Circuitos neumáticos básicos

Son aquellos que forman parte de la mayoría de las instalaciones neumáticas de nuestro entorno.

 

 

Simbología neumática

Estudio y funcionamiento de las válvulas distribuidoras

Estudio y funcionamiento de las válvulas distribuidoras

El estudio funcional de estas válvula tiene en cuenta sus posibilidades de trabajo, es decir, su comportamiento con independencia de sus formas constructivas. Con lo cual solo se tiene en cuenta las vías disponibles y las posiciones, esto da el nombre a dichas válvulas.

Válvula 2/2

Son unas válvulas normalmente cerradas  en su posición de reposo. Tal y como e observa en la válvula de asiento cónico , en posición de reposo, el muelle hace que la bola asiente y el aire de alimentación no pueda circula de 1 a 2. Si se aprieta el pulsador , la bola se separa de su asiento y permite la entrada de aire a presión por 1.

Imagen de válvula 2/2

Válvula 3/2

 

Es una válvula de asiento plano normalmente cerrada en posición de reposos. En este caso, en la posición inicial de reposo, la vía 1 está cerrada por la presión aplicada sobre el platillo, mientras que la vía 2 se comunica con el escape. Cuando se acciona la válvula, la vía 3 se                 queda cerrada y el aire comprimido circula de 1 hacia 2

Imagen válvula 3/2 normalmente cerrada

Imagen válvula 3/2 noromalmente abierta

 

Válvulas 4/2

Son aquellas que permiten el paso del aire en ambas direcciones , Cuando la válvula está en reposo la vía de entrada 1 está conectada con la vía de utilización 2, mientras que la otra vía de utilización esta puesta a escape. Con esta válvula podemos gobernar un cilindro de doble efecto, ya que al accionar esta, la entrada del aire se comunica ahora con la vía de utilización 4 y la do se pone a escape

Imagen valvula 4/2

Válvula 5/2

Son aquellas válvulas de cinco vías y dos posiciones, se pueden considerar una ampliación de las válvulas 4/2, con una única diferencia, la posesión de una vía más.

En este caso cuando la válvula está en reposo, la corredera permite el pao de 1 hacia 2 y la vía de utilización se pone a escape. Al acciona la válvula, 1 se comunica con 4, y 2 e comunica con el escape.

Imagen válvula 5/2

Válvulas 4/3

Son aquellas con posición central de reposo en la que todas las vías quedan bloqueadas. Dicha válvula es gobernada manualmente por medio de una  palanca  exterior que hace girar una corredera en forma de disco. Las tres posiciones son fijas y están dotadas de encabalgamiento mecánico.

En la posición de la izquierda, la alimentación de presión esta comunicada con la vía de utilización 4, y la vía de utilización 2, con el escape a la atmósfera. En la posición opuesta, 1 se comunica con 2, 4 con 3. En la tercera posición o posición central, todas las vías se encuentran cerradas, lo cual provoca el bloqueo del aire comprimido

Imagen de válvula 4/3

 

Válvulas antirremoto

 

Tienen la misión de impedir el paso de aire en un sentido y dejarlo pasar en sentido opuesto. La obturación del paso puede lograrse con una bola, membrana, cono etc., impulsador por la propia presión de trabajo o bien con la ayuda complementaria de un muelle. La válvula antirremoto permite el flujo del aire en el sentido que indican las flechas.

Imagen válvula antirremoto

Válvulas selectoras

 

Son aquellas que permiten la circulación de aire desde dos entradas opuestas a una sola salida común. Se puede comprobar que el aire que entra por el conducto de la derecha se desplaza la bola hacia la izquierda, bloquea esta salida y se va a través de la vía de utilización. En el caso de que el aire entre ahora por la izquierda, la bola se desplaza hacia la derecha y el aire circulara igualmente hacia la vía de utilización.

Esta válvula se utiliza cuando se desea mandar una señal desde dos puntos distintos, eléctricamente se conoce como montaje en paralelo  o módulo O  en denominación lógica digital

Imagen válvula selectora

Válvulas de simultaneidad

Son aquellas que se utilizan cuando se necesitan dos o mas condiciones para que una señal sea efectiva. Cuando tenemos solamente señal de presión por una de las dos entradas, ella misma bloquea su circulación hacia la vía de utilización . Solo cuando están presentes las dos señales de netrada se tiene salida por 2. Electricamente se conoce como   montaje en seria o módulo Y  en lógica digital.

Imagen válvula de simultaneidad

Válvulas reguladoras de caudal

 

A veces es necesario el control de la velocidad  de un cilindro para sincronizarlo con otros movimientos que se verifican en un sistema. Para conseguirlo e controla el caudal de fluido mediante válvulas reguladoras  de caudal. Existen dos ripos de reguladores: de un solo sentido (unidireccional) y de dos sentidos.

En el primero el aire penetra en el regulador por el orificio de alimentación y este presiona sobre las membranas rojas, con lo cual cierra el paso del aire. De esta forma, solamente si la cabeza del tornillo de regulación esta regulada podrá pasar aire entre esta y las dos membranas. Por el contrario, cuando el aire viene de la derecha, la presión de esta levanta las membranas hasta el punto que permite el paso del aire hacia el orificio de salida sin encontrar obstáculos

Imágenes de válvulas reguladoras de caudal

Válvulas de escape rápido

 

Son aquellas cuya misión es evacuar rápidamente el aire de cualquier recipiente, para así conseguir un aumento de su velocidad de actuación.

El aire entra por el orificio de alimentación desplaza la  membrana de obturación, lo que bloquea el escape y conecta el orificio por el que se llena un determinado recipiente. Cuando cesa la alimentación el aire a presión acumulado mueve la membrana y sale con rapidez por el escape.

Electroválvulas

 

Estas válvulas se controlan mediante una señal eléctrica  proveniente de un temporizador eléctrico o de un final de carrera eléctrico. Al activarse la bobina del electroimán que lleva en su interior, la válvula cambia de posición , mientras que al desactivarse la bobina esta vuelve de nuevo a su posición de reposo.

Se utilizan generalmente para activar y desactivar una válvula desde una distancia extremadamente larga , y de esta forma de consigue también que la activación sea casi instantánea

Imagen electroválvulas

Temporizadores neumáticos

Los temporizadores se utilizan para  regular el tiempo  que transcurre entre la entrada de señal de pilotaje y la respuesta de la válvula. S e trata de una válvula que está compuesta de una estragulación  graduable, una cámara de acumulación y un distribuidor pilotado. La señal de mando llega por la entrada a una camara, a traves de una válvula estranguladora. De acuerdo con el ajuste del tornillo , el aire tardará más o menos tiempo en llenar el recipiente y alcanzar la presión deseada.

Imagen temporizador normalmente cerrado

Un autotemporizador normalmente cerrado, se utiliza para  retrasar  la respuesta  a las señales de mando. También existen temporizadores normalmente abiertos

Accionamiento de las válvulas distribuidoras.

Accionamiento de las válvulas distribuidoras

El accionamiento de las válvulas se puede descomponer en cuatro tipos:

Accionamiento manual – Se realiza generalmente mediante un pulsador, palanca o  pedal.

Accionamiento mecánico – Se realiza neumáticamente por el pulsador, rodillo, muelle o enclavamiento mecánico.

Accionamiento neumático – Se realiza neumáticamente por presión, por depresión, por presión diferencial, por accionamiento a baja presión o por servopilotaje.

Accionamiento eléctrico – Se realiza mediante un electroimán o relé, o bien mediante un imán servopilatado.

En esta tabla podemos observar los diferentes accionamientos de las válvulas distribuidoras.

Elementos de mando y regulación. Representación de esquemas

Elementos de mando y regulación. Representación de esquemas.

Para el control de los órganos de trabajo es preciso disponer de otros elementos que realicen funciones de mando, de acuerdo con el trabajo que aquellos deben efectuar. Estos elementos de control son las válvulas, las cuales son dispositivos de mando que distribuyen el aire comprimido hacia los elementos de trabajo o utilización (receptores) y controlan su funcionamiento.

Las válvulas pueden considerarse una caja negra con orificios o vías de entrada y salida del aire comprimido. La forma en que se conectan dichos orificios en una posición estable constituye un estado de la válvula. Esto se denomina  posición.

Las válvulas se componen de dos o más posiciones; es decir, de dos o más formas de conectar las vías. Para cambiar de una posición a otra se dispone de unos mandos en la propia válvula. Por lo habitual, siempre hay una  posición de reposo, que es aquella en la que no se actúa sobre los mandos.

El funcionamiento de las válvulas se identifican según el número de vías y posiciones, por esto, las válvulas se representan simbólicamente mediante esquemas que dan una idea clara de su funcionamiento, de tal forma que a la hora de definir una válvula se menciona primero el número de vías y posteriormente el de posiciones que tiene.

Cada posición que adopta el órgano distribuidor se representa con un cuadro. Da tal modo que la válvula tendrá tantas posiciones como cuadros existan. Se dibujan uno a continuación del otro.

Tabla ejemplo de las normas de simbología de las válvulas.

Los conductos interiores que van dentro de los cuadros, determinan los orificios de entrada  o salida del aire, donde las flechas indican el sentido de circulación del aire. La salida del aire a escape se representa con un triangulo equilátero.

Las válvulas tienen principalmente dos posiciones: Posición de trabajo (órgano de accionamiento de la válvula) y posición en reposo (órgano de recuperación que devuelve la válvula a su posición inactiva mediante un muelle).

Las conducciones a los diferentes conductos se identifican por medio de letras mayúsculas o de números, para facilitar el montaje de los circuitos. La siguiente tabla da buena de ello.

Receptores neumáticos

Receptores neumáticos

La energía del aire comprimido se transforma mediante cilindros  en un movimiento lineal de vaivén mediante  motores neumáticos  en movimiento giratorio.

Cilindro de simple efecto

Son aquellos que solo realizan un trabajo cuando se desplaza su elemento móvil (vástago) en un único sentido; es decir, realizan el trabajo en una sola carrera de ciclo. El retroceso se produce al  evacuar  el aire a presión de la parte posterior, lo que devuelve al vástago a su posición de partida.

Estos cilindros se utilizan para trabajos de desplazamientos cortos en los que el vástago del cilindro no realice carreras superiores, generalmente, a 100 mm.

Para aplicaciones de fijación o de remache de piezas, por ejemplo, se emplean también cilindros de membrana, en los cuales, una membrana de plástico o de metal reemplazan al embolo. Las carreras en este caso son mucho más cortas que las anteriores, aproximadamente 50 y 80 mm.

Cilindros de doble efecto

Son capaces de producir trabajo útil en dos sentidos, ya que disponen de una fuerza activa tanto en avance como en retroceso.

Se construyen siempre en formas de cilindros de embolo y poseen dos tomas para aire comprimido, cada una de ellas situada en una de las tapas del cilindro.

Se emplea, en los casos en los que el émbolo tiene que realizar también una función en su retorno a la posición inicial. La carrera de estos cilindros suele ser más larga (hasta 200 mm) que en los cilindros de simple efecto, hay que tener en cuenta el pandeo o curvamiento que puede sufrir el vástago en su posición externa.

Cuando el aire comprimido entra por la toma situada en la parte posterior (1), desplaza el émbolo y hace salir el vástago (avance). Para que el émbolo retorne a su posición inicial (retroceso), se introduce aire por la toma situada en la tapa delantera (2). De esta manera, la presión actúa en la cara del émbolo en la que está sujeta el vástago, lo que hace que la presión de trabajo sea algo menor debido a que la superficie de aplicación es más pequeña. Hay que tener en cuenta que en este caso el volumen de aire es menor, puesto que el vástago también ocupa volumen.

Fuerza del émbolo

La fuerza ejercida por un elemento de trabajo (vástago) depende de la presión del aire (P) de la superficie útil del émbolo (S) y la fuerza de rozamiento de las juntas.

La fuerza teórica (F₁) del émbolo se calcula de la siguiente forma:

F₁ = p ∙ S

En la práctica, es necesario conocer la fuerza real (F) que es capaz de vencer el vástago, para lo cual habrá que tener en cuenta la fuerza de rozamiento del émbolo. En condiciones normales de servicio (presiones de 4 a 8 bares) se admite que las fuerzas de rozamiento representan aproximadamente un 10% de la fuerza teórica (F_r ≈ 0,1  ∙ F_t).

Dicho esto, las fuerzas reales a vencer en un cilindro de simple o doble efecto serán:

• Cilindro de simple efecto: En este caso también habrá que tener presente la fuerza de muelle (F_m) que suele tomarse en torno al 6% de fuerza teórica:

F = F₁ – (F_r + F_m) = F_t – 0, 16 F_t =0, 84 F_t

Si en lugar de la fuerza de rozamiento conocemos el rendimiento (η), la fuerza real será:

F = 0, 9 F_t – F_m = η · F_t – F_m

• Cilindro de doble efecto: En este caso, durante el retroceso habrá que tener en cuenta la superficie útil (S’) del lado del vástago:

Avance:                                 F = F_t – F_r = p · S – 0, 1 p · S · η = p · S’ · η

Retroceso:                            F’ = F’₁ – F’_r = p · S’ – 0, 1 p · S’ = p · S’ · η

 

Imagen de un cilindro de simple efecto

Imagen de un cilindro de doble efecto

Distribución y acondicionamiento del aire comnprimido

Distribución y acondicionamiento del aire comprimido

Las instalaciones industriales están provistas de elementos de almacenamiento, distribución y tratamiento.

Circuito que sigue el aire comprimido:

El aire comprimido generado por el compresor pasa por un separador que retiene la mayor parte del agua en suspensión para acumularlo posteriormente en el depósito y así poder pasarlo a la red de distribución.

Las impurezas que arrastra el aire son motivo de averías que en ciertos casos pueden llegar a dañar gravemente los componentes del sistema neumático. El separador, que se encuentra justo después del compresor, se encarga de filtrar ese aire.

Una vez acumulado pasa a una red de distribución, esta está compuesta de diversos elementos que permiten un correcto mantenimiento. Esto ha de permitir conducir el aire comprimido para que se produzcan las menores pérdidas posibles hasta los puntos de consumo. Los elementos de los que consta son:

• Tubos: Deben ser de fácil instalación y resistentes a la corrosión. Están hechos principalmente de cobre, latón, acero o plástico.
• Tuberías: Suelen estar soldadas entre sí para evitar pérdidas de presión.

La red de distribución siempre debe ser cerrada, para que  la presión de servicio sea más estable. Debe tener una cierta pendiente para conseguir la acumulación del agua condensada en el punto más bajo.

El aire comprimido siempre debe estar acondicionado ya que sino, como ya es sabido puede provocar fallos graves.

Por último la unidad de acondicionamiento retiene las impurezas que arrastra el aire y sirve para establecer y mantener una presión de alimentación determinada. También proporciona al aire comprimido el lubricante necesario para disminuir rozamientos internos y el desgaste. Está compuesto por tres partes fundamentales:

• Filtro: Libera al aire comprimido de todas las impurezas y del vapor de agua en suspensión.
• Regulador: Establece y mantiene la presión de salida (presión de trabajo) lo más estable posible, independientemente de las variaciones que sufra la presión de red y del consumo del aire.
• Lubricador: Los elementos neumáticos, deben recibir una pequeña dosis de aceite para la lubricación de las piezas móviles de las que consta, de ahí que tras filtrarse y regularse la presión del aire, se pase este a través de un lubricador, donde este se mezcla con una fina capa de aceite que arrastra en suspensión.

Imagen de una instalación neumática.

Producción del aire comprimido

Producción del aire comprimido

El aire comprimido se obtiene por medio de compresores.

Los compresores son máquinas capaces de elevar la presión del aire que aspiran de la atmósfera hasta un valor conveniente.

Imagen de un compresor de aire.

En las instalaciones neumáticas se utilizan compresores capaces de crear y almacenar el aire comprimido y de regular el suministro del circuito donde están conectados los diferentes dispositivos que funcionan gracias al aire comprimido.

El caudal de las instalaciones neumáticas es la cantidad de aire comprimido que fluye o circula por una sección por unidad de tiempo. Su fórmula es:

Q = V/t = (S ∙ L)/t = S ∙ v

Donde:

• V – Representa el volumen del fluido que atraviesa la sección de la tubería en m³ o litros (l).
• S – Representa la sección de la tubería en m².
• L – Representa la longitud de la tubería en metros.
• t – Representa el tiempo en segundos o minutos.
• v – Representa la velocidad del movimiento del fluido.

El caudal se puede medir en: m³/h, m³/ min, l/min o l/s

 

Para instalar dichas máquinas se debe elegir un lugar exento de polvo y lo más fresco posible. En cualquier caso, éstas toman de aire del exterior a través de un conducto en cuyo interior se encuentra un filtro en el que quedan atrapadas las impurezas que lleva el aire en suspensión.

El aire es comprimido en la cámara de compresión y enviado a un depósito (o acumulador) que dispone de una salida regulable del aire, la cual va conectada con el circuito de la instalación neumática. Dicho depósito lleva incorporada, a su vez, otra salida (o grifo) con el fin de eliminar el agua que genera la condensación.

Generalmente todos los compresores disponen de una serie de dispositivos de seguridad y de control del aire comprimido, tales como:

• El regulador de presión – Se encarga de controlar la presión de trabajo del circuito neumático, para lo cual dispone de una llave de paso y de un manómetro que indica la presión de salida.

 

• El presostato – Se encarga de mantenerla presión en el interior del depósito dentro de unos márgenes, conectando y desconectando el dispositivo de compresión del aire según proceda. Se trata de un sistema que actúa entre dos márgenes de presión a las órdenes del manómetro y de un sistema de control.

 

• Válvula de seguridad – Cuando la presión del depósito supera una determinada presión de calibración, se abre esta válvula y se deja escapar el aire al exterior. Dicho dispositivo es de vital importancia, pues evita que el depósito pueda romperse por exceso de presión.

Principales tipos de compresores

Los más conocidos y usados son los volumétricos o de pistón.

Funcionamiento:

Transforma el movimiento circular de un eje procedente del motor en movimiento rectilíneo alternativo mediante un mecanismo de biela y manivela.

Constan de una válvula de admisión y otra de escape, de modo que, al descender el embolo, la válvula de admisión se abre, debido a la presión creada, y se llena el cilindro de aire. Por su parte, al ascender el émbolo, se cierra la válvula de admisión y se abre la de escape, por lo que sale la embolada del aire hacia el acumulador.

Debido a la compresión del aire la temperatura del pistón se eleva, por lo que, para evacuar el calor se colocan alrededor del pistón unas aletas de refrigeración.

Con estos compresores podemos obtener presiones de entre 3 y 10 bares.

Dentro de los compresores volumétricos, encontramos también los  compresores rotativos, que consisten en un motor excéntrico provisto de paletas, que giran en el interior de un cárter cilíndrico, con un orificio de entrada y otro de salida. Al girar el rotor, las paletas forman unas cámaras de volumen variable que encierran el aire cada vez más comprimido, hasta que lo expulsan al compresor de salida. Suelen  ser compresores silenciosos, pequeños y su capacidad de compresión no excede de los 8 bares

Imágenes de un compresor de pistón de una sola etapa  e imagen de un compresor rotativo de paletas

  

Unidades de presión

Unidades de presión

 

Las más utilizadas son:

 

Pascal (Pa) – Representa la fuerza de 1 newton (N) ejercida sobre una superficie de 1 metro. Ya que el pascal e una unidad muy pequeña se suele usar el bar que equivale a 10⁵ Pa.

 

Atmósfera (atm) – Equivale a la presión atmosférica tomada al nivel del mar.

 

Milímetro de mercurio (mmHg) – Es la unidad de presión más antigua que se conoce y mide la altura que alcanza una columna de mercurio en el interior de un tubo de cristal cuando varía la presión atmosférica.

 

Tabla de equivalencia de las unidades de presión

 

Generalmente, las presiones ideales de utilización en las diferentes instalaciones neumáticas de aire comprimido suelen oscilar entre los 4 y los 8 bares.

 

Para medir la presión atmosférica se emplean unos aparatos llamados barómetros, los cuales vienen calibrados normalmente en escalas de milímetros de mercurio (mmHg) y milibares (mbar).

 

Para medir la presión del aire en los circuitos neumáticos se utilizan los manómetros, los cuales se encargan de medir la diferencia de presión entre aquella a la que realmente está sometida el aire (presión absoluta) y la presión atmosférica. Esta presión que miden los manómetros se denomina presión relativa o manométrica.  Mediante la siguiente fórmula podemos comprobar que la presión absoluta (P) es igual a la presión relativa (p) más la presión atmosférica (P _atm).

 

P= p + P _atm

Tabla de relaciones entre las unidades de presión.

El aire comprimido y la presión

El aire comprimido y la presión.

El aire atmosférico es un elemento abundante en la naturaleza, limpio y de fácil almacenamiento y transporte.

Todas estas características lo convierten en un FLUIDO (gas) ideal para su utilización en los sistemas neumáticos. Como todo gas se puede comprimir por medio de una acción mecánica exterior hasta alcanzar una presión determinada (superior a la atmosférica).

Supongamos que tenemos un cilindro de sección (S) en cuyo interior existe un gas y sobre el cual se ejerce una fuerza (F₁). El cociente entre la magnitud de la fuerza aplicada (F₁) y el valor de la superficie del cilindro (S) se denomina PRESIÓN (P₁). Si en un momento determinado aumenta la fuerza aplicada, la presión del interior del recipiente también aumentará.

P₁ = F₁/S

Unidades de medida:

F1 – Representado en kilogramos fuerza (kgf) o newtons (N)

S – Representado en centímetros cuadrados (cm²)

P1 – Representado en kilogramos fuerza entre centímetro cuadrado (kgf/ cm²) newtons entre centímetro cuadrado (N/cm²).

Si se mantiene constante la temperatura (T) en el interior del cilindro, se cumplirá que el producto de la presión absoluta y del volumen es constante para una determinada cantidad de gas, esto lo explica la Ley de Boyle-Mariotte:

P₁ x V₁ = P₂ x V₂ = constante

Gay-Lussac estudió las variaciones de volumen con la temperatura  manteniendo constante la presión, y dedujo:

V₁/V₂ = T₁/T₂

Donde T₁  y T₂  representan  temperaturas absolutas en grados kelvin (K), siendo:

T _absoluta = t (ºC) + 273