Conceptos y Aplicaciones de Neumática: Desde la Presión hasta los Sistemas de Control

Conceptos Fundamentales de Neumática

Fuerza y Presión

La fuerza es la causa capaz de producir o modificar el estado de reposo o movimiento de un cuerpo, o de provocarle una deformación. Se expresa mediante las siguientes fórmulas:

• f = m . a
• f = m . g
• 1N = 1kg . 1m/s²

La presión es la relación entre la fuerza realizada y la superficie sobre la cual se aplica dicha fuerza. Se calcula con la siguiente fórmula:

• p = f / s
• 1Pa = 1N / 1m²
• 1bar = 1atm = 100kPa

Tipos de Presiones

• Presión atmosférica (atm): Presión que el aire ejerce, por su propio peso, sobre la Tierra. El vacío absoluto es un recinto donde se ha extraído todo el aire que contenía (se mide con un barómetro).
• Presión relativa (rel): Se denomina presión relativa cuando la referencia es la presión atmosférica local. Puede tener valores positivos o negativos (se mide con un manómetro).

Características del Aire Comprimido

Ventajas

• Energía abundante y barata: El aire está disponible en cantidades ilimitadas y sin coste.
• Fácilmente transportable por tuberías, incluso a grandes distancias.
• Es almacenable, no es preciso un compresor en servicio continuamente.
• Puede regularse fácilmente en velocidad y fuerza.
• Es limpio y, en caso de falta de estanqueidad en los elementos, no produce ensuciamiento.

Desventajas

• El aire debe ser preparado antes de su utilización, eliminando impurezas y humedad para evitar un desgaste prematuro de los componentes de la instalación.
• No es posible obtener, para los émbolos de los cilindros, velocidades uniformes y constantes.
• El aire de escape produce ruidos.
• Los esfuerzos que se pueden conseguir con su utilización son limitados.

Estructura de un Sistema Neumático

Compresor y Acumulador

• Compresor: Máquina que toma aire a una presión determinada y lo impulsa a una presión superior a la de entrada, que será la presión de servicio.
• Acumulador: Recibe y almacena el aire procedente del equipo de compresión. Sus funciones son compensar oscilaciones, permitir tiempos de descanso al compresor, refrigerar el aire y retener las impurezas procedentes del compresor.

Unidad de Mantenimiento

Compuesta por:

• Filtro deshidratador: Elimina partículas sólidas y líquidas del aire. Estas partículas chocan contra las paredes del vaso y se acumulan en la parte inferior, mientras que el aire pasa a través de un filtro, realizándose el filtrado fino.
• Regulador de presión: Reduce la presión de red a una de trabajo adecuada para la máquina. Mantiene la presión de trabajo lo más constante posible, independientemente de las variaciones que sufra la presión y el consumo de aire.
• Lubricador: Lubrica las piezas móviles de los equipos neumáticos, reduciendo el desgaste y protegiéndolas de la corrosión. Funciona según el principio de Venturi: el paso de un fluido por un estrechamiento provoca el incremento de su velocidad y reduce la presión en ese punto, pudiendo llegar a ser negativa (depresión).

Elementos de Transporte

Deben garantizar la cantidad y presión adecuada del aire. Para canalizar el aire, se recurre a tuberías rígidas (principales) o flexibles (manguitos) y elementos de unión (acoplamientos).

Elementos de Regulación y Control

Las válvulas se encargan de distribuir y regular el paso del aire. Pueden ser activadas de forma manual, eléctrica, neumática o mecánica. Se clasifican en:

• Válvulas direccionales o distribuidoras.
• Válvulas reguladoras de presión y caudal.
• Válvulas de bloqueo o antirretorno.

Tipos de Regulación

• Escape a la atmósfera: Apto para instalaciones pequeñas (con pérdidas de aire). Cuando el depósito alcanza la presión deseada, una válvula reguladora abre paso para que el aire se escape. Una válvula antirretorno impide que el depósito se vacíe.
• Aislamiento de la aspiración: Cuando se alcanza la presión deseada, se bloquea la aspiración, manteniendo el compresor su trabajo en régimen de presión.
• Intermitencias: El motor de accionamiento del compresor se desactiva al llegar a una determinada presión máxima (P_rmax) y se conecta de nuevo al bajar la presión mínima (P_rmin) del sistema. Puede ajustarse mediante un presostato.

Elementos de Trabajo

Encargados de transformar la energía neumática en otro tipo de energía (cilindros, actuadores o motores).

Tipos de Compresores

Compresores de Émbolos

Comprimen el aire aspirándolo hacia un recinto hermético y reduciendo su volumen hasta alcanzar la presión deseada.

Compresor de Émbolo Oscilante (Pistón)

Un eje, accionado por un motor, desplaza a un émbolo con movimientos alternativos. En la fase de aspiración, el aire llena la cavidad del pistón. En la fase de compresión, el émbolo se desplaza hacia arriba, reduciendo el volumen del gas (aumentando la presión) e impulsándolo hacia la línea de distribución.

Compresor de Membrana

Similar al de pistón, pero una membrana se interpone entre el aire y el pistón, evitando que el aceite de lubricación entre en contacto con el aire. Adecuado para la industria química y farmacéutica.

Compresores Rotativos

Compresor de Paletas

Un rotor excéntrico gira en el interior de un cárter cilíndrico con unas ranuras de entrada y salida. Está provisto de un cierto número de aletas que deslizan en el interior de las ranuras y se adaptan a las paredes. Gracias a la fuerza centrípeta, comprimen el aire que se introduce al disminuir el volumen.

Compresor de Tornillo

Uno de los tornillos va al motor y el otro gira arrastrado por el primero. El volumen libre entre ellos disminuye, comprimiendo el aire.

Compresor Roots

Impulsan el volumen de aire aspirado. Dos rotores idénticos, engranados entre sí, giran a la misma velocidad pero en sentido opuesto. También se utilizan como bombas de vacío.

Turbocompresores

Transforman la energía cinética del aire en movimiento en energía de presión. El motor aumenta la velocidad y se comprime como consecuencia de la aceleración de la masa.

Turbocompresor Axial

Utiliza una o varias ruedas de turbina. La rotación de los álabes acelera el aire en sentido axial del flujo.

Turbocompresor Radial

La aceleración es progresiva, de cámara a cámara, en sentido radial hacia fuera. El aire vuelve al eje y vuelve a acelerarse hacia fuera.

Tendidos de Red y Sistemas de Control

Tendido de Red

La tubería debe tener un descenso en el sentido de la corriente (1% - 2%). En caso de que las tuberías estén tendidas horizontalmente, las tomas se dispondrán siempre en la parte superior del tubo para evitar que el agua condensada llegue a través de ellas. Se deben instalar purgadores para recoger el agua.

Método de Cascada

1. Establecer la secuencia, separando por grupos (no se repiten los movimientos en cada grupo).
2. Decidir si hay inversión (si se puede, no hay). Con inversión, se cambia la última válvula (cableado cruzado). Sin inversión, se cablea el lado recto sin invertir la válvula.
3. Colocar los cilindros con sus válvulas 4/2.
4. Trazar tantas líneas de presión (LP) como grupos haya.
5. Debajo de las LP, colocar tantas válvulas 4/2 como grupos haya, menos uno.
6. Colocar los finales de carrera que producen cambio en la parte inferior.

Método Paso a Paso

1. Colocar válvulas 3/2 y establecer la secuencia sin grupos.
2. Colocar los cilindros con válvulas 4/2.
3. Trazar una LP por cada movimiento.
4. Debajo de las LP, colocar válvulas 3/2 biestables, tantas como LP. La última se cablea diferente: la primera se conecta al inicio (I) y a la siguiente.
5. a) Conectar las válvulas 4/2 según su movimiento (LP). b) Primero, conectar la marcha y después los demás (finales de carrera).

Fórmulas para Cilindros

Cilindro de Simple Efecto

• F_am = (π / 4) . D² . P - F_mr
• F_mr = 0,06 . (π / 4) . D² . P

Cilindro de Doble Efecto

• P = F / s
• r = D / 2
• S = π . r²
• F_a = (π / 4) . D² . P . rendimiento
• F_r = (π / 4) . (D² - d²) . P . rendimiento