 17. ETAPAS DEL SISTEMA DE LLENADO DE BULTOS SECUENCIAL ................................................................... 97
TABLA 18. ETAPAS SECUENCIALES SISTEMA DE LAVADO DE AUTOS ........................................................................ 101
TABLA 19. ETAPAS EN SECUENCIALES SISTEMA DE LAVADO DE PIEZAS .................................................................. 105
TABLA 20. ETAPAS SECUENCIALES DE SISTEMA LLENADO DE ENVASES .................................................................. 109
TABLA 21. ETAPAS SECUENCIALES SISTEMA DE APILADO DE TUBOS ....................................................................... 113
TABLA 22. ETAPAS SECUENCIALES SISTEMA DE FABRICACIN DE LADRILLOS ........................................................ 119
TABLA 23. ETAPAS SECUENCIALES SISTEMA DE FABRICACIN DE OLLAS................................................................ 123
TABLA 24. ETAPAS SECUENCIALES SISTEMA COMPACTADOR DE CARTN .............................................................. 129
-
9
RESUMEN
Cuando se pretende reunir informacin referente a la neumtica y electro neumtica se
puede apreciar que existe poca informacin respecto a estos temas, encontrndose
abundante material comercial y tcnico proporcionado por los fabricantes de esta clase
de dispositivos, lo que sugiere prestar especial atencin y contribuir con la elaboracin
de un manual que compile suficiente informacin para la comprensin de esta rea.
Sumado a esta condicin, los costos de adecuacin de laboratorios, la necesidad de
las empresas en recibir profesionales que conozcan sobre la automatizacin de
procesos industriales, la economa creciente de Colombia y los futuros tratados de libre
comercio, plantean la necesidad de acercar a los alumnos a la dinmica que se
presenta en la industria y ante todo facilitar su desenvolvimiento en temas especficos
de estas. Esto motiva a desarrollar un sistema modular que les permita a los
estudiantes la interaccin con algunos de los dispositivos elctricos, mecnicos y
electrnicos que se utilizan en los procesos industriales.
El desarrollo del mdulo plante grandes retos, pues fue necesario definir el proceso
que se desarrollara, los medios de interaccin externos del dispositivo, la seleccin de
los dispositivos, las pruebas a desarrollar, la seguridad de los usuarios y a su vez la del
equipo y finalmente, procurar la supervivencia del equipo a largo plazo.
Debido a la gran utilidad de los sistemas neumticos en la industria colombiana, se
decidi definir un mdulo neumtico que permitiera simular diferentes procesos
industriales. A partir de esto, estructur un marco conceptual simple que contuviera las
bases tericas de los conceptos que generalmente se necesitan en las aplicaciones
neumticas, as mismo se analizaron las diferentes alternativas que existen para el
diseo de estos dispositivos y los desarrollos ms importantes realizados utilizando la
neumtica.
A partir del anlisis bibliogrfico se estructura el mdulo neumtico, bajo algunas
condiciones tcnicas y de seguridad, y finalmente se definen algunas prcticas que
permitirn la programacin en alto o bajo nivel utilizando LABview o lenguaje escalera
LADDER respectivamente, y la manipulacin de cilindros neumticos de simple o doble
efecto, segn lo establezca la prctica. Esto permitir al docente el acompaamiento de
los alumnos en su proceso de aprendizaje mediante el anlisis de problemas y la
observacin.
-
10
ABSTRACT
When one pretends to gather information concerning Pneumatics and Electro-
pneumatics, it can be appreciated the little existence of information regarding this
matters, being plentiful of commercial and technical material provided by the
manufacturers of this kind of devices, this suggests to pay special attention and
contribute with the elaboration of a manual that compiles enough information for the
understanding of this task. In addition to this, the costs of laboratories adaptation, the
need of enterprises to receive professionals who know about automation of Industrial
processes, the growing Colombian economy and the future free commercial trades,
demand the need to approach students to the present industry dynamics and first and
foremost to ease their self-assurance in specific topics of these areas. This motivates to
develop a modular system to allow students the interaction with electric, mechanical
and electronic devices used in industrial processes.
The development of the module set out big challenges, since it was necessary to define
the process that would be developed, the external interaction media of the devices, the
selection of the devices, the tests to be carried out, the user security protocols and
along it the module security and finally, to secure the survival of the equipment along
the time.
Due to the great use of pneumatic systems in the Colombian industry, it was decided to
define a pneumatics module to allow the simulation of different industrial processes.
From this point on, the idea structured a simple concept map it contained the basic
theory of the concepts that are normally needed in pneumatics applications, in the same
way the different existing alternatives to the design of these devices design and the
most important developments realized using pneumatics were analyzed.
From the bibliographic analysis is the pneumatics module structured, following some
technical and security conditions, and finally some practices are defined to allow the
programming in high or low level, using LABview or ladder language, respectively, and
the manipulation of pneumatic simple or double-effect cylinders, according to the
practice demands. This will allow the teacher the coaching of students in their learning
process through the problem analysis and observation
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11
PALABRAS CLAVE
Neumtica, Electro neumtica, Mdulo neumtico, Controlador Lgico Programable,
PLC, Control neumtico, Interfaz grfica, Circuitos secuenciales, OPC.
KEY WORDS
Pneumatics, Electro-pneumatics, Pneumatic module, Programmable Logic Controller,
Pneumatic control, Graphic Interface, Sequential circuits, OPC.
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12
JUSTIFICACIN
La electro-neumtica es una disciplina de uso extendido dentro de la industria
moderna, ya que sus caractersticas de reduccin en los costos de operacin,
seguridad, limpieza, versatilidad y fcil implementacin, hacen de sta una de las
tcnicas ms adoptadas para las tareas de automatizacin dentro de la industria
manufacturera y de procesos. Perspectiva desde la cual se hace necesario que los
programas de ingeniera, afines a la industria, contemplen esta importante disciplina. La
ingeniera electrnica no debe ser ajena a este campo y teniendo en cuenta que en la
universidad existe la falencia de laboratorios para esta rea, entre otros aspectos, se
propone el diseo e implementacin de un mdulo electro neumtico que permita la
realizacin de prcticas que propicien el acercamiento e interaccin con los
dispositivos, a la vez que afiance los conocimientos en electro neumtica como
preparacin para una posible rea de desempeo laboral.
-
13
Referente
Contextual
-
14
INTRODUCCIN
La ausencia de laboratorios para el desarrollo de prcticas electro-neumticas en la
universidad de San Buenaventura, sede San Benito Medelln, as como la exigencia de
la industria en personal capacitado en conceptos de automatizacin industrial y a los
altos estndares de calidad y produccin que plantea a las industrias colombianas, los
futuros tratados de libre comercio, promovieron la realizacin de un sistema electro-
neumtico, que permitiera a los estudiantes, desarrollar las habilidades tcnicas y
metodolgicas que les permita interactuar fcilmente con esta tecnologa cuando se
encuentren en el campo laboral. Este desarrollo permite a su vez, la generacin de
nuevo conocimiento y el aprovechamiento ptimo de los recursos destinados para la
adecuacin de los laboratorios.
Para el mdulo bajo las anteriores circunstancias y teniendo en cuenta las
implicaciones de diseo para el uso por estudiantes, se plantearon 4 puntos clave en la
definicin del Mdulo Electro-Neumtico. La primera fase est compuesta por la
creacin de un manual didctico electro neumtico, el cual contiene toda la informacin
relevante para la introduccin a las reas de aplicacin, en este se compila importante
literatura que proporcionar la aprehensin por parte del estudiante de los conceptos
bsicos que le permitan afianzar su conocimiento, acompaado de diversas actividades
propuestas que le faciliten la interaccin con el mdulo.
La segunda fase est compuesta por la comunicacin e interaccin grfica con
LABview. Aqu se programan y enlazan los dispositivos de hardware con el software.
La tercera fase se describe como la elaboracin de los diferentes circuitos en lenguaje
escalera (LADDER) para ser grabados en la memoria del PLC y por ltimo el mdulo
electro-neumtico que contiene el montaje fsico de un circuito neumtico listo para ser
utilizado en forma didctica.
-
15
ESTADO DEL ARTE
Con el fin de crear un contexto actual, que permita enmarcar el diseo e
implementacin del mdulo electro-neumtico con interfaz de comunicacin en
LABview, al cual hace referencia el presente trabajo, se hace la recopilacin de la
informacin acerca de los mdulos y sistemas para el aprendizaje de la tcnica electro
neumtica proporcionada por los fabricantes de esta clase de equipos.
La compaa Parker Hannifin, ofrece diversos mdulos para el aprendizaje de la
electro-neumtica. En el folleto 1003-5 BR-E, se presenta un banco de entrenamiento
compuesto por unidad de mantenimiento, electrovlvulas direccionales de 3/2 vas y
5/2 vas, fuente de voltaje de 24 Vcc, sensores de proximidad, distribuidor elctrico de 8
salidas, temporizador elctrico con retardo a la conexin, juego de cables con pines de
4mm, interruptores de final de carrera, contactores, con contactos normalmente
abiertos y normalmente cerrados .con este mdulo se realiza el control mediante lgica
cableada usando los contactores para este fin, los componentes neumticos reposan
sobre rieles de aluminio, de los cuales pueden ser removidos, las conexiones de las
mangueras neumticas se realizan mediante conectores de acople rpido .El mdulo
permite una interaccin didctica, facilitando el aprendizaje de la electro neumtica.
La compaa I.T.P software Ltda., presenta el mdulo ITP 3810/5, para el
entrenamiento en las reas de electro neumtica y PLC, que integra adems de los
componentes neumticos bsicos presentes en la mayora de mdulos didcticos, un
micro PLC Simatic S7-200 de 8 entradas y 6 salidas digitales, lo que permite la
realizacin del control de las secuencias, mediante la programacin del software Step 7
Microwin, el cual puede comunicarse e intercambiar datos con Excel, Visualc++,y
Photoshop, mediante el software Simatic Microcomputing. La ventaja presente en este
mdulo es la integracin de la neumtica con el PLC, lo que permite un entrenamiento
de los estudiantes en temas muy actuales dentro de la industria.
El sistema didctico para el aprendizaje de la neumtica, modelo 6081 presentado por
LAB-VOLT, est constituido por 6 subsistemas: fundamentos de neumtica,
aplicaciones de neumtica, electro-neumtica, PLC, servo control de sistemas
neumticos y deteccin de fallas. Adems el mdulo se encuentra en formato
electrnico, lo que permite el aprendizaje virtual desde el computador, mediante la
interaccin con el software de simulacin en neumtica (LVSIM-PNEU), lo cual hace
-
16
del mdulo un potencial laboratorio virtual para la enseanza a distancia de la tcnica
electro-neumtica.
-
17
CAPTULO 1
Marco
Conceptual
-
18
PRINCIPIOS FSICOS DE LA NEUMTICA
1.1. La materia
La materia est representada por todo aquello que posee masa y volumen, por
ejemplo las estrellas, los planetas, los automviles, los edificios, el ocano, l
oxgeno, etc. Cada uno tiene propiedades fsicas que los enmarcan en uno o varios
de los estados. A la actualidad se han determinado seis posibles estados de la
materia: solido, liquido, gaseoso, plasma, condensado de Bose-Einstein,
condensado de Fermi, y sper solido; este ltimo considerado como un posible
nuevo estado. Cada uno de ellos posee caractersticas fsicas que lo diferencian de
los otros, posibilitando la identificacin de la materia y sus caractersticas.
1.1.1. Estado solido
Caracterizado por su dureza y forma definida proporcionada por la
cohesin presente entre sus molculas, formando lazos estrechamente
ligados con poca o nula movilidad, lo que define el grado de dureza y
rigidez del material, algunos ejemplos son los metales, el hormign, la
roca.
1.1.2. Estado lquido
Los cambios en el incremento de la temperatura generan actividad
molecular, lo que permite que estas se separen lo suficiente para
alcanzar una velocidad, guardando una distancia apenas inferior a la del
estado slido, suficiente para conservar el volumen del material y permitir
la fluidez y adaptabilidad al recipiente o entorno que lo contenga. Su
compresibilidad es casi nula por la cercana entre las molculas, como
ejemplo de este estado tenemos el agua.
1.1.3. Estado gaseoso
A temperaturas elevadas las molculas presentan poca o nula cohesin,
lo que permite facilidad para expandirse y ocupar grandes e irregulares
volmenes, las molculas se encuentran tan separadas entre s que
facilitan la dispersin del material. El estado gaseoso se caracteriza por
permitir la compresin debido a su baja densidad. Ejemplo, nitrgeno, aire
-
19
comprimido, humo de las fbricas. La Figura 1 muestra el estado gaseoso
de un lquido sometido a temperatura elevada.
Figura 1. Estado gaseoso
1
1.1.4. El plasma
Se forma bajo condiciones extremas de temperatura y alta energa, esto
permite la liberacin de molculas de sus tomos, el gas se ioniza y se
carga con iones positivos, ocasionando la presencia de tomos altamente
conductores, luego, la alta temperatura excita violentamente los tomos
que se mueven libremente generando el cuarto estado de la materia. La
Figura 2 muestra un estado de plasma. Un claro ejemplo para este estado
es el sol.
Figura 2. El plasma2
1 Imagen Tomada de Cadena, disponible en:http://cccg90.blogspot.com/2009/11/gaseoso.html. Consultado en:
27/Noviembre/2010. 2 Imagen tomada de Justin Davey, disponible en:www.tvsnob.com/archives/cat_plasma.phpConsultado en:
27/Noviembre de 2010.
-
20
1.1.5. Condensado de Bose-Einstein
Este se conoce como el quinto estado de la materia, fue desarrollado en
laboratorio por los fsicos Eric Cornell, Wulfgan Ketterle, y Carl Wieman
con base en la teora elaborada por los fsicos Einstein y Bose en 1924.
Los cientficos lograron enfriar los tomos a un estado cercano al cero
absoluto, desarrollando un sper fluido que se caracteriza por contener
tomos libres de friccin mecnica y alcanzando idntico estado cuntico
y un nivel energtico reducido.
1.1.6. Condensado de Fermi
Estado de la materia creado en la universidad de colorado en el ao
1999, sus caractersticas principales son la sper fluidez obtenida a
temperaturas cercanas al cero absoluto, est formado por partculas
fermionicas, a diferencia del condensado de BoseEinstein formado por
partculas bosonicas. Las molculas de gas fermionico se comportan
como ondas debido a que su estabilidad es temporal.
1.1.7. El sper solido: posible nuevo estado
Los tomos de helio-4 son enfriados a una temperatura cercana al cero
absoluto, lo que ocasiona que la materia se comporte como un sper
solido formado por una pelcula rgida aunque en su interior los tomos se
mueven libremente, permitiendo que la materia simultneamente se
comporte como sper lquido alcanzando el mismo estado cuntico.
1.2. La presin
Se denomina presin a la magnitud que relaciona la intensidad de la fuerza que acta
sobre un rea, con la unidad de superficie. Se calcula dividiendo la intensidad de la
fuerza por el rea sobre la cual acta.
(1)
En el sistema internacional de unidades (SI), la unidad de presin es el pascal (PA), el
cual es equivalente a una fuerza de un Newton aplicada sobre una superficie de un
metro cuadrado.
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21
(2)
En la prctica es de uso extendido la unidad de presin del sistema ingls (PSI), que es
equivalente a una fuerza de una libra aplicada sobre una superficie de una pulgada al
cuadrado, sin embargo en el documento anexo, la Tabla 1 ensea una aproximacin
para la conversin de unidades a fin de facilitar el trabajo con las mismas.
(3)
Es de anotar que la intensidad de la fuerza que se toma para el clculo de la presin es
la que acta sobre la superficie.
Figura 3. Descomposicin de la fuerza
Para el caso de la Figura 3, se calcula la presin con la intensidad de la componente
perpendicular, ya que esta es la que acta sobre la superficie.
A continuacin se hace una descripcin detallada de los tipos de presin en los cuales
se hace posible la aplicacin de las anteriores ecuaciones.
1.2.1. Presin atmosfrica
Se define como la fuerza que ejerce el aire de la atmosfera sobre
cualquier punto de la superficie terrestre, esto quiere decir que todo ser u
objeto en la tierra experimenta el peso del aire, ahora bien, ya que todo
este peso se distribuye uniformemente sobre todos los puntos y en todas
las direcciones, no es posible percibirlo. A medida que la altitud aumenta,
la densidad del aire disminuye, as que la presin atmosfrica vara de
forma inversamente proporcional con la altitud sobre el nivel del mar, de
esta forma, el nivel del mar se ha establecido como punto de referencia.
-
22
1.2.2. El experimento de Torricelli
En el ao 1643, el fsico italiano Evangelista Torricelli, descubri una
forma de medir la presin atmosfrica. Tom un tubo de vidrio de un
metro de altura, luego de llenarlo de mercurio lo volte sobre una cubeta
llena del mismo fluido, as descubri que la columna de mercurio baj
hasta alcanzar una altura de 760 mm. Debido a que el experimento fue
llevado a cabo a nivel del mar, se determin que la presin en este punto
es equivalente a 760mmHg, unidad equivalente a una atmosfera (atm),
como se puede observar en Tabla 1.
UNIDAD PSI mmHg Atm 1mBAR KPA
0,1450 7,5000 9,869e10-3 10 1
0,0145 0,7500 9,869e10-4 1 14,66 760 1 1013 101,3
1,93e10-2 1 1,31e10-3 1,3332 0,1333
1 51,715 0,680 68,947 6,8947 Tabla 1. Conversin de unidades de presin
1.2.3. Presin absoluta, atmosfrica y manomtrica
Al realizar mediciones de presin es normal que estas se relacionen con
una presin de referencia. La presin de referencia normalmente utilizada
es la atmosfrica, por lo cual algunos instrumentos para medir presin,
tienen el cero en la presin atmosfrica.
En general a la presin que se mide con el manmetro, se le denomina
presin manomtrica. La presin absoluta se obtiene midiendo con el
manmetro respecto al vaco absoluto y a esta medicin se le suma la
presin atmosfrica. Una forma de relacionar estas presiones est dada
mediante (4).
(4)
Donde define la presin manomtrica, la presin absoluta y
la presin atmosfrica.
Se debe tener en cuenta que la presin absoluta siempre es positiva, una
presin manomtrica menor que la atmosfrica es negativa, y en
ocasiones es llamada vaco. La Figura 4 expresa grficamente la escala
de presiones.
-
23
Figura 4. Escala de presiones
El punto cero de la presin manomtrica, corresponde a la presin
atmosfrica. Por otro lado, para la presin absoluta el punto cero
corresponde al vaco absoluto.
1.2.4. Principio de continuidad en los fluidos
Considrese que en la tubera graficada en la Figura 5, fluye un lquido
incompresible y de densidad constante. Por cada seccin del tubo pasa el
mismo volumen por unidad de tiempo, es decir el mismo caudal.
Figura 5. Principio de continuidad
La ecuacin (5) expresa el caudal en cada uno de los trayectos, como el
producto de la velocidad del fluido (V), por el rea de la seccin
transversal (A).
(5)
Teniendo en cuenta el principio de continuidad para los fluidos, de la Figura 5 se puede encontrar el caudal se conservar igual en ambos
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24
trayectos, esto permite determinar que para un incremento en el rea, se presenta una cada de velocidad ya que el producto entre estas dos variables se conserva igual. De igual forma en el caso en que se presente una reduccin en el rea, se generar un incremento de velocidad conservando igual el caudal en ambos trayectos.
1.2.5. Efecto Venturi
El fsico italiano Giovanni Battista Venturi (1746-1822), demostr que para
un fluido en movimiento, al pasar por una reduccin de seccin
transversal, su presin disminuye y su velocidad aumenta. Esto puede
explicarse al Utilizar el principio de continuidad, con el cual se puede
establecer que debido a que caudal permanece igual en todos los puntos
de la tubera, al reducirse la seccin, necesariamente la velocidad debe
aumentar y as mantener el sistema en equilibrio. Adicionalmente el
Teorema de Bernoulli establece que al aumentarse la energa cintica,
debido al incremento de velocidad, debe disminuir la energa generada
por la presin, y as mantener el balance de energa.
En la Figura 6, se puede observar el efecto Venturi. En el punto de
estrechamiento de la tubera se presenta una cada de presin, por lo
tanto el diferencial de altura h cambia. Este efecto es comnmente
utilizado en las ventosas industriales para aplicaciones como la sujecin
de piezas.
Figura 6. El efecto Venturi3
Dentro de las aplicaciones del efecto Venturi, se encuentran los
medidores de caudal basados en el efecto, incremento de velocidad en
algunos fluidos, ventosas, carburadores de los vehculos, en la
aeronutica entre otros.
3 Imagen tomada de HTMLPUBLIC, disponible en: http://www.esacademic.com/dic.nsf/eswiki/404832 Consultado
en: 27/Noviembre de 2010.
-
25
1.2.6. Principio de Pascal
Es una ley enunciada por el fsico y matemtico francs BLAISE PASCAL
(1623-1662). El principio de Pascal afirma que la presin aplicada sobre
el fluido contenido en un recipiente se transmite por igual en todas las
direcciones y a todas partes del recipiente. Este principio se puede
comprobar con una esfera hueca, perforada en diferente lugares y
provisto de un embolo, se observa que el agua sale por todos los
agujeros con la misma presin. La Figura 7 muestra La prensa hidrulica,
que constituye la aplicacin fundamental del principio de Pascal.
Figura 7. La prensa hidrulica
Si se ejerce una fuerza (F1) mediante el pistn pequeo sobre el lquido,
de acuerdo al principio de pascal, la presin se transmite a todos los
puntos de este, de manera uniforme. El pistn grande (A2) experimenta
una fuerza (F2), de manera que mientras el pistn pequeo baja, el
grande se dirige hacia arriba. La presin es la misma en ambos cilindros,
y en consecuencia, si se igualan las presiones, es posible observar que la
fuerza que se aplica en el pistn grande es igual a (F1), multiplicada por el
factor (A2/A1) como se observa en (7).
1.3. Caudal
Es conocido tambin como flujo o caudal volumtrico. Esta variable determina el
Volumen que circula por un ducto en la unidad de tiempo. Es de vital importancia
dentro de la industria de procesos, y para la aplicacin particular en los circuitos
(7)
-
26
neumticos, est en estrecha relacin con la velocidad de los cilindros, que vara de
forma directamente proporcional con el caudal, como ser estudiado con mayor detalle
en el CAPTULO 2.
1.3.1. Unidades de caudal
Estn dadas en unidades de volumen sobre unidades de tiempo, dentro
del sistema internacional la ms utilizada es m3/s, adems dentro de la
industria son de uso extendido las unidades de gl/min y lt/min. En la Tabla
1 se muestran los factores de conversin para esta variable.
1.3.2. Caudal Msico (gasto)
Conocido tambin como flujo msico. Determina la masa que atraviesa
una tubera en la unidad de tiempo. Es una unidad de uso extendido en
instrumentacin de sistemas termodinmicos Ya que el flujo msico
determina la variacin de la masa en la unidad de tiempo, la unidad de
medida dentro del sistema internacional es, Kg/s, dentro del sistema
ingles la unidades ms usuales, Lb/min.
1.3.3. Medicin de caudal
Uno de los ms importantes aspectos dentro del control de procesos
industriales, es la medicin del caudal en los fluidos, y de acuerdo al tipo
de fluido, se utiliza el mtodo ms apropiado. Este mtodo puede ser
aplicable a lquidos, a gases y vapores, o a todos ellos.
En el momento de seleccionar el mtodo ms apropiado para la medicin,
se deben tener en cuenta las condiciones del proceso, el principio de
operacin y las caractersticas de funcionamiento de los diferentes
medidores de flujo disponibles.
Las aplicaciones ms habituales encontradas en la industria son: la
medicin de las cantidades de gases o lquidos utilizados en un proceso
dado, controlar las cantidades adicionales de determinadas sustancias
aportadas en ciertas fases del proceso, mantener una proporcin dada
entre dos fluidos y medir el reparto de vapor en una planta.
De acuerdo al principio de operacin, los medidores de flujo pueden ser
clasificados como medidores diferenciales, medidores de desplazamiento
positivo, medidores de rea variable y medidores volumtricos. A
-
27
continuacin se presentan los instrumentos ms conocidos dentro de la
industria para la medicin de caudal.
1.3.3.1. Caudalmetro
Instrumento que sirve para medir el caudal o cantidad de
fluidos en movimiento que fluye por un conducto cerrado o
abierto. Constituye uno de los instrumentos industriales de
mayor uso, debido a la importancia de esta variable. La Tabla 2
muestra la instrumentacin usada en la industria para la
medicin de caudal.
INSTRUMENTOS PARA MEDICIN DE CAUDAL
Tipo de Medida Caractersticas
Volumen de agua (Flujo volumtrico)
Directos o Por desplazamiento positivo.
Indirectos o Por presin diferencial.
Platina de orificio. Codo. Tobera. Venturi
o De turget Ultrasnico
Doppler
T. Trnsito Canal abierto
Vertedero
Canaleta
Masa de agua (Flujo Msico)
Efecto Coriolis
Trmicos
Indirectos o De la misma manera que la
medicin de flujo volumtrico.
Tabla 2. Mtodos de medicin
1.4. Propiedades de los fluidos neumticos
Los circuitos y dispositivos neumticos estn diseados para trabajar mediante la
presin del aire, el cual circula por las lneas y equipamiento neumtico, a la vez que es
tratado en su trayectoria para garantizar la correcta operacin de los circuitos. El aire,
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28
se caracteriza por su abundancia en el planeta, la facilidad para su tratamiento, la
limpieza en las operaciones y bajo costo. Entre las propiedades fsicas del aire se
encuentran: la compresibilidad, difusibilidad, elasticidad, y expansibilidad, estas
propiedades se explicaran a continuacin.
1.4.1. Compresibilidad
Propiedad particular de los gases que permite mediante aplicacin de
presin y variacin de temperatura la compresin del gas, permitiendo
confinarlo en envases para aplicaciones especficas. La poca cohesin
presente entre las molculas en el estado gaseoso permite que estas se
desplacen libremente y sin forma determinada, generando espacios entre
ellas, el cual es aprovechado para lograr la compresin mediante la
aplicacin de presin.
1.4.2. Difusibilidad
La mezcla del aire con otros gases no saturados en compaa de los
olores caractersticos propios de cada uno gases y el desplazamiento por
el ambiente, permiten su deteccin mediante el sentido del olfato, esta
fusin que puede presentarse parcial o completamente se conoce como
Difusibilidad.
1.4.3. Elasticidad
Mediante la aplicacin de fuerzas externas aplicadas al aire, se logra
obtener la compresin del mismo, una vez se retira esta fuerza el aire
tiene la propiedad de regresar a su estado inicial o natural, esta fase se
denomina elasticidad.
1.4.4. Expansibilidad
La poca cohesin presente entre las molculas del aire permite que este
se expanda ocupando grandes espacios, o llenando por completo el
volumen del recipiente que los contenga.
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29
CAPTULO 2
ELEMENTOS DE LAS
INSTALACIONES
NEUMATICAS
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30
2.1. Compresor
El compresor es clasificado dentro de la mecnica como una mquina trmica, es muy
utilizado en la industria para diferentes procesos. Internamente se encuentra
conformado por pistones, bombas de lubricacin, anillos de presin, cigeal y crter,
entre otros elementos que varan de acuerdo al tipo constructivo. La accin conjunta de
todos estos elementos hacen del compresor, una mquina capaz de hacer que los
fluidos comprensibles tales como los vapores o gases, incrementen su energa, la cual
se puede llamar energa de flujo, ya que la energa ganada por la sustancia fluye con
mayor presin y aumenta su energa cintica.
El compresor recoge el aire con una presin atmosfrica dada y le aumenta o le da
mayor presin, emplendose este en los diferentes equipos neumticos conocidos en
el comercio, industria, aires acondicionados, motores de aviacin y produccin de
energa elctrica.
En la actualidad, dentro de la industria se cuenta con diversos tipos de compresores,
los cuales se eligen de acuerdo a las necesidades que presente la aplicacin especfica
y teniendo en cuenta criterios de capacidad, espacio, presin de trabajo, clculo del
ciclo de trabajo, caudal, instalacin rendimiento, mantenimiento, el tipo de gas, entre
otros. A continuacin se presentan los tipos de compresores ms utilizados, partiendo
de una clasificacin de acurdo al tipo constructivo, a partir de esto se distinguen dos
grandes grupos, los compresores de desplazamiento positivo y los compresores
dinmicos.
2.1.1. Compresor de desplazamiento positivo
En los compresores de desplazamiento positivo, los gases son
comprimidos en un espacio cerrado reduciendo su volumen mediante la
accin de un pistn o rotor, con lo cual se logra un incremento de presin
en la descarga. Estos se usan para condiciones de alta presin y poco
volumen. A continuacin se presentan los principales compresores de
desplazamiento positivo.
2.1.2. Compresor rotativo de lbulos
Este tipo de compresor, que por su baja presin tiene limitadas
aplicaciones dentro de la neumtica, posee dos rotores simtricos en
paralelo, los cuales son sincronizados por engranajes. Es un sistema
simple cuyo funcionamiento es similar al de la bomba de aceite del motor
de un automvil, en el cual se requiere un flujo constante. Posee pocas
-
31
piezas en movimiento, lo que disminuye las prdidas de energa por
friccin.
2.1.3. Compresor rotativo tipo tornillo
Poseen dos tornillos engranados que rotan paralelamente con una luz
mnima y estn sellados por una mezcla de aire y aceite. Son silenciosos,
de tamao reducido, de bajo costo, de fcil mantenimiento, flujo de aire
continuo, volmenes y presiones moderadas.
2.1.4. Compresor rotativo tipo paletas
Su eje gira con alta velocidad mientras la fuerza centrfuga desplaza las
paletas hacia el estator. Un ejemplo es la bomba de la direccin hidrulica
de un vehculo. Es reducido en su tamao, silencioso, con flujo continuo
de aire, buen comportamiento en frio, son sensibles a partculas y de fcil
mantenimiento.
2.1.5. Compresor alternativo tipo pistn
Es semejante al motor de un automvil, que puede ser de efecto simple
para bajas presiones o doble para altas presiones. Los pistones, vlvulas
y cojinetes requieren lubricacin, son de gran tamao, ruidosos, con fluido
intermitente de aire, temperatura de funcionamiento en caliente a 220C,
requiere de un mantenimiento peridico y de alto costo, con muy alta
presin y poco volumen. Dentro de esta categora se pueden encontrar
los compresores de Efecto simple, que se usan normalmente en talleres
de pintura para soplar, para el manejo de herramientas neumticas y el
inflado de neumticos y los de Efecto doble (dplex) son utilizados en
sistemas de altas presiones de compresin de gases.
2.1.6. Compresor dinmico
Los compresores dinmicos imprimen energa cintica al aire mediante la
alta velocidad de rotacin de los impulsores, parte de esta energa se
convierte en presin a la descarga. Es utilizado cuando se requiere
mucho volumen de aire y presin baja, un ejemplo es el ventilador de
alavs utilizado para secado en la industria. Se dividen en radiales y de
flujo axial, ambos tienen una ventaja en comn, el flujo continuo, adems
tienen pocas piezas en movimiento que disminuyen perdidas de energa
por friccin y calentamiento.
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32
2.1.7. Compresor Centrfugo
Este tipo de compresor es similar a una turbina, su funcionamiento est
basado en la compresin de aire por fuerza centrfuga. Consta de aspas
que giran en un solo eje tomando aire o gas por una entrada de mayor
dimetro que se acelera por la fuerza centrfuga y lo vota por una salida
de menor dimetro. El gas o el aire que toma, sale libre de aceites y
contaminantes. Su funcionamiento es en seco. Dentro de los
inconvenientes que presentan este tipo de compresores, se encuentra su
robustez y el alto ruido que generan.
2.1.8. Compresor de flujo axial
En los compresores de flujo axial, el aire fluye en la direccin del eje.
Consta de una serie de aspas mviles ancladas al eje como un abanico y
alabes fijos anclados a la carcasa. Este tipo de compresores pocas veces
es utilizado dentro de la neumtica industrial ya que proporcionan un alto
caudal pero a muy bajas presiones.
2.2. Unidades de Mantenimiento (FRL)
De una buena calidad del aire comprimido depende el buen funcionamiento y duracin
de equipos e instalaciones neumticas. Para lograr este objetivo, el aire se debe
someter a tres operaciones; filtracin, regulacin y lubricacin, esto se logra con el
conjunto FRL que compone la unidad de mantenimiento, formado por un secador, un
filtro, la regulacin de presin prevista por un manmetro, el lubricador y la vlvula de
escape.
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33
Figura 8. Unidad de mantenimiento
4
Cada uno de estos elementos pueden ser visualizados en la Figura 8, los cuales se
encargan de funciones especficas, esto es, el secador; reduce la cantidad de vapor de
agua que se encuentra en el aire, el filtro; somete al aire a un proceso de centrifugado
de modo que las impurezas lquidas o solidas que este contiene, son disparadas contra
las paredes del filtro y se depositan en una cmara, luego el aire pasa a travs de un
cartucho filtrante y se completa el proceso de limpieza. El regulador mantiene una
presin estable de aire en el circuito neumtico la cuales mostrada en el manmetro, el
lubricador; incorpora aceite nebulizado al aire comprimido para evitar la corrosin o la
oxidacin de los componentes del circuito y garantiza el deslizamiento ptimo de partes
mviles, finalmente, la vlvula de escape se encarga de expulsar al exterior el aire
cuando la presin supera el lmite permitido.
2.3. MANMETRO
Instrumento que se utiliza para medicin de presin de fluidos y que procede
determinando diferencias entre la presin del fluido y la presin local. Las presiones
medidas con este instrumento pueden variar y tener distintos rangos. Existen diversos
tipos que sirven para determinar diferentes presiones: Absoluta, Diferencial y Vaco, los
cuales se describen a continuacin.
4 Imagen tomada de Airon Tools, disponible en: http://www.airontools.com/mantenimiento.htm consultado en:
27/Noviembre de 2010.
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2.3.1. Manmetro Bourdon
Instrumento mecnico de medicin compuesto por un tubo de metal
curvado o torcido y de seccin transversal aplanada, uno de los
extremos de dicho tubo permanece cerrado, por tal razn la presin a
medir se aplica al otro extremo. A medida que la presin aumenta este
tubo comienza a tomar forma circular y a enderezarse, lo que es
aprovechado para fijar la aguja y tomar la medicin.
Figura 9. Manmetro de Bourdon5
2.3.2. Manmetro de columna lquida
Consta de una columna lquida empleada en mediciones diferenciales de
las presiones de ambos fluidos.
Figura 10. Manmetro de columna lquida6
5
Imagen tomada de www.leitenberger.de/ dt/001-002_e.htm, disponible en: webdelprofesor.ula.ve/.../manometros.html consultado en: 29/Noviembre de 2010.
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2.3.3. Manmetro de tubo inclinado
Empleado para medir presiones manomtricas inferiores a 250mm de
columna de agua.
Figura 11. Manmetro de tubo inclinado
7
2.4. Vlvulas neumticas
Dentro de los circuitos neumticos, se hace necesario alimentar, descargar los
actuadores, direccionar el flujo de aire, regular el flujo y la presin en el momento
indicado, de acuerdo al control que se quiera ejercer. Todas estas funciones son
realizadas por diversos tipos de vlvulas neumticas.
Segn el tipo de trabajo que realizan, las vlvulas neumticas se clasifican como
vlvulas de control direccional, vlvulas anti retorno, vlvulas reguladoras de presin y
vlvulas reguladoras de caudal. A continuacin se presentan cada una de estas.
2.4.1. Vlvulas de control direccional
Son las vlvulas que dirigen el flujo de aire a travs de los diferentes
conductos del circuito, con el fin de controlar la actuacin y paro de los
cilindros o motores neumticos. Los datos que permiten un completo
conocimiento de estas vlvulas son el nmero de posiciones, el nmero
de vas, la posicin en reposo, el tipo de accionamiento, el tipo de retorno
y el Caudal. A continuacin se explica cada uno de los datos que
describen las vlvulas direccionales.
6 Imagen tomada de www.discoverarmfield.co.uk/data/esp/h12/, consultado en: 29/Noviembre de 2010.
7 Imagen tomada dewww.hellopro.es/HK_instruments-2102-noprofil-..., consultada en: 29/Noviembre de 2010.
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2.4.1.1. Nmero de posiciones
Por simbologa, las vlvulas neumticas estn representadas por
grupos de cuadrados adyacentes que forman un rectngulo. El
nmero de cuadrados determina cuntas posiciones o maniobras
puede realizar la vlvula, es decir los estados que caracterizan a la
vlvula. La informacin acerca del nmero de posiciones se
presenta en la Figura 12.
Figura 12. Numero de posiciones en las vlvulas de vas
2.4.1.2. Nmero de vas
Determina el nmero de conexiones que posee la vlvula. Solo se
cuentan las conexiones en una de las posiciones. Para cada
posicin la vlvula posee el mismo nmero de conexiones, pero
con direcciones de flujo distintas. Son consideradas como vas, las
entradas de aire, conexiones de utilizacin y los escapes.
Un mtodo adecuado para determinar el nmero de vas, consiste
en contar el nmero de veces que los elementos internos tocan el
extremo de un cuadrado o posicin. La Figura 13 muestra como
determinar el nmero de vas.
Figura 13. Nmero de vas
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37
2.4.1.3. Identificacin de los orificios de las vlvulas
La identificacin de los orificios de las vlvulas depende de cada
fabricante, sin embargo se presentan dos tipos de identificacin,
una literal presentada por la norma DIN 24300, y una forma de
identificacin numrica, presentada por la norma ISO1219. La Tabla
3 muestra la identificacin mediante las dos normas.
Accin NORMA DIN 24300 NORMA ISO 1219
Presin p 1
Utilizacin A B C 2 4 6
Escape R S T 3 5 7
Pilotaje X Y Z 10 12 14 Tabla 3. Identificacin de orificios
De la tabla se pueden identificar cada accin como presin;
alimentacin de fuente de aire comprimido, utilizacin; orificios de
utilizacin para diversas vlvulas, escape; drenaje de aire
canalizados o libres y pilotaje; lneas para transmisin de energa
del tipo de comando.
2.4.1.4. Tipo de accionamiento
Las vlvulas requieren de algn tipo de mecanismo, interno o
externo, que realice la conmutacin entre una posicin a otra, con
lo cual se genere el cambio en las direcciones del flujo de aire, de
acuerdo a la aplicacin especfica.
Dentro de los diversos accionamientos pueden distinguirse Los
accionamientos manuales, los accionamientos mecnicos, los
accionamientos neumticos, los elctricos y los combinados.
La Tabla 4 presenta los tipos de accionamiento ms utilizados y la
simbologa que los representa.
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38
GRUPO TIPO DE
ACCIONAMIENTO SIMBOLOGA DESCRIPCIN
MANUAL
Botn
Tambin denominados accionamientos musculares.
Son accionados por el operador del sistema,
proporcionan seguridad y son de amplio uso en
accionamientos o paros de emergencia.
Palanca
Pedal
MECANICO
Pin
Tambin denominadas vlvulas de fin de curso o de
final de carrera. Nacen a partir del avance en
automatizacin, donde se hace til que el
accionamiento se realice mediante el contacto
mecnico con partes mviles de la mquina,
permitiendo as que se ejecute la secuencia sin
necesidad de la intervencin de un operador.
Rodillo
Gatillo
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NEUMTICO
Piloto positivo
En las vlvulas de accionamiento neumtico, la
conmutacin se da mediante el uso de una seal de
aire comprimido, proveniente de otro punto del
circuito. Son de gran utilidad en ambientes
clasificados donde el uso de seales elctricas
constituye un peligro potencial, como lo son las
plantas con solventes, combustibles y explosivos,
entre otras.
En las vlvulas de piloto positivo, se produce la
conmutacin cuando un impulso de presin es
aplicada sobre esta.
En las de piloto negativo se produce la conmutacin
cuando se genera la despresurizacin de los pilotos.
Piloto negativo
Diafragma
ELECTRICO Solenoide
Comnmente llamadas electrovlvulas. En estas, la
conmutacin se da mediante seales elctricas,
provenientes de controladores lgicos programables,
temporizadores, contactores, rels, presostatos,
entre otros. Dentro de sus ventajas se cuenta la
velocidad de respuesta, y la posibilidad de construir
complejas secuencias de control.
COMBINADO
Solenoide y piloto
Este tipo de vlvulas tambin recibe el nombre de
accionamiento por servo pilot, permiten la
conmutacin mediante varios tipos de
accionamientos, siendo til en el caso en que se
produzca una falla en la seal elctrica, en el
momento de probar el circuito sin alimentacin, o en
un paro de emergencia.
Solenoide, botn y piloto
Tabla 4. Accionamientos para vlvulas neumticas
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40
2.4.2. Vlvulas de retencin
Este tipo de vlvulas permiten el paso de aire comprimido en un sentido, y
lo impiden en el sentido contrario. Su principio de funcionamiento se basa
generalmente en la accin de un resorte que mantiene asentado un cono
sobre su tope, en sentido de flujo el aire vence la contrapresin ejercida
por el resorte, permitiendo as el flujo de aire, en el sentido contrario el
resorte mantiene el cono contra el tope, impidiendo su paso.
Figura 14. Vlvula de retencin
2.4.3. Vlvulas de control de flujo
En muchas ocasiones dentro de los circuitos neumticos, se hace
necesario regular el caudal que pasa por cierto trayecto, generalmente
cuando se quiere regular la velocidad de avance o retroceso en un
cilindro, ya que esta es funcin del caudal de alimentacin, o para realizar
funciones de temporizacin neumtica. Las vlvulas utilizadas para tales
fines son denominadas de control de flujo o vlvulas de control de caudal.
A continuacin la Figura 15 presenta el smbolo utilizado para una vlvula
reguladora de caudal unidireccional, con vlvula de retencin para el
sentido contrario al flujo.
Figura 15. Vlvula reguladora de caudal unidireccional
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41
Cuando dentro de un circuito neumtico se requiere controlar la velocidad
de un cilindro, se cuenta con dos tcnicas, regulacin a la entrada y
regulacin a la salida.
2.4.3.1. Regulacin a la entrada
La regulacin a la entrada consiste en restringir el flujo de aire
a la entrada del cilindro, y expulsarlo libremente a la atmosfera.
En este tipo de control se tendr una velocidad poco regular
debido a que depende de la oposicin que genera la carga, por
tanto si la carga fuera retirada, el pistn acelerara sbitamente.
Este tipo de control no es recomendable cuando se traslada
una carga y existen exigencias de velocidad uniforme y valores
de desplazamiento precisos.
Figura 16. Regulacin a la entrada
2.4.3.2. Regulacin a la salida
Cuando se requiere velocidad uniforme y valores de
desplazamiento precisos, es necesario realizar el control
mediante la regulacin del flujo de aire a la salida del cilindro.
Mediante esta tcnica adems de garantizarse un avance
uniforme, no se presentarn aceleraciones abruptas en el
momento en que el cilindro venza la oposicin generada por la
carga, lo que redundar adems en mejores condiciones de
operacin para los componentes del circuito.
-
42
Figura 17. Regulacin a la salida
2.4.4. Vlvulas de presin
Dentro de los circuitos neumticos, se hace necesario ejercer control
sobre la presin de mando y ejecutar secuencias a partir de ciertos
valores de presin, para el logro de tales fines se pueden distinguir los
siguientes tipos de vlvulas de presin:
2.4.4.1. Vlvulas reguladoras de presin
Se denominan vlvulas manorreductoras o vlvulas
reguladoras de presin a las encargadas de mantener
constante una presin de funcionamiento pre-ajustada dentro
de un trayecto en un circuito neumtico. Cuando la presin de
entrada aumenta, la vlvula cierra, bajando su pistn contra el
asiento, permitiendo el escape de la presin excedente a travs
de una serie de orificios. Cuando se alcanza la presin ajustada
el pistn vuelve a subir cerrando los orificios, con lo cual se
mantiene la presin constante. Generalmente las unidades de
mantenimiento traen incluida una vlvula reguladora de
presin, que permite ajustarla en el punto de funcionamiento
que requiera la aplicacin especfica. La Figura 18 presenta el
plano en corte y la simbologa para las vlvulas reguladoras de
presin.
-
43
Figura 18. Vlvulas reguladoras de presin
2.4.4.2. Vlvulas limitadoras de presin
Tambin son denominadas vlvulas de seguridad o de
sobrepresin. Debido a que dentro de los circuitos neumticos
pueden producirse picos de presin momentneos,
generalmente cuando se presentan cargas de oposicin
elevadas y fuera de lo normal, se hace necesario utilizar
vlvulas que limiten la presin a un punto mximo admisible,
para tal fin se cuenta con las vlvulas limitadoras de presin.
2.5. Cilindros neumticos
Las diversas aplicaciones industriales han contribuido al desarrollo de deferentes
cilindros neumticos que proporcionan adaptabilidad y maniobrabilidad en el campo
industrial. Mediante la aplicacin de fuerza generada por la presin de aire se obtiene
el desplazamiento del vstago el cual es aprovechado para la ejecucin de diferentes
aplicaciones.
-
44
2.5.1. Cilindro de simple efecto
Este dispositivo ha sido diseado y fabricado para actuar con una
alimentacin por manguera de aire. El trabajo que realiza cuando el flujo
de aire es inyectado a travs del orificio de entrada, se define como
desplazamiento del vstago. Este convierte la energa aplicada en trabajo
mecnico, el retroceso del mismo es logrado a travs de un fuelle o
resorte calculado especficamente de acuerdo al tamao y longitud de la
carrera del vstago; la carrera del vstago es la longitud expresada en
milmetros del pistn. El trabajo o energa entregado por un cilindro de
simple efecto solo puede ser aprovechado en un solo sentido, ya que el
retroceso del mismo no contiene energa suficiente para su
aprovechamiento. En la Figura 19 puede observarse un cilindro de simple
efecto.
Figura 19. Cilindro de simple efecto
2.5.2. Cilindro de doble efecto
Dispositivo diseado para realizar trabajo mecnico de doble sentido, la
fuerza es obtenida mediante la aplicacin de flujo de aire a travs de las
dos cmaras u orificios de entrada. La carrera del vstago en posicin de
avance es lograda mediante la aplicacin de aire por una de las cmaras,
y el retroceso del mismo cuando se aplica el aire en la otra cmara. Este
cilindro es ideal para realizar trabajos que requieran aplicacin de fuerza
en ambos sentidos. La Figura 20 presenta cada una de las partes que
componen un cilindro neumtico de doble efecto.
-
45
Figura 20. Cilindro de doble efecto
8
2.5.3. Cilindro de doble efecto con amortiguador
La amortiguacin en los cilindros de doble efecto est constituida por una
cmara de aire dentro del dispositivo que permite al pistn un retroceso
controlado permitiendo una amortiguacin al final de la carrera del
vstago, las caractersticas de construccin son similares al cilindro de
doble efecto convencional, con la diferencia que la carrera del vstago en
el retroceso para un cilindro con amortiguacin es menor, debido al
espacio ocupado por la cmara de aire. El plano en corte del cilindro de
doble efecto con amortiguador puede observarse en la Figura 21.
Figura 21. Cilindro de doble efecto con amortiguador
9
2.5.4. Cilindro de doble efecto con doble vstago
Cilindro construido con diseo especial de doble gua que permite la
estabilidad del vstago tanto en el avance como en el retroceso, las
entradas de aire se encuentran ubicadas en cada extremo del cilindro,
adems est provisto de juntas especialmente diseadas para restringir el
acceso de suciedades u otros agentes externos que Puedan interferir con
el correcto desempeo del cilindro, es ideal para aplicaciones que
8 Imagen tomada de http://sitioniche.nichese.com/cilindros-dobles.html. consultada en: 27/Noviembre de 2010.
9 Imagen tomada de http://www.sapiensman.com/neumatica/neumatica7.htm consultada en: 27/Noviembre de
2010.
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46
requieren aplicacin de fuerza en ambos sentidos ya que el vstago se
encuentra reforzado a ambos lados por las dos guas. La Figura 22
permite observar la estructura interna del cilindro de doble vstago.
Figura 22. Cilindro de doble vstago
10
2.5.5. Cilindro de simple efecto telescpico
Construccin mediante camisas huecas que contienen cada una un
cilindro de menor dimetro, su funcionamiento consiste en la extraccin
de cilindros en orden ascendente comenzando por el cilindro de mayor
dimetro y terminando con el ms pequeo, el cual es rgido y compacto,
este tipo de cilindro es ideal para aplicaciones que cuentan con poco
espacio. El principio fsico de funcionamiento es idntico al cilindro de
simple efecto.
2.5.6. Cilindro de embolo
De caractersticas similares al cilindro de simple efecto con retorno por
muelle, el pistn de este cilindro est recubierto con un material plstico
llamado Perbunano, el cual permite un deslizamiento lento del pistn, su
principal ventaja es el frenado instantneo del vstago permitiendo un
agarre rpido y seguro.
2.5.7. Cilindro de membrana
Dispositivo creado con una membrana interna que acta por efecto de la
energa aplicada externamente, desplazando el vstago por rozamiento
por efecto de la dilatacin del material de la membrana, entre los que se
encuentran: el metal, la goma o el plstico. La Figura 23 presenta algunos
de los cilindros de membrana utilizados en la industria.
10
Imagen tomada de http://sitioniche.nichese.com/cilindros-dobles.html.. consultada en 27/Noviembre de 2010.
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47
Figura 23. Cilindro de membrana
11
2.5.8. Cilindros de membrana arrollable
De construccin similar al cilindro de membrana, con la caracterstica
particular de generar menos rozamiento intern de materiales, este
dispositivo acta sobre el vstago desplazndolo completamente
mediante el des arrollamiento de la membrana. La Figura 24 presenta un
diagrama esquemtico del cilindro de membrana arrollable.
Figura 24. Cilindro de membrana arrollable
12
2.5.9. Cilindro tndem
Construido con dos cilindros cada uno de doble efecto, posee dos
mbolos montados sobre un mismo vstago lo que traduce mayor fuerza
aplicada simultneamente a travs de las cmaras de entrada de aire, es
un cilindro ideal para montajes que cuentan con poco espacio y requieren
la aplicacin de fuerzas mayores. En la Figura 25 puede observarse un
diagrama en corte del cilindro tndem.
11
Imagen tomada de http://www.google.com/imgres?imgurl=http://img.directindustry.es/images_di/photo-g/cilindro-de-membrana... Consultada en 29/Noviembre de 2010. 12
Imagen tomada de: http://www.sapiensman.com/neumatica/neumatica7.htm.. Consultada en 29/Noviembre de 2010.
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48
Figura 25. Cilindro Tndem
13
2.6. Ventosas
Son dispositivos fabricados especialmente para el levantamiento de cargas. El material
con el que estn fabricadas proporciona excelente fijacin adems de proteger las
superficies que son transportadas, las cuales pueden presentar diferentes formas y
areas. La eficiencia de operatividad de las ventosas es alcanzada cuando se genera
vaco bajo el rea de est y el contacto con la superficie. Los estudios y pruebas
demuestran que para lograr un trabajo ptimo y seguro con ventosas el ideal de vaco
que se requiere es de 75% de vacio absoluto, lo cual equivale en presin negativa a -
0.75 Kgf/cm. En la Figura 26 se muestran las ventosas estndar, unas de las ms
utilizadas en la industria por su fcil manejo, bajo costo y de fcil reemplazo.
Figura 26. Ventosa estndar
14
13
Imagen tomada de: http://www.sapiensman.com/neumatica/neumatica7.htm.. Consultada en: 29/Noviembre de 2010. 14
Imagen tomada de: Neumtica Industrial Parker [1]_ Parker Hannifin Corporation.
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49
En la Tabla 5 se caracterizan las propiedades de las ventosas determinadas por su
tamao, capacidad o fuerza de levantamiento expresadas en Newton y en Kilogramos
fuerza, para un vaco de 75%.
de Ventosa en mm rea en cm2 Fuerza de Levantamiento
N KgF N KgF
5 0.19 0.69 0.071 0.35 0.036
10 0.78 2.86 0.292 1.43 0.146
15 1.76 6.47 0.66 3.23 0.33
20 3.14 11.54 1.177 5.76 0.588
25 4.90 18.02 1.837 9.00 0.918
30 7.06 25.96 2.647 12.97 1.323
35 9.61 35.34 3.603 17.66 1.801
40 12.56 46.20 4.71 23.05 2.35
45 15.89 58.44 5.958 29.22 2.979
50 19.62 72.17 7.357 36.08 3.678
55 23.74 87.32 8.902 43.66 4.451
60 28.26 103.95 10.595 51.97 5.298
65 33.16 121.98 12.435 60.98 6.217
70 38.46 141.47 14.422 70.73 7.211
75 44.15 162.41 16.556 81.20 8.278
80 50.24 184.82 18.84 92.41 9.42
85 56.71 208.61 21.266 104.30 10.633
90 63.58 233.89 23.842 116.94 11.921
95 70.84 260.60 26.565 130.29 13.282
100 78.54 288.92 29.452 144.46 14.726
120 113.04 415.84 42.39 207.92 21.195
150 176.62 649.73 66.131 324.86 33.116
200 314.00 1155.12 117.75 577.56 58.875
300 706.86 2600.35 265.076 1300.17 132.536 Tabla 5. Clculo de la fuerza en las ventosas
2.7. Sensores Neumticos
La utilizacin de sensores en la industria constituyen un avance en el control y
automatizacin de los procesos, con estos dispositivos es posible obtener informacin
vital y oportuna que facilita el manejo de los sistemas automticos. Los sensores
actan como los rganos de los sentidos para las mquinas, proporcionando mayor
efectividad en la ejecucin de tareas, seguridad y precisin para los procesos. En
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50
general el avance tecnolgico ha permitido a las diferentes disciplinas la
implementacin de sensores especficos que contribuyen enormemente al correcto
desempeo de los dispositivos. A continuacin se presentan los diversos sensores
utilizados dentro de la neumtica.
2.7.1. Presostatos
Dispositivo clasificado como transductor, que convierte una seal
neumtica en una seal elctrica, la cual puede ser direccionada para el
cambio de estado de un motor, electrovlvula o cualquier dispositivo que
responda a la variacin o cambio de potencial.
2.7.2. Captador de umbral de presin
Caracterizado por emitir presin en la salida cuando no existe presin en
la entrada, cumple con la funcin lgica de negacin, activando con la
seal elctrica un relevo, permitiendo diversas aplicaciones.
2.7.3. Captador de fuga
Son sensores utilizados ampliamente como finales de carrera por tener
contacto directo con la pieza, es tambin denominado captador por
obturacin de fuga, en la Figura 27 se puede observar que cuenta con un
estrangulador de aire al ingreso P, en el momento que la fuga est
totalmente cerrada circula aire por la salida A logrando la estabilidad de la
presin interna respecto a la entrada P.
Figura 27. Captador de obturacin de fuga
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51
2.7.4. Detector de paso
El principio de funcionamiento de este sensor de proximidad es la
circulacin de aire continuo enfrentadas ambas toberas, las cuales actan
como emisor-receptor, el aire entregado por cada una de ellas forma una
turbulencia, la cual es interrumpida por el paso o interferencia de un
objeto entre ellas, esta accin permite el cambio de estado de la seal
elctrica convirtiendo en cero lgico la que antes se encontraba en uno
lgico, este cambio de estado es aprovechado para realizar cambios en el
sistema.
Figura 28. Detector de paso
2.7.5. Detector de paso de horquilla
Dispositivo de similar funcionamiento al detector de paso, pero con
diferenciacin en la construccin interna del dispositivo, en este caso el
aire ingresa por P y realiza un recorrido interno hasta la salida x, si en
esta trayectoria no se encuentran obstculos o perturbaciones, aparece
una salida de aire que es interpretada como seal de salida, por el
contrario si encuentra obstculos la seal de salida desaparece, estos
cambios de estado en las seales son aprovechados para conmutar
electrovlvulas, ver la Figura 29 para identificar funcionamiento.
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Figura 29. Detector de paso de horquilla
2.7.6. Detector rflex
En este dispositivo el emisor P y el receptor X tienen las boquillas hacia la
misma direccin y conforman una sola unidad, el aire expulsado por la
tobera emisora es expulsado a la atmosfera, si se presenta una
interrupcin por accin externa se genera una sobrepresin en la tobera
receptora, la cual se encuentra dotada con una restriccin que garantiza
una salida eficaz de la seal, la misma que se utiliza para activar o
desactivar las electrovlvulas. La Figura 30 ilustra el principio de
funcionamiento del detector rflex.
Figura 30. Detector Rflex
2.7.7. Interruptor neumtico de proximidad
Denominado comnmente como barrera neumtica por su estructura de
funcionamiento y construccin, este dispositivo est dotado por una
lengeta interna que permite el paso de aire a travs del conducto P, el
aire fluye libremente cuando la lengeta es atrada por un imn instalado
en el actuador, permitiendo la salida del mismo por el conducto A, esta
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seal debe ser amplificada para que produzca los efectos requeridos de a
cuerdo a la aplicacin.
Figura 31. Interruptor de proximidad
2.8. Accesorios
Dentro del ejercicio de la tcnica neumtica son utilizados diferentes accesorios que
permiten conectar entre s a los cilindros, vlvulas, compresores y dems elementos
que conforman un circuito. A estos accesorios se les denomina racores de tubera. A
continuacin dentro de la Tabla 6 se presentan los accesorios de mayor uso dentro de
las instalaciones neumticas.
Tipo de accesorio Imagen Descripcin
Racor rosca macho
rectocnico rosca
cubierta con PTFE.
Se utiliza para instalar en la misma
direccin desde la rosca hembra y es de
acoplamiento rpido para mayor facilidad
en las conexiones de las mangueras, este
es instalado en los cilindros o vlvulas.
Conector recto.
Se utiliza para realizar la conexin de dos mangueras y realizar extensiones.
Conector cruz.
Se utiliza para derivar lneas diferentes
direccin a 90.Es de acoplamiento rpido
para facilitar las conexiones.
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Racor rosca macho
en L - cilndrico
giratorio con junta
de estancamiento.
Se utiliza para derivar una lnea en la
misma direccin desde la rosca hembra y
en direcciones a 90.
Conector en T.
Se utiliza para derivar una lnea en la
misma