Neumática 2ºBachillerato

1. Tema 10. Neumática

2. Definición
La neumática es el conjunto de las aplicaciones
técnicas (transmisión y transformación de fuerzas
y movimiento) que utilizan la energía acumulada
en el aire comprimido.
Hoy en día son muchos los sistemas técnicos que
basan su funcionamiento en este tipo de energía.
Por ejemplo, las puertas de algunos autobuses y
trenes se accionan con aire comprimido

3. PROPIEDADES DEL AIRE COMPRIMIDO:
VENTAJAS E INCONVENIENTES
Entre las principales ventajas del aire comprimido destacan:

Abundante: el aire para su compresión está en cantidades ilimitadas.

Transporte: se transporta fácilmente por tuberías sin necesitar retorno.

Almacenable: se puede almacenar en depósitos y botellas y tomarse de
éstos.

Temperatura: no tiene peligro de explosión ni incendio, por lo que sus
instalaciones son más baratas.

Limpio: en caso de falta de estanqueidad, no produce ensuciamiento. Esto es
importante por ejemplo para las industrias alimentarias, de madera, textiles, etc.

Elementos: son simples y por lo tanto económicos con relación a otras
tecnologías, además de una larga vida sin apenas averías.

Velocidad: su desplazamiento es rápido, permitiendo velocidades de trabajo
elevadas.

4. Entre las principales limitaciones destacan:

Preparación: el aire debe ser preparado antes de su utilización,
limpiando las impurezas y humedad.

Compresible: no se puede obtener en los émbolos velocidades
constantes y uniformes. Esto se mejora con elementos
electrónicos de control que encarecen la instalación (Neumática
Proporcional).

Fuerza: a la presión normal de trabajo (7 bar), el límite de la
fuerza está entre 20000 y 30000 N (Sistema Internacional -SI-) no
transmite mucha fuerza.

Escape: el escape del aire produce ruido, necesitándose
elementos insonorizantes (silenciadores).

Costos: se compensa el coste de preparación del aire con el
coste relativamente económico de los elementos y su buen
rendimiento.

5. CONCEPTO DE PRESIÓN:
ABSOLUTA, RELATIVA Y
ATMOSFÉRICA
La presión ejercida por un fluido sobre una superficie (y
viceversa) es el cociente entre la fuerza y la superficie que
recibe la acción:
La unidad de presión en el SI es el pascal (Pa). Y otra
unidad muy utilizada en la industria es el “bar”
P.atmosférica = 1 atm ≈ 1 bar ≈ 1 Kp/cm2
= 105
N/m2
= 105
Pa
1 MPa = 106
Pa
Presión=
Fuerza
Superficie

6. La presión atmosférica es el peso de la columna de aire
comprendido entre una superficie y el límite de la atmósfera.
Esto significa que varía con la altura, además de las
condiciones meteorológicas. Se suele tomar como normal
1013 mbar (≅ 1 bar) a nivel de mar. La presión atmosférica
también se llama barométrica y la miden los barómetros.
El valor resultante de dividir toda la fuerza ejercida sobre una
superficie por dicha superficie, se denomina presión
absoluta.
En neumática industrial se trabaja con presión relativa, es
decir, la diferencia entre la presión absoluta y atmosférica,
pues todos los cuerpos están sometidos a la presión
atmosférica. También se llama manométrica, y se mide con
el manómetro.
P.absoluta = P.atmosférica + P.relativa

7. COMPRESIBILIDAD DEL AIRE
COMPRIMIDO
Consideremos el volumen definido V de un recipiente en el
cual hay aire en las mismas condiciones que en el exterior.
Si aplicamos una fuerza F a una pared móvil, ésta se sitúa en
otra posición reduciendo el volumen V1<V. Sobre la pared
móvil se crea otra fuerza F1 contraria e igual a F. Si cesa la
fuerza F, la pared móvil retorna a su posición inicial.
Este fenómeno es debido únicamente a la compresión del
aire. (EL AIRE ES UN FLUIDO COMPRESIBLE)

8. la ecuación de los gases
perfectos, útil para el cálculo de instalaciones
neumáticas en que hay que tener en cuenta variaciones
de temperatura:
P1 . V1 P2 . V2
------------ = ----------- = Cte.
T1 T2
Trabajo: W = F · c = Prel ·S ·c = p ΔV (J)
Potencia: P = W / t = Prel ΔV / t = p Q (W)
S = superficie Prel= presión relativa
C= carrera

9. Elementos básicos de un circuito neumático:

10. COMPRESORES
Para producir aire comprimido se utilizan los compresores,
que elevan la presión del aire al valor de trabajo deseado.
Los compresores pueden ser volumétricos o dinámicos.
- Volumétricos: el aire que entra se reduce de volumen. Ejs:
compresores de émbolo o pistón.
- Dinámicos: el aire que entra aumenta de velocidad. Ejs:
turbocompresores

11.  DEPÓSITO
El complemento del compresor es el depósito, calderín o
acumulador y tiene las siguientes funciones:
1. Amortiguar las pulsaciones del caudal de salida de los
compresores alternativos.
2. Permitir que los motores de arrastre de los compresores
no tengan que trabajar de manera continua, sino
intermitentemente.
3. Hacer frente a las demandas puntuales de caudal sin
provocar caídas en la presión

12. PREPARACIÓN DEL AIRE COMPRIMIDO
El aire comprimido contiene impurezas que pueden causar
interrupciones y averías en las instalaciones neumática.
Mediante la preparación del aire se aumenta la duración de
sistema.

Filtros en la aspiración, para evitar la entrada de abrasivos que
contiene el aire al compresor.

Refrigeradores del compresor, para separar los condensados del
aire húmedo absorbidos por el compresor.

Purgas intermedias, para eliminar los condensados del aire que
ha pasado aún sin enfriarse completamente.

Secadores, utilizados en las grandes instalaciones y reduciendo
el contenido de agua hasta un 0´001g/m3.

Desoleadores, capaces de no dejar pasar agua líquida en
suspensión, aceite o partículas sólidas.

13. Filtro Filtro con purga
Refrigerador Secador

14. Unidad de mantenimiento:
Los elementos de acondicionamiento del aire ( visto anteriormente) junto con el
regulador de presión , el manómetro y lubricador forman la unidad de
mantenimiento.
Reguladores de presión: El regulador tiene la misión de mantener la presión de
trabajo (secundaria) lo más constante posible, independientemente de las
variaciones que sufra la presión de red (primaria) y del consumo de aire.
Lubricador: aporta aceite a los elementos neumáticos. El lubricante previene de
un desgaste prematuro de las piezas, reduce el rozamiento y protege los
elementos contra la corrosión
Toda la unidad de mantenimiento se puede representar de forma simplificada
por el siguiente símbolo .

15. Elementos de control

Válvulas
Un sistema neumático va a estar controlado mediante
distintos tipos de válvulas o distribuidores. Estas
válvulas se pueden activar de distintas formas:
manualmente, por medios eléctricos, neumáticos,
hidráulicos o mecánicos . La clasificación de las
válvulas podría hacerse atendiendo a tres grandes
categorías:

Válvulas de dirección (distribuidores).

Válvulas bloqueo.

Válvulas de regulación de presión y caudal.

16. Válvulas de dirección (distribuidores).
Las válvulas distribuidoras influyen en el camino del aire
comprimido. Todas estas válvulas se definen por dos
características funcionales:
Número de vías u orificios: Representa el número de
agujeros que tiene una válvula, tanto de entrada de aire
como de salida.
Número de posiciones: Generalmente tienen dos
posiciones, una que define el estado de reposo y otra el
estado de trabajo. Sin embargo, se pueden encontrar
válvulas con otros números de posiciones, ya que
algunas aplicaciones exigen el empleo de tres
posiciones lo que implica una posición neutra central.

17. Las vías se representan por medio de flechas ↑ , indicando la flecha la dirección
del aire. Si la tubería interna está cerrada, se representa con una línea transversal
┬ .
La posición inicial o de “reposo” de la válvula es la de la derecha en las de dos
posiciones, o la central en las de más.

18. El accionamiento de la válvula puede ser de diferentes formas, representándose en el
lateral izquierdo, y el retorno a la posición de reposo en el derecho.
Otros accionamientos son la “seta”, “muelle”, “rodillo escamoteable”, “pulsador con
enclavamiento”, “leva”, “eléctrico”, etc

19. Válvulas más utilizadas

20. accionamiento

21. Válvulas de bloqueo
Son elementos que bloquean el paso de caudal
preferentemente en un sentido y lo permiten únicamente en
el otro. La presión del lado de salida actúa sobre la pieza
obturadora y apoya el efecto del cierre hermético de la
válvula.
Válvula antirretorno: permiten la circulación de aire
comprimido en un solo sentido.
Selectora o válvula “OR”álvula “OR”: permiten la salida de aire
cuando al menos una de las dos entradas tiene presión. No
hay circulación de aire cuando en ninguna entrada hay
presión.

22. Válvula de simultaneidad o válvula “AND”: permiten la salida
de aire cuando las dos entradas disponen de presión. No hay
circulación si no hay presión en alguna entrada o en ambas.
Válvula de escape rápido: ahorra largos tiempos de retorno.
Permiten evacuar lo más rápidamente posible el aire del
cilindro a la atmósfera.

23. Válvulas de caudal
Influyen en la cantidad de aire que circula.
Válvula estranguladora unidireccional: regula el
caudal de aire en una sola dirección (mediante
la apertura y cierre de un tornillo des de el valor
0 hasta el máximo). En el otro sentido el aire
circula libremente.
Válvula estranguladora bidireccional: regula el
caudal de aire en ambos sentidos

24. Temporizador: se utiliza para retardar la llegada
de aire a un componente con accionamiento
neumático. Combinan una válvula estranguladora
unidireccional y un depósito, conectados en serie
o en paralelo.

25. Actuadores
Son los elementos que transforman la energía del
aire comprimido en movimiento:

Mediante cilindros: en movimiento lineal
alternativo.

Mediante motores neumáticos: en movimiento
de giro.

26. Cilindros
Cilindros de simple efecto: tienen una sola
conexión de aire comprimido. Solo se aprovecha
la fuerza a la salida del vástago. El vástago
retorna por el efecto de un muelle incorporado o
de una fuerza externa
Cilindro de simple efecto:
Fuerza de avance teórica: F = P. relativa x S – F. muelle - Frozamiento
Volumen de aire consumido: V = S . c (c = carrera)
η = F. avance real / F. avance teórico,lklkl

27. Ejercicios
1. Determina el trabajo efectivo que realizará un cilindro de simple
efecto de 80mm de diámetro y 20mm de carrera sabiendo que
está sometido a una presión de 6 bar, que la resistencia del
muelle se estima en 251N y que el rendimiento es del 65%.
2. Averigua la presión del aire que hay que utilizar en un cilindro
de 100mm de diámetro y del 60% de rendimiento para obtener
una fuerza efectiva de 1.500N si la resistencia del muelle interno
es de 350N.
3. Para la sujeción de piezas en un tornillo de banco se utiliza un
cilindro de émbolo de simple efecto accionado por medio de un
interruptor de pedal. El cilindro tiene un diámetro interior de
D=100mm . La fuerza de rozamiento del émbolo sobre la pared del
cilindro es el 10% de la fuerza del aire ejerce en la superficie del
pistón. La presión de trabajo es de 6.105N/m2
. La constante del
muelle K=30N/m y el desplazamiento del émbolo es de 10cm.
Calcular la fuerza del cilindro.

28. Cilindro de doble efecto:
Poseen dos tomas de aire situadas a ambos lados del émbolo. Son los
más utilizados, aprovechando la carrera de trabajo en los dos sentidos.
Las ventajas con relación a los de simple efecto son, entre otras:

Aprovecha toda la longitud del cuerpo del cilindro como carrera útil.

No realiza trabajo en comprimir el muelle.

Se puede ajustar con mayor precisión en régimen de funcionamiento.

A igualdad de presión, la fuerza del émbolo es mayor en el avance que
en el retroceso, debido a la mayor sección.

La carrera no tiene la limitación de los de simple efecto al no poseer
muelle, pero no puede ser muy larga debido al peligro de pandeo y
flexión del vástago.
Cilindro de doble efecto:
Fútil en avance teórico = P. relativa . S embolo- F. rozamiento
Fútil en retroceso = P. relativa . S retroceso – F. rozamiento
(S retroceso = S embolo – S vástago)
Vavance = Se . c Vretroceso = Sr . c = (Se – Sv) . c

29. El volumen a presión atmosférica
Se debe tener en cuenta que la cantidad de aire requerido se encuentra a una
determinada presión. Por tanto, normalmente, se habla de cantidad de aire en
“Condiciones Normales”. De esta forma, se unifica el criterio, pasando el aire a
presión atmosférica. Estas condiciones son:
Tª = 20ª P = 1013 mbar Hr = 65% (humedad relativa)
Para este cálculo, se dispone de la ecuación de los gases perfectos, es decir
PV =nRT Para simplificar los cálculos, se desprecian los cambios de
temperatura que existen a lo largo de la instalación, a temperatura constante:
p1 V1 = p2 V2 , VCN x PCN = VT x P. total
P total= P. absoluta = P. atmosférica+P. relativa = 1 + P relativa, suponiendo
una presión atmosférica de 1 bar .
Vt = volumen de trabajo
VCN =
VT ×(1+ Prel)
1

30. Ejercicios
4.Se dispone de un cilindro de doble efecto con un émbolo de 80 mm de
diámetro, un vástago de 35 mm de diámetro y su carrera es de 90 mm. La
presión del aire es de 6,5 bares (1 bar = 105
N/m2) y realiza 12 ciclos
completos cada minuto.
a) Calcule la fuerza que ejerce el cilindro en el avance y en el retroceso.
b) Calcule el consumo de aire en condiciones normales, en litros/minuto.
5. Un cilindro de doble efecto tiene un diámetro de émbolo de 80mm y un
diámetro de vástago de 25mm. Si la presión de trabajo es de 6bar y la
fuerza de rozamiento es del 10% de la fuerza teórica, ¿cuál es la fuerza
real que el cilindro entrega en su carrera de avance y en su carrera de
retroceso?
6. Un cilindro de doble efecto trabaja a una presión de 30 bar y tiene un
vástago de 20mm de diámetro. Calcular:
a. El diámetro del cilindro para obtener uan fuerza de 8.000N en el avance.
b. La fuerza necesaria para el retroceso.
c. El volumen de aire consumido en 50 procesos de avance y retroceso, si
el vástago hace un recorrido de 150mm en cada uno.

31. Diseño y descripción de circuitos

40. Ejercicios
7. Identifica los componentes, numeralos y explica el funcionamiento del
esquema neumático siguiente:

41. Ejercicios
8. Identifica los componentes, numeralos y explica el funcionamiento del
esquema neumático siguiente:
9. Dibuje un circuito en el que se active un cilindro al pulsar manualmente una
válvula 3/2, con regulación de velocidad en el avance y en el retroceso y, al
soltar, el cilindro recupere su posición inicial. Nombrar todos los elementos del
circuito.

42. 10
a) Denomine los elementos de los que consta el
siguiente esquema.
b) Explique su funcionamiento

43. Secuenciación de cilindros y
diagrama de fases
Hay sistemas donde varios cilindros tienen que sincronizar su
movimiento, para controlarlos se suele utilizar diagramas de
desplazamiento – fase.

44. Ejercicios
11.Realiza el esquema. Un cilindro de doble efecto (A)
sale al accionar un pulsador (S). Al llegar al final de su
recorrido (a1) sale otro cilindro de doble efecto (B).
Cuando el segundo llega al final de su recorrido (b1)
retorna el primero. Al retornar el primero y llegar a su
final de recorrido (a0, retorna el segundo. Para comenzar
un nuevo ciclo, debemos asegurarnos que el segundo
cilindro a retornado totalmente (b0).