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Actividades propuestas
1.Realiza un listado de circuitos y dispositivos de un taller típico que funcionan empleando el aire comprimido
2.Enumera las máquinas manuales de accionamiento neumático que conoces e indica si necesitan lubricación.
3.Comenta si en la línea de distribución de aire deben haber purgadores de agua. Si tu contestación es afirmativa, explica el motivo.
4.Explica los tratamientos que se realizan al aire comprimido antes de su utilización y los componentes que se emplean.
5.¿Qué es un acumulador de aire y qué función realiza?
Actividades. Evaluación de conocimientos
1.¿Por qué motivo se utilizan los sistemas hidráulicos y neumáticos?
a)La energía neumática presenta un riego de incendio por el oxígeno del aire que está a gran presión.
b)Ambos sistemas amplifican la fuerza aplicada.
c)Está de moda su empleo.
d)Es preferible la energía neumática que la hidráulica porque es más limpia.
2.El sistema neumático:
a)Sólo puede trabajar con aire.
b)Utiliza un gas presurizado para realizar un movimiento mecánico.
c)El movimiento de pistones se efectúa con aire limpio sin aceite y sin humedad.
d)Los gases de elección pueden ser aire, dióxido de carbono, nitrógeno y oxígeno comprimido.
3.Una de las diferencias importantes entre los sistemas neumático e hidráulico es:
a)El sistema hidráulico es capaz de mover cargas ligeras a gran velocidad.
b)El fluido hidráulico debe eliminar la presión en la carga que mueve mediante un resorte.
c)La velocidad de operación en el fluido hidráulico es más alta que en el sistema neumático.
d)Las fuerzas ejercidas con el sistema hidráulico son más altas que en el sistema neumático.
4.El sistema neumático:
a)Es más preciso que el hidráulico.
b)Es más barato de instalar y operar que el hidráulico.
c)El oxígeno que contiene el aire comprimido hace que el sistema neumático tenga un mayor riesgo de incendio que el hidráulico.
d)Las fuerzas ejercidas con el sistema hidráulico son inferiores a las proporcionadas por el sistema neumático.
5.El circuito oleoneumático:
a)Es un sistema de accionamiento que utiliza un fluido especial aceite con aire disuelto.
b)Es un sistema mixto de accionamiento que utiliza la parte neumática para el accionamiento y control y la parte hidráulica para el actuador.
c)Es un sistema mixto de accionamiento que utiliza la parte hidráulica para el accionamiento y control y la parte neumática para el actuador.
d)Todo lo anterior es falso.
6.La central de aire comprimido:
a)Consta de compresor, filtro, lubricador y regulador de presión y una red de tuberías de pendiente positiva para que el agua condensada del aire regrese al compresor.
b)Si alimenta un circuito neumático de instrumentos de control, debe proporcionar aire lubricado con aceite.
c)El aire comprimido que sale directamente del compresor no tiene humedad, ya que sale muy caliente.
d)Dispone de una red de tuberías de distribución con purgadores de condensado y un filtro-manorreductor con lubricador para cada herramienta neumática.
7.Los sistemas hidráulicos tienen las siguientes características:
a)Al utilizar fluidos hidráulicos incompresibles, no dependen de la temperatura de funcionamiento de los mismos.
b)No pueden utilizar PLC (controladores lógicos programables) debido a las excesivas presiones de funcionamiento.
c)No pueden complementarse con dispositivos eléctricos y electrónicos.
d)Nada de lo anterior es cierto.
8.Los sistemas neumáticos tienen las siguientes características:
a)Debido a la complejidad de sus partes internas, son muy caros.
b)Su operación es barata, ya que el aire que utilizan es gratis.
c)Tiene problemas de seguridad, ya que trabajan a altas presiones.
d)Todo lo anterior es falso.
9.Uno de los defectos importantes del sistema neumático es:
a)No permiten obtener velocidades estables debido a la compresibilidad del aire.
b)No pueden utilizarse en aplicaciones que requieren una fuerza elevada.
c)Presentan un riesgo nulo de explosión.
d)Todo lo anterior es cierto.
10.Ventajas y desventajas de los sistemas neumáticos e hidráulicos:
a)La sobrecarga de un circuito neumático es peligrosa.
b)El sistema hidráulico se puede utilizar sin problemas en aplicaciones farmacéuticas y alimenticias.
c)El aire utilizado en los sistemas neumáticos se puede recuperar fácilmente.
d)Todo lo anterior es falso.
2 ACTUADORES NEUMÁTICOS
2.1 Generalidades
Los actuadores neumáticos convierten la energía del aire comprimido en trabajo mecánico generando un movimiento lineal mediante servomotores de diafragma, pistones o cilindros o bien un movimiento giratorio con motores neumáticos.
Fig. 2.1. Servomotores de diafragma, pistones, cilindros y actuadores de movimiento giratorio.
La aplicación principal de los servomotores de diafragma reside en las válvulas de control neumáticas en las que el servomotor está accionado por la señal neumática de 0,2-1 bar (3-15 psi) y actúa directamente sobre un vástago que posiciona el obturador con relación al asiento (Figura 2.1). La posición relativa entre el obturador y el asiento permite que el fluido pase desde un caudal nulo hasta el caudal máximo.
Fig. 2.2. Servomotor y cilindro neumático lineal.
Los cilindros neumáticos de movimiento lineal son utilizados comúnmente en aplicaciones donde la fuerza de empuje del pistón y su desplazamiento son elevados (Figura 2.1). Entre éstos se encuentran los cilindros de simple y doble efecto, el cilindro tándem (dos cilindros de doble efecto que forman una unidad), el de multiposición, el cilindro neumático guiado, el cilindro sin vástago y el cilindro neumático de impacto.
Los actuadores neumáticos de movimiento giratorio pueden ser: cilindro giratorio de pistón-cremallera–piñón y de dos pistones con dos cremalleras en los que el movimiento lineal del pistón es transformado en un movimiento giratorio mediante un conjunto de piñón y cremallera; y cilindro de aletas giratorias de doble efecto para ángulos comprendidos entre 0° y 270°.
Fig. 2.3. Servomotor neumático giratorio.
Los músculos neumáticos (músculos fluidos) son dispositivos que emulan el músculo humano. Consisten en una manguera de material especial que, al ser alimentada con aire, ejerce una gran fuerza de tracción inicial, hasta 10 veces superior a la de un cilindro convencional del mismo diámetro, y con muy poco recorrido. Es de aplicación en ordenadores, robots y máquinas de todo tipo. Es más sencillo que cualquier otro tipo de accionamiento. Se trata de una tecnología de múltiples aplicaciones en la industria.
Fig. 2.4. Músculo neumático.
El motor neumático típico es el de paletas, donde un eje excéntrico dotado de paletas gira a gran velocidad por el aire que llena y vacía las cámaras formadas entre las paletas y el cuerpo del motor.
Fig. 2.5. Motor neumático.
2.2 Servomotor neumático
2.2.1 Generalidades
El servomotor neumático (Figura 2.1a) consiste en un diafragma con resorte que trabaja (con algunas excepciones) entre 0,2-1 bar (3 y 15 psi), es decir, que las posiciones extremas de la válvula corresponden a 0,2-1 bar (3 y 15 psi).
Al aplicar una cierta presión sobre el diafragma, el resorte se comprime de tal modo que el mecanismo empieza a moverse y sigue moviéndose hasta que se llega a un equilibrio entre la fuerza ejercida por la presión del aire sobre el diafragma y la fuerza ejercida por el resorte.
El servomotor puede ser de acción directa o inversa.
Es de acción directa cuando la presión de gobierno actúa en la cámara superior del servomotor, es decir, cuando la fuerza sobre el diafragma es ejercida hacia abajo.
Es de acción inversa cuando la presión de gobierno actúa en la cámara inferior del servomotor, es decir, cuando la fuerza sobre el diafragma es ejercida hacia arriba.
Al acoplar el servomotor a la válvula, los términos aplicables desde el punto de vista de seguridad son: en fallo de aire (o sin aire) la válvula cierra, o en fallo de aire (o sin aire) la válvula abre.
Los cuerpos de las válvulas de control pueden tener dos tipos de acciones. Se dividen en válvulas de acción directa, cuando tienen que bajar para cerrar; e inversa cuando tienen que bajar para abrir (derivado de los grifos domésticos donde al girar el volante a derechas, el vástago baja y la válvula cierra) (Figura 2.6).
Fig. 2.6. Tipos de acciones en las válvulas de control.
Esta misma división se aplica a los servomotores: son de acción directa cuando, aplicando aire, el vástago se mueve hacia abajo; e inversa cuando, al aplicar aire, el vástago se mueve hacia arriba.
Al combinar estas acciones se considera siempre la posición de la válvula sin aire sobre su diafragma, con el resorte manteniendo el diafragma y por tanto la válvula en una de sus posiciones extremas.
Cuando la válvula se cierra al aplicar aire sobre el diafragma o se abre cuando se quita el aire debido a la acción del resorte, se dice que la válvula sin aire abre o aire para cerrar (acción directa).
Al abrir la válvula cuando se aplica aire sobre el diafragma y se cierra por la acción del resorte cuando se quita el aire, se dice que la válvula sin aire cierra o aire para abrir (acción inversa).
Desde el punto de vista de la seguridad, si hay un fallo de aire en la línea la válvula pasa naturalmente a una de sus posiciones extremas, que debe ser la más segura para el proceso. En las válvulas de acción inversa en las que el resorte del servomotor neumático o eléctrico asienta el obturador en el asiento, cerrando así la válvula, es importante consultar las tablas del fabricante para comprobar la presión diferencial máxima con la que la válvula pueda cerrar.
Fig. 2.7. Válvulas de acción directa e inversa. La válvula de acción inversa cierra en caso de fallo del aire sobre el diafragma.
Tabla 2.1. Presión diferencial máxima del fluido para que la válvula de acción inversa cierre. Fuente: Spirax Sarco.
Por ejemplo, en el caso de un intercambiador de calor en el que una alta temperatura sea perjudicial para el producto, interesará que la válvula de control cierre sin aire (válvula neumática).
2.2.2 Fuerzas en el servomotor neumático
Idealmente, con una señal de 0,2 bar (3 psi) la válvula debe estar en la posición 0% de su carrera, y para una señal de 1 bar (15 psi) en la posición 100%. Asimismo, debe existir una proporcionalidad entre las señales intermedias y sus correspondientes posiciones. En la práctica las válvulas de control se desvían de este comportamiento debido a las causas siguientes:
1. Rozamientos en la estopada, es decir, el sello o empaquetadura por donde desliza el vástago y que impide la salida del fluido al exterior.
2. Histéresis y falta de linealidad del resorte.
3. Área efectiva del obturador que varía con la carrera del vástago de la válvula.
4. Esfuerzo en el obturador de la válvula creado por la presión diferencial del fluido.
5. Fuerza adicional del servomotor necesaria para conseguir un cierre efectivo entre el obturador y el asiento (fuerza de asentamiento).
En la válvula existe un equilibrio entre estas diversas fuerzas que viene dado por la siguiente fórmula (Figura 2.8).
Fa ≥ Fr + Fs + Fw + Fb1 ± Fb2 + Fp
En la que:
Fa = Fuerza resultante obtenida por el servomotor, en kg
Fr = Fuerza de rozamiento, en kg
Fs = Fuerza de asentamiento, en kg
Fw = Peso del obturador, en kg
Fb1 = Fuerza elástica del fuelle de estanquidad, en kg
Fb2 = Fuerza de desequilibrio del fuelle de estanquidad, en kg
Fp = Fuerza estática y dinámica sobre el obturador, en kg
La fuerza resultante Fa obtenida por el actuador depende de la acción de la válvula: b)
Fig. 2.8. Fuerzas que actúan en una válvula de control.
En una válvula de acción directa (la válvula abre al aumentar la señal de aire) la fuerza Fa vale:
Fa = Ad x Pa x 1,02 - Fsr = Ad (Pa - F2) x 1,02con Fsr = Ad F2 x 1,02
en la que:
Ad = Área efectiva del diafragma, en cm2
Pa = Presión de aire sobre el diafragma, en bar
Fsr = Fuerza debida a la compresión final del muelle a carrera total, en kg
F2 = Compresión final del muelle a carrera total, en bar
1,02 = Coeficiente para pasar de bar a kg/cm2
En una válvula de acción inversa (la válvula abre con disminución de la señal de aire) es:
Fa = AdFl x 1,02
en la que F1 = Compresión inicial del muelle a carrera cero, en bar.
Los fabricantes de válvulas normalizan los tamaños de los servomotores de acuerdo con el tamaño de los cuerpos de las válvulas donde van montados.
La fuerza de rozamiento Fr en la estopada se produce entre el vástago de la válvula y la empaquetadura y depende del tipo de empaquetadura (teflón, teflón-asbestos, grafito-asbestos, etc.), de su longitud, de la compresión a que está sometida, de la temperatura, de los coeficientes de rozamiento estático y dinámico, del estado de la superficie del vástago, etc. Es prácticamente imposible calcular exactamente estas influencias en una válvula de control. Una regla práctica da los valores siguientes.
| Tipo de empaquetadura | Tamaño válvula | Rozamiento |
| Apriete con resorte | ½” a 11/4 “ | 5 kg |
| 1 ½” a 2½ “ | 10 kg | |
| 3 “ a 12” | 15 kg | |
| Ajuste manual | ½ “ a 1 ¼ “ | 10 kg |
| 1 ½ “ a 2 ½ “ | 20 kg | |
| 3 “ a 12” | 30 kg |
Las válvulas con obturador de movimiento circular y con servomotor de acoplamiento directo con oscilación libre del vástago sólo tienen un rozamiento en la estopada en la superficie en contacto con el árbol de giro del obturador.
La fuerza de asentamiento permite cerrar la válvula y conseguir que la fuga de fluido sea mínima. Su valor depende del grado de mecanización del asiento y del obturador.
La fuerza de asentamiento en kilos equivale aproximadamente a 0,5 veces la circunferencia en centímetros del aro del asiento.
Fs = 0,5 π Ds
en la que:
Fs = Fuerza de asentamiento, en kg
Ds = ∅ interior del asiento, en cm
Varios ejemplos aclararán este estudio al lector.
Ejemplo 1. Determinar la fuerza máxima (P1) del servomotor en una válvula de control de las siguientes características:
Área del diafragma (Ad)= 940 cm2
Campo de trabajo del muelle = 0,4-2 bar
Carrera del servomotor = 51 mm
Válvula de tamaño 2” (50 mm) con obturador en V
Ø interior del asiento = 5,08 cm
Área del asiento (As)= 20,27 cm2
Carrera del obturador = 23,8 mm
Área transversal del vástago (Ast) = 0,97 cm2
Peso del obturador (Fw) = 8 kg
Acción inversa = aire abre
Margen de trabajo del muelle para un recorrido del obturador de 23,8 mm (carrera).
Compresión inicial del muelle (F1): 2 – 0,74 = 1,26 bar
Margen de compresión será: 1,26 – 2 bar
Luego la fuerza del actuador con la válvula en posición de cierre es:
Fa = Ad * F1 = 940 x 1,26 x 1,02 = 1.208 kg
La fuerza de rozamiento es aproximadamente:
Fr = 10 kg (válvulas de 1½” a 2 ½”)
La fuerza de asentamiento es:
Fs = 0,5 * (circunferencia del área del asiento) = 0,5 * π * 5,08 cm = 8 kg
El peso del obturador: Fw = 8 kg
La fuerza estática sobre el obturador:
Fp = (As - Ast) · P1 * 1,02 = (20,27 - 0,97) P1 * 1,02
y finalmente: 1208 kg = Fa ≥ 10 + 8 + 8 + (20,27 - 0,97) P1 x 1,02
Resolviendo esta ecuación P1 = 58,8 bar (60 kg/cm2), es decir, la máxima presión de cierre o la presión de entrada del fluido será de 58,8 bar (60 kg/ cm2).
Ejemplo 2. Válvula de obturador excéntrico rotativo de las siguientes características:
Campo de trabajo del muelle = 0,4 a 1 bar
Carrera del servomotor = 89 mm
Área del servomotor (A) = 89 cm2
Válvula de tamaño 2” (50 mm) con obturador excéntrico rotativo
Diámetro interior del asiento = 5,2 cm
Área del asiento (As) = 21,2 cm2
Área transversal del brazo del obturador (Ast) = 1 cm2
Giro del obturador (α) = 60º
Longitud del brazo del obturador = 5,5 cm
Distancia entre el eje del árbol y el eje del obturador = 1,8 cm
Acción inversa = aire abre (sin aire cierra)
El movimiento lineal del vástago del servomotor equivalente al desplazamiento angular (α) total del obturador es:
5,5 * cos 60º = 5,5 * 0,5 = 2,75 cm
Margen de trabajo del muelle para un recorrido del vástago de 89 mm
La compresión inicial del muelle es: 1 – 0,18 = 0,82 bar
Y el margen de compresión será: 0,82–1 bar
La fuerza del actuador con la válvula en posición de cierre es:
F =(área servomotor) * (compresión inicial muelle) = A x F = 90 x 0,82 x 1,02 = 73,4 kg
Y la fuerza equivalente a nivel del obturador es:
La fuerza estática sobre el obturador es:
Es decir, que la máxima presión de entrada del fluido o de presión diferencial en la posición de cierre del obturador será de 10,4 kg/cm2 (10,2 bar).
2.3 Cilindro neumático de movimiento lineal
2.3.1 Generalidades
El cilindro neumático es un cilindro cerrado con un pistón en su interior que desliza y que transmite su movimiento al exterior mediante un vástago (Figura 2.9). Se compone de las tapas trasera y delantera, de la camisa donde se mueve el pistón, del propio pistón, de las juntas estáticas y dinámicas del pistón y del anillo rascador que limpia el vástago de suciedad.
En el cilindro neumático de doble efecto, el aire a presión entra por el orificio de la cámara trasera y, al llenarla, hace avanzar el vástago, que en su carrera comprime el aire de la cámara delantera que se escapa al exterior a través del correspondiente orificio. En la carrera inversa del vástago se invierte el proceso, penetrando ahora el aire por la cámara delantera y siendo evacuado al exterior por el orificio de la cámara trasera.
Fig. 2.9. Cilindro neumático de simple efecto, doble efecto, guiado, impacto y rotación.
El cilindro neumático de simple efecto funciona de forma similar, exceptuando que la carrera inversa se efectúa gracias a la acción del muelle.
En el cilindro neumático guiado, dos o más vástagos rígidos guiados proporcionan una antirrotación al mecanismo acoplado al cilindro, evitando las fuerzas radiales y de torsión que la carga ejercería en un cilindro normal.
El cilindro neumático de impacto mueve el vástago a gran velocidad (10 m/s) y se utiliza en las prensas para trabajos de embutición, remachado, etc.
El cilindro neumático de rotación proporciona un movimiento de rotación gracias a una cremallera unida al vástago o a un elemento rotativo de paletas (Figura 2.2).
