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INTRODUCCION A LA NEUMATICA
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La rápida evolución de la tecnología y del mercado demanda la disponibilidad de una base amplia y diversificada de conocimientos y aplicaciones. Esto ha llevado a que el manejo industrial de la automatización en Argentina requiera de un número creciente de adeptos y expertos. La formación de los mismos proviene de los diversos sectores de la ingeniería (Eléctrica, Electrónica, Mecánica, Informática, entre otros). En MICRO, a través de los cursos de capacitación, pretendemos crear un espacio de formación y entrenamiento en el área de la automatización industrial, para estudiantes, profesores, operadores, técnicos e ingenieros que decidan completar la propia formación. El diseño del manual está elaborado con criterios eminentemente prácticos, para facilitar un estudio ágil y actualizado de cada uno de los temas. El objetivo de este curso es ofrecer un sistema de aprendizaje dinámico e interactivo de clases teórico-prácticas, en el cual el alumno avance en la especialidad, ejecutando de una forma práctica los conocimientos desarrollados en las clases teóricas. Siempre con una visión real y profesional, para poder aplicarlo a las necesidades de su empresa, tanto en el campo de mantenimiento, como en el de producción. Comenzando con Introducción a la Neumática, el estudiante es guiado a través de los conceptos básicos de la física, hasta los componentes operacionales de la neumática y su típico sistema de aplicación, incorporando así los nuevos conocimientos como parte de un proceso continuo. Esperamos que el curso sea una herramienta que les permita apropiarse significativamente del nuevo saber. Para contribuir al logro de los objetivos reseñados, sus comentarios al final del curso serán de inestimable utilidad. Departamento de Capacitación
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CURSO 021 Introducción a la Neumática 1 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 2 2.0 2.1 2.2 2.3 3 3.0 3.1 3.2 3.3 3.4 4 4.0 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10 4.11 4.12 4.13 4.14 4.15 4.16 4.17 4.18 4.19 4.20 4.21
Conceptos básicos Introducción Participación de la neumática Unidades básicas y derivadas. SI. Definición y conceptualización Sistema internacional Aire comprimido Generación y distribución del aire comprimido Introducción Tipos de compresores Depósito de aire comprimido Distribución de aire comprimido Tratamiento del aire comprimido Introducción Métodos de tratamiento del aire comprimido Tratamiento del aire a la salida del compresor Tratamiento del aire a la salida del depósito Tratamiento del aire comprimido en el punto de utilización Cilindros neumáticos Introducción Actuadores neumáticos Tipo de cilindros neumáticos Amortiguación de fin de carrera Pistón con imán incorporado Microcilindros - Normalización ISO Cilindros reparables Cilindros de impacto Actuadores rotantes neumáticos Actuadores neumáticos a membrana Ejecuciones especiales Actuadores en acero inoxidable Manipuladores y elementos de sujeción de piezas Montaje de cilindros neumáticos Velocidades máxima y mínima de cilindros neumáticos Selección de cilindros neumáticos Verificación por pandeo Carrera máxima de un cilindro neumático Guías para cilindros Consumo de aire en cilindros neumáticos Amortiguadores hidráulicos de choque Recomendaciones para el montaje de cilindros neumáticos
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5 5.0 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 5.10 5.11 6 6.0 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 6.8 7 7. 0 7. 1 7. 2 7. 3 8 8.0 8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 8.6 9 9.0
Válvulas direccionales Introducción Válvulas neumáticas Configuración del símbolo de una válvula Válvulas direccionales. Tipos constructivos de válvulas direccionales Número de vías – número de posiciones (n° de vías / n° de posiciones) Electroválvulas Características de solenoides para electroválvulas Selección de las vías internas de comando Montaje de válvulas Características funcionales de válvulas Dimensionado de válvulas Recomendaciones para el montaje de válvulas direccionales Válvulas auxiliares, componentes para vacío y accesorios Introducción Componentes neumáticos auxiliares de circuito Válvulas de no retorno o de retención Válvula “o” o selectora de circuitos Válvula de escape rápido Válvula “y” o de simultaneidad Válvula de secuencia Vacío Elementos de conexionado Dispositivos hidrodinámicos Introducción Convertidores neumáticos Convertidor ó tanque hidroneumático Cilindro freno auxiliar - hidroregulador Mandos neumáticos Introducción El concepto de mando Las señales de mando La cadena de mando Formas de representación de las fases operativas de una máquina Esquemas circuitales de mando Interpretación de esquemas circuitales de mando. Ejercitación Simbología neumática Simbología neumática normalizada según normas IRAM 4542 e ISO 1219
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1
Conceptos básicos
1.0
Introducción El aire comprimido es una de las formas de energía más antiguas que conoce y utiliza el hombre para reforzar sus recursos físicos. Sabemos que el primero que se ocupó de la neumática, es decir, utilizar el aire comprimido como elemento de trabajo, fue el griego KTESIBIOS. Hace más de dos mil años, construyó una catapulta de aire comprimido. Uno de los primeros libros acerca del empleo de este tipo de energía, procede del siglo I de nuestra era, y describe mecanismos accionados por medio de aire caliente. De los antiguos griegos procede la expresión Pneuma, que designa lo etéreo, lo puro, el alma de los cuatro elementos fundamentales: aire, agua, tierra y fuego. Como derivación de la palabra Pneuma surge, entre otras cosas, el concepto neumática que trata los movimientos y procesos del aire. Aunque los rasgos básicos de la neumática se cuentan entre los más antiguos conocimientos de la humanidad, no fue sino hasta el siglo pasado cuando empezaron a investigarse sistemáticamente su comportamiento y sus reglas. A partir de 1950 podemos hablar de una verdadera aplicación industrial de la neumática en los procesos de fabricación. Es cierto que con anterioridad ya existían algunas aplicaciones y ramos de explotación, como por ejemplo en la minería, en la industria de la construcción y en los ferrocarriles (frenos de aire comprimido) La irrupción verdadera y generalizada de la neumática en la industria no se inició, sin embargo, hasta que llegó a hacerse más acuciante la exigencia de automatizar y racionalizar los procesos de trabajo, para bajar los costos de producción. En la actualidad, todo desarrollo industrial está concebido con aire comprimido, y en consecuencia se utilizan equipos neumáticos.
1.1
Participación de la neumática ¿Cuándo debe usarse la Neumática? El hombre coloca a su servicio la máquina, con el fin de producir una mayor cantidad de productos, con una mejor calidad y un menor esfuerzo físico, reduciendo los riesgos de accidente y los costos de producción. El nivel de automatización dependerá en gran parte del hombre, que está siempre presente en el accionamiento inicial y final del proceso. Automatización: podemos definirla como un conjunto de elementos tecnológicos que realizan una serie de funciones y operaciones sin la intervención del hombre, o con mínima participación. Para operar el conjunto de recursos tecnológicos que origine una automatización, es necesaria la energía. Entre las varias formas energéticas esta la neumática, que constituye el primer paso para transformar la mecanización en automatización. Si bien la utilización de la técnica del aire comprimido como fuente energética es empleada, cada vez más, para la racionalización y automatización, ésta es relativamente cara y podría llegarse a suponer que los costos de producción, acumulación y distribución del aire involucran gastos elevados.
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CONCEPTOS BASICOS
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Esto no es exacto, pues en el cálculo de rentabilidad de una instalación, no sólo debe tomarse en cuenta el costo energético y los gastos de instalación, sino también los ahorros de mano de obra, los gastos de mantenimiento y el aumento de la producción logrado. El resultado final es que el costo energético es despreciable y las inversiones de instalación fácilmente amortizables. El aire comprimido puede utilizarse: a) directamente, como elemento de trabajo; b) para accionamiento de motores, embragues, cilindros o herramientas; c) regulado por medio de válvulas y elementos accesorios, para impulsar una gran variedad de movimientos mecánicos; d) en combinación con equipos oleohidráulicos, para obtener con un coste reducido ciclos de trabajo precisos en bajas velocidades; e) con la electricidad, para accionamientos a larga distancia y para los movimientos rotativos. ¿Cuáles son las propiedades del aire comprimido que han contribuido a su popularidad? • Generación del aire comprimido sin limitaciones ya que la materia prima es sin costo. • Fácil distribución, no precisa recuperación. • Fácil de acumular en tanques o depósitos. • Puede ser utilizado en ambientes explosivos o inflamables. • No interfiere con el medio ambiente. • Los componentes son de costo moderado y de fácil aplicación. • Admite altas velocidades de trabajo, regulación de fuerzas, no tiene problemas por bloqueos o detenciones forzadas por sobrecarga. Para delimitar el campo de utilización de la neumática, es preciso conocer también las propiedades adversas: Compresibilidad: esta característica impide obtener velocidades constantes a resistencias variables. Fuerzas: limitaciones prácticas de aproximadamente 40000 Newton (4000Kg.) en forma directa. 1.2
Unidades Básicas y Derivadas. SI: Definición y conceptualización El sistema SI es derivado del MKS. Unidades frecuentemente empleadas en neumática: Longitud
METRO (m)
Masa
MASA (Kg)
Tiempo
SEGUNDO (Seg.)
Temperatura
NEWTON (N)
Fuerza
NEWTON (N)
Presión
BAR (bar)
Potencia
WATT (W)
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1.3
Sistema Internacional Fuerza: definiremos una Fuerza F (N) a aquella necesaria para mover un cuerpo de masa M (Kg) imprimiéndole una aceleración a (m/s2) en la dirección del movimiento.
Puesto que las fuerzas solamente modifican el estado de movimiento de un cuerpo, para que un cuerpo se mueva no es necesario que actúe sobre él una Fuerza. Las fuerzas sólo son necesarias para poner en movimiento un cuerpo que está inmóvil o para alterar la velocidad de uno que está en movimiento. Un cuerpo en movimiento sobre el que no actúa ninguna fuerza seguirá moviéndose en línea recta y a velocidad constante indefinidamente. Unidad de Fuerza: un Newton es la Fuerza que aplicada a un cuerpo de Masa: 1Kg. le imprime una aceleración de 1m/seg.2
En la práctica puede utilizarse sin mayor error.
Ejemplo En un cilindro neumático, la fuerza desarrollada equivale a la fuerza resistente ofrecida por la carga. Trabajo (L): producimos Trabajo cuando un cuerpo de masa M es desplazado a través de una cierta distancia, por efecto de una fuerza F en la dirección del movimiento. El trabajo efectuado es el producto de la proyección de F en el sentido del movimiento por la distancia recorrida por el cuerpo.
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CONCEPTOS BASICOS
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Ejemplo En un sistema neumático, el trabajo estará dado por la fuerza que ejerce el cilindro multiplicada por la carrera a recorrer del mismo. Presión: es una Fuerza actuante sobre una unidad de superficie.
Fuerza
Superficie
Presión
Donde:
Como el Pascal es una unidad pequeña para el uso de la neumática, en la industria se usa generalmente el bar como unidad derivada, siendo:
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También: 1 bar = 0.981 Kp/cm2 (en la práctica 1bar = 1 Kp/cm2) 1 bar = 14,2 Lb/ Pulg2 Ejemplo En un sistema neumático, la fuerza se aplica por la presión del aire que actúa sobre el área de un pistón en movimiento en un cilindro. A medida que el pistón se mueve, la fuerza neumática actúa a través del largo de la carrera del pistón. Los sistemas neumáticos tratan con tres clases de presión atmosférica: • Presión Atmosférica: al nivel del mar es de 14,7 psi (Lbs/pulg2); la presión es más baja arriba del nivel del mar, y más alta debajo del nivel del mar. Esto también permite que el aire pase a través del filtro de admisión en un compresor, dentro del cilindro cuando el compresor está en la carrera de admisión, y la presión en el cilindro está por debajo de la presión atmosférica. • Presión Relativa: es la que resulta de tomar como referencia (cero de la escala) a la presión absoluta atmosférica. Es la presión que indican los manómetros, también llamada presión manométrica, que es la empleada para el cálculo de fuerza de los cilindros o actuadores neumáticos • Presión absoluta: es la presión resultante de sumar la presión atmosférica (1.013 Kg/cm2) a la presión manométrica.
Temperatura: es la cantidad de energía calórica en tránsito. La temperatura indica la intensidad de calor. En el estudio de los gases, la temperatura es expresada en Kelvin, también conocida como escala de temperatura absoluta. Temperatura absoluta: es aquella que toma como cero de la escala al cero absoluto de la temperatura, correspondiente a –273,16°C. Indicaremos con T a la Temperatura en grados Kelvin o absoluta y con t a la temperatura en grados centígrados o Celsius.
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CONCEPTOS BASICOS
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Masa: es la magnitud que define la cantidad de materia que conforma un cuerpo. Todos los objetos o substancias tienen Masa. La Masa representa la cantidad de materia en un objeto y su inercia o resistencia al ponerse en movimiento. La Masa de un objeto determina su peso en la tierra o en cualquier otro campo gravitatorio. La inercia de un objeto determina la cantidad de fuerza que se requiere para levantar o mover un objeto o para cambiar su velocidad o dirección de movimiento. En el sistema internacional (SI) la unidad de masa es el Kg. Velocidad: es el espacio recorrido en la unidad de tiempo.
Ejemplo Un móvil posee una velocidad de 1m/seg. cuando recorre 1 metro en un tiempo de 1 segundo Equivalencias 1 Km./h
0.28 m/s
1 m/s
3.6 Km./h
Aceleración: es la variación (incremento ó disminución) de la velocidad en la unidad de tiempo.
Unidad: tendremos una aceleración de 1 m/s2 cuando la velocidad (V) aumente a razón de 1m/s por cada segundo transcurrido. Caudal: se llama Caudal o gasto de un fluido, al volumen de fluido que pasa por una sección en la unidad de tiempo. Esta cantidad de fluido podemos expresarla de dos formas, en masa o en volumen. El caudal másico y el caudal volumétrico están relacionados a través de la densidad del fluido, que en el caso de los gases es variable con la presión y la temperatura.
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Leyes Fundamentales de los Gases Perfectos o Ideales Es la ecuación que relaciona entre sí la presión, volumen y temperatura de una masa m de un gas.
Las características esenciales del estado gaseoso son: • Un gas tiende a repartirse uniformemente por el interior del recinto que lo contiene. • La densidad de un gas depende de su presión y temperatura. • La masa de un gas presenta una resistencia prácticamente nula a los esfuerzos de corte. Ecuación de estado de los gases perfectos o ideales
Donde:
Leyes usualmente aplicadas en un Sistema Neumático Las leyes utilizadas en la neumática pueden deducirse de la ecuación general de los gases perfectos Ley de BOYLE MARIOTTE A temperatura constante las presiones ejercidas en una masa gaseosa, son inversamente proporcionales a los volúmenes ocupados.
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CONCEPTOS BASICOS
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Ley de GAY LUSSAC A presión constante el volumen ocupado por un gas es proporcional a su temperatura absoluta. A volumen constante la presión de un gas es proporcional a su temperatura absoluta.
Ley de CHARLES Considerándose un volumen constante, al aumentar la temperatura, aumenta la presión.
RECUERDE que... En las leyes de los gases, la de Boyle, la de Charles y la Gay-Lussac, la masa del gas es fija y una de las tres variables, la temperatura, presión o el volumen, también es constante. Utilizando una nueva ecuación, no solo podemos variar la masa, sino también la temperatura, la presión y el volumen. Aire libre Aire Atmosférico: es un gas incoloro, inodoro e insípido, formado por tres gases principales: Nitrógeno = 78 % Oxígeno = 21 % Hidrógeno = 1% También encontramos en el aire: Monóxido de carbono
Argón
Neón
Óxido Nitroso
Helio
Yodo
Metano
Radón
Dióxido de carbono
Humedad en el aire atmosférico Es sabido que el aire atmosférico contiene una cierta cantidad de humedad en forma de vapor de agua, que dependerá de las condiciones climatológicas. La aptitud del aire atmosférico para retener vapor de agua, está relacionada con la presión y la temperatura ambiente, en especial con esta última, admitiendo más vapor de agua a medida que aumenta su temperatura o se disminuye su presión, e inversamente podría retener menor cantidad de agua a medida que desciende su temperatura o aumenta su presión produciendo condensación.
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Humedad absoluta Se denomina así al peso de agua (en forma de vapor) existente en 1 Kg de aire seco, en cualquier condición de presión y temperatura al momento de efectuar la medición.
Donde:
Humedad relativa Es la relación entre la humedad absoluta existente en el aire y la humedad absoluta máxima que podría contener si estuviera saturado. Una humedad relativa del 100% indica que estamos en presencia de un aire saturado, es decir que ya no admite más humedad (X = Xs)
RECUERDE que... Las cantidades en Nl/min que se dan generalmente en los catálogos para el consumo de aire de las herramientas o equipos neumáticos, se refieren a aire libre por minuto (aire atmosférico a la presión y temperatura normales). Debemos asegurarnos que el dato sobre la capacidad del compresor que da el fabricante esté también referido a aire libre, con el objeto de que exista una correspondencia entre consumo y capacidad. Normalmente, estas dos especificaciones están dadas en el aire libre, y por lo tanto no hace falta ninguna conversión. Sin embargo, cuando se trata del consumo de aire de otros equipos, es posible que no este dado en aire libre; debe recurrirse a la formula para la conversión de litros de aire comprimido a una presión determinada en litros de aire libre, siendo:
Donde:
Ejemplo El aire que ingresa al compresor es aire libre pero cuando se comprime en el cilindro es aire en grado de presión (comprimido)
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CONCEPTOS BASICOS
1.4
Aire comprimido
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¿Qué es el Aire Comprimido? Entiéndase por aire comprimido al aire compactado por medios mecánicos, confinado en un reservorio a una determinada presión. Distintos a los líquidos que son virtualmente incomprensibles, el aire es fácilmente compresible y puede almacenarse en grandes cantidades en recipientes relativamente pequeños. Mientras más se comprima el aire, más alta es su presión. Mientras más alta sea la presión en su recipiente, mayor tiene que ser la resistencia del recipiente. En los sistemas de aire comprimido, el aire aspirado por el compresor entra a la presión y temperatura ambiente con su consiguiente humedad relativa. Entonces se lo comprime a una presión mas elevada lo que produce un calentamiento del aire al grado que toda su humedad pasará por el compresor al ser aspirado. Este aire, ahora comprimido, al ir enfriándose en el depósito y tuberías de distribución hasta igualar la temperatura ambiente, condensara parte de su humedad en forma de gotas de agua. Para determinar la cantidad de condensado en un sistema neumático, puede utilizarse el siguiente gráfico, con ayuda de la formula Donde:
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Cálculo de la fracción de condensados
Ejemplo Calcular la fracción de condensados que se producirá como resultado de la compresión de aire atmosférico a una temperatura ambiente de 20° C y una humedad relativa del 80%, siendo el caudal aspirado por el compresor G = 8 Nm3/min. Suponiendo que el compresor funcione con un porcentaje de tiempo de carga del 75%, lo que implicará que la relación tiempo en carga / tiempo de maniobra = 0,75 = 75% Supondremos que después de comprimido, el aire en él deposito y tuberías adquieren nuevamente la temperatura ambiente. La presión de servicio será de 8 bar. Para presión atmosférica y 20°C se lee Xs = 15 g/Kg. Calculamos el 80% de este valor, resultando: Xsi = 12 g/Kg de aire seco. Para presión efectiva 8 bar y 20°C se lee: Xsf = 1,5 g/Kg de aire seco.
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CONCEPTOS BASICOS
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Aplicando la formula:
Conclusión Parte de este condensado podrá ser separado en depósitos o equipos separadores siendo eliminados por el sistema. Mientras que la otra parte podrá ser arrastrada y transportada en forma de fase líquida o niebla (micro gota) hacia los puntos de utilización y verificación. ¿Cuáles son las fuentes principales de deterioro de los componentes neumáticos? La cantidad de separados y arrastres dependerá de la eficiencia de los equipos de tratamiento de aire incorporados a esa línea. Estas condensaciones juntamente con los condensados de aceites o degradados provenientes del compresor, partículas metálicas producto de su desgaste, así como óxidos metálicos desprendidos de cañerías y polvo atmosférico, serán arrastrados por el flujo de aire hacia los puntos de utilización, constituyéndose en la fuente principal de deterioro de los componentes neumáticos, tales como: • • • • • • • • • •
Corrosión en tuberías metálicas Entorpecimiento de los accionamientos mecánicos Errores de medición en equipos de control Obturación de boquillas de arena Obturación de pistolas de pintura Degradación del poder lubricante de los aceites Oxidación de los órganos internos en equipos receptores Bajo rendimiento de la instalación Atascamiento en válvulas Prematuro desgaste de órganos móviles, etc.
RECUERDE que... El aire comprimido tal como sale del depósito del compresor no es apto para ser utilizado en equipos neumáticos, debiéndose tratar previamente.
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Equivalencia de unidades del sistema SI con el Sistema Técnico Magnitud física
Unidad SI
Sistema Técnico
Equivalencia
Fuerza
Newton (N) =Kgm/s2
Kilopondio (Kp)
1 Kp = 9,81 N
Trabajo
Joule (J) = Nm
Kilopondio x metro (Kpm)
1 Kpm = 9,81 J
Presión
Pascal – bar – N/m2
Atmósfera técnica (at.)
1 at = 1,013 bar = 101.300 Pa = 1,033 Kg/cm2
Potencia
Watt – Kilowatt (Kw)
CV = 75 Kpm/s
1 Kw = 1000 W = 1,035 CV
Temperatura
°Kelvin
Celsius (°C)
T (°K) = t (°C) + 273,16
Superficie
Metro cuadrado(m2)
Metro cuadrado (m2)
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Caudal
M3/s
M3/s
-------------------
Volumen
M3
M3
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Longitud
Metro (m)
Metro (m)
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2
Generación y distribución del aire comprimido
2.0
Introducción Para producir aire comprimido se utilizan compresores que elevan la presión del aire al valor de trabajo deseado. Los mecanismos y mandos neumáticos se alimentan desde una estación central. El aire comprimido proviene del compresor y llega a las instalaciones (demanda), a través de tuberías. Los compresores móviles se utilizan en el ramo de la construcción o en máquinas que se desplazan frecuentemente.
2.1
Tipos de compresores Según las exigencias referentes a la presión de trabajo y al caudal de suministro, se pueden emplear diversos tipos de construcción. Se distinguen dos tipos básicos de compresores: • El primero trabaja según el principio de desplazamiento: la compresión se obtiene por la admisión del aire en un recinto hermético, donde se reduce luego el volumen. Se utiliza en el compresor de émbolo oscilante o rotativo. • El otro trabaja según el principio de la dinámica de los fluidos: el aire es aspirado por un lado y comprimido como consecuencia de la aceleración de la masa de aire en la turbina.
A PISTÓN ALTE RNATIVO A MEMB RANA
DESPLAZAMIENTO FIJO A PALETAS ROTATIVOS
TIPOS DE
A TOR N I LLO
COMPRESORES ROOTS
DESPLAZAMIENTO
RADIAL
VARIABLE (TU RBOCOMPR ESORES)
AXIAL
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¿Cuáles son los aspectos significativos en la selección de un compresor? • • • • • • • • • •
Caudal de desplazamiento dado generalmente en m3/min. Temperatura de descarga del aire comprimido. Nivel de presión de funcionamiento del compresor. Elevación de la instalación (altitud) Rango de admisión de temperatura / humedad. Agua / aire de enfriamiento disponible. Tipo de impulsión (eléctrica, turbina, motores) Condiciones atmosféricas (corrosivas, polvorientas, húmedas) Condiciones de descargas (sin aceite, refrigerada, seca) Accesorios - controles de arranques y capacidad, filtros, controles de seguridad.
Clasificación de los compresores más usuales Según el sistema de compresión, los compresores se agrupan en las siguientes familias: • Compresores alternativos - Pistón - Membrana • Compresores rotativos - Tornillo - Centrífugos 2.1.1
Compresores alternativos Son aquellos que vinculan movimientos lineales en la trayectoria de un pistón o una membrana, a los cambios de presión que se produce según lo expuesto en las Leyes de los Gases. Pertenece a la familia de compresores fijo o positivo.
2.1.1.1
Compresores a pistón Son los de uso más difundido, en donde la compresión se efectúa por el movimiento alternativo de un pistón. En la carrera descendente se abre la válvula de admisión automática y el cilindro se llena de aire, para luego en la carrera ascendente comprimirlo, saliendo así por la válvula de descarga. Una simple etapa de compresión como la descripta, no permitirá obtener presiones elevadas con un rendimiento aceptable. Por lo tanto, es necesario recurrir a dos o más etapas de compresión, en donde el aire comprimido a baja presión de una primera etapa (3 - 4 bar) llamada de baja, es vuelto a comprimir en otro cilindro en una segunda etapa llamada de alta, hasta la presión final de utilización. Puesto que la compresión produce una cierta cantidad de calor, será necesario refrigerar el aire entre las etapas para obtener una temperatura final de compresión más baja y con rendimiento superior. La refrigeración de estos compresores se realiza por aire o por agua, dependiendo del tipo de compresor y su presión de trabajo. El cilindro de alta es de diámetro más reducido que el de baja, debido a que éste toma el aire ya comprimido por el de baja, y por lo tanto ocupará menos volumen. Para presiones superiores será necesario recurrir a varias etapas de compresión. Una buena rentabilidad del equipo compresor se obtendrá trabajando en los siguientes rangos de presión, de acuerdo al número de etapas, considerando un servicio continuo:
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GENERACIÓN Y DISTRIBUCIÓN DEL AIRE COMPRIMIDO
Hasta 3 - 4 bar
1 etapa
Hasta 8 - 10 bar
2 etapas
Más de 10 bar
3 etapas o más
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RECUERDE que... Los compresores a pistón se usan ampliamente para los sistemas de fuerza neumática, como consecuencia de sus ventajas generales de buenas relaciones de compresión, variedad de tamaño, alta eficiencia, bajo costos de operación, altos pies cúbicos por minuto por caballo de fuerza, y debido al hecho de que pueden pararse o descargarse completamente cuando se necesita capacidad. 2.1.1.2
Compresores a membrana Consisten en una membrana accionada por una biela montada sobre un eje motor excéntrico: de este modo se obtendrá un movimiento de vaivén de la membrana con la consiguiente variación del volumen de la cámara de compresión, en donde se encuentran alojadas las válvulas de admisión y descarga, accionadas automáticamente por la acción del aire. Permiten la producción de aire comprimido absolutamente exento de aceite, puesto que el mismo no entra en contacto con el mecanismo de accionamiento, y en consecuencia el aire presenta gran pureza. Utilizados en medicina y en ciertos procesos químicos donde se requiera aire sin vestigios de aceite y de gran pureza. En general, no son utilizados por el rubro industrial.
2.1.2
Compresores rotativos También llamados multialetas o de émbolos rotativos. Constan de una carcasa cilíndrica en cuyo interior va un rotor montado excéntricamente, de modo de rozar casi por un lado la pared de la carcasa, formando así del lado opuesto una cámara de trabajo en forma de medialuna. Esta cámara queda dividida en secciones, por un conjunto de paletas deslizantes alojadas en ranuras radiales del rotor.
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Al girar este último, el volumen de las secciones varía desde un máximo a un mínimo, produciéndose la aspiración, compresión y expulsión del aire sin necesidad de válvula alguna. Este tipo de compresor es muy adecuado para los casos en que no es problema la presencia de aceite en el aire comprimido, fabricándose unidades de aire hasta 6000 Nm3/h de capacidad y hasta una presión de 8 bar en una sola etapa y 30 bar en dos etapas con refrigeración intermedia. Otra forma es sustituir la refrigeración mediante inyección de aceite, que actúa durante todo el proceso de compresión. Dicho aceite absorbe una parte considerable de calor de compresión, de manera tal que aún para presiones de salida de 8 bar no se alcanzan temperaturas superiores a los 90°C en la mezcla aire – aceite. Este último es extraído haciendo pasar la mezcla por separadores especiales y luego de refrigerado es inyectado nuevamente. De requerirse aire exento de aceite, las paletas deben ser hechas de materiales autolubricantes, tipo teflón o de grafito. Alcanzan una vida útil de 35000 a 400000 Hs. de funcionamiento dado el escaso desgaste de los órganos móviles (paletas) por la abundante presencia de aceite. Este tipo de compresores suministra un flujo casi sin pulsaciones y en forma continua utilizando un depósito de dimensiones reducidas que actúa de separador de aceite. 2.1.2.1
Compresores a tornillo También llamados compresores helicoidales. La compresión en estas máquinas es efectuada por dos rotores helicoidales, uno macho y el otro hembra que son prácticamente dos tornillos engranados entre si y contenidos en una carcasa dentro de la cual giran. El macho es un tornillo de 4 entradas y la hembra de 6. El macho cumple prácticamente la misma función que el pistón en un compresor alternativo y la hembra la del cilindro. En su rotación, los lóbulos del macho se introducen en los huecos de la hembra, desplazando el aire axialmente, disminuyendo su volumen y, por consiguiente, aumentando su presión. Los lóbulos se llenan de aire por un lado y descargan por el otro en sentido axial. Los dos rotores no entran en contacto entre si, de modo tal que tanto el desgaste como la lubricación resultan mínimos. Esto se logra a través de un juego de ruedas dentadas que mantiene el sincronismo de giro de los rotores y evita que éstos presionen unos contra otros, asegurándose la estanqueidad necesaria por la estrecha tolerancia de los juegos que existen entre ellos y la de éstos con la carcasa. La refrigeración y lubricación (no necesaria en el rotor) y una mejor hermeticidad se logran por inyección de aceite en la compresión, que luego será separado del aire comprimido en separadores, al igual que en los compresores de paletas. Se construyen de 1, 2 o más escalones de compresión y entregan un flujo casi continuo, por lo que las dimensiones del depósito son reducidas, cumpliendo más bien funciones de colector y separador de aceite que de acumulador. El campo de aplicación de éstos va desde 600 a 40000 m3/h y se logran presiones de hasta 25 bar.
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GENERACIÓN Y DISTRIBUCIÓN DEL AIRE COMPRIMIDO
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RECUERDE que... Los compresores a tornillo se prefieren usualmente cuando son requeridas condiciones de caudal y presión sin mayores fluctuaciones y una mejor calidad de aire en la salida, por ser su temperatura de salida menor y con menor cantidad de contaminantes sólidos y líquidos. 2.1.2.2
Compresores Roots Son también conocidos con el nombre de lóbulo o soplante. Transportan solamente el volumen de aire aspirado del lado de aspiración al de compresión, sin comprimirlo en este recorrido. No hay reducción de volumen y por lo tanto tampoco aumento de presión. El volumen que llega a la boca de descarga, todavía con la presión de aspiración, se mezcla con el aire ya comprimido de la tubería de descarga y se introduce en la cámara, llegando ésta a la presión máxima siendo luego expulsado. Un juego de engranajes acciona los rotores en forma sincrónica y evita que se rocen entre si. Resultan apropiados cuando se requiere aire comprimido a bajas presiones completamente libre de rastros de lubricante. Sólo se alcanzan presiones no muy superiores a los 1,5 bar y por tal razón su uso es restringido en aplicaciones neumáticas.
2.1.2.3
Compresores a Paleta El aire penetra en la carcasa del compresor, a través de un deflector acústico y accede al compresor mediante un filtro de aire. El aire es mezclado con aceite de lubricación antes de entrar en el estator. Dentro de éste, un rotor rasurado simple con seis paletas gira rozando éstas por el interior del estator, atrapando sucesivas cámaras de aire, las cuales son progresivamente comprimidas durante el giro debido a la excentricidad entre el rotor y es estator. El aceite es inyectado dentro del estator para enfriarlo, estanqueizar y lubricar las paletas. Luego, el aire pasa a través de un deflector mecánico que separa el aceite. Este aceite es recogido y enfriado en el cambiador de calor a una temperatura controlada y luego será filtrado antes de su reinyección dentro del estator para lubricar el rotor, las paletas y los rodamientos. El aire que sale del separador es enfriado en un cambiador integral antes de salir del compresor. El caudal de salida de estos compresores es regulado de acuerdo con la demanda, por medio de una válvula de control de admisión, y una válvula de control reduce la presión cuando el compresor marcha en vacío.
2.1.3
Turbocompresores Funcionan según el principio de la dinámica de los fluidos, en donde el aumento de presión no se obtiene a través del desplazamiento y reducción de volumen, sino por efectos dinámicos del aire. Son muy apropiados para grandes caudales. Se fabrican de tipo radial y axial. El aire se pone en circulación por medio de una o varias ruedas de turbina. Esta energía cinética se convierte en una energía elástica de compresión.
< 26
MICRO
2.1.3.1
Turbocompresores radiales Funcionan bajo el principio de la compresión del aire por fuerza centrífuga y constan de un rotor centrífugo que gira dentro de una cámara espiral, tomando el aire en sentido axial y arrojándolo a gran velocidad en sentido radial. La fuerza centrífuga que actúa sobre el aire lo comprime contra la cámara de compresión. Pueden ser de una o de varias etapas de compresión consecutivas, alcanzándose presiones de 8 bar y caudales entre 10.000 y 200.000 Nm3/h. Son máquinas de alta velocidad, siendo ésta un factor fundamental en el funcionamiento, ya que está basado en principios dinámicos, siendo la velocidad de rotación del orden de las 15.000 a 20.000 r.p.m. y aún más.
2.1.3.2
Turbocompresores axiales Se basan en el principio de la compresión axial y consisten en una serie de rodetes consecutivos con alabes que comprimen el aire. Se construyen hasta de 20 etapas de compresión (20 rodetes) El campo de aplicación de este tipo de compresor alcanza caudales desde los 20000’ a 50000 Nm3/h y presiones de 5 bar, raramente utilizados en neumática Industrial. RECUERDE que... Debido a su suministro de gran cantidad de m3/min. y baja presión, la mayoría de los compresores de flujo axial están limitados a aplicaciones para procesar aire. No son de uso común en la industria.
2.2
Depósito de aire comprimido El acumulador o depósito tiene la función de estabilizar el suministro de aire comprimido. Compensa las oscilaciones de presión en la red de tuberías, a medida que se consume aire comprimido. Gracias a la gran superficie del acumulador, el aire se refrigera adicionalmente. Por este motivo, en el acumulador se desprende directamente una parte de la humedad del aire en forma de agua. VÁLVU LA D E C I E R R E VÁLVU LA LI M ITAD O R A D E P R ES IÓN TE R MÓM ETR O MANÓM ETR O
C O M P U E RTA
VÁLVU LA D E VAC IAD O D E AG UA
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2
GENERACIÓN Y DISTRIBUCIÓN DEL AIRE COMPRIMIDO
27
¿Cuáles son las funciones principales del depósito o acumulador? • Obtener una considerable acumulación de energía, para afrontar picos de consumo que superen la capacidad del compresor. • Contribuir al enfriamiento del aire comprimido y la disminución de su velocidad, actuando así como separador de condensado y aceite proveniente del compresor. • Amortiguar las pulsaciones originadas en los compresores, sobre todo en los alternativos. • Permitir la regulación del compresor compensando las diferencias entre el caudal generado y el consumido, los cuales normalmente son diferentes. Su capacidad dependerá de... • Las características de la demanda del aire en la red. Esta puede ser constante, intermitente o instantánea. • Del sistema de regulación que tenga el compresor. Esto determina el número máximo de maniobras horarias “Z”: normalmente 10 cuando es por marcha y parada, 60 o más cuando es por carga y vacío. • De la amplitud del rango de presiones, dentro del cual regula el compresor (∆p de regulación): normalmente 0,8 - 1 bar con regulación por marcha y parada y 0,3 – 0,5 bar con regulación por carga y vacío.
El ábaco siguiente permite calcular el volumen del depósito, con el dato del ∆ P de regulación, el caudal de compresor y el número de maniobras horarias en un servicio intermitente.
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MICRO
¿Cómo se utiliza? Desde el dato del caudal del compresor se intercepta la diagonal del ∆P de regulación, y desde ese punto se levanta una recta auxiliar que intercepte la otra diagonal del número de maniobras horarias Z. Ahora desde ese punto, se podrá obtener el dato del volumen del acumulador, para un servicio de tipo intermitente. 2.2.1
Particularidades constructivas El depósito debe: • Ubicarse en un lugar fresco, lo más cerca posible del compresor, preferentemente fuera del edificio donde pueda disipar parte del calor producido en la compresión. • Ser firmemente anclado al piso, para evitar vibraciones debidas a las pulsaciones del aire. Los accesorios mínimos que deberán incluir son: • Válvulas de seguridad • Manómetro • Grifo de purga Válvulas de seguridad – Manómetro – Grifo o Válvula de purga La válvula de seguridad debe ser regulada a no más del 10% por encima de la presión de trabajo y deberá poder descargar el total del caudal generado por el compresor. Deberá contar además, con un dispositivo de accionamiento manual para probar periódicamente su funcionamiento. Cuando el tanque se instala en el exterior y existe peligro de temperatura por debajo de 0°C, el manómetro y la válvula de seguridad, deben conectarse con tuberías para ubicarlos en el interior. Estas tuberías deben tener pendiente hacia el depósito para que sean autodrenantes. Las cañerías para el control (regulación) deben ser conectadas al depósito en un punto donde el aire sea lo mas seco posible. Es importante que esté provista de un filtro con válvula de purga, para permitir drenar el agua y aceite acumulado y asegurar un perfecto funcionamiento del sistema de regulación. Instale un regulador de presión que permita independizar la presión de trabajo del compresor de aquella con que operan los sistemas de regulación (normalmente 4 – 6 bar) En algunas instalaciones el Presostato de regulación y la electroválvula que comanda el dispositivo de regulación (abre válvulas), se ubican cerca del depósito, en otros casos, estos elementos forman parte de un tablero de control general. Cuando se coloque una válvula de cierre en algunas de estas cañerías, deberá tenerse especial cuidado de que el compresor esté desconectado mientras la válvula esté cerrada. Se debe tener presente que el depósito constituye un elemento sometido a presión y por lo tanto existen regulaciones oficiales respecto a sus características constructivas. Además, existen normas y códigos que regulan su cálculo, diseño, fabricación y ensayos.
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GENERACIÓN Y DISTRIBUCIÓN DEL AIRE COMPRIMIDO
29
RECUERDE que... Nunca instale válvulas de bloqueo entre el depósito y la válvula de seguridad, pues lo prohíben los reglamentos. En los tamaños pequeños la inspección se realizará por medio de una simple boca bridada de 100 a 150 mm de diámetro, en los tamaños mayores estas bocas serán del tipo entrada de hombre (460 a 508mm) 2.2.1.2
Determinación de la capacidad de los compresores La capacidad de los mismos puede determinarse aplicando el siguiente procedimiento: 1. Determinar el consumo específico de todas las herramientas o equipos de la
planta que consuman aire comprimido en Nm3/min. 2. Multiplicar dichos consumos por el coeficiente de utilización individual, que es el
tiempo del equipo funcionando con relación al tiempo total de un ciclo completo de trabajo o el porcentaje del tiempo de utilización sobre una hora de trabajo. 3. Sumar dichos resultados. 4. Agregar entre un 5 a un 10% del valor computado en 3), para totalizar las pérdidas por fugas en el sistema. 5. Adicionar un cierto porcentaje para contemplar las futuras ampliaciones, esto es muy importante, ya que de otra manera las disponibilidades del sistema serían ampliamente superadas. El resultado así obtenido (Qn) deberá ser cubierto por la capacidad del o de los compresores (Qc), que si bien podrían llegar a funcionar con un coeficiente de demanda del 100%, esto implicaría la marcha continua del compresor. Por lo tanto, elegiremos el mismo para un coeficiente de demanda del 80%, obteniendo la capacidad del compresor dividiendo el valor de Qn antes hallado por el valor 0,8 (80%), resultando:
Si se desea una elección más conservadora, puede realizarse el cálculo con un coeficiente de demanda del 70%, resultando:
2.3
Distribución del aire comprimido
2.3.1
Redes de distribución Cada máquina y mecanismo necesita una determinada cantidad de aire, siendo abastecido por un compresor, a través de una red de tuberías. El trazado de ésta se realizará considerando: • • • •
Ubicación de los puntos de consumo. Ubicación de las máquinas. Configuración del edificio. Actividades dentro de la planta industrial.
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MICRO
Y teniendo en cuenta los siguientes principios: • Trazar la tubería de modo de elegir los recorridos mas cortos y tratando que en general sea lo más recta posible, evitando los cambios bruscos de dirección, las reducciones de sección, las curvas, piezas en T, etc., con el objeto de producir una menor pérdida de carga. • En lo posible tratar que el montaje de la misma sea aéreo, esto facilita la inspección y el mantenimiento. Evitar las tuberías subterráneas, pues no son prácticas en ningún sentido. • En el montaje contemplar que puedan desarrollarse variaciones de longitud producidas por dilatación térmica, sin deformación ni tensiones. • Evitar que la tubería se entremezcle con conducciones eléctricas, de vapor, gas u otras. • Dimensionar generosamente las mismas, para atender una futura demanda sin excesiva pérdida de carga. • Inclinar las tuberías ligeramente (3%) en el sentido del flujo de aire y colocar en los extremos bajos ramales de bajada con purga manual o automática. Esto evita la acumulación de condensado en las líneas. • Colocar válvulas de paso en los ramales principales y secundarios. Esto facilita la reparación y mantenimiento, sin poner fuera de servicio toda la instalación. • Las tomas de aire de servicio o bajantes nunca deben hacerse desde la parte inferior de la tubería, sino por la parte superior a fin de evitar que los condensados puedan ser recogidos por éstas y llevados a los equipos neumáticos conectados a la misma. • Las tomas y conexiones en las bajantes se realizarán lateralmente colocando en su parte inferior un grifo de purga o un drenaje automático o semiautomático según corresponda. • Atender a las necesidades de tratamiento del aire, viendo si es necesario un secado total o sólo parcial del aire. • Prever la utilización de filtros, reguladores y lubricadores (FRL) en las tomas de servicio. Considerando los puntos antes mencionados, el tendido de la red podrá hacerse según dos disposiciones diferentes: • En circuito cerrado, cuando se le haga tratamiento de secado al aire del compresor. • En circuito abierto, cuando no se haga tal tratamiento. Debemos tener en cuenta que cuando el circuito es cerrado, la pendiente en los conductos es nula, puesto que es incierto el sentido de circulación, ya que éste dependerá de los consumos y por lo tanto la pendiente carece de sentido. Por tal razón, sólo se utiliza el circuito cerrado cuando se trata el aire a la salida del compresor con equipos secadores, según veremos más adelante. RECUERDE que... El diámetro de las tuberías debe elegirse de manera que si el consumo aumenta, la pérdida de presión entre el depósito y el punto de demanda no debería superar el 3% de la presión del depósito. Si la caída de presión excede de este valor, la rentabilidad del sistema estará amenazada y el rendimiento disminuirá considerablemente. En la planificación de instalaciones nuevas, debe preverse una futura ampliación de la demanda de aire, por ende deberán dimensionarse generosamente las tuberías. El montaje posterior de una red más importante supone costos aún más importantes.
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2
GENERACIÓN Y DISTRIBUCIÓN DEL AIRE COMPRIMIDO
2.3.2
Cálculo de las tuberías
31
Tubería principal: Es aquella que sale del depósito y conduce la totalidad del caudal de aire comprimido. Velocidad máxima recomendada = 8 m/seg. Tubería secundaria: Son aquellas que se derivan de la principal, se distribuyen por las áreas de trabajo y de la cual se desprenden las tuberías de servicio. Velocidad máxima recomendada = 10 a 15 m/seg. Tuberías de servicio: Se desprenden de las secundarias y son las que alimentan a los equipos neumáticos. Velocidad máxima recomendada = 15 a 20 m/seg. Para su cálculo será necesario tener en cuenta: • La presión de servicio. • El caudal en Nm3/min. Pérdida de carga: es una pérdida de energía que se va originando en el aire comprimido, ante los diferentes obstáculos que se presentan en su recorrido hacia los puntos de utilización. La pérdida de carga o pérdida de presión se origina de dos maneras: • En tramos rectos, producida por el rozamiento del aire comprimido contra las paredes del tubo. • En accesorios, originada en curvas, T, válvulas, etc. de la tubería. La primera puede ser calculada con la siguiente fórmula:
Donde:
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MICRO
G
β
G
β
G
β
G
β
10
2.03
100
1.45
1000
1.03
10000
0.73
15
1.92
150
1.36
1500
0.97
15000
0.69
25
1.78
250
1.26
2500
0.90
25000
0.64
40
1.66
400
1.18
4000
0.84
40000
0.595
65
1.54
650
1.10
6500
0.78
65000
0.555
Con la fórmula anterior se puede calcular, si no es conocido, el diámetro de la tubería, definiendo una pérdida de carga admisible. Dicha fórmula se encuentra resuelta en el siguiente gráfico:
La segunda la evaluamos a través del concepto de longitud equivalente. Es decir, igualamos la pérdida en el accesorio con la pérdida de carga producida en un tramo de cañería de longitud igual a la longitud equivalente del accesorio. Esta longitud deberá ser sumada a la longitud original (L) del tramo recto.
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2
GENERACIÓN Y DISTRIBUCIÓN DEL AIRE COMPRIMIDO
33
La tabla siguiente muestra la longitud equivalente de diversos accesorios de cañerías en función del diámetro. Pérdidas de carga por fricción en accesorios de tuberías Valores equivalentes en metros de cañería recta Cálculos de cañerías Elemento intercalado en tuberías
2.3.2.1
_”
3/8”
_”
_”
1”
1 _”
1 _”
2”
Válvula esclusa (Tot. Abierta)
0.09
0.09
0.1
0.13
0.17
0.22
0.26
0.33
T de paso recto
0.15
0.15
0.21
0.33
0.45
0.54
0.67
0.91
T paso a derivación
0.76
0.76
1
1.26
1.61
2.13
2.46
3.16
Curva de 90°
0.42
0.42
0.52
0.64
0.79
1.06
1.24
1.58
Curva de 45°
0.15
0.15
0.23
0.29
0.37
0.48
0.57
0.73
Válvula globo (Tot. Abierta)
4.26
4.26
5.66
7.04
8.96
11.76
13.77
17.67
Válvula angular (Tot. Abierta)
2.43
2.43
2.83
3.50
4.48
5.88
6.88
8.83
Ejemplos ¿Cuál es el diámetro de un tramo recto de cañería de 100m de longitud por el que circulan 3 Nm3/min. a 7 bar, siendo la pérdida de carga admisible en ese tramo del 3%? Cálculo del ∆p
La pérdida de carga por unidad de longitud será
Entrando al gráfico por su parte superior con P1= 7bar, trazamos una vertical hasta interceptarlo con una horizontal proveniente de la escala de caudales de la derecha con Q = 3 Nm3/min. (punto A en el diagrama) Por dicho punto trazamos una paralela a las líneas oblicuas hasta interceptarla con la vertical levantada desde el valor de la pérdida de carga por unidad de longitud ∆p = 0,0021 bar/m (punto B del diagrama) Proyectando dicho punto hacia la escala de la izquierda obtenemos en ella el diámetro de la cañería que será de 1_”.
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Supongamos que la misma cañería no fuera recta y tuviera ahora montados accesorios como ser 1válvula esclusa abierta, 7 curvas a 90°, y una T en derivación. Con el valor del diámetro de la tubería calculamos las longitudes equivalentes de los accesorios.
Longitud total a considerar ahora
Con lo que la pérdida de carga total resultará:
Como vemos este incremento de pérdida de carga producida en accesorios es pequeña, cuando se trata de cañerías de gran longitud y el número de los accesorios no es muy grande. Consideremos ahora el mismo caudal circulante y la misma presión, pero para una cañería de 10 m con la misma pérdida de carga total, ∆p = 0,21 bar La pérdida de carga por unidad de longitud será:
Yendo al gráfico vemos que corresponde a una cañería de Ø = 3/4” Considerando ahora los mismos accesorios:
<
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2
GENERACIÓN Y DISTRIBUCIÓN DEL AIRE COMPRIMIDO
35
Longitud total a considerar ahora:
Con lo que la pérdida de carga total resultará:
Como resultado tendremos un aumento de la pérdida de carga del 60% aproximadamente, con lo que verificamos que la influencia sobre las pérdidas de carga en accesorios es realmente notable en cañerías cortas, aún no siendo el número de éstos excesivamente grande. 2.3.2.2
Disposición de tuberías en Instalaciones neumáticas con redes de aire de conexión instantánea Están compuestas de tuberías de aluminio laqueado, para obtener un aire limpio y de calidad, así como una conexión segura. En general, no se requiere mano de obra especializada. Facilita la prevención y ausencia de costos por paradas de máquina, producto de la degradación de otras tuberías de materiales diferentes. Además, una vez realizado el tendido no es una instalación rígida, sino de fácil reciclabilidad. La pérdida de carga es mínima en estas cañerías, siendo esto un factor de importancia que sumado a la ausencia de fugas de la instalación suponen una disminución de costos importantes, desde el punto de vista de la generación del aire comprimido.
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MICRO
Principio de funcionamiento: conexión instantánea con arandela de sujeción Ø 16,5 mm – 25 mm. – 40mm.
arandela de sujeción
introducir el tubo en el racor
conexión realizada
Fluidos utilizables: • Aire comprimido (seco, húmedo y lubrificado) • Vacío • Gases neutros: argón-nitrógeno Presión de servicio: • De 13 mbar (vacío) a 13 bar constante para cualquier temperatura Temperatura de utilización: • De –20ºC. a +60ºC Seguridad: • Resistencia a los choques mecánicos: siendo de naturaleza dúctil, el material constitutivo del tubo (aluminio), su rotura se produce por deformación. • Resistencia al fuego: los componentes del sistema son autoextinguibles, sin propagación de llama. • Las redes de aire con componentes de montaje instantáneo, desmontables e intercambiables, tienen una puesta a presión de la red en forma instantánea y no precisa tiempos de secado. • Las derivaciones en circuito abierto se realizan en forma sencilla y rápida, con bridas a cuello de cisne integrado.
37
3
Tratamiento del aire comprimido
3.0
Introducción Humo, polvo, suciedad, borra, humedad, y aún emanaciones de gases químicos pueden estar en el aire introducido en el compresor. Además, los sistemas de lubricación de la mayoría de los compresores permiten que el aire capte aceite lubricante de las paredes de los cilindros. Este aceite generalmente contiene un número de aditivos para mejorar sus cualidades lubricantes y para hacer que dure más tiempo. Cuando estos aditivos se combinan con la suciedad y la humedad, obstruyen los filtros y pasajes pequeños, reduciendo su eficiencia y haciéndolos inoperantes. La humedad también causa oxidación y corrosión. Cuando la humedad se mezcla con el aceite a altas temperaturas, el aceite se deteriora muy rápidamente y forman ácidos corrosivos. La humedad, el aceite y contaminantes sólidos se acumulan en el equipo y en los conductos de aire comprimido y forman cienos corrosivos.
3.1
Métodos de tratamiento del aire comprimido Si bien el depósito constituye una atenuante para dicho fin, podremos distinguir tres formas adicionales de realizar dicho tratamiento: 1. A la salida del compresor mediante:
Postenfriadores: Aire - Aire Aire - Agua 2. A la salida del depósito por medio de:
Secadores de partículas: Por adsorción Por absorción Secadores centrífugos 3. En los puntos de utilización mediante:
Filtros Reguladores Lubricadores 3.2
Tratamiento del aire a la salida del compresor Post enfriadores Aire - Aire y Aire – Agua Son los más usados para el tratamiento del aire comprimido. Se instalan inmediatamente a la salida del compresor y reducen la temperatura del aire comprimido hasta unos 25°C, con lo cual se consigue eliminar un gran porcentaje de agua y aceites contenidos en el aire (70 a 80%). Constan, en general, de un serpentín o un haz tubular por donde circula el aire comprimido, circulando el fluido refrigerante (aire o agua) en contracorriente por el exterior de los mismos. A la salida del refrigerador se encuentra un separador colector en el que se acumulan el agua y aceite condensados durante la refrigeración. Son generalmente suficientes en la mayoría de las aplicaciones del aire comprimido (talleres metalúrgicos e industrias en general), siempre que la instalación esté provista de purgadores y equipos de tratamiento de aire en los puntos de utilización, que permitan recoger las condensaciones producidas en las redes.
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MICRO
3.3
Tratamiento del aire a la salida del depósito Para el tratamiento del aire a la salida del depósito se utilizan distintos tipos de secadores tales como: • Secadores por absorción • Secadores por adsorción • Secadores frigoríficos
3.3.1
Secador por absorción Responden a esta denominación aquellos secadores que efectúan el secado mediante un adsorbente sólido de elevada porosidad tal como: Silicagel, alúmina, carbón activado, etc. Estas sustancias se saturan y deben ser regeneradas periódicamente a través de un adecuado proceso de reactivación. Para ampliar su función estos secadores están constituidos por dos torres de secado gemelas con la respectiva carga de absorbente, funcionando cíclicamente una, mientras la otra está siendo regenerada. Con este tipo de secadores se obtiene aire extremadamente seco, equivalente a un punto de rocío a presión atmosférica de –20 a –40°C.
3.3.2
Secadores por adsorción Normalmente este tipo de secador utiliza pastillas desecantes de composición química y granulado sólido altamente higroscópico, que se funden y licuan al ir reteniendo el vapor de agua contenido en el flujo a secar. Son de costo inferior a los secadores frigoríficos y de adsorción, pero la calidad del aire obtenido es inferior a aquellos. Debe reponerse periódicamente la carga del producto químico empleado. Normalmente, reducen la humedad al 60 - 80% respecto al flujo saturado 100% proveniente de un postenfriador aire - aire ó aire - agua. Tiene el inconveniente de la contaminación con aceite de las sustancias absorbentes o adsorbentes (caso anterior) disminuyendo su capacidad de secado. Tal inconveniente no existe en el secado por refrigeración o frigorífico.
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3
TRATAMIENTO DEL AIRE COMPRIMIDO
3.3.3
Secadores frigoríficos - Principio de Funcionamiento - Instalación
39
El aire comprimido que entra al secador se preenfría en el intercambiador aire/aire y seguidamente se introduce en el evaporador donde se enfría hasta alcanzar la temperatura del punto de rocío deseado. A continuación entra en el evaporador donde el agua condensada es separada y evacuada por la purga automática. Antes de salir del secador el aire comprimido vuelve a entrar al intercambiador aire/ aire donde es recalentado por el aire comprimido caliente de entrada. El funcionamiento del circuito frigorífico es similar al de un frigorífico doméstico. El compresor frigorífico aspira vapor de agua refrigerante a baja presión procedente del evaporador situado en el acumulador de energía. Seguidamente el gas es bombeado por el compresor hacia el condensador donde se enfría mediante el aire ambiente impulsado por el moto ventilador.
1. Entrada de aire comprimido húmedo 2. Salida de aire comprimido 3. Intercambiador aire /aire 4. Acumulador de energía 5. Separador de condensados 6. Filtro mecánico 7. Electroválvulas de purga 8. Compresor frigorífico 9. Condensador de gas refrigerante
10. Motoventilador 11. Filtro del refrigerante 12. Capilar de expansión 13. Válvula de control 14. Termostato.
El paso a través el filtro y del capilar, provoca la expansión del refrigerante con el consiguiente enfriamiento del mismo.
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MICRO
Este cede sus frigorías en el evaporador al aire comprimido y a la masa térmica volviendo así a su estado gaseoso, para iniciar de nuevo el ciclo. Cuando el frío producido es superior al calor a evacuar, éste es acumulado en la masa térmica. La temperatura de la masa térmica es controlada por un termostato que detiene el compresor cuando alcanza la temperatura prefijada. De forma de que todo el frío producido es utilizado por el aire comprimido.
A: Secador frigorífico a la salida del depósito
B: Secador frigorífico antes del depósito
Este tipo de montaje se aconseja cuando la utilización es muy variable y los consumos de aire en un momento dado son mayores o menores que el caudal del compresor. El depósito debe ser lo suficientemente grande para hacer frente a la demanda requerida de aire, que es de corta duración y alto valor (fluido impulsado) RECUERDE que... Es recomendable esta instalación cuando los compresores trabajan casi constantemente y el consumo total en su punto más alto, es equivalente al caudal del compresor. Este tipo de instalación otorga la ventaja de salvaguardar al secador frigorífico de los efectos pulsantes del compresor, cuando éste sea del tipo de los alternativos. 3.3.4
Separadores centrífugos Se emplean cuando se persigue una separación de condensados a bajo costo. Funcionan haciendo pasar el aire comprimido a través de un deflector direccional centrífugo, que establece en el aire un sentido de rotación dentro del equipo, de modo de crear una fuerza centrífuga que obliga a las partículas líquidas e impurezas a adherirse a la pared del separador, decantando en la parte inferior del mismo. Estas impurezas son luego eliminadas por medio de una purga. Tienen el inconveniente que a bajos consumos la velocidad de separación es muy baja, siendo también baja la fuerza centrífuga sobre las partículas, lo que disminuye su eficiencia a caudales reducidos.
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3
TRATAMIENTO DEL AIRE COMPRIMIDO
3.4
Tratamiento del aire comprimido en el punto de utilización
3.4.1
Filtros
41
La utilización de filtros en las bocas de utilización se hace indispensable, debiendo estar presentes en toda instalación correctamente concebida, aún cuando se haya hecho tratamiento del aire a la salida del compresor o del depósito. Éstos no impedirán la llegada a los puntos de consumo de partículas de oxido, ni de pequeñas cantidades de condensado provenientes de las redes de distribución. Éstos, de no ser retenidos tendrían acceso a los componentes neumáticos con su consiguiente deterioro, aumento de los costos de mantenimiento y en general bajo rendimiento del equipo. Consta esencialmente de un deflector centrífugo en su parte superior cuyo objeto es crear dentro del vaso un movimiento ciclónico del aire de modo de crear una fuerza centrífuga que actuando sobre las pequeñas gotas de condensado y partículas obliguen a éstas a adherirse a las paredes del vaso, para depositarse luego en su parte inferior en una zona de calma. Ésta es creada por una pantalla, que impide la turbulencia del aire por debajo de ella, evitando a su vez que el movimiento ciclónico superior arrastre parte del condensado. Una segunda pantalla evita que el aire proveniente del deflector centrífugo tome contacto directo con el elemento filtrante y lo contamine, a la vez que prolonga el movimiento ciclónico dentro del vaso aumentando la efectividad del equipo. RECUERDE que... La utilización de filtros en las bocas de utilización se hace indispensable, debiendo estar presentes en toda instalación correctamente concebida, aún cuando se haya hecho tratamiento del aire a la salida del compresor o del depósito. 3.4.2
Regulador de presión Normalmente, las presiones de trabajo en los equipos neumáticos son inferiores a las presiones de línea. Además, resultaría imposible trabajar en los mismos directamente con esta presión, ya que no podría evitarse que lleguen a los equipos las fluctuaciones de presión entre la máxima de parada o vacío y la mínima de arranque del compresor. Al mismo tiempo, si un equipo es capaz de cumplir su función eficientemente a una presión determinada, el hacerlo a una presión mayor sólo conduce a un incremento de consumo de aire, debido que esto es función de la presión, con la consiguiente disminución de la rentabilidad del sistema. Por otro lado, ciertos equipos deberán funcionar a baja presión, lo que implicaría trabajar con presiones de línea también bajas, con el consiguiente y nuevo deterioro de la rentabilidad, puesto que un rendimiento óptimo se logra para presiones entre 6 y 8 bar.
< 42
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¿Cuáles son las funciones del regulador? • Evitar las pulsaciones y fluctuaciones de presión provenientes del compresor. • Mantener una presión de trabajo en los equipos sensiblemente constante e independiente de la presión de línea y del consumo. • Evitar un excesivo consumo por utilizar presiones de operación mayores que las necesarias en los equipos. • Independizar los distintos equipos instalados. En un regulador, la presión de línea, que llamaremos primaria, penetra por la boca de entrada, siendo impedido su pasaje a la zona secundaria por una válvula de cierre, que se mantiene cerrada por la acción de un resorte. Actuando ahora sobre la perilla de regulación, se provocará un ascenso del tornillo que empujará la válvula hacia arriba, permitiendo al aire pasar a la zona de presión regulada, llamada secundaria. Esta presión secundaria se comunicará a través de un pequeño orificio con la cara inferior de la membrana comprimiéndola contra los resortes. Esto provoca el descenso del tornillo de regulación y en consecuencia el cierre de la válvula, manteniendo la presión secundaria constante. Luego, la presión secundaria dependerá del grado de pretensión dado a los resortes a través de la perilla de regulación. Al consumir aire de la zona secundaria, la presión tenderá a disminuir, el pistón ascenderá junto con el tornillo, abrirá la válvula, permitiendo así el pasaje de aire y restaurar la presión al nivel regulado. Cuando se quiera disminuir la presión secundaria a un nivel más bajo, girando la perilla de regulación, se producirá el descenso del tornillo, despegándose del asiento central de la válvula de cierre y permitiendo el pasaje del aire excedente, a través del conducto de descarga en la campana hacia la parte superior, venteando por los orificios de escape situados en la campana superior.
RECUERDE que... Mantener en buen estado el regulador de presión permite una optimización del proceso productivo, ya que el aire que escapa por la campana no permitirá sobrepresiones en la cámara secundaria, comportándose también como válvula de seguridad.
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3
TRATAMIENTO DEL AIRE COMPRIMIDO
43
La característica de funcionamiento y el campo de aplicación de estos equipos queda determinado a través de sus características de caudal.
3.4.3
Lubricador Para lubricar herramientas y mecanismos neumáticos, el método más lógico, eficiente y económico es dosificar lubricante en el aire que acciona el sistema, atomizándolo y formando una micro niebla que es arrastrada por el flujo de aire cubriendo las superficies internas de los componentes con una fina capa de lubricante. Esta función es cubierta por los lubricadores, existiendo diversidad de formas constructivas, pero siempre basados en el mismo principio. Funcionamiento El aire que ingresa al lubricador es obligado a pasar por una válvula situada en el centro del canal, de modo que ocurrirá una disminución de la presión en la sección que sigue a la válvula donde está el tubo de dosificación. Estando el vaso a presión, a través de la válvula de presurización y debido al descenso de presión provocado, el aceite ascenderá por el tubo de aspiración que contiene un filtro para retener partículas, pasando por una válvula de retención a bolilla que impide su retorno, desembocando luego en una válvula de aguja que regula el goteo en el canal de dosificación. La gota, al caer en este canal, es llevada al venturi, donde por efecto de la velocidad del aire se atomiza en forma de niebla y es arrastrada por la corriente hacia los componentes. RECUERDE que... La adecuada lubricación de las herramientas neumáticas, cilindros, válvulas y demás equipos accionados por aire comprimido, evita el deterioro de los mismos provocado por la fricción y la corrosión, aumentando notablemente su vida útil, reduciendo los costos de mantenimiento, tiempos de reparaciones y repuestos.
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MICRO
3.4.4
Accesorios modulares conjuntos FRL Los elementos: filtro, regulador de presión y lubricador constituyen una unidad indispensable para el correcto funcionamiento de un sistema neumático. Se instalan en la línea de alimentación del circuito suministrando aire seco, limpio, lubricado y regulado a la presión requerida. Estos tres elementos, si bien son considerados básicos e indispensables en el punto de utilización, no son los únicos que deben tenerse en cuenta a la hora de contar con aire comprimido en buenas condiciones de uso, para ingresar en los componentes neumáticos. Por ello, y pensando en integrar soluciones de una forma modular, al clásico FRL se agregan algunos de los siguientes elementos, generando combinaciones funcionales y de seguridad:
3.4.4.1
Válvulas de corte y descarga Cumplen la función de interrumpir el suministro y descargar el aire del circuito, cuando la presión de línea desciende por debajo de una presión umbral de corte. Además, la utilización de esta válvula evita la puesta en marcha instantánea de la máquina, en el momento del restablecimiento de la presión después de su interrupción, accidental o voluntaria, a menos que no sea habilitada la perilla de mando.
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TRATAMIENTO DEL AIRE COMPRIMIDO
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Con el objetivo de asegurar aún más la interrupción del aire, y como opcional, puede incorporarse una válvula de corte y descarga con candado, que elimina en forma total la posibilidad de suministro cuando los componentes y accesorios se encuentren sin presión.
3.4.4.2
Válvulas de presurización progresiva Estas válvulas cumplen la función de presurizar los circuitos en forma lenta y progresiva, durante la operación de inicio de tarea, garantizando una seguridad total tanto al personal como a los componentes neumáticos del circuito o a las piezas. De igual forma, se evita el golpe de los actuadores hacia su posición de inicio de ciclo, cuando quedan detenidos en posiciones intermedias, debido a interrupciones imprevistas de suministro de aire.
3.4.4.3
Brida intermedia Se utilizan entre el FR y el L y tienen la función de derivar aire sin lubricar a aquellos elementos que así lo requirieran. Pueden incorporar como opcional una válvula antiretorno, cuya función es la de impedir que el aceite retorne al filtro si este existiese.
3.4.4.4
Válvulas de control a distancia Controlan la apertura y cierre de un circuito a distancia, por ejemplo desde un tablero de mando o un puesto remoto. El accionamiento puede ser neumático o eléctrico. En este último caso, una interfase normalizada CNOMO permitirá incorporar solenoides estándar o por ejemplo diferentes tipos de solenoides de bajo consumo o antiexplosivos. Incluyen un silenciador de escape, para reducir el nivel sonoro de la descarga de aire en el momento de la despresurización del circuito.
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MICRO
3.4.4.5
Bloqueo de regulador Este mecanismo, que posee una cerradura con llave, se monta en la parte superior de la perilla de un regulador de presión, impidiendo levantarla y, por lo tanto, modificar la regulación establecida.
3.4.4.6
Drenajes Automáticos Son utilizados cuando se desea automatizar la acción de drenaje de los condensados acumulados en los vasos del filtro, existiendo distintos métodos para poder hacerlo: • Por flotador: una válvula se abre automáticamente al alcanzarse cierto nivel de condensados, elevando un flotador y permitiendo que la corriente de aire entrante fuerce la evacuación de los condensados. • Temporizado eléctrico: una electroválvula temporiza los tiempos de drenaje y de pausa, es decir, el intervalo entre aperturas. Ambos intervalos son regulables. • Semiautomático por caída de presión: El drenaje de los condensados se logra cuando cae la presión de la línea, por ejemplo al fin de la jornada laboral.
3.4.5
Microfiltros En muchas aplicaciones es requerido un aire de mayor calidad que el obtenido a la salida de un filtro estándar. Industrias como la química, alimentaria o de instrumentación, exigen aire comprimido cuya calidad está clasificada y, en algunos sectores, normalizada de acuerdo a estándares como la ISO 8573 – 1. Esta clasificación incluye tres puntos, a saber: • Clase de la calidad de las impurezas sólidas. • Clase de la calidad para el contenido del agua. • Clase de la calidad para el contenido de aceite. Filtros submicrónicos El filtrado eficaz del aire comprimido en estas condiciones es un problema complejo solucionable, con la utilización de filtros de alta capacidad del tipo submicrónico, que trabajan aprovechando los efectos de inercia, choque y coalescencia, separando sólidos en una relación > 0,01 _.
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Filtro de carbón activado Aún así el aire comprimido puede contener vapores de hidrocarburos y olores que se deseen eliminar. Además, en estos casos se utilizará un filtro de carbón activado, el cual será incorporado siempre después de una batería de filtros que comprende filtro de 50 _, filtro de 5 _. y filtro coalescente (submicrónico)
Filtro de silicagel En casos especiales donde se requiera utilizar el aire comprimido exento de humedad, la incorporación de un filtro de silicagel como último elemento del bloque de tratamiento, permite obtener las mejores condiciones de utilización, sin afectar otros elementos de menor tamaño de filtrado, como los filtros de malla ó los filtros submicrónicos de 5 _. RECUERDE que... El filtro de carbón activado asegura un poder filtrante con una cantidad de aceite residual menor de 0,001 mg/m3.
3.4.6
Central inteligente de manejo del aire Son unidades para aplicaciones, donde el parámetro de alimentación del aire comprimido debe cumplir con requisitos complejos de seguridad o se necesiten controles y monitoreos permanentes, traducidos en señales para el operador o para el sistema. También esta información puede disponerse como dato de cada una de las señales, en un cable múltiple de salida, utilizando señal de 4 a 20 mA. Las centrales inteligentes del manejo de aire AMS admiten dos posibles configuraciones: 1. Conexión directa, donde las señales del módulo pueden ser enviadas a uno
o más actuadores (válvulas o disparadores) 2. Conexión indirecta, donde la información es enviada a una computadora,
a un bus de campo o a un programa de almacenamiento de datos para luego procesarlo. Funcionamiento Controlan la presión a través de un rango de regulación programable. El nivel de condensados es controlado por sensores con descarga automática cuando se alcanza el nivel máximo. En la lubricación, un indicador de nivel mínimo de aceite activa una alarma cuando éste se alcanza y tiene también la posibilidad de dosificación automática. Por otra parte, un display de tiempo indica la necesidad de reemplazo del filtro.
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Amplificador de presión Existen aplicaciones en el campo de los automatismos neumáticos donde se requieren valores de presión mayores que los usuales de línea (por ejemplo, 6 bar). Estas necesidades obedecen a determinadas secuencias de circuito, que a veces requieren mayores fuerzas de actuadores en tiempos breves de utilización (por ejemplo, operaciones de prensado) o acumulación de determinados volúmenes de aire, a presiones mayores que las de línea (por ejemplo, prueba de resistencia de ciertos recipientes, pruebas de estanqueidad, etc.) En esas aplicaciones se debe realizar un análisis técnico/ económico: a) generar aire a mayor presión en toda la línea de suministro, b) utilizar actuadores de mayor diámetro en el puesto de trabajo, c) obtener aire en un reservorio a una presión mayor que la de línea y suficiente para lograr los objetivos deseados. En muchas aplicaciones, veremos que la opción c termina siendo la más coherente y es en éstas donde se utilizan los amplificadores de presión neumática.
Funcionamiento La presión de aire primaria se conecta a la boca de alimentación y dirige el aire a las cámaras impulsora - amplificadora A y B. Las otras cámaras impulsoras A o B se alimentan alternativamente con el aire proveniente del regulador de presión, a través de una válvula direccional VS2 de doble comando neumático. De acuerdo al valor que tome esta presión regulada, será la relación de amplificación. Si la presión a la salida del regulador es igual a la de entrada, la relación de amplificación será 2:1. Una serie de válvulas no retorno colocadas en el cuerpo principal central del amplificador permiten el llenado de las cámaras impulsora - amplificadora A y B con presión primaria y la evacuación del aire de las cámaras impulsora - amplificadora A y B a la boca de utilización N°2 con presión amplificada. Cuando los pistones llegan a su punto final de recorrido cercano al cuerpo principal central del amplificador, dos señales neumáticas alternativamente trabajan sobre el pilotaje de la válvula direccional VS2, para que al conmutar direccione alternativamente el aire de entrada a las cámaras anteriormente detalladas y a la boca de escape. Finalmente dos manómetros que completan el conjunto, permiten relevar el valor de presión de alimentación y de presión amplificada.
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TRATAMIENTO DEL AIRE COMPRIMIDO
3.4.7
Recomendaciones de instalación de unidades FRL
49
• Al instalar unidades FRL, asegúrese de que el suministro no supere las condiciones límites de presión y temperatura especificados por el fabricante. • No instale unidades muy cerca de fuentes intensas de calor (hornos, calderas, líneas de vapor, canales de colada, etc.), ya que por radiación podría superarse la temperatura límite establecida. • Es recomendable que cada equipo neumático de la planta tenga su unidad independiente de entrada, instalada lo más cerca posible del equipo. • Instale las unidades en lugares a los cuales se pueda acceder fácilmente, sin necesidad de escaleras u otros medios. Recuerde que pueden requerirse periódicos ajustes de regulación y también mantenimiento preventivo de la unidad (drenado de vasos, limpieza del elemento filtrante, etc.) • Las unidades cuando incluyan un componente F y/o L sólo se instalarán sobre líneas horizontales (vaso en posición vertical) de otro modo no funcionarán correctamente. • Al realizar el montaje verifique que el sentido de flujo coincida con el indicado, por las flechas grabadas sobre los elementos. Si por razones de disposición de cañerías fuese necesario un sentido inverso, éste puede obtenerse girando las bridas extremas 180° sobre su posición. • Las roscas de conexionado son gas, con ángulo de 55° y cilíndricas. A pedido NPT debe tenerse especial cuidado cuando se utilicen cañerías con rosca cónica y cinta de sello, ya que un excesivo ajuste puede producir la fisura de las bridas extremas. Debe ajustarse lo suficiente para evitar fugas. Es recomendable el uso de accesorios de rosca cilíndrica y sello por asiento frontal. • Las cañerías deben estar previamente alineadas y la unidad deberá poderse instalar sin necesidad de forzarla. De este modo, se evitarán esfuerzos externos sobre el equipo, que pueden llegar a producir su rotura o deformarlo fuera de límites compatibles con el buen funcionamiento. • Asegúrese que las cañerías estén limpias en su interior y que no queden restos de senador (pasta o cintas) que puedan penetrar en el equipo y alterar su funcionamiento. Sople previamente las cañerías. • Prevea un espacio debajo del vaso a efectos de drenar con comodidad el condensado. Tenga la precaución de no instalar la unidad encima de tableros eléctricos o electrónicos, ya que cualquier derrame accidental caerá sobre ellos. • No instale unidades en lugares donde se generan vapores de solventes, tales como salas, gabinetes de pintura o bateas de limpieza. Los vasos resudarán deteriorados con el tiempo. Esta precaución debe acentuarse cuando los vapores sean de tricloretileno o tetracloruro de carbono, acetona, thiner, etc.
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4
Cilíndros neumáticos
4.0
Introducción El aire comprimido es de amplio uso en una instalación industrial. Desde funciones simples como soplar suciedad y virutas de las máquinas, inflar gomas, pintar con pistola, y hacer funcionar herramientas pequeñas de fuerza, hasta impulsar actuadores que mueven compuertas direccionales en líneas transportadora, cerrar puertas, o sujetar piezas de trabajo en un tornillo de banco, entre otras muchas aplicaciones. La energía de presión del aire comprimido es transformada por medio de actuadores en movimiento lineal alternativo, y mediante motores neumáticos o actuadores rotantes en movimiento de giro. Luego, los cilindros neumáticos son las unidades encargadas de transformar la energía potencial del aire comprimido en energía cinética o en fuerzas prensoras. Básicamente, consisten en un recipiente cilíndrico provisto de un émbolo o pistón. Al introducir un determinado caudal de aire comprimido, éste se expande dentro de la cámara y provoca un desplazamiento lineal. Si se acopla al émbolo un vástago rígido, este mecanismo es capaz de empujar algún elemento, o simplemente sujetarlo.
4.1
Actuadores Neumáticos Cilindros Neumáticos: Parámetros básicos y funcionales Cilindros: Son actuadores de acción lineal, transforman la energía del aire comprimido en trabajo mecánico. La fuerza de empuje es proporcional a la presión del aire y a la superficie del pistón:
Donde:
Fuerza en cilindros La fuerza disponible de un cilindro crece con mayor presión y con mayor diámetro. La determinación de la fuerza estática en los cilindros está sustentada por la siguiente fórmula, o el ábaco adjunto:
Donde:
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CILINDROS NEUMÁTICOS
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O bien
Donde:
4.2
Tipos de cilindros neumáticos Cilindros con vástago. Variantes constructivas
4.2.1
Cilindro de simple efecto Uno de sus movimientos está gobernado por el aire comprimido, mientras que el otro se da por una acción antagonista, generalmente un resorte colocado en el interior del cilindro. Este resorte podrá situarse opcionalmente entre el pistón y la tapa delantera (con resorte delantero) o entre el pistón y su tapa trasera (con resorte trasero) Realiza trabajo aprovechable, sólo en uno de los dos sentidos, y la fuerza obtenida es algo menor a la que da la expresión F = P x A, pues hay que descontar la fuerza de oposición que ejerce el resorte.
Los cilindros de simple efecto son utilizados, entre muchas otras aplicaciones, para: • Dispositivos de corte y prensado en la fabricación de piezas de plástico. • Dispositivos de sujeción, de corte, de plegado, de prensado y accionamiento de prensas de recortes, en las industrias papeleras. • Dispositivos de corte en las industrias de confección y en la industria de calzado. • Expulsión de piezas en la industria alimentaria y en la industria farmacéutica. 4.2.1.2
Cilindro de doble efecto En este modelo de cilindro, las carreras de avance y retroceso se consiguen por medio de la presión del aire comprimido en cualquier lado del émbolo, es decir, el aire comprimido ejerce su acción en las dos cámaras de cilindro. Se emplean especialmente en los casos en que el émbolo tiene que realizar una misión también al retornar a su posición inicial.
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Los actuadores o cilindros de doble efecto son utilizados, entre muchas otras aplicaciones, para: • Cierre de compuertas en centrales nucleares, balanzas en cerealeras, dispositivos de cierre y apertura de compuertas de silos en la industria cerealera. • Dispositivos de elevación y descenso para baños, en la industria química. • Compactadores de chatarra. • Desplazamiento de rodillos en sierras alternativas, accionamientos en sierras tronzadoras y prensas de bastidor en la industria de la madera. • Dispositivos para prensas de moldeo y sujeción en la industria de muebles. • Accionamiento de puertas en vehículos de transporte. RECUERDE que... En el proceso de retroceso, la superficie del émbolo es menor que en el avance, debido al área de la sección transversal del vástago, por consiguiente, la fuerza de tracción es menor que la de empuje. 4.2.1.3
Cilindro de doble vástago Este tipo de cilindros tiene un vástago que corre hacia ambos lados. La guía del vástago es mejor, porque dispone de dos cojinetes y la distancia entre éstos permanece constante. Por eso, este cilindro puede absorber también cargas laterales. Los elementos señalizadores, levas o finales de carrera, podrán disponerse en cualquiera de los vástago. La fuerza es igual en los dos sentidos (las superficies del émbolo son iguales)
RECUERDE que... El cilindro de doble vástago ofrece un mejor guiado del conjunto, facilitando el colocado de levas o fines de carrera cuando hay problemas de espacio en la zona de trabajo. 4.2.1.4
Cilindro de doble pistón ó en tandem Consisten en dos cilindros de doble efecto acoplados en serie con un vástago en común, formando una unidad compacta. Aplicando simultáneamente presión sobre los dos émbolos, se obtiene una fuerza de casi el doble de la de un cilindro convencional del mismo diámetro. Se utiliza cuando se necesitan fuerzas considerables y se dispone de un espacio determinado, no siendo posible utilizar cilindros de un diámetro mayor.
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CILINDROS NEUMÁTICOS
4.2.1.5
Cilindros acoplados de acción independiente
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Están constituidos por dos cilindros unidos por sus tapas traseras. Éstos pueden operarse independientemente, de modo tal de obtener sobre uno de los extremos del vástago tres o cuatro posiciones de trabajo, según sean iguales o distintas las carreras de ambos cilindros. Es un dispositivo multiposicionador sencillo y económico.
Entre otras muchas aplicaciones puede mencionarse: • Colocación de piezas en estantes, por medio de cintas de transporte. • Mando de palancas. • Dispositivos de clasificación. 4.2.2
Cilindro sin vástago El pistón transmite el movimiento a la carga, a través de un carro acoplado mecánicamente al pistón mediante un exclusivo sistema patentado. Un sistema de cintas garantiza un doble sellado y evita el ingreso de impurezas al interior del cilindro. Dependiendo de la aplicación, estos cilindros pueden utilizarse en su forma más sencilla, siempre que los momentos flexores generados por las fuerzas de aplicación no superen la propia resistencia del cilindro.
RECUERDE que... Los cilindros sin vástago pueden incorporar guías adicionales, las cuales mejoran las características del cilindro, confiriéndole mayores momentos flexores en todos los planos. En particular para un cilindro sin vástago básico (sin guías), se da como referencia los momentos máximos que pueden soportar en cada plano. Diam
Empuje a 6 bar (N)
Ma (Nm)
Ms (Nm)
Mv (Nm)
L (N)
10
48
1
0.22
0.33
22
16
120
3.9
0.33
0.56
133
25
293
1.5
1
2.7
289
32
480
32
4
13
512
40
751
65
6
17.6
867
50
1178
116
11
35
1200
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4.3
Amortiguación de fin de carrera Son dispositivos fijos o regulables, colocados generalmente en las tapas de los cilindros, y cuya finalidad es la de absorber la energía cinética de las masas en movimiento. Cuando se alcanza el fin de la carrera, el pistón y el vástago son desacelerados hasta la parada. La energía cinética resultante de esto, debe ser absorbida por un tope final: la tapa del cilindro. La capacidad de absorber esta energía depende del límite elástico del material. Si la energía cinética excede el límite, el cilindro necesitará un amortiguamiento externo o interno. Según los modelos de cilindros, se puede tener amortiguación delantera, trasera o doble. RECUERDE que... Para una aplicación dada, si se verifica insuficiente la amortiguación, se deberán utilizar amortiguadores hidráulicos de choque.
4.4
Pistón con imán incorporado Ciertos cilindros incorporan un imán en el pistón, a efectos de actuar un interruptor magnético del tipo Reed-Switch o similar, montado en el exterior del cilindro, durante o al final de su carrera. Esta señal eléctrica es utilizada para gobernar a otros órganos componentes del sistema, actuadores, contadores, emitir señales luminosas, actuar contactores, relés, PLC, o bien para controlar su propio movimiento. A los efectos de la incorporación del elemento señalizador, éste puede ser de funcionamiento magnético e ir colocado en los cilindros en ranuras especificas para tal fin.
4.5
Normalización ISO La ISO (Internacional Standard Organization) ha establecido una serie de normas de carácter internacional que regulan el aspecto dimensional de los cilindros neumáticos. En ella básicamente se establecen las dimensiones tendientes a garantizar al usuario la intercambiabilidad de cilindros de diversas procedencias. Según esta entidad, quedan fijados los diámetros constructivos de los cilindros, los extremos de vástago, roscas de conexionado, materiales a emplear, sus tolerancias y los distintos dispositivos de montaje. Para los diámetros establece la siguiente serie: 8 – 10 – 12 – 16 – 20 – 25 – 32 – 40 – 50 – 63 – 80 – 100 – 125 – 160 – 200 – 250 – 320 – etc.
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CILINDROS NEUMÁTICOS
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Microcilindros: Responden por lo general a las normas ISO 6432 Las primeras seis dimensiones (8 a 25 mm) corresponden a los comercialmente llamados Microcilindros que responden a un tipo particular de construcción (sin tensores y en general no desarmables) 4.6
Cilindros reparables Por lo general, responden a las normas ISO 6431 y VDMA 24562 ó UNITOP RP 6-7. A partir de 32 mm los cilindros son los genéricamente conocidos como cilindros reparables, cuya construcción posibilita el desarme. En esta ultima serie, hay cilindros con resortes, con tensores, con tubo integral, camisa perfilada de distinta forma (con ó sin tensores) o uniones tapa – tubo bridadas. Las posibilidades de reparación de un cilindro neumático hacen a una mayor confiabilidad del automatismo, con mantenimiento preventivo y kits de reparación adecuados para cada tipo.
4.7
Cilindros de impacto Se utilizan cuando se quiere obtener una elevada fuerza de impacto. Esta fuerza se obtiene a través de la energía cinética, que en estos cilindros es muy elevada, dada la alta velocidad del émbolo alcanzada en ellos, que oscila entre los 7 y los 10 m/ seg., comparativamente destacamos que la velocidad media normal de los cilindros neumáticos convencionales es de 0,5 a 1,5 m/ seg.
A través de la acumulación de presión en la cámara trasera, la cual se logra originando una alta presión reactiva del lado exhaust, con los agregados de reguladores de caudal incorporados en la misma válvula direccional, puede incrementarse la energía de presión, la cual será transformada en energía cinética de máximo valor, cuando el cilindro desarrolle su máxima velocidad. Esto será aproximadamente a los 80 mm del inicio de salida de vástago. Si en dicho punto se incorpora un elemento a deformar (curvar, cortar, etc.) toda esa energía cinética se desarrolla como energía de deformación, en el propio material que se desea estampar. 4.8
Actuadores rotantes neumáticos La función de este tipo de actuador es la de obtener movimientos de rotación alternativos. Con este fin los fabricantes han recurrido a diferentes mecanismos y principios que comprenden el uso de paletas internas, sistemas de piñón y cremallera o mecanismos de palancas articuladas como el llamado yugo escocés. Uno está basado en el principio de piñón y cremallera simple, formado por dos cilindros contrapuestos cuyos pistones están unidos por un vástago – cremallera movido en forma alternada por los mismos. Dicha cremallera engrana con un piñón, de modo de transformar el movimiento lineal del conjunto en un movimiento de rota-
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ción. Obviamente, el ángulo de rotación queda limitado por la carrera de los cilindros. Las características de control de velocidad resultan similares a la de los cilindros neumáticos lineales. Puede controlarse la velocidad en forma independiente en ambos sentidos de rotación, controlando el flujo de aire comprimido, y el par torsor por medio de la presión. Los ángulos de rotación que pueden obtenerse pueden variar desde unos pocos grados a uno o dos giros, según sea la carrera de los cilindros. Los actuadores rotantes neumáticos son empleados en: • • • • •
Rotación angular. Órganos de máquinas - herramientas, transporte de piezas en alimentadores. Selección de pistas en separadores. Comando a distancia de válvulas rotantes. Movimientos angulares periódicos en máquinas especiales en ambientes explosivos, aperturas de puertas, mezcladoras, etc.
Los actuadores rotantes a paleta son dispositivos mecánicos que convierten la energía del aire comprimido en movimiento rotativo alternado. Poseen como ventaja distintiva, respecto a otras soluciones similares, su gran resistencia a los esfuerzos laterales en el eje. Pueden funcionar con aire comprimido sin lubricación. Los sellos garantizan un movimiento suave, gran estanqueidad, bajo Stick-Slip (presión mínima para comenzar el movimiento) y millones de ciclos sin mantenimiento. Se disponen en tres diferentes diámetros o dimensiones: 41, 76 y 152mm. de lado respectivamente, cada una de las cuales puede construirse en diferentes largos, con el fin de lograr un escalonamiento de torques posibles. Se ofrecen para giros de 90°, 180° y 270°. 4.9
Actuadores neumáticos a membrana Son actuadores de simple efecto, en donde el clásico émbolo ha sido sustituido por una membrana elástica. Por regla general, son de gran diámetro, lo que permite la obtención de fuerzas considerables. Sin embargo, por ser de simple efecto y dada la presencia del resorte, son de poca carrera. Son utilizados en donde sean precisos esfuerzos prensores, sobre todo en lugares donde no se dispone de longitud axial suficiente para la colocación de cilindros. Estos actuadores a igualdad de esfuerzos y carreras son de dimensiones generales mas reducidas que los cilindros neumáticos. RECUERDE que... Los actuadores a membrana no están expuestos a rozamientos, pues la membrana no se desliza, sino que se extiende y no requiere la utilización de aire lubricado ni extremadamente limpio. No son aconsejables para grandes ciclados.
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CILINDROS NEUMÁTICOS
4.10
Ejecuciones especiales de cilindros neumáticos
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Aquellas ejecuciones que responden a necesidades específicas de utilización, separándose en ciertas características de lo ofrecido en forma estándar. Los recubrimientos rilsanizados, basado en poliamidas, tienen una buena resistencia a las sales minerales, a los álcalis, a la mayoría de los solventes, a la mayoría de los ácidos orgánicos, al agua de mar y a la atmósfera marina, a los aceites y productos derivados del petróleo, así como también a los productos alimenticios y farmacéuticos. La materia prima que se utiliza en la fabricación de este recubrimiento cumple con aprobaciones en el ámbito internacional de la Food and Drugs Administration (FDA), sobre sustancias posibles de ser utilizadas en contacto con alimentos. 4.11
Actuadores en acero inoxidable En aquellos lugares que por norma se requiera sanidad, el acero inoxidable es el elemento que posibilita perfectas condiciones de higiene en campo. Las ejecuciones posibles abarcan diversos criterios constructivos y normas internacionales, pudiendo ser cilindros de simple y doble efecto, con o sin pistones magnéticos, aptos para aplicaciones en la industria de la alimentación, con sellos realizados en materiales no tóxicos, con sellos especiales para utilizar aire seco, adecuados para trabajar con temperaturas entre –70 a 250 ºC. Normas disponibles: ISO 6432 (microcilindros) - ISO 6431– VDMA 24562 (cilindros) - UNITOP (cilindros compactos)
4.12
Manipuladores y elementos de sujeción de piezas Son sistemas modulares de gran componibilidad que, mediante una gran variedad de accesorios e interfases disponibles, permite realizar las más complejas estructuras de manipulación. Las unidades están dotadas de canales para la distribución integrada del aire comprimido, y no precisa, por lo tanto, del uso de tubos externos para la alimentación de los extremos de rotación y toma de piezas. La concepción constructiva resulta en dimensiones generales y peso muy reducido, elevada precisión, rigidez y diseño innovador. Las características de guiado y rigidez le garantizan una alta productividad en tareas de montaje y prueba en líneas automatizadas.
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Las componentes de manipuleo constan de: • Pinzas neumáticas, que son órganos de toma aptos para la manipulación de cargas. • Unidades de traslación y giro. Las características que las identifican son fundamentalmente la fuerza, la carrera y la masa a mover. Hay variados tipos de accesorios y geometrías constructivas para adaptarse a todas las aplicaciones: Entre ellos pueden mencionarse las: • Pinzas Angulares: los dedos tienen un movimiento circular y se abren en un determinado ángulo (típico 30°) • Pinzas Radiales: tienen dedos con movimiento circular y el ángulo de apertura es de 90°. Esto permite a los dedos apartarse completamente del plano de trabajo, evitando así un movimiento adicional de aproximación. • Pinzas Paralelas: tienen tres dedos, éstos tienen la ventaja que son autocentrantes respecto a la pieza a tomar.
4.13
Montajes de cilindros neumáticos La forma de fijar un cilindro neumático dependerá casi totalmente de la aplicación práctica que se le dé al mismo y estará sujeto a condiciones de diseño, razones de espacio y características de los movimientos. Como se vio anteriormente existen normas en el ámbito internacional que definen los tipos y las dimensiones principales de los accesorios de montaje para cilindros neumáticos. Esto le garantiza al usuario intercambiabilidad entre diferentes fabricantes, e incluso disponer de una sustitución en máquinas importadas o para las de exportación. Ya no se concibe a un cilindro como elemento aislado, sino con sus accesorios de montaje, que si bien se comercializan separadamente, forman parte de la solución técnica que aporta el cilindro. Las siguientes figuras muestran una línea de accesorios de montaje normalizados para cilindros neumáticos.
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CILINDROS NEUMÁTICOS
4.14
Velocidades máxima y mínima de cilindros neumáticos
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Los cilindros neumáticos pueden alcanzar una velocidad máxima comprendida entre 0,6 y 2,6 m/seg. según el diámetro. Diámetro (mm)
Velocidad máx. (m/seg.)
10 - 12 - 16
2.6
20 - 25 - 32
2.6
40
2.5
50
2
63
1.5
80
1.1
100
0.9
125
0.7
160
0.6
Estos valores máximos, a su vez, se ven afectados por la carga desplazada, tamaño de la válvula y conducciones, condiciones de descarga (libre, regulada o con escape rápido), carrera del cilindro, etc. En realidad se prefiere hablar de velocidades medias alcanzables, ya que el cilindro desarrolla su carrera en un tiempo en el cual se produce una aceleración inicial y una desaceleración final de modo que su velocidad no es constante a lo largo del recorrido. Como velocidades medias pueden considerarse un 70% del valor indicado en la tabla anterior. Como velocidad mínima, un limite práctico puede establecerse entre los 30 y 50 mm/ seg., debido a la elasticidad del aire, dependiendo ello además, del diámetro del actuador, características de la carga, sensibilidad del regulador de caudal empleado, presión de alimentación, etc. Para obtener velocidades inferiores a este límite, debería recurrirse a dispositivos de avance hidráulico o hidroneumático.
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4.15
Selección de cilindros neumáticos La fuerza que pueden desarrollar los cilindros neumáticos es, tal vez, la característica más importante por la cual comienza la etapa de selección. El valor de la fuerza depende exclusivamente del diámetro del pistón y de la presión del aire comprimido con que se alimenta el cilindro. Pero la fuerza no es el único parámetro de selección, siendo preciso realizar una serie de verificaciones y cálculos. Los cilindros realizan su acción (básicamente fuerza) en posiciones determinadas de su recorrido a velocidad muy baja o nula. Durante el desplazamiento y hasta la posición en que es ejercida la acción, el vástago avanza libre o con baja carga. No es importante la velocidad que se alcance en dichos desplazamientos. Dentro de esta categoría funcional quedan incluidos los cilindros prensores, de sujeción, de posicionamiento, entre otros, de los que sólo se requiere fuerza y no su velocidad. La elección de cilindros puede ser resuelta con ayuda de gráficos, los cuales muestran los valores teóricos de fuerza según las diferentes presiones y diámetros de cilindros. La ecuación que lo sustenta es:
Donde:
El valor real es menor debido a la fuerza de rozamiento, la que es variable según la lubricación, presión de trabajo y forma de las guarniciones. Esta disminución en la fuerza puede tenerse en cuenta mediante el rendimiento del cilindro, estimado en un 90 %, de este modo el valor real práctico de la fuerza será:
Donde:
Para cilindros de simple efecto se debe restar, además, la fuerza de reacción del resorte, dato que generalmente se encuentra en los catálogos de fabricantes. Para calcular la fuerza ejercida por el cilindro con la presión aplicada del lado del vástago (fuerza de tiro), su valor se obtiene con el siguiente método: 1. Entrar al gráfico con d (diámetro del pistón) y obtener la fuerza 2. Entrar al gráfico con d (diámetro del vástago) y obtener la fuerza
Restando ambos valores dará la fuerza resultante teórica ejercida por el cilindro en la carrera de retorno.
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CILINDROS NEUMÁTICOS
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Si bien este es un procedimiento basado en el gráfico, en forma teórica sería:
Donde:
RECUERDE que... Para obtener el valor real debe afectarse al anterior por el rendimiento _ = 0.9. Por otra parte, si se conoce la fuerza a realizar en Newton (1 Kp = 9,81N) y la presión de operación (bar), se busca la intersección en el gráfico y se lee el diámetro del cilindro inmediato superior al determinado por dicha intersección. Ejemplo Se trata de elevar una masa de 20 Kg con un cilindro neumático operado a 6 bar de presión. No interesa la velocidad de elevación. La fuerza real a realizar será: Fr= m x g. La fuerza teórica que deberá desarrollar el cilindro es:
Ingresando al grafico con F = 218N y p = 6bar, obtendremos un cilindro de diámetro 25mm.
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4.16
Verificación por pandeo Pandeo: Se denomina pandeo en un cilindro neumático al esfuerzo que somete al cilindro a una flexión sobre el vástago. El pandeo es un factor limitativo en la elección de cilindros cuyos vástagos estén sometidos a compresión, ya que sólo bajo dicha solicitación es cuando aparece este fenómeno. El pandeo es el único factor funcional que limita la carrera de los cilindros, puesto que constructivamente no existe limitación de la carrera por parte del fabricante. Este fenómeno no esta exclusivamente ligado al material del vástago, su diámetro y su carrera, sino que intervienen también las condiciones de montaje del cilindro. Ciertos tipos de montaje o sus combinaciones resultan favorables para contrarrestar el efecto.
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RECUERDE que... Con montajes a rótula, el cilindro se auto alinea en todo plano. Con montajes basculantes en un plano, el cilindro se auto alinea sólo en dicho plano. Requiere perfecta alineación en el plano perpendicular. Con fijación roscada del vástago la alineación es crítica. Con rótula para vástago se compensan desalineaciones en todo plano. Con horquilla delantera la alineación es crítica. Factores esenciales para la elección de un cilindro: Cuando a un cilindro se le fija un trabajo a realizar, significa que quedan determinadas la carrera y la fuerza, así como la masa que debe mover y la velocidad a la que tiene que desplazarse. Se hace necesario pues, tener a la vista aquellos datos que nos permitan establecer las características mecánicas y neumáticas del cilindro que pretendemos, y que a modo de resumen podrían ser: • • • • • • • • • • • • • 4.17
Diámetro interior del cilindro en mm. Diámetro del vástago en mm. Velocidad del émbolo en cm./s o m/min. Fuerza del émbolo. Tipo de cilindro (simple o doble efecto) Con amortiguación o sin ella. Forma de fijación (fija u oscilante) Temperatura de trabajo (ambiental) en °C. Presión en la red en bar. Presión de trabajo en bar. Forma de trabajo (carga estática o dinámica) Peso de la carga movida. Posición del cilindro (vertical u horizontal)
Carrera máxima de un cilindro neumático Carrera: Se denomina carrera a la distancia recorrida por el émbolo entre sus dos posiciones extremas. Pueden venir expresadas en mm o en cm. Carrera máxima: Se denomina carrera máxima a la longitud máxima del vástago extendido en un cilindro neumático sin causar flexiones derivadas del pandeo. Ejemplo Adoptando un montaje basculante intermedio con horquilla delantera guiada extraemos el coeficiente de corrección K = 0,75 de acuerdo con el montaje elegido. Con ayuda del gráfico, ingresando con la presión motriz Pm = 6bar hasta cortar al cilindro diámetro 50mm, leemos en el gráfico de pandeo de la derecha que dicho cilindro tiene una carrera básica o carrera máxima por pandeo de 800 mm. Debe verificarse lo siguiente: K x carrera real < carrera máxima 0,75 x 600 = 450 mm < 800 mm Por lo tanto, el vástago del cilindro resiste al pandeo
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4.18
Guías para cilindros Tanto en cilindros como en microcilindros, para disminuir la posibilidad de pandeo en ellos, muchas veces se utilizan guías acopladas en los propios cilindros. Estas guías reciben el nombre de Guías H para cilindros de diámetros mayores y Guías C en los microcilindros, y están conformados por un soporte de acero que contiene dos ejes (vástagos) auxiliares. Al desplazarse el vástago del cilindro, los esfuerzos transmitidos son asimilados por todo el conjunto, por lo tanto, se optimiza la alineación entre la pieza a mover y el propio cilindro. Por otra parte, se evita el movimiento de giro del vástago que en algunos procesos industriales puede ser perjudicial. Existen dos versiones que incluyen bujes de guías de bronce (autolubricados) con limpia vástagos evitando de esta forma su desgaste prematuro.
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La segunda versión es con bujes a bolas recirculantes, lo que permite menores rozamientos y mejora la velocidad del cilindro. Debe tenerse en cuenta que por diseño, una parte del vástago se encontrará impedida de utilizar como carrera. 4.18
Consumo de aire en cilindros neumáticos Conocer el consumo de los cilindros neumáticos tiene su importancia desde dos puntos de vista. En primer lugar, si a raíz de esta nueva aplicación ha de adquirirse una unidad de generación de aire comprimido (compresor), los datos fundamentales para seleccionarla son precisamente el consumo o demanda y la presión de trabajo. Si en cambio, la aplicación es insertada en un medio en el que ya se dispone de aire comprimido, el cálculo del consumo servirá para verificar si el compresor instalado tiene capacidad suficiente. El consumo de un cilindro neumático puede calcularse con la siguiente fórmula:
Donde:
Ejemplo Se tiene un dispositivo con 3 cilindros neumáticos de doble efecto, uno de ellos con diámetro 80 mm y carrera 100mm (10 ciclos 7min) y los dos restantes con diámetro 40mm y carrera 50mm (20 ciclos/min), trabajando a 6 bar. Estimamos en un 20% el consumo de comando (tubos, válvulas y auxiliares) Los consumos serán:
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Siendo:
Por lo tanto, la instalación consumirá 126,66 litros normales por minuto (Nl7min) ó 7,6 Nm3/hora a 6 bar. 4.19
Amortiguadores hidráulicos de choque Ya habíamos visto que la amortiguación de fin de carrera de un cilindro neumático era un sistema cerrado, para absorber en el tramo final de la carrera las energías desarrolladas durante el movimiento, evitando de este modo el choque destructivo entre pistón y tapas. Las crecientes exigencias de velocidad impuestas a las máquinas automáticas con el objetivo de disminuir los tiempos de producción y en consecuencia el costo, hacen que frecuentemente las energías desarrolladas superen a las capaces de ser amortiguadas por el cilindro. Debe entenderse que el sistema de amortiguación de un cilindro neumático esta diseñado para la generalidad de los casos, pero quedará superado cuando se desplacen masas importantes a elevadas velocidades. La energía remanente se disipará inevitablemente en forma instantánea en un choque metal - metal entre pistón y tapa o en un tope externo al cilindro, con una considerable alta fuerza de impacto que será transmitida a la máquina y también al elemento transportado (acción y reacción) con la consiguiente destrucción lenta, pero constante de las partes involucradas. Existen varias formas de absorber en forma gradual las energías al final de un recorrido, minimizando la fuerza de impacto resultante: • En los casos de cargas pequeñas y velocidades no muy grandes puede resultar suficiente la amortiguación propia del cilindro o en su defecto puede ésta ser complementada mediante topes de goma. • Con cargas ligeramente más elevadas es posible también recurrir a resortes de compresión. Ambos, las gomas y los resortes, ofrecen una resistencia inicial baja o nula, creciendo ésta con el recorrido hasta alcanzar un máximo. Estos tipos de topes almacenan una cantidad considerable de energía durante su compresión, siendo despreciable la cantidad transformada en calor. La energía almacenada tiende a ser devuelta al sistema, luego del impacto de modo que al emplearlos deberá admitirse un cierto rebote de la carga a menudo intolerable. Lo ideal es lograr una amortiguación mediante una fuerza de frenado lo más baja posible y constante en todo el recorrido del amortiguador y convirtiendo la mayor parte de la energía en calor, el que se disipará en la atmósfera. Se logrará así una mínima fuerza de reacción y ausencia de rebotes. Con estas pautas de diseño los fabricantes han desarrollado los llamados amortiguadores hidráulicos de choque. El empleo de amortiguadores es particularmente indicado en instalaciones automáticas de manipulación de objetos frágiles, que podrían resultar dañados con un impacto, como complemento de la amortiguación de un cilindro neumático o simplemente toda vez que deba detenerse un movimiento de alta energía cinética en forma suave y gradual.
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Existen básicamente dos tipos de amortiguadores: 1. Los fijos (Destacar en negrita): poseen una capacidad de amortiguación fija, no
pudiéndose adecuar sus prestaciones a las exigencias de cada aplicación. 2. Los regulables (Destacar en negrita): pueden adaptarse en cambio a un rango de
exigencias dentro de la capacidad de cada modelo. Son recomendables cuando los parámetros funcionales no pueden determinarse con exactitud o en los casos de condiciones de aplicación variables. Aspectos a considerar en la selección de un amortiguador: • Forma de actuación de la carga, es decir, si actúa en el plano horizontal, vertical o inclinado. • Si proviene de un movimiento de rotación. • Si durante la carrera de amortiguación existe o no una fuerza impulsora adicional. • El valor de la masa. Al considerar la masa deberá incluirse no sólo el elemento desplazado, sino también todos los mecanismos y dispositivos asociados que participen del movimiento (Brazo, carros, etc.) • El valor de la velocidad de desplazamiento, o velocidad tangencial en caso de rotaciones. Un dato importante para su elección, es el número de impactos por hora, ya que esto determinará su grado de calentamiento en función de la energía convertida en calor en cada impacto. RECUERDE que... Como factor de seguridad muchos fabricantes recomiendan utilizar los amortiguadores entre un 50 y 60% de su capacidad máxima. Esto permite prolongar su vida útil y efectuar los ajustes sobre la máquina funcionando, evitando el riesgo de encontrarse frente a un amortiguador de capacidad insuficiente, sobre todo cuando los datos de velocidad y carga no sean determinados con precisión o puedan variar significativamente durante la operación. 4.20
Recomendaciones para el montaje de cilindros neumáticos • Los cilindros neumáticos están diseñados para transmitir esfuerzos axiales. La presencia de esfuerzos radiales o laterales sobre los vástagos conducirán a un desgaste prematuro de sus guías, materializadas en la ovalización del buje guía y del propio tubo del cilindro. Estas ovalizaciones aparecerán en posiciones diametralmente opuestas. Por lo tanto, deberán analizarse detenidamente los tipos de montaje más adecuados en cada caso, a efectos de anular dichos esfuerzos laterales. • Toda vez que se utilice un montaje basculante para el cilindro (en cualquiera de sus formas), deberá preverse un equivalente en el extremo del vástago. La combinación de montajes rígidos con basculantes resulta un contrasentido técnico que origina esfuerzos radiales sobre el vástago. • Cuando las oscilaciones puedan ser en el espacio, son recomendables los montajes a rótula tanto para el cilindro como para el vástago. La combinación de montajes a rótula (universal) con montajes basculantes en el plano es también un contrasentido técnico que origina esfuerzos radiales.
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• Deben evitarse el montaje rígido del cilindro con el elemento a mover. En caso de que sea inevitable, fijar suavemente el actuador y operarlo a baja presión de modo que entre y salga libremente y se auto alinee. Completar si fuera necesario y ajustar firmemente los tornillos de sujeción. • Cuando el cilindro sea de una carrera grande y supere los valores máximos admisibles por pandeo, es recomendable guiar el vástago o preferentemente “tirar” de la carga en lugar de empujarla. El pandeo también origina esfuerzos radiales sobre el vástago. • Cuando se desplacen masas o el movimiento se realice a velocidad, es recomendable el uso de cilindros con amortiguación. Si las velocidades fueran importantes, prevea amortiguadores hidráulicos de choque o topes fijos positivos externos a la máquina. • Durante la puesta en marcha, debe asegúrese que los tornillos de regulación de las amortiguaciones no sean abiertos más de medio vuelta, de modo de tener un exceso y no una falta de amortiguación. La calibración final se hará con la máquina en operación. • Al montar un cilindro amortiguado, téngase la precaución de que los tornillos de registro de amortiguación sean accesibles. • Asegúrese que el cilindro reciba la calidad de aire adecuada. El aire sucio y la deficiente lubricación acortan la vida útil del cilindro neumático. • Las roscas de conexionado son BSPP con ángulos de 55° y cilíndricas. Téngase especial cuidado al utilizar cañerías o accesorios con rosca cónica, pues pueden producir la rotura del elemento. Es recomendable utilizar accesorios con rosca cilíndrica de asiento frontal. RECUERDE que... La mejora referida a los materiales de sellos, incorpora al poliuretano como elemento indispensable para garantizar el buen funcionamiento del cilindro, luego son generalmente utilizados en la fabricación de guarniciones de pistón, vástago y amortiguado, permitiendo de esta manera trabajar sólo con lubricación inicial en aquellos casos que sea necesario por efecto de retención de la película de aceite.
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Válvulas neumáticas
5.0
Introducción Genéricamente, se denomina válvula a una pieza que sirve para cerrar o abrir un orifico o conducto, o para interrumpir la comunicación entre dos órganos. En neumática, la válvula es el elemento de mando que determina las características del circuito, debiendo poseer cualidades decisivas para actuar sobre los elementos o parámetros que intervienen en el proceso operativo del circuito neumático. Las válvulas neumáticas son los dispositivos que dirigen y regulan el aire comprimido; gobiernan la salida y la entrada, el cierre o habilitación, la dirección, la presión y el caudal de aire comprimido. Pudiendo en general clasificarse como válvulas direccionales o auxiliares.
5.1
Válvulas neumáticas Según sus propiedades y la función que realiza dentro del sistema, las válvulas neumáticas se clasifican en los siguientes grupos: • Válvulas de control de dirección • Válvulas de control de caudal • Válvulas de control de presión Las válvulas de control de caudal y de presión denominadas válvulas auxiliares se explicarán en la unidad subsiguiente.
5.1.1
Válvulas: Aspectos de selección Para llevar a cabo la elección de una válvula neumática, es conveniente recurrir a ciertos criterios de selección, que posibilitarán la siguiente clasificación: • Número de Vías: De esta forma llamaremos al número de orificios controlados en la válvula, exceptuando los de pilotaje. Podemos así tener 2, 3, 4, 5 ó más vías (no es posible un número de vías inferior a 2) • Posiciones: Es el número de posiciones estables del elemento de distribución. Pueden tenerse válvulas de 2, 3, 4 ó más posiciones (no es posible un número de posiciones inferior a 2) • Caudal: Es el volumen de fluido que pasa por determinado elemento en la unidad de tiempo. Normalmente se calcula a partir del flujo, volumen que pasa por un área dada en la unidad de tiempo. • Sistemas de accionamiento: Una característica importante de toda válvula es su clase de accionamiento ó mando, debido a que de acuerdo con ello, dentro de la cadena de mando de un equipo neumático, se la empleará como elemento emisor de señal, órgano de control o de regulación. Según ya se ha dicho, las válvulas direccionales se designan de acuerdo al número de vías y posiciones de la siguiente manera: N° de vías / N° de posiciones
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De acuerdo con la clasificación indicada podemos tener: Válvulas: • • • • • • 5.2
2/2 (dos / dos) 3/2 (Tres / dos) 3/3 (tres / tres) 4/2 (cuatro / dos) 4/3 (cuatro / tres) 5/2 (cinco / dos)
2 vías / 2 posiciones 3 vías / 2 posiciones 3 vías / 3 posiciones 4 vías / 2 posiciones 4 vías / 3 posiciones 5 vías / 2 posiciones
Configuración del símbolo de una válvula El símbolo representa la función de la válvula y su forma de accionamiento. No representa, de ninguna manera, a válvula alguna desde el punto de vista constructivo, sólo representa su función. El símbolo se compone de un bloque central, en el que se identifican las posiciones estables del elemento de conmutación y las vías de conexión para cada posición, y de dos bloques extremos que representan los modos de actuación (mandos) MANDO
POSICIONES ESTABLES ADOPTADAS POR EL DISTRIBUIDOR
MANDO
VINCULACIÓN ENTRE BOCAS DE CONEXIÓN PARA LAS DISTINTAS POSICIONES
Cada posición de la válvula se representa por un cuadrado. Habrá tantos cuadrados adyacentes como posiciones de distribución tenga la válvula: • Las bocas de conexión se representan por trazos unidos al cuadrado correspondiente a la posición normal de reposo de la válvula. • Las vinculaciones entre bocas se representan con líneas y flechas, indicando el sentido de circulación. Las bocas cerradas se indican con líneas transversales. Dicha representación se efectúa para cada posición. • Las canalizaciones de escape se representan con un triángulo, pudiendo ser:
Escape sin posibilidad de conexión (orificio no roscado)
Escape con posibilidad de conexión (orificio roscado)
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VÁLVULAS NEUMÁTICAS
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Atendiendo a las funciones del bloque central tendremos los siguientes esquemas:
El símbolo se completa con los esquemas correspondientes a los mandos de las válvulas, siendo éstos el medio por el cual se logra la conmutación de sus posiciones: De una manera general, podemos dividir los accionamientos en: Mandos musculares, pueden ser: manuales o a botón pulsador, a palanca, a pedal. Mandos mecánicos, a palpador, resorte, rodillo, rodillo unidireccional o abatible. Mandos neumáticos, a presión de mando directo o indirecto. Mandos neumáticos, a descarga de mando directo o indirecto. Mandos neumáticos de áreas diferenciales. Mandos eléctricos con un solenoide, con dos solenoides operando en direcciones opuestas, con dos solenoides operando en direcciones opuestas de acción variable. Mandos electroneumáticos a solenoide y piloto neumático, o mandos electroneumáticos por solenoide ó piloto neumático. RECUERDE que... Las válvulas con mando neumático o electroneumático suelen tener vías interiores de comando, para alimentar sus mandos (autoalimentación) 5.3
Válvulas direccionales. Tipos constructivos de válvulas direccionales Las válvulas direccionales son aquellas que en un circuito neumático distribuyen o guian el aire comprimido hacia los elementos de trabajo. Por esta razón, también se las conoce como válvulas distribuidoras. Constituyen los órganos de mando de un circuito, es decir, aquellos que gobiernan (mandan) el movimiento de los órganos motores del mismo (cilindros, actuadores, etc.) También son utilizadas en sus tamaños más pequeños, como emisoras o captoras de señales para el mando de las válvulas principales del sistema, y aún en funciones de tratamiento de señales. Conforme al tipo de construcción, las válvulas de vías se perfilan, principalmente, en dos modelos: • Válvulas de asiento. • Válvulas de corredera.
5.3.1
Válvulas de asiento El principio de la válvula de asiento garantiza un funcionamiento sin interferencia, es decir, el escape se cierra antes de que se habilite la entrada de aire. Por su sencilla construcción, son muy económicas y tienen pocas piezas sometidas al desgaste y la suciedad interfiere muy poco en su funcionamiento.
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5.3.1.1
Válvulas de asiento esférico Son generalmente utilizadas para funciones secundarias dentro de un sistema, construyéndose normalmente como válvula 2/2 ó 3/2.
Válvula 2/2 NC
5.3.1.2
Válvulas de asiento de disco (poppet) Se construyen como válvulas 2/2, 3/2, 4/2, 5/2 y más. La estanqueidad puede lograrse mediante discos de cierre elásticos y asientos de metal, o directamente discos de cierre y asientos de metal.
Válvula 3/2 NA
5.3.2
Válvulas de corredera Las más extendidas, y que tienen una preferencia dominante, son las de distribución axial conocidas con el nombre de válvula de corredera, las cuales poseen, como principio de funcionamiento, un émbolo móvil deslizante que abre o cierra por desplazamiento longitudinal, las vías de comunicación en función de las condiciones de conmutación de la propia válvula, cambiando las conexiones. En este tipo de válvula se hace muy difícil la estanqueidad de la corredera, pues la forma geométrica obligada por su función es condicionante. Se fabrican válvulas de corredera con cierre metal sobre metal y con cierre por juntas.
5.3.2.1
Válvulas de distribuidor axial plano Poseen un émbolo para la conmutación de la válvula, pero las bocas son controladas por un distribuidor plano adicional. En la figura se esquematiza una válvula 4/2 de este tipo, aunque también se las encuentra en versiones 2/2, 3/2, 5/2, 5/3, etc.
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5.3.2.2
Válvulas de distribuidor rotante
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Se fabrican como válvulas de mando manual del tipo 3/2, 4/2, y también 4/3. La vinculación entre las bocas de utilización y descarga se realiza a través de un disco rotante con canalizaciones. 5.3.2.3
Válvulas de distribuidor axial o corredera (spoll) La distribución del aire comprimido a las diferentes bocas se logra a través de un distribuidor cilíndrico que se desplaza en sentido axial. Existen cuatro técnicas básicas de construcción de estas válvulas, en lo referente al logro de la estanqueidad del distribuidor: 1. Válvulas metal - metal
Empleada comúnmente en hidráulica, requiere un ajuste preciso entre el distribuidor y el cuerpo de la válvula. Para la utilización en neumática, el juego máximo permitido entre éstos es del orden de 1,5 a 3 micrones, pues de lo contrario las fugas serían inadmisibles. 2. Juntas tóricas (O´rings) en el cuerpo de la válvula
Es una de las disposiciones más comúnmente adoptada, con el fin de evitar el alto costo que implican las anteriores 3. Retenes labiales en el distribuidor
Es otro tipo de ejecución no muy difundido, que utiliza como elementos de estanqueidad del distribuidor pequeños retenes labiales en el mismo. 4. Juntas tóricas (O´rings) en el distribuidor
Es la ejecución de mayor difusión y consiste en lograr la estanqueidad, por medio de guarniciones tóricas incorporadas al distribuidor.
5.4
Número de vías – número de posiciones (N° de vías / N° de posiciones) Como vías se consideran la conexión de entrada o alimentación de aire comprimido, conexión/es de utilización para el consumidor y orificios de purga (escape) y se llama posición a aquella maniobra que toman las partes móviles internas de una válvula tras incluirla en un equipo y establecer la presión de una red. A continuación se presenta una descripción general de los tipos de válvulas direccionales, comúnmente utilizados en neumática, en un formato usual.
5.4.1
Válvulas 2/2 Pertenecen a este grupo todas las válvulas de cierre que poseen un orificio de entrada y otro de salida (2 vías) y dos posiciones de mando. Únicamente se utilizan en aquellas partes de los circuitos neumáticos donde no es preciso efectuar por la misma válvula la descarga del sistema alimentado, sólo actúan como válvulas de paso.
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5.4.1.1
Válvulas 2/2 NC Son aquellas válvulas que en su posición normal de reposo (aquella determinada por su reacción, resorte o neumática) no permiten la circulación de fluido. Conducen al ser accionado su mando (muscular, neumático, mecánico, eléctrico, etc.)
Válvula 2/2 NC monoestable, mando manual, reacción a resorte
5.4.1.2
Válvulas 2/2 NA En su posición normal de reposo permiten la circulación de aire, interrumpiéndolo al ser accionado su mando.
Válvula 2/2 NA monoestable, mando manual, reacción a resorte
5.4.2
Válvulas 3/2 Pertenecen a este grupo de válvulas aquellas que poseen un orificio de alimentación, uno de utilización y otro de escape (3 vías) y dos posiciones de mando. Sus funciones dentro de un circuito neumático pueden ser muy variadas y van desde el manejo de señales hasta el comando de cilindros de simple efecto. A diferencia de las anteriores, éstas posibilitan la descarga del sistema que alimentan.
5.4.2.1
Válvulas 3/2 NC Son aquellas que en la posición normal de reposo no permiten la circulación desde el orificio de alimentación al de utilización, el cual queda conectado a escape. Esta condición es invertida al operar su mando, pasando el fluido a la utilización en tanto el escape es bloqueado.
Válvula 3/2 NC monoestable, mando manual, reacción a resorte
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5.4.2.2
Válvulas 3/2 NA
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En su posición normal de reposo permiten el pasaje de fluido de la alimentación a la utilización, el escape es bloqueado. Al operar el mando, se interrumpe el pasaje y el sistema alimentado es puesto a descarga. La diferenciación aludida entre válvulas 3/2 normal cerrada y normal abierta no implica necesariamente que se trate de dos válvulas diferentes, aquellas válvulas 3/2 del tipo de distribuidor axial generalmente admiten ser conectadas de una u otra manera indistintamente.
Válvula 3/2 NA monoestable, mando neumático, reacción resorte
5.4.3
Válvulas 4/2 Poseen cuatro orificios de conexión (4 vías) correspondiendo: uno a la alimentación, dos a las utilizaciones y el restante al escape, éste es común a ambas utilizaciones. Poseen dos posiciones de mando, para cada una de las cuales sólo una utilización es alimentada, en tanto la otra se encuentra conectada a escape. Esta condición se invierte al conmutar la válvula. Dado que para cada posición existe un pasaje abierto y uno cerrado, carece de sentido hablar de una válvula 4/2 normal abierta o normal cerrada.
5.4.4
Válvulas 5/2 Éstas poseen cinco orificios de conexión y dos posiciones de mando. A diferencia de las 4/2, poseen dos escapes, correspondiendo uno a cada utilización. Ejemplo
Válvula 5/2 monoestable, mando manual, reacción a resorte
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RECUERDE que... En los ejemplos anteriores la función de conmutación de posiciones del distribuidor fue obtenida mediante una acción manual sobre el mando, al efecto de simplificar la interpretación. Como pudo apreciarse, al cesar la acción, el distribuidor era reposicionado mediante un resorte antagónico (reacción por resorte) La válvula (sin accionar su mando) posee una única posición estable, aquella gobernada por su reacción. A las válvulas con estas características se las denomina monoestables (única posición de mando estable) La acción manual sobre el mando puede ser reemplazada por una acción mecánica leva sobre un rodillo, bocas de pilotaje, dando origen así a las válvulas de mando neumático. Recordemos que estas bocas no se contabilizan como vías en la clasificación. En lo que sigue explicaremos los mandos neumáticos sobre válvulas del tipo 5/2, no obstante los conceptos serán aplicables a las del tipo 2/2, 3/2 y 4/2. En la figura puede verse como una señal neumática introducida a través de la boca de pilotaje 14 produce el desplazamiento del elemento de conmutación. Desaparecida la señal el elemento es reposicionado por un resorte. Ejemplo
Válvula 5/2 monoestable, mando neumático, reacción a resorte
Es posible sustituir la acción del resorte por una acción neumática permanente (reacción neumática) Esto se logra alimentando el mando correspondiente a la reacción en forma permanente, pudiéndose hacer a través de una boca externa o simplemente utilizando una conducción interna de autoalimentación, que proveen los fabricantes y que comunica al citado mando con la boca de alimentación de la válvula. De este modo, al alimentar con presión a la válvula queda automáticamente establecida la reacción neumática. Como resulta obvio, para desplazar el elemento conmutador con presiones iguales es necesario disponer en el mando opuesto de un área mayor, dando origen así a las válvulas con mandos por áreas diferenciales. Ejemplo
Válvula 5/2 monoestable, mando neumático, reacción neumática
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Es posible también comandar ambas posiciones del distribuidor, mediante pulsos de señal ingresados alternativamente por las bocas 12 y 14. Desaparece así la reacción, obteniéndose ahora una válvula con las dos posiciones estables, es decir, la válvula conmuta y conserva la posición aún desaparecida la señal que originó el cambio. La posición opuesta se logrará mediante una señal en el pilotaje contrario. Este tipo de comportamiento recibe el nombre de biestable. También son conocidas como memorias o de comando por impulsos. Ejemplo
Válvula 5/2 biestable, doble mando neumático.
Un comportamiento análogo, pero con efecto predominante de una de las posiciones, se obtiene aplicando el concepto anterior a válvulas con mando por áreas diferenciales. En presencia de una señal simultánea en las bocas 12 y 14, el efecto de la señal 14 predomina en razón de su mayor área. Ejemplo
Válvula 5/2 biestable, con áreas equilibradas
5.4.5
Válvulas 5/3 Las válvulas de dos posiciones de mando sólo permiten condiciones de paradas extremas de los actuadores gobernados, no permitiendo la obtención de paradas intermedias. Para esto último es necesario contar con una tercera posición de mando intermedia, surgiendo así válvulas 3/3, 4/3 y 5/3. En lo que sigue aplicaremos el concepto de tres posiciones a válvulas de 5 vías, siendo válido también para las válvulas de 3 y 4 vías. Las funciones extremas de las válvulas de tres posiciones son idénticas a las de dos posiciones, pero a diferencia de éstas incorporan una posición central adicional. La vinculación entre bocas para esta posición central es en términos generales muy variada en las válvulas hidráulicas, no así en neumática en donde básicamente se utilizan tres tipos de centro: el llamado centro abierto (CA) y el centro cerrado (CC), cuyos esquemas de conexión se muestran a continuación.
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Existe un tercer centro llamado centro a presión, en el cual cuando la válvula está en condición de reposo, las dos utilizaciones de la misma se encuentran con presión, y por lo tanto, ambas cámaras del cilindro recibirán la misma presión.
Centro cerrado
Centro abierto
Centro a presión
Las válvulas 5/3 admiten también señales neumáticas. En general, éstas se presentan en versiones llamadas de centro estable, en donde un conjunto de resortes centradores posiciona el distribuidor al centro en ausencia de señales de mando. La única posición estable de la válvula es la central.
Centro cerrado
5.5
Electroválvulas Estas válvulas se utilizan cuando la señal proviene de un temporizador eléctrico, un final de carrera eléctrica o sensor de cualquier tipo (inductivo, capacitivo, óptico, etc.), presóstatos o mandos electrónicos, excitando a un solenoide que por acción magnética provoca el desplazamiento de un núcleo móvil interno que habilita o no el pasaje de fluido. En válvulas de pequeño porte, este núcleo móvil constituye en si mismo el distribuidor principal de la válvula, denominándose a esto como mando directo. En válvulas de mayores tamaños, el mando directo obligaría al uso de núcleos magnéticos de grandes dimensiones y en consecuencia de solenoides de elevada potencia y tamaño. En estos casos resultan convenientes los mandos electroneumáticos, en los que una pequeña electroválvula 3/2 de mando directo comanda la señal neumática que desplaza al distribuidor principal. En su conjunto el mando resulta indirecto. Resultan así distribuidores más livianos, solenoides más pequeños y de menor potencia, y más alta velocidad de respuesta.
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El avance de la automación en las industrias establece un techo rápido en las aplicaciones de neumática, por ello lo más común en las instalaciones es la incorporación de las electroválvulas en todas sus formas. En general, se elige el accionamiento eléctrico para mandos con distancias extremadamente largas y cortos tiempos de conexión. 5.5.1
Modelos de electroválvulas
5.5.1.1
Electroválvulas 2/2
Electroválvula 2/2 NC
Electroválvula 2/2 NA, monoestable
5.5.1.2
Electroválvulas 3/2
Electroválvula 3/2 NC, monoestable
Electroválvula 3/2 NA, monoestable
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5.5.1.3
Electroválvulas 5/2 Electroválvulas 5/2 monoestable, mando electroneumático reacción
Electroválvulas 5/2 monoestable, mando electroneumático reacción a resorte
RECUERDE que... Una de las misiones de las electroválvulas es la de intervenir como auxiliares en los circuitos neumáticos, cuando resulta difícil emplear señales neumáticas para el mando de los distribuidores. 5.6
Características de solenoides para electroválvulas Además de las características de tensión y frecuencia y las resultantes corriente nominal (In) y potencia de los solenoides, existen una serie de datos adicionales relacionados con su construcción que es necesario observar en la etapa de selección de electroválvulas, a efectos de garantizar una óptima prestación durante el servicio.
5.6.1
Clases de aislamiento Ésta define, mediante letras, la calidad del aislante utilizado en el arrollamiento (bobina) y está íntimamente vinculada con la temperatura máxima que puede resistir. Las normas establecen los siguientes límites de temperatura, según las distintas clases de aislamiento: Clase de material aislante
Temperatura limite (°C)
Y
90
A
105
E
120
B
130
F
155
H
180
C
> 180
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5
VÁLVULAS NEUMÁTICAS
5.6.2
Grados de protección
81
Esta característica queda definida por un código alfanumérico establecido por las normas IRAM 2225, DIN 40050 e IEC 144 y cubre dos aspectos bien determinados de la construcción: 1. Protección contra contacto casual, con partes baja tensión o en movimiento y
penetración de cuerpos sólidos. 2. Protección contra penetración de agua.
El código se establece mediante las letras IP seguidas de dos dígitos. El primero (de 0 a 6) define la protección contra contacto casual y penetración de cuerpos sólidos, y el segundo (de 0 a 8) define la protección contra penetración de agua. Las tablas siguientes muestran el significado de las cifras mencionadas. Primera cifra
Grado de protección
0
Aparato no protegido
1
Aparato protegido contra cuerpos sólidos de diám. mayor de 50mm
2
Aparato protegido contra cuerpos sólidos de diám. mayor de 12mm
3
Aparato protegido contra cuerpos sólidos de diám. o esp. mayor de 2,5mm
4
Aparato protegido contra cuerpos sólidos de diám. o espesor mayor de 1mm
5
Aparato protegido contra polvo
6
Aparato protegido totalmente contra la entrada de polvo
Primera cifra
Grado de protección
0
Aparato no protegido
1
Aparato protegido contra goteo de agua
2
Aparato protegido contra goteos de liquido cayendo en un ángulo de 15° con respecto a la vertical
3
Aparato protegido contra lluvia
4
Aparato protegido contra salpicadura
5
Aparato protegido contra chorros de agua
6
Aparato protegido contra la acción del mar
7
Aparato protegido contra inmersión en agua
8
Aparato sumergible
Por lo extenso y complicado que resultaría, no hablaremos en este manual de las normas de protección especial, como por ejemplo los grados de protección y características constructivas de los solenoides para ambientes explosivos.
< 82
MICRO
5.6.3
Tiempo de conexión relativo Esta característica define porcentualmente el tiempo del elemento conectado (excitado) con relación a un ciclo completo de conexión y desconexión, de manera que su temperatura de régimen no exceda los límites establecidos. Este factor se determina mediante ensayos sobre una base de tiempo de 5, 10, 20 ó 30 minutos, dependiendo del tiempo que demande al elemento alcanzar su régimen térmico. Un ED 20% indica por ejemplo que cada 20 minutos el elemento puede quedar permanentemente excitado sólo 4 minutos. Un ED 100% implica que puede permanecer conectado sin riesgo alguno de sobretemperatura en un ambiente a no más de 40°C.
5.6.4
Indicación de estado en electroválvulas Con la finalidad de facilitar la puesta a punto, detección de fallas y el mantenimiento de sistemas con electroválvulas, se han desarrollado diversas formas que permiten visualizar el estado de excitación de los solenoides. Una de estas formas consiste en un accesorio (indicador para solenoide) que se intercala entre la ficha de conexión y el solenoide. Este elemento posee un LED (Diodo emisor de luz) que se encenderá toda vez que el solenoide se encuentre energizado. De este modo, puede determinarse rápidamente el origen de una falla, ya sea si ésta proviene de la cadena de señales o si el solenoide se encuentra dañado, y también permite el seguimiento visual de la secuencia. A menudo, se incluye un sistema de protección propio y de los elementos de conmutación del circuito eléctrico contra sobretensiones en el momento de la conexión. Su duración es ilimitada por carecer de filamento y el consumo eléctrico despreciable.
5.7
Selección de las vías internas de comando En la construcción de válvulas, se presentan en el ámbito internacional dos tendencias más o menos definidas: • Una de ellas orienta la construcción hacia válvulas de concepción específica, para brindar determinadas prestaciones. Cada prestación, en general, implica un modelo diferente de válvula. • Un segundo criterio, cada vez más aceptado, es el de la concepción modular por familias, en las que sobre un cuerpo base se pueden ensamblar todas las posibilidades de mando correspondientes a la familia. Para posibilitar esto, el cuerpo base deberá contener las conducciones internas que permitan lograr todas las versiones de mando y reacción previstas. Según el modelo a ensamblar podrá ser necesario habilitar determinadas conducciones, en tanto otras deberán resultar anuladas. Con este fin los fabricantes que siguen este criterio han implementado formas flexibles de seleccionar dichas combinaciones, las que reciben el nombre de selección de pilotaje. Esta selección puede consistir en el cambio de posición de una guarnición de geometría específica, o simplemente la rotación de uno de los componentes modulares de la válvula.
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5
VÁLVULAS NEUMÁTICAS
5.8
Montaje de válvulas
83
Montaje de una válvula: Se denomina montaje de una válvula al modo de conexionado en sus variadas formas, que tendrán un determinado tipo de válvula para su alimentación de aire y sus escapes (exhaustos) Las válvulas direccionales, en su concepción básica, poseen las bocas de conexión directamente sobre su cuerpo. Esta forma es adecuada para montajes unitarios o en automatismos simples con una cantidad reducida de ellas. Esta forma de conexionado resultaría antieconómica cuando el número de válvulas aumenta, debido al elevado número de accesorios de conexionado que demandan individualmente. El mantenimiento y recambio de las mismas resulta dificultoso, en razón de tener necesariamente que desmantelar todo el conexionado, lo que implica una ardua labor y gran cantidad de Hs - hombre. Una mejora sustancial en este último sentido la constituyen las válvulas montadas sobre bases unitarias. En las mismas, todas las conexiones se encuentran sobre una base inferior carente de partes móviles, y por lo tanto, de mantenimiento. La válvula en si se fija a la base mediante tornillos, existiendo una guarnición de interfaz que impide fugas entre la válvula y su base. El mantenimiento de la válvula o su recambio no implica tareas de desconexión y conexión de conducciones, con un significativo ahorro de mano de obra y tiempo. Tratando de conservar esta última ventaja y a la vez simplificar el conexionado en caso de que el número de válvulas sea elevado, se han desarrollado las denominadas bases Manifold o bases para montaje múltiple. Éstas, al igual que las bases unitarias, poseen las conexiones, en tanto la válvula continúa siendo independiente. A diferencia de aquellas, éstas al ser agrupadas (una al lado de la otra) forman un canal de alimentación común y otro u otros para los escapes. De este modo, con una única alimentación del conjunto se tendrán simultáneamente alimentadas todas las válvulas del montaje y también resultarán únicas las canalizaciones de escape.
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Estos Manifold o montajes múltiples son modulares y componibles a necesidad, de acuerdo al número de válvulas a instalar. Las conexiones de utilización son generalmente posteriores, lo que posibilita el montaje frontal en tableros con sus salidas por la parte posterior del mismo. Existen diferentes formas de rigidizar el conjunto de bases: mediante tensores acordes con el número de válvulas a instalar, tornillos que vinculan una base a la siguiente, y hasta métodos de acople sin accesorios. Comúnmente se colocan guarniciones entre bases para impedir fugas. RECUERDE que... Las NORMAS ISO 5599/1 y VDMA 24345 normalizan las bases de montaje y la interfaz base -válvula a efectos de garantizar, además, el intercambio de válvulas entre distintos fabricantes. Para válvulas con conexiones en el cuerpo son también disponibles, en la actualidad, bloque Manifold rígidos (no componibles según el número de válvulas) o los de concepción modular componibles, con alimentación y escapes en común. La tendencia mundial parece orientarse hacia esta última solución, en razón del bajo costo comparativo de las válvulas con conexiones en el cuerpo, en relación con sus similares para montajes sobre base. 5.9
Características funcionales de válvulas Además del número de vías y posiciones de una válvula y sus distintas posibilidades de mando, tema del cual ya nos hemos ocupado, existen una serie de características funcionales que es necesario interpretar y evaluar frente a una elección. Estas características son generalmente suministradas por los fabricantes en sus catálogos. Seguidamente, definiremos el concepto de cada uno de ellas.
5.9.1
Características de caudal Esta característica está directamente vinculada a la capacidad de circulación de fluido, a través de la válvula y determina su tamaño (en cuanto a circulación se refiere) El tamaño de una válvula no queda determinado por el diámetro de sus bocas y menos aún por sus dimensiones físicas, sino por su característica de caudal, aunque resulta obvio que existe cierta relación entre ellos. La característica de caudal de una válvula queda evidenciada por los llamados factores de caudal Kv o Cv, o su caudal nominal Qn.
5.9.1.1
Factor Kv Este parámetro se determina mediante ensayos realizados con agua e indica el caudal en l/min de dicho fluido que pasa por la válvula cuando la caída de presión en la misma sea de 1 bar.
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5
VÁLVULAS NEUMÁTICAS
5.9.1.2
Factor Cv
85
Es el equivalente británico del factor Kv y significa el caudal de agua, en galones por minuto (gpm), que pasa por la válvula cuando la caída de presión en ella sea de 1 psi (1 lb/pulg2)
5.9.1.3
Caudal nominal Qn El caudal nominal representa el caudal de aire normal en l/min, que pasa por la válvula con una presión de alimentación de 6 bar y una pérdida de carga de 1 bar, esto es con presión de salida de 5 bar. Este factor es el que ha adquirido últimamente la mayor aceptabilidad entre los fabricantes de componentes neumáticos, como característica de circulación de las válvulas. Suele expresárselo también en otras unidades equivalentes, tales como m3/h, l/seg, etc.
Existen factores que permiten convertir las características de caudal de un sistema a otro. La tabla siguiente relaciona valores de Qn con los respectivos de Kv y Cv.
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Qn (Nl/min)
Kv (l/min)
Cv (GPM)
Qn (Nl/min)
Kv (l/min)
Cv (GPM)
10
0.150
0.010
550
8.335
0.558
50
0.750
0.051
600
9.085
0.609
80
1.200
0.081
650
9.852
0.660
100
1.517
0.102
700
10.602
0.711
120
1.817
0.122
750
11.369
0.762
150
2.267
0.152
800
12.119
0.813
180
2.717
0.183
900
13.636
0.914
200
3.033
0.203
1000
15.153
1.016
250
3.784
0.254
1200
18.187
1.219
300
4.550
0.305
1500
22.738
1.524
330
5.001
0.335
1750
26.505
1.778
400
6.067
0.407
2000
30.306
2.032
450
6.918
0.457
2500
37.874
2.540
500
7.584
0.508
3000
45.459
3.048
Existe otra característica que da idea de la circulación en las válvulas y es el diámetro nominal, el cual indica la sección mínima del pasaje principal de la válvula. Esta dimensión tomada en forma aislada puede resultar engañosa, puesto que no significa que la válvula tenga un pasaje equivalente a tal diámetro, y por lo tanto, una pérdida de carga de acuerdo a eso, sino que su caída de presión dependerá de cuan intrincados sean sus pasajes internos. 5.9.2
Presión de trabajo Presión de trabajo: Por presión de trabajo se entiende el rango de presiones, dentro del cual la válvula puede funcionar satisfactoriamente.
5.9.3
Presión de pilotaje Presión de pilotaje: La presión de pilotaje es el rango de presiones de las señales de comando, dentro del cual la válvula puede conmutar sus posiciones. Se llama presión mínima de pilotaje ó umbral de pilotaje al mínimo valor de presión necesario para garantizar la conmutación. Ejemplo Se puede tener una válvula cuya presión de trabajo sea de 0 a 10 bar y su umbral de pilotaje de 2,5 bar. Si se desea trabajar esta válvula a 2 bar es posible hacerlo por sus vías principales, pero alimentando independientemente al sistema de señales con una presión superior a 2,5 bar.
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5
VÁLVULAS NEUMÁTICAS
5.9.4
Frecuencia de conmutación
87
Este es un dato que refleja la rapidez de la válvula para conmutar sus posiciones. Se expresa generalmente en ciclos/seg. (Hz) y significa la cantidad de veces que en la unidad de tiempo la válvula puede cambiar su posición y retornar a la de origen (ciclo), habiendo alcanzado la presión nominal en sus bocas de utilización. Algunos fabricantes dan un dato comparable con la frecuencia y es el llamado tiempo de respuesta o tiempo de conmutación, siendo la conversión: tc = 1000/2f Donde tc: tiempo de conmutación f = frecuencia (HZ) No debe interpretarse que una válvula con una frecuencia de 20 Hz pueda producir 20 avances y retornos por segundo en un cilindro, dado que hay inercias a vencer en este último y el llenado y la evacuación de las cámaras y tuberías tienen su propia velocidad. Este dato cobra importancia cuando existen exigencias de velocidad en la transmisión de señales y su respuesta. En el caso de las electroválvulas también deberán evaluarse las ya mencionadas características de los solenoides: clases de aislación, protección, tiempo de conexión relativo (ED), etc. Donde:
5.10
Dimensionado de válvulas En este punto trataremos de dar respuesta a la siguiente pregunta: ¿Qué tamaño de válvula corresponde utilizar para un determinado accionamiento? Ya hemos dicho que el tamaño de una válvula no queda precisamente determinado por el diámetro de sus conexiones y menos aún por sus dimensiones físicas. El tamaño desde el punto de vista de su utilización, quedaba determinado por los factores Kv, Cv ó Qn. La pregunta entonces será: ¿Qué Qn (Kv ó Cv) deberá tener la válvula para un determinado accionamiento? El primer paso para lograr la respuesta será determinar el caudal normal requerido por el accionamiento, el que dependerá fundamentalmente de tres factores: tamaño y velocidad del accionamiento, y presión de operación.
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Expresando la última fórmula en términos del diámetro del pistón y con las unidades indicadas, tendremos:
Donde:
El Kv, Cv, o Qn que deberá tener la válvula quedará determinado por las siguientes fórmulas
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5
VÁLVULAS NEUMÁTICAS
89
La caída de presión admitida en la válvula ∆P, es un valor que deberá adoptar quien realiza el cálculo y en líneas generales no deberá exceder el 50% de la presión de alimentación, ya que las fórmulas anteriores pierden validez para valores superiores. Lo corriente y usual es adoptar un valor de ∆P del orden del 5 al 10% del de la presión de alimentación de la válvula. Ejemplo Dimensionado de válvulas Determinar el Qn que deberá tener la válvula para accionar un cilindro de doble efecto de 63mm de diámetro y 600 mm de carrera, que debe efectuar su recorrido en un tiempo de 2 seg. La presión disponible en la válvula es de 7 bar.
Conclusión Para el accionamiento en las condiciones especificadas se requiere una válvula cuyo Qn sea como mínimo de 454 Nl/min. 5.11
Recomendaciones para el montaje de válvulas direccionales • Determine qué tipo de roscas posee la válvula. Utilice las conexiones adecuadas. • Si utiliza cinta de teflón u otro sellador para las uniones roscadas, asegúrese que no queden rastros que puedan penetrar en el interior de la válvula y alterar su funcionamiento. • Al realizar el conexionado, asegúrese que no haya cuerpos extraños en el interior de las tuberías soplándolas previamente con el mismo aire comprimido. • No instale las válvulas en ambientes con temperaturas distintas al rango especificado por el fabricante. • En todos los casos asegúrese que el aire que suministre a las válvulas haya sido previamente filtrado y lubricado. Una válvula operada con aire sin filtrar ni lubricar es propensa a desgastarse más rápidamente e incluso a trabarse. • Para mayor seguridad en el conexionado, verifique con el símbolo ISO impreso en cada válvula cuál es la boca de presión, cuál son las utilizaciones y cuáles son los escapes. • Las válvulas que tienen las bocas de escape roscadas permiten conducir las descargas, para impedir contaminaciones del ambiente con el aceite presente en el aire comprimido. • Prevea como norma la utilización de silenciadores en los escapes de las válvulas por razones de comodidad y seguridad laboral. • Es recomendable instalar las válvulas lo más cerca posible de los actuadores comandados.
90
6
Válvulas auxiliares
6.0
Introducción Las válvulas auxiliares definen el modo de actuar de los accionamientos neumáticos, modificando las condiciones de caudal, posiciones o secuencias, en un circuito. Entre las válvulas podemos nombrar: las reguladoras de caudal, uni o bidireccional, las válvulas de no retorno o de retención, las válvulas “o” o selectoras de circuito, la válvula de escape rápido, la válvula “Y” o de simultaneidad y la válvula de secuencia, entre otras.
6.1
Componentes neumáticos auxiliares de circuito Válvulas reguladoras de caudal o flujo Las válvulas reguladoras de caudal se utilizan para el control de velocidad de cilindros neumáticos, actuadores, así como también para la obtención de efectos de retardo de señales neumáticas (temporización neumática), permitiendo de esta forma la regulación del tiempo de presurización de un volumen. Existen básicamente dos grupos de reguladores de caudal: • Regulador de caudal bidireccional • Regulador de caudal unidireccional
6.1.1
Regulador de caudal unidireccional Regulan el caudal en una sola dirección del flujo, permitiendo el libre pasaje del aire en sentido contrario. Un regulador de este tipo se muestra en la figura siguiente. Su principal aplicación es la regulación de velocidad de cilindros y actuadores neumáticos, para lo cual son instalados sobre las vías que alimentan al cilindro (vías de utilización de la válvula) A los efectos de obtener regulaciones más precisas se aconseja instalarlos lo más cerca posible del elemento a regular. Actualmente, para favorecer esta última condición, se han desarrollado reguladores unidireccionales combinados con el mismo conector, para montar directamente sobre el cilindro. Comercialmente son conocidos con el nombre de reguladores banjo. Los mismos minimizan accesorios de conexionado y mano de obra de montaje. También son utilizados en combinación con acumuladores, para obtener efectos de temporización banjo neumáticas.
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6
VÁLVULAS AUXILIARES
6.1.2
Regulador de caudal bidireccional
91
El regulador de caudal bidireccional es comúnmente llamado válvula de aguja. Su función es la de restringir el paso del aire en ambas direcciones del flujo. 6.2
Válvulas de no retorno o de retención Estas válvulas permiten circulación libre en un sentido, bloqueándola completamente en el sentido contrario. Existen diferentes tipos constructivos, como ser: con cierre a bola, a cono, disco, membrana, anillo, etc. Existen válvulas de no retorno con cierres de dos tipos: • Cierre por presión de trabajo. • Cierre con fuerza incorporada: en las cuales la circulación será posible cuando la presión venza la resistencia del resorte antagónico de cierre. Cuando es necesario mantener la presión dentro de un cilindro ó depósito o manejar a voluntad un volumen acumulado, puede utilizarse una válvula de retención comandada, en donde la condición de bloqueo es relevada a voluntad por medio de una señal neumática.
Válvula de retención con cierre a cono Válvula de retención comandada
6.3
Válvula “O” o Selectora de Circuitos Esta válvula tiene dos entradas y una salida. Cuando el aire comprimido llega por cualquiera de las dos entradas, automáticamente se obtura la otra y el aire circula hacia la salida, ocurriendo lo mismo si el aire penetra por la otra entrada, desempeñando en un circuito la función lógica “O”.
RECUERDE que... Si se desea mandar un cilindro o una válvula de mando desde dos o más puntos, será necesario montar una Válvula “O” o Selectora de Circuitos.
< 92
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6.4
Válvula de escape rápido Esta válvula permite elevar la velocidad de los émbolos de cilindros. Con ella se ahorran largos tiempos de retorno, especialmente si se trata de cilindros de simple efecto. Logra obtener la máxima velocidad en los cilindros neumáticos. La misma tiene tres vías de conexión correspondiendo: una a la alimentación (desde la válvula), otra a la utilización (al cilindro) y la restante al escape; de modo tal que al alimentar al cilindro, una membrana o disco obtura en forma automática el escape. De esta forma, permite el pasaje del aire al interior del cilindro. Cuando la válvula es puesta a descarga, la propia presión en el cilindro desplaza la membrana o disco, permitiendo que el aire salga rápidamente por el escape sin recorrer la conducción que comunica a la válvula de escape rápido con la válvula de mando, es decir, con muy poca pérdida de carga, lo que implica gran velocidad de descarga y también gran velocidad en el cilindro. Es recomendable montar este tipo de válvula lo más cerca posible del cilindro.
La figura muestra la utilización de una válvula de escape rápido en un circuito de comando de un cilindro de doble efecto con avance regulado (lento) y retroceso rápido.
Se han desarrollado modelos de válvulas de escape rápido, cuya vía de escape en lugar de poseer un orificio roscado hembra, incorporan un elemento silenciador. De este modo, se disminuye notoriamente el ruido que produce la súbita expansión del aire en la atmósfera característico de estas válvulas. 6.5
Válvula “Y” o de Simultaneidad Esta válvula posee tres vías de conexión, dos de las cuales son entradas y la restante es la de utilización. De dicha forma sólo saldrá aire por esta última cuando exista presión simultáneamente sobre las dos entradas. Cuando una de ellas no existe, automáticamente se bloquea la entrada de la otra, anulándose la salida de aire por la utilización. Cuando las señales están desfasadas en el tiempo, la última recibida es la que pasa a la utilización. Desempeña la función lógica “Y”. Esta función también se logra empleando una válvula 3/2 con mando neumático y reacción a resorte.
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VÁLVULAS AUXILIARES
6.6
Válvula de secuencia
93
Es una válvula de 3 vías normalmente cerrada, que permite la circulación de fluido cuando en la línea de alimentación de la misma se haya alcanzado una presión predeterminada y regulable a voluntad. En los equipos neumáticos, las válvulas de secuencia se prevén en donde deba garantizarse una presión mínima determinada para el funcionamiento y por lo tanto debe evitarse la realización de la maniobra con una presión inferior. Además, se emplean también donde deben conectarse consumos preferenciales, alimentándose los restantes solamente cuando haya suficiente presión. A continuación se ejemplificaran la utilización de dos válvulas de secuencia. La figura muestra un circuito de accionamiento de un cilindro de doble efecto, el cual no deberá retroceder hasta tanto en la cámara no se alcance la presión máxima determinada por la válvula de secuencia.
En la figura siguiente, en cambio, se trata del accionamiento de un cilindro de sujeción y uno de trabajo. Este último no debe actuar sin que previamente lo haya hecho el primero desarrollando toda su fuerza. Esto se logra a través de la válvula de secuencia, que sólo permitirá dar una señal de mando a la válvula del cilindro de trabajo cuando la cámara del cilindro de sujeción se encuentre a la máxima presión, lo que garantiza que este haya actuado.
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Recomendaciones para el montaje de válvulas auxiliares • Al realizar el montaje, obsérvese cuidadosamente el símbolo que indica la función de la válvula, el sentido del flujo y la denominación de los orificios de conexionado. • Verifique qué tipo de rosca tiene la válvula y utilice siempre los conectores adecuados. • Al montar las cañerías, asegúrese que estén limpias en su interior, soplándolas si fuera posible antes de su vinculación definitiva. • Si se utiliza cinta de teflón para sellar las uniones roscadas, asegúrese que no queden restos dentro del tubo que puedan penetrar en el interior del elemento y alterar su buen funcionamiento. • Tenga siempre en cuenta, que una válvula reguladora de caudal está diseñada para restringir el flujo, pero no para bloquearlo totalmente. Por lo tanto, si esto último fuera necesario como condición de aplicación, aconsejamos la instalación de una válvula especifica para tal fin. 6.7
Vacío ¿Qué entendemos por vacío? Desde el punto de vista práctico, se llama vacío al campo de las presiones inferiores a la atmosférica. Es decir, a los espacios cuya densidad de aire y partículas es muy baja. El vacío se mide a partir del cero relativo (presión atmosférica) como una presión negativa. Como resulta obvio en esta escala el vacío máximo (vacío absoluto) considerando la presión atmosférica normal, no podrá ser mayor que –1.013 bar. Intentaremos dar unos ejemplos simplificados de la presión más baja que la presión atmosférica: Un aspirador de limpieza no crea succión por sí mismo, sino que crea una presión más baja que la atmosférica que le rodea. En consecuencia, el aire y el polvo son forzados por la presión atmosférica que rodea al aspirador al entrar en su interior. De la misma manera podemos describir el método de trabajo de una ventosa. Ésta no se adhiere por sí misma a una superficie, sino que es fijada por la mayor presión que la rodea. Desde el punto de vista de las presiones absolutas, los valores resultarán siempre positivos como si se tratase de cualquier otra presión y con valores comprendidos entre cero y la atmosférica. La deferencia de presiones entre el vacío y esta última, convenientemente aplicada sobre superficies, arrojará como resultante una fuerza, que sumada a la posibilidad de desplazamiento, permite obtener trabajo utilizable en la automatización. La técnica del vacío constituye una arma valiosísima en el campo de la automatización industrial, aplicable fundamentalmente a operaciones de transporte, manipuleo, embalaje y montaje de piezas mediante el uso de ventosas. El primer requerimiento que la aplicación de esta técnica plantea, es el de obtener de un modo sencillo y económico el “vacío”. Este puede lograrse mediante las clásicas bombas de vacío, en sus diferentes tipos, o por medio de generadores estáticos utilizando aire comprimido como fluido motor.
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VÁLVULAS AUXILIARES
6 . 7. 1
Aplicaciones de vacío
95
Cuando un proceso de manipulación se automatiza, suele suceder que determinadas piezas o productos deben ser seleccionados, elevados, sujetados, girados, posicionados o fijados en su sitio exacto. Frecuentemente, como hemos visto en otros capítulos, estos movimientos se realizan mediante aire comprimido y las diferentes piezas a manipular se "cogen” con pinzas neumáticas, y con mucha frecuencia mediante la utilización del vacío y sus técnicas. Hasta a hora se utilizaban únicamente bombas de vacío accionadas por motor eléctrico. Estas bombas tienen ciertos problemas de implantación en máquinas automáticas, en cuanto que: • Complican el sistema al integrar un generador con piezas móviles, sometidas a desgaste y averías. • Pueden generar ruido molesto. • Ocupan un volumen considerable. • Desprenden calor. 6 . 7. 2
Sistemas usuales de bombas de vacío Como se ha mencionado anteriormente, el vacío es generalmente creado por diferentes tipos de bombas entre las que se encuentran: • • • • • • •
Bombas de pistón Bombas de tornillo Bombas de paletas Ventiladores Turbinas Eyectores Multieyectores
Por su aplicación directa en automatismo neumáticos, en este manual sólo se describirán los dos últimos tipos. Eyectores y bombas de vacío a Multieyector En sistemas de automatismo neumático en los cuales hay una alimentación de aire comprimido, suele utilizarse los eyectores y bombas de vacío a multieyector, puesto que no precisan un sistema aparte de alimentación de energía, sino que producen el vacío a expensas del propio aire comprimido. Los eyectores son elementos estáticos de producción de vacío, en los cuales sólo el aire comprimido se mueve. Se basan en el Principio de Venturi. El control de producción o no-producción de vacío se efectúa por medio de un simple distribuidor de mando neumático o eléctrico, con lo cual es perfectamente integrable a los sistemas neumáticos de automatismo que se vienen tratando a lo largo de estos capítulos.
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6 . 7. 1
Generadores de vacío Operan basados en el Principio de Venturi y carecen, por lo tanto, de partes móviles. El aire comprimido pasa por una tobera o difusor a gran velocidad, generando de esta forma vacío en su sección mas estrecha. Su funcionamiento puede ser gobernado simplemente interrumpiendo o habilitando la circulación de aire comprimido, a través del generador mediante una válvula 2/2; de este modo se podrá generar vacío en el momento necesario de su aplicación, significando esto un ahorro considerable de energía frente al uso de las bombas. Las versiones más elementales de estos generadores contienen esencialmente sólo el dispositivo Venturi para generar el vacío, debiéndose anexarles como periféricos la válvula 2/2 de alimentación, un silenciador en el escape y otros accesorios, tales como vacuostatos para el encadenamiento de señales en caso de automatismos más complejos.
Las versiones más completas de estos equipos incluyen en una construcción compacta, además del sistema Venturi, una electroválvula 2/2 NC que gobierna la alimentación de aire comprimido y por lo tanto, la generación del vacío, un vacuostato que posibilita la obtención de una señal eléctrica cuando el vacío es alcanzado, un filtro en la línea de aspiración, silenciador de escape y a menudo también una electroválvula 2/2 de soplado para facilitar el desprendimiento de piezas livianas cuando se utilicen ventosas de sujeción. RECUERDE que... El Tubo de Venturi es un dispositivo que origina una pérdida de presión al pasar por él un fluido. En esencia, éste es una tubería corta recta, o garganta, entre dos tramos cónicos. La presión varía en la proximidad de la sección estrecha, así, al colocar un manómetro o instrumento registrador en la garganta se puede medir la caída de presión y calcular el caudal instantáneo, o bien, uniéndola a un depósito carburante, se puede introducir este combustible en la corriente principal.
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VÁLVULAS AUXILIARES
97
La performance de estos equipos se evalúa mediante sus curvas características, como las que a título de ejemplo se muestran en la figura siguiente.
6 . 7. 2
Ventosas ¿Qué son las ventosas? Las ventosas son elementos directamente vinculados con el vacío y constituyen lo que podríamos llamar las manos de esta técnica. Se utilizan en: • La automatización industrial como elementos de sujeción y transporte de piezas, en dispositivos de carga automática. • En máquinas herramientas. • En máquinas envasadoras. • En transporte de chapas, vidrios o partes de carrocería en la industria automotriz, etc. En general se emplean en muchas otras aplicaciones en donde el manipuleo resultaría muy dificultoso por otro sistema, debido a la geometría. La única condición que deben satisfacer las piezas al ser tomadas, es que deben ser ligeramente rígidas, de superficie lisa y no porosa. Las ventosas son generalmente fabricadas con elastómeros sintéticos, inalterables frente a los agentes industriales corrientes y en diferentes tamaños, satisfaciendo las necesidades de peso y dimensión de las distintas piezas a manipular Para las piezas muy voluminosas, de forma irregular o demasiado pesadas, se puede recurrir al empleo de varias ventosas alimentadas desde un único generador, con la condición de que el conjunto opere en forma simultánea. De otra manera, si varias o una de las ventosas no operan con el conjunto, el vacío se perderá a través de ellas, impidiendo la operación de las restantes. Con el objeto de amortiguar el contacto de la ventosa con las piezas a sujetar, mantener una presión constante contra las mismas, así como también compensar pequeñas diferencias en la altura de las piezas, se han desarrollado accesorios portaventosas que permiten una puesta a punto óptima del sistema posibilitando una regulación fina de la posición.
< 98
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En los casos de sujeción con ventosas múltiples, estos accesorios garantizan un contacto uniforme de todas las piezas, compensando irregularidades o diferencias mecánicas del sistema. Se logra así una mayor seguridad operativa y una prolongada vida útil de las ventosas.
6.8
Diámetro D (mm)
Fuerza teórica a – 0,7bar (N)
8
1.9
15
7.7
30
2.7
40
27
55
109
75
207
100
407
Elementos de conexionado El conexionado de los diversos constituyentes de un circuito neumático sea este simple o complejo, reviste una particular importancia por cuanto incide directamente sobre el costo global de la instalación. Cuando decimos costo global, no estamos haciendo referencia exclusivamente al costo de los componentes, sino que está considerando, inclusive, el de mano de obra para el armado del equipo, el mantenimiento, la durabilidad y la seguridad operativa. La elección más rentable no será entonces la más económica en el momento de la compra, sino aquella que también contemple el resto de los costos involucrados durante toda la vida útil de la instalación.
6.8.1
Racores o Conectores Racores o Conectores: son los elementos que permiten vincular los tubos de conducción a los componentes neumáticos. Un gran avance en el campo del conexionado lo constituyen los denominados conectores instantáneos, en los cuales la estanqueidad y el cierre se obtienen simplemente introduciendo y empujando con la mano el tubo dentro del conector. Son aptos para presiones de hasta 18 bar (dependiendo del diámetro del tubo y la temperatura) y se suministran para diámetros de hasta 14mm. Por su extraordinaria concepción y facilidad de conexionado, la aplicación resulta ideal en circuitos neumáticos complejos, en los cuales la tarea de conexión se ve notablemente simplificada, o bien en circuitos que deban ser desconectados con cierta frecuencia, para satisfacer necesidades de puesta a punto, mantenimiento, reemplazos, etc. En la selección de conectores es importante tener en cuenta el concepto de pasaje total de los mismos. El conector no debe representar un estrechamiento innecesario respecto del tubo con que va conectado o el diámetro nominal del componente, de lo contrario se produciría una disminución del caudal circulante.
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VÁLVULAS AUXILIARES
6.8.1.1
Roscas de conexión – Roscas cónicas – Roscas cilíndricas
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En lo que a roscas de conexión se refiere, en el ámbito mundial coexisten en la actualidad varias tendencias: las roscas cónicas en los tipos BSPT (Withworth) ó NPT (americana) y las cilíndricas BSPP Gas y métricas (ISO 261 e ISO 6149), estas últimas poco difundidas en los diámetros mayores. Para el uso de rosca cónica es imprescindible realizar el sellado de la unión en las roscas mismas, debiéndose colocar sellador químico, cintas de teflón o pastas, con el riesgo de que algún fragmento pueda penetrar el interior de los componentes, alterando luego su funcionamiento. Toda vez que la unión sea desarmada debe reemplazarse el sellador. La posibilidad de orientar un conector acodado de rosca cónica, involucra el riesgo de que quede flojo, o en el peor de los casos con un excesivo ajuste, que puede llegar a fisurar el cuerpo del componente. Las ventajas de las roscas cilíndricas con guarnición de cierre frontal, la van imponiendo frente a la cónica pues se gana en rapidez y el montaje resulta más seguro y confiable. La guarnición de cierre (metálica o plástica) puede usarse reiteradas veces. La orientación de conectores con rosca cilíndrica de tipo banjo es perfectamente realizable sin perder estanqueidad y sin riesgo de fisurar el componente. Todos estos factores compensan económicamente el costo levemente superior de los conectores, con rosca cilíndrica respecto a los de rosca cónica. Seguidamente y a título de ejemplo se muestran las distintas variantes de conectores que integran las diversas líneas comerciales, dejando claro que éstas pueden variar según los fabricantes. 6.8.1.2
Conectores instantáneos
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MICRO
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VÁLVULAS AUXILIARES
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MICRO
6.8.1.3
Conectores universales
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VÁLVULAS AUXILIARES
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MICRO
6.8.1.4
Accesorios
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VÁLVULAS AUXILIARES
6.8.2
Tubos de conexión
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Para una elección correcta de las conducciones del aire comprimido en sistemas neumáticos, es importante considerar los siguientes factores: • • • • • • • • •
Presión de trabajo. Temperatura, tanto del aire como del ambiente. Pulsaciones de la presión. Pérdidas de carga. Esfuerzos mecánicos y movilidad. Características de agresividad química del ambiente. Facilidad de montaje y recambio. Compatibilidad con los conectores. Costo comparativo.
Normalmente son disponibles dos tipos de conducciones: • Rígidos • Flexibles La elección de uno u otro dependerá del análisis de los factores anteriormente enunciados. A título orientativo diremos que: • Las conducciones rígidas son mecánicamente más resistentes y duraderas, soportan altas temperaturas y en general condiciones de servicio más severas. No resultan adecuadas para vincular elementos con movilidad relativa por más pequeñas que sean y demandan una alta carga de mano de obra de montaje. Necesitan ser cortadas a longitud exacta, desbardar sus extremos y el curvado debe hacerse con herramientas especiales. Son más difíciles de acomodar a los frecuentemente complejos recorridos de las conducciones en las máquinas. No son compatibles con todos los tipos de conectores, en particular los instantáneos, lo que agrega horas de montaje, resultando en general de costo global más elevado. • Las conducciones flexibles son menos resistentes, la presión de trabajo disminuye con la temperatura y el límite de ésta es más bajo que en las rígidas; tienen una vida útil limitada en razón del envejecimiento natural del material, acentuado en algunos casos por la temperatura. Pueden ser trabajadas rápidamente sin dificultades de curvado y formado y se adecuan bien a recorridos complejos. Son insustituibles en el conexionado de elementos con movilidad, y compatibles con la gran mayoría de los conectores. Resisten bien los ambientes químicamente agresivos en general y son de menor costo. La evaluación de ventajas y desventajas comparativas hacen que la tendencia actual en neumática esté orientada hacia el uso de tuberías flexibles. Tanto las conducciones flexibles como rígidas, se encuentran normalizadas por distintos entes internacionales. Los tubos rígidos son disponibles en distintos materiales, siendo los más usuales aluminio, cobre y acero inoxidable. El de uso más difundido es el cobre, reservándose el inoxidable para servicios pesados. El aluminio resulta mecánicamente muy vulnerable. El campo de las tuberías flexibles es mucho más amplio con variantes de materiales y tipos. Seguidamente, detallaremos los más difundidos para uso neumático y sus características de utilización.
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MICRO
6.8.2.1
Tubos de polietileno Son tubos de bajo costo, de medianas prestaciones, aptos para instalaciones económicas, fijas o móviles, donde no se cuestione la durabilidad y pueda trabajarse en condiciones de temperatura ambiente normal y presiones no muy elevadas. Poseen baja resistencia a presiones pulsantes y la temperatura acelera notablemente su envejecimiento.
6.8.2.2
Diam. Ext. Del tubo (mm)
Radio mínimo de curvatura en frío (mm)
Presión de trabajo (bar) 10 .... 35°C
36 ..... 50°C
4
40
10
6
6
45
10
5
8
65
9
4.5
10
75
9
4.5
12
80
8
4
16
85
8
4
Tubos de poliuretano Son tubos de costo moderado, con buenas prestaciones y gran flexibilidad, aptos para instalaciones fijas o móviles en donde la durabilidad deba considerarse. Se obtienen radios de curvatura pequeños, aún en frío. Se adaptan bien a cambios de dirección y tienen buena resistencia a condiciones de presión pulsante. Poseen un amplio rango de temperaturas de trabajo.
6.8.2.3
Diam. Ext. Del tubo (mm)
Radio mínimo de curvatura en frío (mm)
Presión de trabajo (bar) -15 .... 30°C
31..... 50°C
51....70°C
4
10
10
7
5
6
15
10
7
5
8
20
9
6.5
4.5
10
25
9
6.5
4.5
12
35
8
6
4
Tubos de poliamida Es un tubo de excelentes prestaciones, de moderada flexibilidad y gran estabilidad en el tiempo. Posee buena resistencia al envejecimiento y a las acciones mecánicas, con un rango amplio de temperaturas de utilización. Se obtienen radios de curvatura más pequeños que con los de polietileno, y son compatibles con la mayoría de los conectores.
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6
VÁLVULAS AUXILIARES
6.8.2.4
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Diam. Ext. Del tubo (mm)
Radio mínimo de curvatura en frío (mm)
Presión de trabajo (bar) -15.... 35°C
31 ..... 50°C
51....70°C
4
30
18
15
12
6
35
18
15
11
8
55
14
11
8
10
70
14
11
8
12
75
14
11
8
Tubos de teflón Este tubo ofrece unas prestaciones óptimas de resistencia a los agentes agresivos y corrosivos, así como a las temperaturas elevadas. Se caracteriza por tener una dureza de 55° Shore D y soportar hasta 150 °C y 20 bar. Las principales ventajas son: • • • •
6.8.3
Excelente inercia química y resistencia a la temperatura. Conformidad FDA (calidad alimenticia) Muy buena resistencia a la abrasión. Excelente resistencia a los U.V.
Tubos de teflón Además de los ya vistos reguladores de caudal unidireccionales incorporados a un conector, conocidos como Reguladores Banjo, existen una serie de conectores similares que incluyen otras funciones neumáticas específicas, tales como reguladores de presión unidireccionales, válvulas de bloqueo piloteadas y células con función lógica que permiten detectar el momento en que el cilindro se detiene al final de su recorrido.
6.8.3.1
Conectores con función Conector regulador de presión unidireccional – Economizador Este conector con función permite suministrar a las cámaras del actuador una presión P2 reducida en un determinado valor respecto a la de alimentación P1 de la válvula. En ciertos cilindros destinados a prensar y a empujar, se debe a menudo limitar el esfuerzo ejercido para no dañar la pieza sobre la que actúa. En otros casos, las carreras pasivas del actuador pueden ser realizadas con una presión reducida, ya que durante las mismas no es necesario realizar esfuerzo alguno. En todos los casos la carrera opuesta no debe resultar afectada ni en fuerza ni en velocidad, razón por la cual su acción reguladora de presión es unidireccional, siendo libre el pasaje en sentido inverso. Al adecuar la presión en las cámaras del actuador a los valores estrictamente necesarios para cada movimiento, se produce un ahorro de aire comprimido (energía sobrante) Los economizadores se instalan directamente sobre las bocas de utilización de las válvulas o en las vías sobre las cuales se desea ejercer el control de la presión. La economía producida es proporcional a la diferencia de presiones P1 – P2. El uso de estos economizadores correctamente implementados, puede significar ahorros de energía del orden de 25 a 30%.
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MICRO
El carácter unidireccional de este conector permite que su instalación sea compatible con los reguladores de caudal uni o bidireccional y con las válvulas de escape rápido, logrando conseguir de esta forma la regulación de la velocidad. La regulación de la diferencia de presiones P1 – P2 deseable se efectúa mediante un tornillo superior que lleva asociada generalmente una escala de colores, existiendo una correspondencia entre color y regulación/ economía (P1 – P2) Conector de bloqueo piloteado Consiste básicamente en una válvula 2/2 normal cerrada (NC) de pilotaje neumático y reacción por resorte, incorporada a un conector de tipo “Banjo”.
Montados en dupla sobre las bocas de conexión de un cilindro neumático, aseguran el bloqueo del movimiento del actuador cerrando simultáneamente la alimentación y la descarga en el momento que le es eliminada la señal de pilotaje.
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VÁLVULAS AUXILIARES
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Conector - sensor por ausencia de presión Estos sensores, montados directamente sobre las bocas del cilindro, funcionan como detectores de fin de carrera, relevando la anulación de la contrapresión de descarga del cilindro cuando el pistón se detiene al final de un recorrido. En estas condiciones emiten una señal neumática.
Funcionamiento: Con el vástago en posición de reposo (retraído), la presión en la cámara delantera será P, en tanto en la cámara trasera será nula (P’ = 0) En estas condiciones el sensor a0 emite una señal, no así a1 por hallarse bajo presión (posición 1 del diagrama de presiones) Al conmutar la válvula e iniciarse el movimiento del pistón, el estado de presiones en las cámaras se invierte (posición 2 del diagrama) La cámara trasera quedara sometida a la presión motriz Pm (ligeramente inferior a P), el sensor a= dejará de emitir señal por hallarse bajo presión. En la cámara delantera actuará Pr >0. El sensor a1 sometido a la presión Pr > 0 tampoco emite señal. Al completarse el recorrido el pistón se detendrá (posición 3 del diagrama) La presión Pr en la cámara delantera disminuirá hasta cero, cayendo por debajo del umbral de conmutación del sensor a1. Este emitirá en consecuencia la señal a1, tal como lo haría un fin de carrera convencional. El sensor a0 no emitirá señal puesto que quedará sometido a la presión P. El mismo análisis puede hacerse para la carrera de retorno hasta alcanzar la posición de partida. El umbral de conmutación se ubica en torno a los 0,5 bar. Debe quedar claro que este sensor opera por presión y no por posición. Si el vástago fuera detenido accidentalmente en una posición intermedia de su carrera por una acción mecánica, el sensor a1 (o el a0 si fuera en la carrera de retorno) emitirán su señal tal como si el vástago hubiese completado su recorrido normal. Esto no ocurriría en el caso de sensores (fines de carrera) por posición, tales como los operados por mandos mecánicos, los magnéticos, inductivos, capacitivos, ópticos, etc. Son compatibles con conectores de cualquier tipo incluyendo los banjos con regulador unidireccional y también con el resto de los conectores con función vistos.
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6.8.4
Presóstatos y vacuostatos Los crecientes niveles de automatización que hoy experimenta la industria en sus distintos ramos, sumado a la combinación de tecnologías que deben implementarse en las diferentes aplicaciones, exigen cada día más de elementos conversores o transductores de señal. Las electroválvulas neumáticas posibilitan la conversión de señales eléctricas en neumáticas. Para la conversión inversa, es decir, señales neumáticas en eléctricas, son disponibles los denominados presóstatos. Constan esencialmente de un pequeño pistón neumático o un diagrama, al cual se le opone un resorte. El vástago del pistón opera un conjunto de contactos eléctricos. Un esquema simplificado se muestra en la figura:
Al aparecer una señal neumática en la boca A (de presión suficiente para vencer al resorte opositor), el pistón se desplazará conmutando los contactos eléctricos.
En los presóstatos denominados de rango fijo el resorte es calibrado para cada rango. Los presóstatos con rango regulable poseen tornillos de ajuste que posibilitan modificar a voluntad la precarga del resorte, y en consecuencia la presión a la cual serán conmutados los contactos. Normalmente se suministran con uno, dos o más contactos de cierre (normales abiertos) y otros tantos de apertura (normales cerrados) Debido a la histéresis de los mecanismos internos la presión de disparo (NET) es diferente a la de rearme (Reset)
Los equipos más completos permiten regular en forma independiente mediante tornillos y resortes los valores de seteo y reseteo de contactos, ampliando o disminuyendo la histéresis. Para conmutación de contactos eléctricos a presiones negativas (inferiores a la atmosférica) son disponibles equipos de similares condiciones operativas denominados vacuostatos.
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VÁLVULAS AUXILIARES
6.8.5
Silenciadores
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Bien conocida es la importancia del control de los ruidos industriales, para la generación de ambientes de trabajo sanos y confortables. Los escapes de los sistemas neumáticos suelen ser particularmente ruidosos, sobre todo cuando se trata de actuadores de grandes dimensiones, o cuando el número de bocas de escape es elevado en razón de la complejidad de la máquina. El ruido es motivado por la violenta expansión que ocurre en las bocas de escape de las válvulas, al despresurizarse las cámaras de los actuadores.
Con el objeto de atenuar el nivel de ruido de las instalaciones neumáticas, han sido desarrollados los silenciadores de escape. Los mismos introducen un pasaje laberíntico en el aire de descarga, atenuando por choque la onda expansiva en forma gradual, de modo que el nivel de ruido resulte reducido. Son en general diseñados para una mínima pérdida de carga, tratando de que su inclusión no modifique en manera apreciable las características del sistema. Suelen construirse en materiales sinterizados como bronce o inoxidable y también los íntegramente plásticos, siendo estos últimos más económicos. Además de atenuar el ruido, los silenciadores evitan el ingreso de polvo o partículas a la válvula, a través de sus escapes. Esto es particularmente importante considerarlo en industrias con alta contaminación ambiental; tales como acerías, fundiciones, canteras, molinos harineros, y cementeras. RECUERDE que... Periódicamente, debe efectuarse la limpieza de los silenciadores dado que sus pasajes pueden ir obturándose progresivamente con el uso, aumentando la pérdida de carga hasta llegar a reducir la velocidad de los actuadores. En ambientes industriales con alta concentración de polvo se debe aumentar la frecuencia de limpieza o reemplazarlos periódicamente.
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7
Dispositivos hidroneumáticos
7. 0
Introducción La limitación atribuida a la neumática es la compresibilidad del aire, la que repercute como tal en mayor o menor grado en la regulación de bajas velocidades en los actuadores. Si en un avance neumático puro, el aire de descarga es fuertemente regulado con el objeto de lograr un avance particularmente lento, el émbolo se moverá a saltos. Esto ocurre pues al trabajar con el pasaje de descarga muy cerrado, la presión en la cámara de descarga aumenta tendiendo a equilibrar a la presión motriz, dentro del cilindro en la cara de impulsión. En estas condiciones el pistón trabajará prácticamente equilibrado y en consecuencia cualquier fuerza que se le oponga, inclusive las propias de rozamiento, detendrán el movimiento del mismo de modo tal de permitir un descenso de la presión de descarga permitiendo al cilindro generar la suficiente fuerza como para restaurar el movimiento. Esta alteración del movimiento puede medir desde 1mm hasta varios centímetros de longitud, en función de la magnitud de las fuerzas opositoras y del grado de regulación. Como consecuencia de la compresibilidad del aire, no puede conservarse una velocidad de avance lo suficientemente constante desde el principio al final de la carrera, siendo esto más notorio en el caso de bajas velocidades. Esto se manifiesta notoriamente para regulaciones por debajo de los 30 a 50 mm/s. La limitación puede ser salvada con ayuda de la hidráulica, es decir, que ambas tecnologías (hidráulica y neumática) se complementan permitiendo la regulación de avances uniformes a bajas velocidades, aún por debajo del límite mencionado, a través de los convertidores neumáticos.
7. 1
Convertidores neumáticos Convertidor: El término convertidor se refiere a lo que transforma energía, en este caso energía neumática a hidráulica de baja presión, para ser utilizado en un actuador. Podemos distinguir tres sistemas: • Convertidor hidroneumático - Tanque hidroneumático. • Cilindro freno auxiliar - Hidrorregulador. • Multiplicador de presión.
7. 2
Convertidor o tanque hidroneumático En los tanques hidroneumáticos, la presión del aire es transformada en presión de aceite, en el cual puede o no existir un émbolo sin vástago que separa el recinto de aire del de aceite. Si se hace actuar aire comprimido sobre el lado neumático la presión de éste se transformará en una presión hidráulica de igual valor. Siendo ahora el aceite un fluido prácticamente incomprensible, resulta adecuado para lograr avances lentos y uniformes. Es de mencionar que la utilización de los tanques hidroneumáticos son sólo aplicables a válvulas y actuadores (cilindros, actuadores rotantes, etc.) que sean para uso con aceite. Éstos se diferencian de los tanques neumáticos generalmente por el tipo de guarniciones, pudiéndose transformar uno en otro con sólo cambiar éstas. Las válvulas reguladoras de caudal utilizadas en los sistemas neumáticos, no resultan aptas para la regulación de velocidad en circuitos hidroneumáticos.
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7
DISPOSITIVOS HIDRONEUMÁTICOS
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Con esta última finalidad los fabricantes han desarrollado válvulas reguladoras de caudal que reúnen singulares características. Estas válvulas, además de sus bocas principales de pasaje, poseen bocas adicionales para pilotaje neumático, pudiéndose obtener de este modo carreras de avance con aproximación rápida y lenta de trabajo, con un retorno rápido y viceversa, y aún posiciones intermedias de parada. Las figuras siguientes muestran la disposición de dos circuitos hidroneumáticos, para accionar un cilindro de doble efecto con regulación de velocidad en un sólo sentido y doble regulación. En la instalación de circuitos hidroneumáticos deben tenerse en cuenta algunas consideraciones: • El volumen de los tanques hidroneumáticos deberá ser el doble del volumen desplazado por el cilindro. • Deben purgarse eficientemente, pues burbujas de aire en el circuito hidráulico restan eficiencia a la regulación a causa de la compresibilidad que agregan. • Al considerar el consumo de aire de un circuito hidroneumático, no sólo debe tenerse en cuenta el consumo del cilindro como si fuera neumático, sino también el volumen de aire comprimido para llenar el espacio de los tanques no ocupado por aceite. • Evitar fugas de aceite pues representan unas pérdidas de potencia, e incluso peligro de acciones. • Utilizar los aceites recomendados por los fabricantes. 7. 3
Cilindro freno auxiliar - hidroregulador Son unidades reguladoras de velocidad auxiliares que se acoplan mecánicamente al cilindro neumático, cuya velocidad se quiera regular. En estas unidades el aceite permanece alojado dentro de una cavidad completamente independiente del actuador neumático, imposibilitando cualquier mezcla o contacto entre ambos fluidos. Existen básicamente dos disposiciones: 1. Hidroregulador en serie. 2. Hidroregulador en paralelo.
En el primero de los casos (disposición serie), cuando se alimenta la unidad neumática, el aceite es obligado a circular de un sector a otro de la cámara de la unidad hidráulica, a través de una válvula reguladora de caudal unidireccional de tal manera de poder regular dicho pasaje, creando una presión hidráulica que actúe equilibrando el émbolo neumático. La velocidad de desplazamiento, fijada a una presión de trabajo, quedará determinada por el caudal de aceite que circule por el regulador. Siendo ahora el aceite un fluido prácticamente incomprensible, apenas aparezca una
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MICRO
resistencia al avance, la presión del mismo caerá en forma instantánea a un valor tal que genere sobre el émbolo un desequilibrio igual a la resistencia opositora. De esta manera, la velocidad de desplazamiento se mantendrá constante. Del mismo modo, cualquier intento de aumento de velocidad en forma externa, provocará un aumento instantáneo en la presión de aceite de magnitud tal de equilibrar la acción externa y evitar dicho aumento. El mismo análisis podría hacerse para cilindros neumáticos, siendo válidas las condiciones anteriores en lo referente al juego de presiones. Sin embargo, siendo el aire compresible, los espacios en que se logran tales equilibrios son más grandes y, por consiguiente, mayores los tiempos de realización de estos ajustes, resultando las velocidades poco uniformes. En los del segundo tipo (hidroregulador en paralelo), el principio de funcionamiento es el mismo, la única diferencia es que en éste el accionamiento del hidroregulador se efectúa a través de una barra transversal fijada al vástago del cilindro neumático, que paralelamente da movimiento al hidroregulador. En este caso, es posible obtener carreras de avance libre y reguladas en partes y retrocesos rápidos, mediante el ajuste de un juego de tuercas y contratuercas sobre el vástago del hidroregulador. Las figuras siguientes indican algunas disposiciones de estas unidades 7. 3 . 1
Regulación de avance
7. 3 . 2
Regulación del retroceso de un cilindro de doble vástago Las aplicaciones más frecuentes son el avance y el retroceso de herramientas de corte y todo tipo de automatismo, donde sea requerida una carrera lenta regulada (o con rápido – lento) y retroceso rápido.
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DISPOSITIVOS HIDRONEUMÁTICOS
7. 3 . 3
Multiplicadores de presión
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En los multiplicadores de presión se transforma una presión de aire en otra presión de aceite (u otro fluido incompresible) más elevada. Están formados por un pistón accionado neumáticamente que impulsa a otro pistón de menor diámetro que opera sobre la vía hidráulica. El principio de la multiplicación de presión ocurre en función de la relación de áreas entre los dos mencionados pistones, siendo directamente proporcional a dicha relación. Si se denomina “d” al diámetro del pistón hidráulico y “D” al diámetro del pistón neumático impulsor, deberá verificarse la siguiente relación:
Donde:
A esta última se la conoce como relación de multiplicación. En razón de que la carrera neumática es igual a la hidráulica, cuanto mayor sea esta relación tanto menor se hace el volumen de la cámara hidráulica. Generalmente, se construyen para relaciones de multiplicación fijas que varían de _ a 1/80, pudiéndose alcanzar presiones de 500 bar ó más. El empleo de multiplicadores de presión es adecuado para obtener fuerzas elevadas con volúmenes reducidos, y en general en aplicaciones puntuales donde sea requerida una elevada presión en un fluido hidráulico y se disponga de aire comprimido. Por esta última vía se obtiene una solución de menor costo en relación con una clásica central hidráulica, con la limitación de disponerse de bajos caudales. Existen unidades compactas que incluyen todo el automatismo como para lograr un movimiento alternativo de los pistones, y, por lo tanto un bombeo continuo con flujo pulsante. Éstas son conocidas como bombas hidroneumáticas.
116
8
Mandos neumáticos
8.0
Introducción Una máquina conforma básicamente dos partes bien definidas: la parte operativa, también llamada de potencia, formada por el conjunto de elementos en donde se llevan a cabo las acciones propias del proceso de trabajo. El mando, también llamado parte de comando, en donde se generan las órdenes que gobiernan al conjunto de elementos de la parte operativa. Entre ambas partes existe una fluida comunicación. El mando comunica órdenes a la parte operativa, ésta ejecuta las acciones correspondientes e informa al mando su evolución. En función de la información recibida, el mando elabora nuevas órdenes, las que serán ejecutadas en la parte operativa y su evolución nuevamente reportada al mando. Esta situación se repite hasta completar un ciclo de trabajo. Obsérvese, que el mando sólo emite nuevas órdenes cuando recibe confirmación del cumplimiento de la orden precedente en la fase operativa. Esta modalidad (orden – confirmación – orden), es conocida con el nombre de mando por cadena cerrada. Las garantías operativas que ofrece lo convierten en el de uso más difundido en el campo de la automatización industrial. Ciertos automatismos carecen de flujo de información desde la parte operativa al mando. Éste genera entonces, las órdenes en forma independiente de las acciones de la parte operativa y por supuesto sin garantía de cumplimiento. Esta modalidad (orden – orden – orden), es conocida con el nombre de mando por cadena abierta. Su aplicación es cada vez más relegada a automatismos simples y poco comprometidos. PARTE OPERATIVA O DE POTENCIA
INFORMACIONES
ÓRDENES
MANDO
8.1
El concepto de mando Mando o Mandar: es la acción engendrada en un sistema, sobre el cual uno o varios parámetros (señales) de entrada, modifican según las leyes del propio sistema a otros parámetros (señales), considerados de salida. Muy a menudo el término mando es utilizado no sólo para designar la acción de mandar, sino también como denominador del sistema en el cual se engendra la acción. En tal sentido, lo hemos considerado en el apartado anterior.
PARÁMETROS DE ENTRADA INFORMACIONES
SISTEMA (MANDO)
PARÁMETROS DE SALIDA ÓRDENES
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8
MANDOS NEUMÁTICOS
8.2
Las señales de mando
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Señales: las señales son el lenguaje por medio del cual se comunican entre si el mando y la parte operativa de la máquina. A través de ellas, el mando comunica las órdenes a la parte operativa y ésta informa su evolución al mando. Por medio de señales también se vinculan entre si la máquina y su operador. La orden o información transmitida se manifiesta por medio de cambios del valor de un parámetro físico característico de la señal (tensión, posición, presión, etc.)
8.2.1
Origen de la señal
Parámetro físico característico
Naturaleza de la señal
Información u orden transmitida
Leva de un torno automático
Dimensión (radio de la leva)
Mecánica
Avanzar herramienta
Fin de carrera neumático
Presión
Neumática
Posición alcanzada por un actuador
Contacto eléctrico
Tensión
Eléctrica
Marcha o detención de un motor
Semáforo
Color
Óptica
Avanzar o esperar
Termómetro
Temperatura
Óptica
Valor de la temperatura
Sirena de bomberos
Nivel sonoro
Acústica
Incendio
Señales analógicas Un sistema analógico es aquel que tiene la capacidad de generar, transmitir, procesar o almacenar señales analógicas. Se dice que una señal es analógica cuando las magnitudes de la misma se representan mediante variables continuas, análogas (relación de semejanza entre cosas distintas.) a las magnitudes que dan lugar a la generación de esta señal. Referido a un aparato o a un instrumento de medida, decimos que es analógico cuando el resultado de la medida se representa mediante variables continuas, análogas a las magnitudes que estamos arqueando. Ejemplo En la naturaleza, el conjunto de señales que percibimos son analógicas, así la luz, el sonido, la energía etc. son señales que tienen una variación continua. Incluso la descomposición de la luz en el arco iris vemos como se realiza de una forma suave y continua. Otro ejemplo de ellos es la temperatura: a lo largo de un día la temperatura no varía entre, por ejemplo, 20 ºC o 25 ºC de forma instantánea, sino que alcanza todos los infinitos valores que entre ese intervalo se encuentra. En neumática una señal analógica puede ser la representación de la variación de la presión en el interior de un cilindro, para una determinada regulación del caudal entregado por la válvula.
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8.2.2
Señales digitales Las señales digitales, en contraste con las señales analógicas, no varían en forma continua, sino que cambian en pasos o en incrementos discretos en su rango. La mayoría de las señales digitales utilizan códigos binarios o de dos estados. Un sistema digital es cualquier dispositivo destinado a la generación, transmisión, procesamiento o almacenamiento de señales digitales. Una señal digital corresponde a magnitudes físicas limitadas a tomar sólo unos determinados valores discretos. Por ejemplo: 0 (señal de resistencia eléctrica, muy pequeña), ó 1(señal de resistencia eléctrica, muy grande) En general, las señales exteriores que hacen posible la identificación en su estado natural, se transforman en código binario (0’s y 1’s) que mediante la utilización de programas se pueden transformar de acuerdo a los requerimientos. Las computadoras digitales utilizan la lógica de dos estados: la corriente pasa o no pasa por los componentes electrónicos de la computadora. Ejemplo Aquellos medios que no poseen agujas y mediante dígitos indican la variable. Lo hacen de a pasos o saltitos no continuos.
8.2.3
Señales binarias Son aquellas en las que el mensaje esta definido en sólo dos campos de variación del parámetro físico característico. Cada campo tiene asignado un mensaje diferente. Las señales binarias en realidad, son señales digitales pero sólo definidas en dos campos de variación del parámetro físico. La señal sólo contiene dos mensajes: SI/NO – ABIERTO/CERRADO – MARCHA/PARADA – VERDADERO/ FALSO – ALTO/BAJO – etc. Denominaremos a estos estados 0 y 1. Evitaremos el uso de otras designaciones paralelas. Los equipos neumáticos industriales son generalmente del tipo todo o nada, vale decir que los distintos elementos del sistema pueden adoptar sólo dos estados definidos. Ejemplo Los cilindros tendrán sus vástagos retraídos o extendidos. Los finales de carrera están actuados o no. Una válvula conmuta su posición o no. Este tipo de comportamiento, que podríamos definir como binario, es logrado mediante señales de mando binarias de naturaleza neumática. Dejamos aclarado que ciertos equipos industriales utilizan sólo la energía neumática en la parte de potencia, en tanto la parte de comando es realizada sobre una base eléctrica, por medio de relés o sistemas electrónicos de mando, y serán comandados por señales binarias de naturaleza eléctrica o electrónica. Estas señales son adecuadamente convertidas y amplificadas en neumática para el gobierno de los órganos de potencia.
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8
MANDOS NEUMÁTICOS
8.3
La cadena de mando
119
Hasta el momento el mando fue considerado como un bloque al cual ingresaban señales (informaciones) provenientes de la parte operativa, y en función de leyes propias salían señales (órdenes) hacia la parte operativa. Seguidamente analizaremos más detalladamente este bloque siguiendo el flujo de señales desde su entrada hasta su salida. ACCIONAMIENTO DE POTENCIA (PARTE OPERATIVA)
ENTRADA DE SEÑALES
TRATAMIENTO DE SEÑALES
SALIDA DE SEÑALES
COMUNICACION HOMBRE - MAQUINA
SEÑALES DEL OPERADOR
8.3.1
OPERADOR
SEÑALES DEL OPERADOR
Análisis de cada bloque Bloque de entrada Lo forman el conjunto de elementos a través de los cuales ingresan al mando las señales de la parte operativa. La señal recibida, de cualquier naturaleza, es convertida a la adecuada al mando y transmitida a la unidad de tratamiento. Dependiendo de la tecnología utilizada en el mando, el bloque de entrada esta compuesto por: • • • • • •
Fines de carrera neumáticos o eléctricos. Sensores de proximidad inductivos. Fotoeléctricos. Capacitivos. Magnéticos. Presóstatos o en general cualquier elemento que permita detectar un acontecimiento en la máquina accionada.
Bloque de comunicación hombre – máquina Es el complemento indispensable del mando. Permite al operador intervenir en el momento del arranque, efectuar paradas de emergencia, tomar acciones alternativas y por medio de sistemas de señalización controlar permanentemente el desarrollo de las operaciones. Esta función es realizada por medio de auxiliares de mando con intervención humana (botoneras, pulsadores, palancas y pedales, entre otros) y señaladores luminosos. Y en los automatismos más complejos se realiza mediante pupitres, consolas, mímicos y unidades de programación como en el caso de los controladores electrónicos y programables.
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Bloque de tratamiento Es el verdadero “cerebro” del mando; recibe las señales provenientes de la unidad de entrada, las procesa según leyes preestablecidas y emite las señales de acción. Según la importancia y complejidad del automatismo, este tratamiento puede ser realizado por intermedio de relés, contactores auxiliares, temporizadores, elementos lógicos electrónicos o neumáticos, secuenciadores, circuitos electrónicos específicos o controladores electrónicos programables (PLC) Bloque de salida La forman el conjunto de elementos receptores de las señales emitidas por la unidad de tratamiento. Estos elementos gobiernan el flujo energético dirigido a los órganos de trabajo. Las señales recibidas desde la unidad de tratamiento son aquí amplificadas y/o convertidas a las formas convenientes requeridas por los órganos ejecutores de la unidad de salida. La componen contactores de potencia, válvulas y electroválvulas distribuidoras hidráulicas y neumáticas, transductores en general, etc. 8.3.2
Accionamiento de potencia (parte operativa) Formada por el conjunto de elementos ejecutores de las órdenes de mando. La energía recibida del bloque de distribución es transformada en trabajo útil y transferida a la máquina. La compone todo tipo de motores (eléctricos, hidráulicos, neumáticos, etc.), actuadores lineales y rotantes neumáticos e hidráulicos, etc. Al mencionar los distintos componentes de cada bloque hemos tratado de representar el caso más general de las máquinas, cualesquiera fueren las energías utilizadas en la parte de mando y potencia.
8.4
Formas de representación de las fases operativas de una máquina La complejidad siempre creciente de los automatismos industriales, se traduce en cada vez mayores dificultades para definir de modo claro y no ambiguo el desarrollo de las fases operativas del equipo y sus estados de conmutación. Las extensas descripciones literales resultan de difícil o confusa interpretación, por lo que se hace imprescindible adoptar métodos de representación claros y concretos, ya sea en forma literal o gráfica. Seguidamente indicaremos distintos métodos de representación de las fases operativas de las máquinas. Si bien todos son de aplicación general, será el grado de complejidad del equipo el que defina al más adecuado en cada caso. Es importante destacar que las formas de representación son independientes de la tecnología utilizada, por consiguiente, serán aplicables para centrales de mando neumático, hidráulico, mecánico, eléctrico, electrónico o combinaciones de éstos.
8.4.1
Representación descriptiva simplificada Fase 1
A extiende su vástago, el cilindro A sujeta la pieza
Fase 2
B extiende su vástago, el cilindro B acciona el punzón de marcación
Fase 3
B retrae su vástago, el cilindro B retrocede
Fase 4
A retrae su vástago, el cilindro A libera la pieza
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MANDOS NEUMÁTICOS
8.4.2
Representación abreviada con vectores
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En este caso el movimiento de los cilindros o actuadores se representa por vectores. Se adopta convencionalmente: Salida (extensión) del vástago Entrada (retracción) del vástago
8.4.3
1) Fase 1
A
Fase 2
2)
Fase 1
A
B
Fase 2
B
Fase 3
B
Fase 3
B
C
Fase 4
A
Fase 4
A
C
acciones simultáneas
Representación abreviada con signos En este caso el movimiento de los cilindros o actuadores es designado con los signos más (+) y menos (-) Se adopta convencionalmente: +
Salida (extensión del vástago
-
Entrada (retracción del vástago)
Fase 1
Fase 2
Fase 3
Fase 4
1)
A+
B+
B-
A-
2)
A+
B+
B- C+
A- C-
3)
A+
B+
B- C+
A- C-
8.4.4
Representación en forma de diagramas
8.4.4.1
Diagrama espacio Fase En este diagrama se representa la secuencia de acción de las unidades de trabajo y el encadenamiento de las señales de mando. Se utilizan para ello dos ejes coordenados. Se representará en uno de ellos (el eje vertical) el estado de los actuadores del sistema utilizando valores binarios (0 - 1) Se adoptará valor 0 para indicar la posición de reposo del elemento (motor detenido, cilindro con vástago retraído, etc.) y el valor 1 para identificar el estado del elemento actuado (motor en marcha, cilindro con su vástago extendido, etc.) Estas designaciones constituyen una práctica corriente, no obstante dejamos aclarado su carácter de convencional. En otro eje (el horizontal) se indicarán las fases o pasos en que se subdivide el ciclo de trabajo. Estos pasos o fases están caracterizados por la modificación o cambio del estado de un elemento constitutivo del mando. Estos cambios se indicarán con líneas verticales auxiliares sobre el diagrama, que denominaremos líneas de fase.
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Ejemplo Representan en forma de diagrama espacio – fase la siguiente secuencia de máquina expresada en forma literal abreviada con signos. A +, B +, A -, C +, B -, C – Se exige un funcionamiento a ciclo simple. El inicio se producirá oprimiendo un comando bimanual y estará condicionado a la finalización del ciclo anterior. RECUERDE que... Deberá tratarse siempre que los principios de representación y los símbolos utilizados sean iguales en todos los casos, a efectos de lograr que la lectura y comprensión pueda realizarse sin dificultad e inequívocamente. 8.4.4.2
Representación de los órganos de trabajo Los actuadores (neumáticos o hidráulicos) se representan por líneas. Las líneas horizontales representan estados de reposo del elemento (fase 1 y 3 en el diagrama de la figura) Las líneas inclinadas significan movimientos del mismo (fases 2 y 4 de la figura) Las líneas con distinta inclinación evidencian distintas velocidades del movimiento, por ejemplo aproximación rápida, trabajo lento y retorno rápido (fases 1, 2 y 3 en el diagrama de la figura) El arranque y parada de motores se indicará con una línea vertical desde el estado 0 al 1 y viceversa. Los motores con posibilidad de giro en dos sentidos se representarán como en la figura. El nivel 1 superior indica por ejemplo rotación en sentido horario, en tanto el inferior lo contrario. El 0 central indica reposo (motor detenido) Los motores con aceleración y desaceleración prolongada podrán representarse como en la figura (caso de inversión del giro) Cuando en un mando existan varios elementos de trabajo, éstos serán representados individualmente uno debajo del otro estableciendo su relación por medio de las líneas de fase.
8.4.4.3
Representación de los elementos de señalización Los elementos de señalización son aquellos que al ser actuados emiten una señal capaz de modificar el estado de algún componente del mando.
8.4.4.4
Representación de la cadena de señales La vinculación entre los distintos elementos del mando lo establecen las señales. Estas se representan con líneas. Las líneas tendrán un origen y un destino. Su origen será un elemento de señalización y su destino aquel cuyo estado deba ser cambiado (válvula o cilindro) Una flecha indicará el sentido de la señal.
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MANDOS NEUMÁTICOS
8.4.5
Representación de los actuadores y el encadenamiento de señales
8.4.5.1
Diagrama espacio – tiempo
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El diagrama espacio - tiempo constituye una variante del diagrama espacio – fase, en donde en el eje horizontal se indican los tiempos en reemplazo de las fases o pasos utilizados en aquel. Cuando el tiempo de ejecución constituye una variante de consideración en el equipo, la “escala” de tiempos simplemente se superpone a la de fases. Vale para este diagrama las mismas reglas y símbolos gráficos ya mencionados. Su aplicación resulta adecuada en aquellos mandos programando en función del tiempo, en tanto que el espacio fase lo es para los mandos por programación de recorridos y de evolución secuencial 8.5
Esquemas circuitales de mando Un esquema circuital representa en forma gráfica la relación entre los distintos componentes del mando, evidenciando de esta forma la lógica operativa del mismo. El esquema circuital constituye un elemento de inestimable valor para el hombre de mantenimiento; es el comienzo del camino a recorrer para la detección sistemática de fallas. Sin él, poco podría hacerse en forma regional lo que finalmente concluye en una búsqueda por tanteos de los desperfectos con las consiguientes pérdidas de tiempo, materializadas en cuantiosas pérdidas de producción. Es importante que el esquema circuital sea realizado de un modo claro, de fácil interpretación y que pueda ser entendido por todos, para lo cual deberán utilizarse símbolos de representación normalizados, respetando, además ciertas reglas en cuanto a la disposición de los elementos. En lo que sigue nos ocuparemos de estos aspectos. RECUERDE que... Los símbolos gráficos indicados en los esquemas circuitales responden en todo a las normas IRAM 4542 e ISO 1219. En el capítulo 9, Simbología Neumática, se detalla más ampliamente el alcance de dichas normas.
8.5.1
Disposición de elementos en el esquema circuital La disposición de los elementos en el esquema circuital se realizará respetando la cadena de mando (flujo de señales) en sentido vertical ascendente. La disposición indicada se representará en lo posible, excepto casos particulares en donde probablemente otra disposición resulte más favorable atendiendo a la realización, interpretación y lectura del esquema. Es importante tener en cuenta las siguientes reglas básicas: • La posición de actuación de los finales de carrera se indicará con un trazo vertical en las posiciones en que son realmente actuados, con su correspondiente identificación. • Los elementos se dibujarán en el estado determinado por su pilotaje, con el equipo en reposo y listo para el arranque. Aquellos elementos que en esa condición del equipo queden actuados (finales de carrera), se dibujarán actuados, indicándoles la presencia de la leva (u otro elemento) sobre el mando.
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• Las conducciones se representarán por líneas lo más rectas posibles, evitando innecesarios cruces. Las conducciones de trabajo (válvulas direccionales a cilindros) se dibujarán con líneas continuas, en tanto que las conducciones de pilotaje con líneas de trazos. • Puede evitarse el trazado de las conducciones de alimentación a las válvulas del mando, simplemente indicando en los elementos que la requieran, el símbolo simplificado de fuente de presión. 8.5.2
Denominación de los elementos en el esquema Existen varias formas de denominar los componentes del mando, desde las totalmente literales a las totalmente numéricas. Expondremos seguidamente un método basado en la combinación anterior, es decir, alfanumérico. Se adoptarán las siguientes reglas: A, B, C, D, etc.
Letras mayúsculas del alfabeto (excepto Z) para los actuadores.
A1, B1, C1, D1
Letra identificatoria del actuador seguida de número
A2, A4, A6
Letra indicatoria del actuador seguida de números pares para los elementos de la cadena de mando que gobiernan la salida del actuador.
B2, B4, B6 C2, C4, C6 A3, A5, A7
Letra identificatoria del actuador seguida de números impares (excepto 1) para los elementos de la cadena de mando que gobierna el retorno del actuador.
B3, B4, B7 C3, C5, C7
8.6
A 02, B 02, C 02
Letra identificatoria del actuador seguida de 02, 04, etc. (pares), para elementos que actúan sobre la velocidad de retorno del actuador.
A 03, B 03, C 03
Letra identificatoria del actuador seguida de 03, 05, etc. (impares excepto 1) para elementos que actúan sobre la velocidad de retorno del actuador.
Z1, Z2, Z3, Z4
Letra Z seguida de números crecientes correlativos para elementos del mando cuyas funciones no son asignables a un actuador en particular o que son comunes a varios (unidades de tratamiento, válvulas de corte de energía, memorias auxiliares, etc.)
Interpretación de esquemas circuitales de mando La finalidad de los siguientes apartados será la de incorporar al lector en forma gradual las estructuras básicas de la técnica neumática de mando. Estas le permitirán concretar e interpretar posteriormente esquemas de mando más complejos. La correcta interpretación de los esquemas de mando constituye la base para la detección sistemática de las fallas.
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MANDOS NEUMÁTICOS
8.6.1
Mandos neumáticos básicos. Ejercitación
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Ejercicio N° 1 Mando directo de un cilindro de simple efecto con válvula monoestable de comando manual por pulsador
Ejercicio N° 2 Mando directo de un cilindro de simple efecto con válvula biestable de comando manual a palanca
Ejercicio N° 3 Mando directo de un cilindro de doble efecto con válvula monoestable de comando manual a palanca
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Ejercicio N° 4 Mando directo de un cilindro de doble efecto con válvula biestable de comando manual a palanca
Ejercicio N° 5 Mando indirecto de un cilindro de simple efecto con válvula monoestable mandada por una señal neumática proveniente de una válvula 3/2 accionada manualmente
Ejercicio N° 6 Mando indirecto de un cilindro de simple efecto con válvula biestable mandada por dos señales neumáticas provenientes de sendas válvulas 3/2 de comando manual
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MANDOS NEUMÁTICOS
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Ejercicio N° 7 Mando indirecto de un cilindro de doble efecto con válvula monoestable gobernada por una señal neumática proveniente de una válvula 3/2 accionada manualmente
Ejercicio N° 8 Mando indirecto de un cilindro de doble efecto con válvula biestable comandada por señales neumáticas provenientes de dos válvula 3/2 accionadas por pulsador.
Conclusiones • Para accionar un cilindro de simple efecto se utiliza una válvula 3/2, en tanto que para uno de doble efecto deben utilizarse válvulas 4/2 ó 5/2. • Las válvulas pueden ser monoestables (una única posición de reposo) ó biestables (reposo indistinto en ambas posiciones) • El uso de válvulas monoestables conduce a mandos de iguales características, es decir, que la acción en la parte operativa se mantiene en tanto sea mantenida la acción de mando. • El uso de válvulas biestables conduce a mandos también biestables, es decir, que la acción perdura aunque se haya suprimido la acción de mando y solo cesa cuando se opere una señal de mando contraria.
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8.6.2
Mandos con realimentación de señal Mediante la técnica de realimentación es posible convertir un mando piloto (de comportamiento monoestable) en uno de acción retenida o memorizada (de comportamiento biestable), aún utilizando válvulas monoestables. Retornando al ejercicio N° 7 vemos que si tomamos la señal de la vía que alimenta la cámara trasera del cilindro como muestra la figura, y a través de una válvula “O” la ingresamos a la cadena de señales de mando, toda vez que se oprima el pulsador A2, el cilindro A extenderá su vástago, permaneciendo allí aunque A2 deje de ser actuado. El piloto de A1 es ahora alimentado con señal a través de A4 proveniente de una vía de alimentación del cilindro, lográndose así un comportamiento biestable del mando
Para retornar el cilindro a su posición de reposo, bastará interrumpir la realimentación como en la figura, mediante el pulsador normalmente abierto
La realimentación tomada desde las vías de utilización de los cilindros, es susceptible a interferencias provocadas por el movimiento del actuador. Estas se hacen notables cuando los actuadores son de grandes dimensiones, no siendo la realimentación efectiva hasta tanto alcance su posición final de carrera, lo que obliga a mantener el pulsador oprimido durante un periodo prolongado. Una mejora notable de esta condición se logra realimentando desde una válvula intermedia (A6) como muestra la figura:
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MANDOS NEUMÁTICOS
8.6.3
Mando automático elemental de un actuador
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Ejercicio N° 9 Un cilindro de doble efecto debe ejercer su acción al oprimir un pulsador. El retorno debe ser automático una vez alcanzada la posición final de carrera. a. Con válvula biestable de comando indirecto.
Con válvula 5/2 monoestable de comando indirecto y realimentación.
Los circuitos mostrados presentan el inconveniente de que si el pulsador A2 se mantiene oprimido, la secuencia se interrumpe con el vástago y el cilindro extendido. La señal del final de carrera no efectiviza en razón de la presencia en la válvula A1 y A6 respectivamente de la señal del pulsador. Por otro lado el ciclo podría comenzar en cualquier punto de la carrera de retorno, sin que haya sido completado el ciclo anterior. Esto es en razón de que el pulsador A2 esta permanentemente alimentado y en consecuencia capaz de emitir señal toda vez que sea oprimido.
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8.6.4
Mando automático elemental con inicio condicionado Ejercicio N° 10 Un cilindro de doble efecto debe ejercer su acción al oprimir un pulsador, pero solo si el cilindro se encuentra con su vástago retraído. El retorno debe ser automático una vez alcanzada la posición final de carrera. El ciclo debe completarse aún cuando se mantenga oprimido el pulsador b. Con válvula biestable de comando indirecto.
Con válvula 5/2 monoestable de comando indirecto y realimentación.
Cotejar estas soluciones con las del ejercicio N° 9. La presencia del final de carrera A2 en la posición de reposo asegura alimentación al pulsador solo cuando el vástago se encuentra retraído, lo cual garantiza el cumplimiento del ciclo aunque aquel permanezca oprimido La conexión en serie de A2 y A4 configura una condición lógica “Y” para el arranque. Esto es, para que el ciclo comience, deben verificarse simultáneamente el accionamiento de A2 en la máquina y el de A4 por el operador. Ejercicio N° 11 Se pretende lograr un sistema de iguales características que el del ejercicio N° 10, pero el inicio deberá poderse efectivizar indistintamente desde dos pulsadores distantes entre si (uno “O” el otro) Esta exigencia implica una condición lógica “O” de inicio. El avance del cilindro A se podrá concretar bien desde A4 o desde A6, vinculados mediante la selectora A8 (válvula “O”) El final de carrera A2 en serie cumple las funciones ya descriptas en el ejercicio N° 10, estableciendo una condición “Y” de inicio. La solución mostrada en el esquema de la figura VIII.21 para el conjunto A2, A4, A6 y A8 es equivalente al anterior, solo que la condición “Y” de inicio es lograda mediante una válvula de simultaneidad (A10)
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Ejercicio N° 12 Implementar el conexionado de válvulas “O” para que el inicio del ciclo del ejercicio N° 11 pueda ser iniciado indistintamente desde cuatro pulsadores distantes entre si.
Ejercicio N° 13 Se pretende lograr un sistema de iguales características que el del ejercicio N° 10, pero el inicio deberá poder efectivizarse solo si son oprimidos dos pulsadores (Uno y otro de un comando bimanual) Lo anterior implica una condición lógica “Y” de inicio entre los dos pulsadores de marcha. (Figura VIII.22) El avance del cilindro A podrá concretarse solo cuando se encuentren oprimidos A4 y A6 por el operador, y, además, el fin de carrera A2 en la máquina. El esquema circuital de la figura VIII.23 muestra una solución equivalente utilizando válvulas de simultaneidad ó válvulas “Y”.
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Las válvulas de simultaneidad A8 y A10 del esquema de la figura VIII.23 pueden ser reemplazados por válvulas 3/2 monoestables de pilotaje neumático como muestra el esquema de la figura VIII.24
Ejercicio N° 14 Implementar el conexionado de válvulas “Y” para que el ciclo del ejercicio N° 13 pueda ser iniciado si se oprimen simultáneamente cuatro pulsadores. Comando de seguridad a cuatro manos (fig. VIII.25)
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8.6.5
Mandos para regulación de velocidad en actuadores neumáticos
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Como norma general, la regulación de velocidad en los actuadores neumáticos debe hacerse siempre y en lo posible sobre la vía de descarga del actuador. De este modo y dentro de valores compatibles con la elasticidad del aire comprimido, podrán lograrse regulaciones estables de la velocidad. La elasticidad del medio influye notablemente en las bajas velocidades, fijándose para las regulaciones neumáticas un limite practico inferior que oscila entre los 30 y 50 mm/seg, Esto depende del tamaño del actuador, las características de la carga sobre el vástago, la calidad del regulador empleado, y la presión de alimentación, entre otras. Cuando deban obtenerse movimientos estables con velocidades inferiores al límite fijado, deberá recurrirse a sistemas hidroneumáticos o hidráulicos de avance, cuyo límite de regulación en términos prácticos puede ser tan bajo como se quiera. La regulación por las vías de alimentación resta fuerza a los actuadores y resulta inevitable aún a altas velocidades, razón por la cual solo deben ser empleados cuando no exista otra alternativa y en donde, al mismo tiempo, no se requiera estabilidad de regulación. En este tipo de actuadores no queda otra solución más que regular su vía de alimentación con las limitaciones ya enunciadas. Avance regulado y retorno normal
Avance normal y retorno regulado
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Avance y retorno regulado no independientes
Avance y retorno regulado independientes
Avance normal y retorno rápido
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Avance regulado y retorno rápido
8.6.5.1
Regulación en actuadores de doble efecto En este caso es posible aplicar la norma general de regulación enunciada en el apartado Avance regulado y retorno normal a. Con válvula direccional 4/2
b. Con válvula direccional 5/2
Avance normal y retorno regulado a. Con válvula direccional 4/2
b. Con válvula direccional 5/2
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Avance normal y retorno rápido Indistintamente en válvulas 4/2 ó 5/2
Avance rápido y retorno regulado a. Con válvula direccional 4/2
b. Con válvula direccional 5/2
Avance rápido y retorno regulado a. Con válvula direccional 4/2
b. Con válvula direccional 5/2
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Conclusiones: • La disminución de velocidad en actuadores neumáticos se logra con reguladores de caudal unidireccionales ó bidireccionales. • El aumento de velocidad se logra con válvulas de escape rápido. Estas permiten aumentar la velocidad media de un actuador entre un 40 y un 60% respecto de la velocidad con descarga normal. • La velocidad puede regularse (según el caso) sobre las vías de utilización de las válvulas o sobre los escapes de estas. Es más efectiva la primera y más lo es cuanto más cerca del actuador se efectué la regulación. • Las válvulas de escape rápido se instalarán lo más cerca posible del actuador. Las conexiones entre este y la válvula de escape serán como mínimo del mismo tamañque la conexión del actuador si quieren obtenerse plenos resultados. • Las válvulas 5/2 ofrecen siempre mayores alternativas para la regulación que las válvulas 4/2
8.6.6
Temporizaciones neumáticas – Esquemas básicos de temporización Temporización con retardo a la abertura
Temporización con retardo al cierre
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Prolongación de una señal
Retardo de la conexión y desconexión (retardo y prolongación)
Monopulso – Generador de impulsos
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8.6.7
Mandos con actuadores múltiples
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Ejercicio N° 16 Se pretende que dos actuadores neumáticos A y B realicen un ciclo automático con secuencia A +/ B +/ A-/ B-. El inicio del ciclo se realizará por medio de un pulsador. El ciclo deberá concluir aunque el pulsador se mantenga oprimido y solo podrá iniciarse si fuera completado el anterior. El diagrama espacio – Fase resultará como se muestra en la siguiente figura:
Obsérvese que para lograr las condiciones de marcha propuestas (inicio del ciclo), se ha establecido una condición “Y” entre el pulsador y el fin de carrera accionado por el último movimiento del ciclo. La siguiente figura muestra la solución adoptada: Ejercicio N° 17 Dos actuadores deben realizar un ciclo automático con frecuencia A + / B + / A - B-, con idénticas características de inicio de ciclo que las propuestas para el ejercicio N° 16. El diagrama espacio – Fase se muestra en la siguiente figura: Obsérvese que para asegurar las condiciones de inicio de ciclo, se ha establecido una condición “Y” entre el pulsador y los finales de carrera accionados por los últimos movimientos del ciclo. Esto asegura la marcha solo si los dos actuadores alcanzaron la posición de reposo en el ciclo anterior; es decir si fue completado el ciclo anterior. La siguiente figura muestra una posible solución:
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Ejercicio N° 18 Dos cilindros neumáticos deben operar automáticamente a ciclo simple según la secuencia A + / B + / B- / A -. El inicio de ciclo se efectuará por medio de un pulsador y solo ocurrirá si fue completado el ciclo anterior, con los actuadores en posición de reposo. El diagrama espacio - fase para el ciclo propuesto se muestra en la siguiente figura:
Si observamos detenidamente el diagrama podremos detectar que: • La señal de B2, que hace salir al cilindro B, está presente en el momento en que es emitida la señal desde B3 para hacerlo retornar. B2 está presente durante las fases 2 y 3, siendo B3 emitida al final de la fase 2. • La señal A3, que hace retornar al cilindro A, estará presente cuando deba emitirse la señal de inicio que lo hace salir. A3 está presente durante las fases 4 y 1 en tanto A4 es pulsado al final de la fase 4. Las válvulas biestables utilizadas en la gran mayoría de los mandos neumáticos no responden, permacen bloqueadas a una señal mientras tengan presente la señal contraria. El ciclo propuesto presentará dos bloqueos que impedirán su desarrollo, debido a la presencia en A1 y B1 de las señales A3 y B2 respectivamente. Las señales que por razones operativas del ciclo, estén presentes cuando deban ingresar las señales contrarias se denominan señales bloqueantes. Para que el ciclo pueda efectuarse estas deben ser eliminadas.
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En nuestro ejemplo, A3 y B2 son señales bloqueantes, las que indicaremos circuladas sobre el diagrama espacio - Fase. Los esquemas circuitales siguientes muestran distintas soluciones que permiten eliminar el bloqueo que originan dichas señales (A3 y B2) 8.6.8.1
Técnica del mando abatible (mando unidireccional) Consiste en anular las señales de bloqueo mediante el uso de finales de carrera con mando unidireccional. El esquema circuital resultará:
8.6.8.2
Técnica de la temporización (pulsado de señales)
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8.6.8.3
Técnica de la memoria auxiliar
Consiste en eliminar las señales bloqueantes quitándoles la alimentación a los finales de carrera emisores de dichas señales en el momento en que son emitidas las respectivas señales contrarias. Esto se logra utilizando válvulas de memoria auxiliar, biestables del tipo 3/2 ó 5/2. 8.6.8.4
Técnica de la cascada La técnica de anulación de señales bloqueantes por cascada de memorias puede considerarse una derivación directa del método anterior propuesto, enunciado como “técnica de la memoria auxiliar”. La técnica en cascada puede expresarse en forma de método sistemático generalizable para un número cualquiera de actuadores y de señales bloqueantes. Dada su característica, la aplicación del método no requiere de conocimientos profundos sobre la especialidad para poder concretar un esquema circuital. A efectos de facilitar la comprensión del método, efectuaremos la explicación desarrollando en forma paralela al ejemplo del ejercicio N° 18. Las distintas etapas del método son: 1. Establecer el diagrama espacio –
fase correspondiente a la secuencia a desarrollar, indicando en el mismo el encadenamiento de las señales de mando. Escribir en la parte inferior y en correspondencia con las fases, la secuencia expresada en forma literal abreviada. Recordando que la secuencia era: A + , B + , B - , A –
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MANDOS NEUMÁTICOS
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2. Dividir la secuencia en forma literal abreviada en grupos, de tal manera
que en un mismo grupo no queden incluidos movimientos contrarios de un mismo actuador. Esto último equivale a que en un grupo no deberá repetirse la letra correspondiente a una actuador. Esta separación en grupos se efectuará siguiendo el orden de la secuencia. Cuando se llegue a una repetición, se iniciará allí un nuevo grupo. Para el ejemplo propuesto se tendrá Lógicamente, se tratará de formar el menor número posible de grupos sin quebrantar la regla establecida. Determinar el número necesario de memorias auxiliares 5/2. Esto se hará restando 1 al número de grupos antes determinado
Donde:
Para el ejemplo propuesto: Nm = 2 – 1 = 1 1. Iniciar el esquema circuital, disponiendo en la parte superior los actuadores y sus
correspondientes finales de carrera, juntamente con las válvulas de comando de dichos actuadores. En la parte inferior se trazarán líneas paralelas horizontales que denominaremos “líneas de grupo”. Se trazarán tantas líneas como grupos hayan sido determinados en el punto 2. Seguidamente se conectarán las memorias a las líneas de grupo y estas entre si en caso de resultar varias. El esquema de conexionado de memorias será según se muestra en las figuras siguientes Conexionado de una memoria a dos líneas de grupo
Último final de carrera Grupo I
Último final de carrera Grupo II
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Conexionado de una memoria a tres líneas de grupo
Último final de carrera Grupo I
Último final de carrera Grupo II
Último final de carrera Grupo III
De acuerdo con lo visto se intuye fácilmente el conexionado de un número mayor de memorias, si bien en términos prácticos y atendiendo a la velocidad de señales, no es recomendable extender la cascada con memorias 5/2 a un número de estas mayor que cuatro. Para el ejemplo propuesto, lo dicho quedará expresado en el esquema siguiente:
2. Se iniciará ahora el conexionado de los restantes elementos del sistema. Para
ello se procederá siguiendo el orden determinado por la secuencia y de acuerdo con las siguientes reglas: a. Conectar la línea de grupo I con el piloto de la válvula que origina el primer
movimiento de dicho grupo, intercalando el pulsador de marcha A4 que forma parte de la condición de arranque.
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MANDOS NEUMÁTICOS
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Para el ejercicio propuesto quedará:
Efectivamente se observará que al oprimir el pulsador se origina el primer movimiento de la secuencia (en el ejemplo A+) Este movimiento accionará un fin de carrera que permitirá proseguir la secuencia (en el ejemplo B2) b. Alimentar el fin de carrera accionado por el primer movimiento desde la línea
de grupo I y su salida dirigirla al piloto de la válvula que origina el segundo movimiento de dicho grupo (o eventualmente al piloto de la memoria auxiliar para realizar el cambio de grupo en caso necesario) c. En el ejemplo, B2 origina el movimiento B + contenido en el grupo I, no hay necesidad de cambio de grupo, por lo tanto la salida de B2 debe ser dirigida al piloto de la válvula B1 para originar B+
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El segundo movimiento se producirá y se accionará un nuevo fin de carrera que permitirá proseguir la secuencia (en el ejemplo será B3) d. Alimentar el fin de carrera accionado por el movimiento anterior desde la línea
de grupo I y la salida dirigirla al piloto de la válvula que origina el siguiente movimiento del grupo, o eventualmente al piloto de la memoria cuando fuere necesario realizar un cambio de grupo. En el ejemplo, B3 debe originar un cambio de grupo ya que la acción siguiente (B-) pertenece al grupo II (B3 es el último fin de carrera del grupo I y por lo tanto debe cambiar de memoria)
El cambio de la posición de la memoria hará que la línea II se encuentre bajo presión en tanto la línea I es puesta a venteo. A partir del cambio de grupo el proceso de conexionado indicado en los puntos a, b y c se repite pero aplicado ahora al grupo II. De este modo, se conectará la línea de grupo II al piloto de la válvula que origina el primer movimiento del grupo II (Ver punto a, no es necesario intercalar pulsador de marcha pues no es condición en este caso) Para el ejemplo quedará:
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MANDOS NEUMÁTICOS
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Al accionar B3 se presurizará la línea II y en consecuencia ocurrirá B – que accionará el fin de carrera A3. Se alimentará luego el fin de carrera accionado por este movimiento desde la línea de grupo II y su salida será dirigida al piloto de la válvula del siguiente movimiento del grupo o eventualmente al piloto de la memoria auxiliar para un nuevo cambio de grupo, en caso que fuera necesario (ver punto b) En nuestro ejemplo A3 origina el movimiento A – (no es necesario cambio de grupo pues A – está dentro del grupo II en el que ya estábamos)
Al accionarse A3 se producirá A - . Este movimiento accionará al final de carrera A2. El último fin de carrera accionado (A2 en el ejemplo) deberá ser alimentado desde la línea de grupo II y su salida (por ser el último del grupo II) deberá ser dirigida al piloto de la memoria para cambiar al grupo I y posibilitar así el comienzo de un nuevo ciclo. El circuito habrá quedado así concluido.
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MICRO
Ejercicio N° 19 Realizar el esquema circuital aplicando el método en cascada. Secuencia A+, B+,C+,C -,B -,ADiagrama espacio – fase:
Ejercicio N° 20 Realizar el esquema circuital aplicando el método en cascada. Secuencia A+, B+, B-, C+, C-, ADiagrama espacio – fase:
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9
Simbología neumática
Cilindros de simple efecto
Cilindros doble efecto con doble pistón (tandem)
Cilindros de simple efecto con imán
Cilindros doble efecto con doble pistón (tandem) e imán
Cilindros de simple efecto con resorte trasero
Cilindros doble efecto con doble pistón (tandem) y amortiguación
Cilindros de simple efecto con resorte trasero e imán
Cilindros doble efecto con doble pistón (tandem), amortiguación e imán
Cilindros de simple efecto con doble vástago
Cilindros doble efecto acoplados
Cilindros de simple efecto con doble vástago e imán
Cilindros doble efecto con imán acoplados
Cilindros de doble efecto
Cilindros doble efecto con doble amortiguación acoplados
Cilindros de doble efecto con imán
Cilindros doble efecto con doble amortiguación e imán acoplados
Cilindros de doble efecto con doble amortiguación
Cilindros sin vástago de doble efecto
Cilindros de doble efecto con doble amortiguación e imán
Cilindros de impacto
Cilindros de doble efecto con doble vástago
Actuadores rotantes neumáticos
Cilindros de doble efecto con doble vástago e imán
Cilindros de doble efecto con doble vástago y amortiguación Cilindros de doble efecto con doble vástago, amortiguación e imán
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MICRO
Válvula con 2 posiciones de trabajo
Mando manual genérico
Válvula con 3 posiciones de trabajo
Mando manual a botón
Válvula de 2 vías y 2 posiciones (2/2)
Mando manual a palanca
Válvula de 3 vías y 2 posiciones (3/2)
Mando a pedal
Válvula de 4 vías y 2 posiciones (4/2)
Mando mecánico pulsador
Válvula de 5 vías y 2 posiciones (5/2)
Mando mecánico a rodillo operando en 2 sentidos
Válvula de 5 vías y 2 posiciones (5/2) con sentido indistinto de circulación del fluido
Mando mecánico a rodillo unidireccional, operando en 1 sólo sentido
Válvula de 5 vías y 3 posiciones (5/3) con centro cerrado
Mando a varilla elástica
Válvula de 5 vías y 3 posiciones (5/3) con centro abierto
Reacción a resorte
Válvula de 5 vías y 3 posiciones (5/3) con centro a presión
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SIMBOLOGÍA NEUMÁTICA
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Mando por presión (neumático)
Mando eléctrico con un solenoide
Mando por presión (neumático) asistido
Mando eléctrico con un solenoide y actuador manual
Reacción por presión (neumática) asistida Área diferencial
Mando eléctrico servoasistido con un solenoide
Mando manual a botón servoasitido
Mando eléctrico servoasistido con un solenoide y actuador manual
Mando manual a palanca servoasitido
Válvula de 2 posiciones con mando a palanca y retorno por resorte (monoestable)
Mando mecánico a pulsador servoasitido
Válvula de 2 posiciones con mando a palanca (biestable)
Mando mecánico a rodillo servoasitido
Válvula de 3 posiciones con mando a palanca (estable en las 3 posiciones)
Válvula con 2 posiciones de trabajo
Mando manual genérico
Válvula con 3 posiciones de trabajo
Mando manual a botón
Válvula de 2 vías y 2 posiciones (2/2)
Mando manual a palanca
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MICRO
Regulador de caudal unidireccional
Temporizador neumático de 10 segundos
Regulador de caudal bidireccional
Temporizador neumático de 30 segundos
Válvula de escape rápido con escape roscado
Generador de impulso único
Válvula de escape rápido con silenciador incorporado
Comando bimanual de seguridad
Válvula selectora (función lógica O)
Contador de pulsos neumáticos
Válvula de simultaneidad (función lógica Y)
Indicador de presión neumática
Válvula de no retorno o de retención
Silenciador de escape
Limitador de presión unidireccional (economizador)
Silenciador de escape con regulación del caudal
Válvula 2/2 con mando neumático y retorno a resorte (conector con bloqueo)
Separador con drenaje manual y silenciador de escape (colectores de escape)
Presóstato regulable
Filtro de partículas
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SIMBOLOGÍA NEUMÁTICA
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Generador de vacío
Mando manual genérico
Generador de vacío incorporando electroválvulas de vacío y expulsión, filtro de aspiración, vacuóstato eléctrico y silenciador de escape
Vacuóstato neumático con salida negativa (normal abierto)
Unidad de tratamiento con filtro, regulador de presión con manómetro y lubricador (FRL)
Filtro con drenaje manual
Unidad de tratamiento con filtro, regulador de presión con manómetro y lubricador (FRL)
Lubricador
Unidad de tratamiento con filtro y regulador de presión con manómetro (FR)
Secador de aire
Regulador de presión con manómetro
Brida intermedia
Brida intermedia con válvula de no retorno incorporada
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MICRO
Departamento de Capacitación
CURSO 011
Neumática básica Conceptos básicos de generación y tratamiento de aire | Cilindros | FRL | Válvulas direccionales y auxiliares | Vacío | Variantes constructivas | Características funcionales | Recomendaciones de mantenimiento y pruebas de funcionamiento. (Duración: 6 Hs.)
CURSO 021
Introducción a la neumática Conceptos básicos sobre generación, distribución y tratamiento del aire comprimido | Cilindros neumáticos | Válvulas de control direccional | Válvulas auxiliares | Dispositivos hidroneumáticos | Simbología neumática. Mandos neumáticos | Representación de secuencias | Diagrama espacio fase | Circuitos temporizados | Circuitos por el método intuitivo | Circuitos en cascada. Práctica sobre módulos didácticos de ejemplos de aplicación. (Duración 20 Hs.)
CURSO 023
Curso integral de neumática Generación del aire comprimido | Compresores. Regulación | Capacidad | Depósitos | Distrib. del aire comprimido | Diseño y cálculo de tuberías | Tratamiento del aire comprimido | Post enfriadores y secadores | Conjuntos FRL: Principio de funcionamiento, localización y solución de fallas, Kit de reparaciones | Cilindros neumáticos: variantes constructivas; selección, verificación de amortiguaciones y pandeo, detección y solución de anomalías | Válvulas y Electroválvulas direccionales | Válvulas auxiliares: Principio de funcionamiento, variantes constructivas, dimensionamiento, características funcionales, plan de mantenimiento preventivo, detección y solución de fallas | Dispositivos hidroneumáticos | Componentes para vacío y accesorios | Mandos neumáticos | Representación de secuencias | Diagrama espacio-fase | Circuitos básicos | Método cascada | Detección sistemática de fallas en circuitos neumáticos | Practica sobre módulos didácticos de ejemplos de aplicación. (Duración 30 Hs.)
CURSO 031
Mantenimiento de instalaciones y sistemas neumáticos El mantenimiento: esencia, ventajas, modalidades y costos | La relación preventivo correctivo | Organización y documentación del programa | Compresor: Instalación, programa preventivo y localización de fallas | Red de distribución: diseño, programa preventivo y medición de fugas | Detección de fallas en circuitos: concepto de mando y señal | Representación de secuencias | Disposición y designación de elementos en el circuito | Líneas de conexionado | Interpretación de esquemas circuitales | Procedimiento para detección de fallas | Reparación de componentes: funcionamiento | Despiece | Lista de partes | Secuencias de desarme y limpieza | Kits de reparación | Localización de fallas | Practicas de detección de fallas en circuitos y desarme de componentes. (Duración 30 Hs.)
CURSO 033
Detección de fallas en circuitos neumáticos Estructura de un automatismo | Dialogo mando - parte operativa – señales | Tipos de señales | Mandos binarios | Cadena de mando | Formas de representación de secuencias | Simbología | Disposición y designación de los elementos del circuito | Líneas de conexionado | Documentación técnica | Mandos neumáticos básicos para marcha, operación y emergencia | Interpretación de circuitos neumáticos complejos | Procedimiento para la detección sistemática de fallas | Análisis por cadenas de mando | Secuencias de verificaciones. Prácticas de detección de fallas sobre módulos didácticos. (Duración 15 Hs.)
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SIMBOLOGÍA NEUMÁTICA
CURSO 035
Reparación de componentes neumáticos Conceptos constructivos de los componentes | Funcionamiento | Despiece | Designación de partes | Secuencias de desarme, limpieza y montaje | Kits de reparación | Localización de fallas en componentes | Tablas anomalía - causa - solución. (Duración 15 Hs.)
CURSO 051
Automatización electroneumática industrial Técnicas de comando | Representación de la secuencia de los movimientos | Elementos de electrotecnia | Elementos eléctricos y electroneumáticos | Seguridad y protección | Esquemas eléctricos | Diagrama Ladder | Ejemplos prácticos | Simbología. (Duración: 20 Hs)
CURSO 061
Introducción a los controladores programables Conceptos básicos sobre controladores programables. Estructura, características, criterio de selección | Sistemas de numeración | Lenguajes de programación | Dispositivos de programación | Sistema de programación | Resolución de problemas de aplicación de los PLC sobre módulos didácticos que incluyen cilindros neumáticos, electroválvulas, varios tipos de sensores y consola de mando y señalización. Práctica sobre módulos didácticos de ejemplos de aplicación. (Duración 25 Hs.)
CU R SO 071
Redes AS-i Instrucciones de programación especiales | Programación, monitoreo y control vía software | Manejo de datos | Rutinas de emergencia | Resolución de problemas de aplicación de los PLC AS-i sobre módulos didácticos que incluyen cilindros neumáticos, electroválvulas, varios tipos de sensores, consola de mando y señalización. Practica sobre módulos didácticos de ejemplos de aplicación. (Duración 15 Hs.)
CURSO 081
Hidráulica Industrial Introducción a la oleodinámica industrial | Principios físicos | Simbología | Bombas rotativas y alternativas | Características y tipos constructivos | Deposito, Filtros. Eficiencia y tipos de filtro utilizado | Acumuladores | Calculo del deposito | Tipos de filtros | Acumuladores hidráulicos | Calculo del acumulador | Actuadores hidráulicos | Tipos de actuadores | Variantes constructivas | Montajes de los actuadores | Amortiguación | Limitador de carrera | Actuadores rotativos | Motores hidráulicos | Válvulas hidráulicas | Clasificación de las válvulas | Tipos de válvulas | Válvulas direccionales y auxiliares | Válvulas de presión | Clasificación | Distintos tipos | Accesorios de instalación | Recomendaciones de montaje | Instrumental de medición | Circuitos hidráulicos | Criterios de dimensionamiento. Prácticas de circuitos sobre panel didáctico. (Duración 20 Hs.)
CURSO 091
Introducción a la tecnología De Bus de Campo aplicado a la Domótica Instalaciones eléctricas tradicionales | Implementación de Bus de Campo para control eléctrico | Sistemas C-Bus | Implementación del sistema | Unidades de entrada | Unidades de salida | Lenguaje y comunicación C-Bus | Diagramas esquemáticos | Direccionamiento y control de las cargas | Cableado del C-Bus | Especificaciones técnicas. (Duración: 20 Hs.)
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MICRO
CURSO 093
Domótica avanzada con Bus de Campo y Controladores Minder Diseño de sistema | Formato típico del controlador principal |Sistemas de detección | Seguridad | Indicadores de alarma | Alarma telefónica | Humo e incendio | Temperatura | Teclados de acceso auxiliares | Comandos del proyecto | Comandos configurables del Menú | Interfases | Dispositivos internos y externos | Iconos | Configuración de los avisos (flags) | Configuración de escenarios. (Duración: 20 Hs.)
CURSO 0101
Introducción a los Sistemas de Calefacción Calefacción básica por agua caliente | Manejo y control de variables de una caldera mural de funcionamiento automático, radiadores de aluminio | Descripción de componentes | Evaluación de sectores de distribución de serpentinas en piso radiante, colector de distribución | Controles por termostatos de caldera y ambiente y válvula termostática | Medición con instrumentos digitales y analógicos de temperatura, presión y caudal. (Duración: 20 Hs.)
CURSO 0103
Introducción a los Sistemas de Refrigeración Ciclo general de refrigeración | Generación del frío | Absorción de calor en ambientes pequeños | Proceso físico de cambios de estado de una sustancia refrigerante, por condensación y evaporación | Distribución y ubicación de componentes activos e instrumental | Uso y aplicación de la refrigeración familiar, comercial y del aire acondicionado básico | Estudio y descripción de un compresor, condensador y evaporador con aire forzado | Válvula de expansión termostática, capilares de distinta sección, válvulas de apertura y cierre de circuitos, presóstatos, termostato, termómetro digital con sonda. (Duración: 20 Hs.)
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SIMBOLOGÍA NEUMÁTICA
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Material didáctico
Micro Capacitación realiza y comercializa una variedad de elementos didácticos de gran flexibilidad, fácil montaje y re-ubicación o cambio, con posibilidades de expansión con módulos que permiten partir de un modelo básico, y terminar en un poderoso centro de estudio y ensayo. Paneles serie DIDACTO Estos paneles están enteramente diseñados por MICRO en un desarrollo compartido por nuestros especialistas de Capacitación y de Ingeniería. Los componentes que se utilizan para su construcción son los mismos que adopta la industria de todo el mundo para la implementación de sus automatismos en una amplia gama de aplicaciones y complejidades.
Se entregan con una base de montaje en estructuras de perfiles de aluminio anodizados, y un exclusivo sistema de fijación de elementos de ajuste manual de un cuarto de vuelta que permita su fácil re-ubicación o cambio, facilitando la tarea didáctica del capacitador y la asimilación de conceptos de los asistentes.
En cuanto a las posibilidades de expansión, se han contemplado diferentes módulos que permiten migrar de un modelo básico y llegar a implementar hasta un poderoso Centro de Estudio y Ensayo que incluya PC, interfaces para accionamiento de actuadores, mobiliario, etc., cubriendo variadas tecnologías complementarias.
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MICRO
Software
Los softwares utilizados tienen como misión amalgamar la potencialidad de la informática aplicada a la enseñanza de automatización. Puede clasificarse en: 1. Softwares de simulación, que pueden diseñar,
ensayar y simular circuitos que incluyan componentes electrónicos, neumáticos e hidráulicos. 2. Softwares de cálculo, información técnica y selección de componentes adecuados para cada requisición técnica. 3. Softwares de presentaciones que, preparados por nuestros ingenieros, optimizan las charlas y las adecuan al medio al que van dirigidas. Los referencia a los softwares de simulación, y con el fin de hacerlos interactivos, se dispone de interfaces que permiten físicamente hacer actuar a los elementos que son visualizados en el monitor de la computadora. Material de soporte Micro Capacitación dispone de variados elementos didácticos para facilitar la transmisión efectiva de los conceptos. Entre ellos se cuenta con componentes en corte, simbología para pizarra magnética, manuales, videos, transparencias, etc.
Cursos Micro Capacitación cubre un extenso rango de temarios en los cursos que dicta en sus aulas que, para tal efecto, posee en su edificio central. Pero también atiende los requerimientos de la Industria y las instituciones educativas trasladándose con su laboratorio móvil a las ciudades del interior, y otros países.
