CLASE: Neumática.

CLASE: Neumática.

En esta clase se dieron los conceptos de neumática y sus características.

Neumática, es la tecnología que emplea el aire comprimido como modo de transmisión de la energía necesaria para mover y hacer funcionar mecanismos. El aire es un material elástico, y por tanto, al aplicarle una fuerza se comprime, mantiene esta compresión y devuelve la energía acumulada cuando se le permite expandirse, según dicta la Ley de los gases ideales. 

Se puede ver de forma gráfica en la siguiente imagen:

Mediante un fluido, ya sea aire (neumática), aceite o agua (hidráulica) se puede conseguir mover un motor  en movimiento giratorio o accionar un cilindro para que tenga un movimiento de salida o retroceso de un vástago (barra). Esto hoy en día tiene infinidad de aplicaciones como pueden ser la apertura o cierre de puertas en trenes o autobuses, levantamiento de grandes pesos, accionamientos para mover determinados elementos, etc. El control del motor o del cilindro para que realice lo que nosotros queremos se hace mediante válvulas que hacen las veces de interruptores, pulsadores, conmutadores, etc si lo comparamos con la electricidad y mediante tubos conductores (equivalente a los conductores eléctricos) por los que circula el fluido. En esta unidad vamos a estudiar como se realizan los montajes de los circuitos neumáticos o hidráulicos. Todo lo que vamos a estudiar hace referencia a circuitos neumáticos, pero cambiando aire por agua o aceite valdría igualmente para los hidráulicos.

1.     Tipos de circuitos neumáticos:

Se pueden distinguir dos tipos:

• Circuito de anillo cerrado: Aquel cuyo final de circuito vuelve al origen evitando brincos por fluctuaciones y ofrecen mayor velocidad de recuperación ante las fugas, ya que el flujo llega por dos lados.
• Circuito de anillo abierto: Aquel cuya distribución se forma por ramificaciones las cuales no retornan al origen, es más económica esta instalación pero hace trabajar más a los compresores cuando hay mucha demanda o fugas en el sistema. 

Estos circuitos a su vez se pueden dividir en cuatro tipos de sub-sistemas neumáticos:

• Sistema manual.
• Sistemas semiautomáticos.
• Sistemas automáticos.
• Sistemas lógicos.

2.     Componentes de un circuito neumático:

• Grupo compresor: Suministra la presión necesaria al aire para que pueda circular por el circuito.
• Tuberías: Canalizan el caudal de aire hasta los elementos de trabajo.
• Actuadores neumáticos: Son los que desarrollan el trabajo. Se denominan cilindros.
• Elementos de distribución: Permiten o impiden el paso de aire y lo suministran a los distintos elementos de trabajo. Se denominan válvulas.
• Elementos auxiliares: Desempeñan distintas funciones: protección, regulación,...Los más usados son los dispositivos antirretorno y los reguladores de caudal.

El principal componente que al aire haga su función es el compresor.

2.1.  Compresores (Generadores):

El compresor es una máquina de fluido que está constituida para aumentar la presión desplazar cierto tipo de fluidos llamados compresibles, tal como lo son los gases y los vapores. Esto se realiza a través de un intercambio de energía entre la máquina y el fluido en el cual el trabajo ejercido por el compresor es transferido a la sustancia que pasa por él convirtiéndose en energía de flujo, aumentando su presión y energía cinética impulsándola a fluir. 

Para producir el aire comprimido se utilizan compresores que elevan la presión del aire al valor de trabajo deseado. La presión de servicio es la suministrada por el compresor o acumulador y existe en las tuberías que recorren el circuito. El compresor normalmente lleva el aire a un depósito para después coger el aire para el circuito del depósito. Este depósito tiene un manómetro para regular la presión del aire y un termómetro para controlar la temperatura del mismo. El filtro tiene la misión de extraer del aire comprimido circulante todas las impurezas y el agua (humedad) que tiene el aire que se puede condensar. Todos estos componentes se llaman circuito de control.

Los componentes por los que está formado el compresor son los siguientes:

• Compresor: Es el elemento básico del grupo. Su función es la de aumentar la presión del aire del sistema. Suele ir provisto de un filtro para eliminar las impurezas.
• Motor auxiliar: Se encarga de comunicar el movimiento de rotación al eje del compresor.
• Refrigerador: Se encarga de disminuir la temperatura del aire a la salida del compresor.
• Depósito: En caso necesario, se dispone de un depósito a la salida del refrigerador para almacenar aire comprimido y utilizarlo cuando sea necesario.
• Unidad de mantenimiento (conjunto FRL): La calidad del aire es esencial para el buen funcionamiento y mantenimiento de las instalaciones neumáticas. Esta calidad se consigue mediante tres operaciones: filtración, regulación y lubricación.

2.2  Tuberías:

• Son las conducciones que forman la red de distribución del aire comprimido.
• Suelen ser de acero o latón, excepto en las portátiles que pueden ser de plástico o caucho.
• Se instalan con una pequeña inclinación (1,5º) para que el vapor de agua condensado no se almacene en ningún punto.
• Se representan simbólicamente mediante líneas continuas que unen los distintos elementos del circuito neumático.

2.3  Actuadores neumáticos:

A los mecanismos que convierten la energía del aire comprimido en trabajo mecánico se les denomina actuadores neumáticos. Aunque en esencia son idénticos a los actuadores hidráulicos, el rango de compresión es mayor en este caso, además de que hay una pequeña diferencia en cuanto al uso y en lo que se refiere a la estructura, debido a que estos tienen poca viscosidad.

Están formador por cilindros, que transforman la energía del aire comprimido en un movimiento lineal, y motores neumáticos que transforman la energía del aire comprimido en movimiento de giro.

Características de los actuadores neumáticos:

• Tubo de sección constante, cerrado por sus extremos.
• En su interior se desliza un émbolo solidario con un vástago.
• El émbolo divide al cilindro en dos volúmenes llamados cámaras.
• Hay una abertura en cada cámara para que entre y salga el aire.

La capacidad de trabajo de los cilindros viene determinada por:

• Carrera: Desplazamiento que efectúa el émbolo en el interior del cilindro. De ella depende la longitud del vástago.
• Diámetro: Determina la superficie del émbolo.

Clasificación de los actuadores neumáticos:

Cilindros: Al llegar la presión del aire a ellos hace que se mueva un vástago (barra), la cual acciona algún elemento.

Existen varios tipos de cilindros: De efecto simple y de efecto doble. Los de efecto simple a su vez hay de dos tipos, de membrana y de pistón. Los cilindros de efecto doble a su vez hay 4 tipos, con amortiguación interna, de vástago pasante, de posicionamiento y de percusión. Las velocidades que se consiguen son de hasta 1,5m/s en los convencionales y de 10m/s en los de impacto.

• De simple efecto: Estos cilindros tienen una sola conexión de aire comprimido. No pueden realizar trabajos más que en un sentido. El desplazamiento del émbolo por acción del aire comprimido tiene lugar sólo en el sentido de la carrera de avance. El retroceso se consigue gracias a la intervención de otra fuerza interna o externa, generalmente por la acción de un muelle de retorno en el interior del cilindro.

Ventaja: frenado instantáneo en cuanto falla la energía. Apertura de una puerta mientras le llaga el aire, cuando deja de llegar la puerta se cierra por la acción del retorno del cilindro gracias al muelle. 

Ejemplo de Aplicación: frenos de camiones y trenes.

Características:

• Tienen una sola conexión de aire comprimido
• No pueden realizar trabajos más que ne un sentido.
• Se necesita aire sólo para un movimiento de traslación.
• El vástago retorna por el efecto de un muelle incorporado o de una fuerza externa.
• El resorte incorporado se calcula de modo que haga regresar el émbolo a su posición inicial a una velocidad suficientemente grande.
• De doble efecto: El desplazamiento del émbolo por acción del aire comprimido se lleva a cabo en los dos sentidos, en la carrera de avance y de retroceso. Esto supone la existencia de aberturas de alimentación en cada una de las dos cámaras.

Características:

• La fuerza ejercida por le aire comprimido anima al émbolo, a realizar un movimiento de traslación en los dos sentidos.
• Se dispone de una fuerza útil tanto en la ida como en el retorno.
• Los cilindros de doble efecto se emplean especialmente ne los casos en que el émbolo tiene que realizar una misión también al retornar a su posición inicial.
• La carrera de los cilindros no está limitada, pero hay que tener en cuenta el pandeo y doblado que puede sufrir el vástago salido.
• Comparación entre los de simple y doble efecto:

Los cilindros de doble efecto son los más utilizados a nivel industrial, ya que presentan grandes ventajas respecto a los de simple efecto:

• Pueden desarrollar trabajo en ambos sentidos del movimiento.
• No hay pérdida de esfuerzo por compresión del muelle de retorno.
• Su régimen de funcionamiento se puede ajustar con mucha precisión.
• La carrera, tanto de avance como de retroceso, corresponde a toda la longitud del cilindro.

En la siguiente imagen podemos ver un cilindro de pistón.

Simbología de los actuadores neumáticos:

2.2  Elementos de distribución:

Una válvula neumática es un elemento de regulación y control de la presión y el caudal del aire a presión. Este aire es recibido directamente después de su generación o sino desde un dispositivo de almacenamiento. Las válvulas dirigen, distribuyen o pueden bloquea el paso del aire para accionar los elementos de trabajo (los actuadores).

Hay tres tipos de válvulas dependiendo de los que queremos hacer: Distribuidoras, reguladores de caudal y reguladores de presión. 

• Válvulas de distribución: Como su propio nombre indica son las encargadas de distribuir el aire comprimido en los diferentes actuadores neumáticos, por ejemplo, los cilindros. Esta válvula permite que pase el aire por los dos sentidos ya que tiene dos entradas de aire y dos salidas. Dependiendo de la posición 8 cerrada o abierta) de la válvula, algunas vías cambian de sentido del aire.

Las posiciones de las válvulas distribuidoras se representan por medio de cuadrados. La cantidad de cuadrados yuxtapuestos indica la cantidad de posiciones de la válvula distribuidora.

El funcionamiento se representa esquemáticamente en el interior de las casillas (cuadros).Las líneas representan tuberías o conductos. Las flechas, el sentido de circulación del fluido (figura 1). Las posiciones de cierre dentro de las casillas se representan mediante líneas transversales (figura 2). La unión de conductos o tuberías se representa mediante un punto (figura 2). Las conexiones (entradas y salidas) se representan por medio de trazos unidos a la casilla que esquematiza la posición de reposo o inicial (figura 3).

La otra posición se obtiene desplazando lateralmente los cuadrados, hasta que las conexiones coincidan. Las posiciones pueden distinguirse por medio de letras minúsculas a, b, c... y 0. Las salidas (al exterior) y entradas de aire se representan mediante un triangulo

Para activar la válvula (que cambie de posición se puede hacer manualmente (como un pulsador) o de otras formas (eléctricamente, neumáticamente (una flecha) ,etc.).

• Válvulas reguladoras de caudal: la usaremos cuando se genera mucho aire de presión y este va a mucha velocidad y queremos reducir el caudal para que funcione bien el cilindro. Esta funciona de tal forma que cuando enroscamos el "caracol" el caudal disminuye ya que hace frenar el aire a presión. Normalmente se acopla un anti-retorno para que el fluido solamente vaya estrictamente en un sentido, evitando así grandes problemas.

• Válvulas reguladoras de presión: Esta válvula se encarga de regular la presión que recibe para evitar la presión ideal obtenida al actuador ( sea cilindro o motor). Notablemente hay diferentes tipos: válvula reguladora de presión, válvula limitadora de presión, válvula de secuencia...

2.5  Elementos auxiliares:

Desempeñan funciones de regulación y control. Las más habituales son:

• Antirretorno: Permiten la circulación de aire por las tuberías en un determinado sentido y la impiden en el contrario. Están formadas por un resorte unido a la pieza de cierre.
• En posición de reposo, paso de aire bloqueado.
• En sentido permitido, la presión del aire vence a la resistencia del resorte y se abre la conducción

• De doble efecto o selectora de circuito: Tres orificios de entrada de aire y un pistón que se desplaza para bloquear alternativamente una u otra entrada

• Reguladoras de caudal: Disponen de un tornillo mediante el que se aumenta o disminuye la sección del conducto, permitiendo la regulación del caudal que circula.

3.     Motores Neumáticos:

Los motores neumáticos son unos elementos capaces de transformar la energía neumática en energía mecánica. Nos podemos encontrar muchas herramientas que funcionan con aire comprimido y necesitan un motor, por ejemplo, una taladradora. Sin embargo, nos encontraremos otro tipo de herramientas que no necesitan un motor neumático, por ejemplo, una pistola de clavar clavos, grapas, etc. Los motores neumáticos no solamente son útiles como herramientas de trabajo, también tienen un uso industrial, aunque no sea lo más común, porque ya existen los motores eléctricos, entre otras cosas. Sin embargo, en ciertas industrias, pueden llegar a ser necesario, como las industrias alimentarias y las farmacéuticas. En este tipo de industria, la higiene es una cuestión vital, y en determinados procesos productivos, el motor eléctrico ensucia.

Existen dos tipos distintos, motores de paletas y motores de pistones:

• Motores de paletas: Este tipo de motor que se usan en las herramientas como lijadoras y taladradoras. Dan una potencia máxima de 20cv, y tiene unas velocidades de 2000 a 9000 r.p.m.

• Motores de pistones: Esta clase de motor, está constituido con varios pistones. Se logran potencias del orden de 30 cv.

Factores a calcular en la simulación:

Al realizar la simulación podemos calcular una serie de parámetros:

1. Tasa de producción= productos /hora.
2. Capacidad de producción = máxima tasa de producción.
3. Utilización de cada máquina.
4. Disponibilidad.
5. Manufacturing lead time = tiempo de fabricación de cada pieza.
6. Work in progress ( inventario).
7. Coste del producto.
8. Beneficio.

Un ejemplo de una aplicación neumática

http://www.youtube.com/watch?v=7Dw10EHtZkw