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1. Tecsup
Virtu@l
Componentes de
una Instalación
Neumática
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2. Componentes de una Instalación Neumática Tecsup
Agosto 2007
ÍNDICE
1. Acondicionamiento de aire comprimido ....................................... 4
1.1. Calidad de aire comprimido ............................................... 4
1.2. Grados de calidad del aire comprimido............................ 6
2. Humedad de aire ............................................................................... 7
2.1. Humedad absoluta ............................................................... 8
2.2. Humedad de saturación ...................................................... 8
2.3. Humedad relativa............................................................... 10
2.4. Psicometría .......................................................................... 10
2.4.1. Determinación de la cantidad de agua
condensada ................................................... 13
3. Acondicionamiento industrial ....................................................... 15
3.1. Tratamiento antes de la compresión ................................ 15
3.2. Tratamiento después de la compresión........................... 17
3.2.1. Post enfriadores............................................. 17
3.2.2. Filtros de línea............................................... 19
3.2.3. Tratamiento en las redes ................................ 22
3.2.4. Tipos de secados............................................ 22
3.2.5. Filtros ........................................................... 25
3.2.6. Reguladores de presión.................................. 29
3.2.7. Lubricación ................................................... 31
4. Equipos compuestos para tratamiento ......................................... 34
4.1. Unidades de mantenimiento............................................. 34
4.2. Cuidados en las unidades de mantenimiento ................ 36
5. Cilindros neumáticos ...................................................................... 36
5.1. Cilindros de simple efectos ............................................... 36
5.1.1. Cilindros de émbolo ...................................... 37
5.1.2. Cilindros de membrana ................................. 37
5.1.3. Cilindros de membrana arrollable .................. 38
5.2. Cilindros de doble efecto ................................................... 39
5.2.1. Cilindros con amortiguación interna ............... 39
5.3. Cilindros especiales, de doble efecto ............................... 40
5.3.1. Cilindros con doble vástago ........................... 40
5.3.2. Cilindro tandem ............................................ 41
5.3.3. Cilindro multiposicional ................................ 41
5.3.4. Cilindro de impacto....................................... 42
5.3.5. Cilindro de cable ........................................... 43
5.3.6. Cilindro con movimiento de giro .................... 43
5.4. Fijaciones.............................................................................. 44
5.5. Constitución de los cilindros:............................................ 44
5.6. Cálculos de un cilindro ...................................................... 46
5.6.1. Fuerzas del émbolo........................................ 46
5.7. Consumo de aire ................................................................. 51
5.8. Unidades de avance óleo-neumáticas.............................. 52
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5.8.1. Unidades de avance con movimiento giratorio 54
6. Motores neumáticos ........................................................................ 54
6.1. Motor neumático y eléctrico: comparación..................... 56
6.2. Tipos de motores neumáticos ........................................... 57
6.2.1. Motores de émbolo ........................................57
6.2.2. Motor de láminas, paletas...............................58
6.2.3. Motor de turbina ...........................................59
6.2.4. Motor Gerotor ...............................................59
6.2.5. Características de los motores de aire
comprimido ..................................................59
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1. Acondicionamiento de aire comprimido
1.1. Calidad de aire comprimido
En la práctica se presentan muy a menudo casos en que la
calidad del aire comprimido desempeña un papel primordial.
Las impurezas en forma de partículas de suciedad u óxido,
residuos de aceite lubricante y humedad dan origen muchas
veces a averías en las instalaciones neumáticas y al deterioro de
los elementos neumáticos.
Mientras que la mayor separación del agua de condensación
tiene lugar en el separador, después de la refrigeración, la
separación fina, el filtrado y otros, tratamientos del aire
comprimido se efectúan en el puesto de aplicación.
Los requisitos del aire comprimido en el punto de consumo,
para el uso eficiente de un equipo, vienen definida por tres
parámetros:
• Pureza del aire.
• Presión.
• Cantidad de lubricante.
La pureza del aire depende de:
• La cantidad del aire de aspiración.
• Filtro de aspiración.
• Tipo de compresor utilizado.
• Mantenimiento del compresor.
• Refrigerador posterior.
• Sistema de distribución de aire (material, disposición, etc.).
El aire aspirado por un compresor, contiene una cantidad de
agua función de la temperatura ambiente y de la humedad
relativa.
También puede contener vapores químicos, que pueden ser
ácidos y dañar al compresor y equipamientos posteriores. La
única forma de remediar estas situaciones, es la de aspirar aire
de otros ambientes menos contaminados.
Los filtros de aspiración de los compresores convencionales, no
detienen partículas pequeñas, aerosoles, vapores ni gases. Por
otra parte, el proceso, de compresión incrementa la
concentración de contaminantes.
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Prácticamente todos los compresores, algunos más que otros, añaden
partículas de desgaste, aceite y productos que degradan el aceite, a la
corriente de aire. Las partículas sólidas en los sistemas de aire
comprimido, varían en naturaleza, desde partículas de polvo y de
humos, hasta partículas de herrumbre, de polvo de metal, etc. Tales
contaminantes pueden estar en la red de tuberías, y bloquear debido a
su tamaño, orificios de herramientas e instrumentos.
Aquellas partículas con más de 0,5 mm. de diámetros, pueden
eliminarse por medio de filtros o tamices enrejillados de aceros o latón.
Por término medio, los equipos mecánicos conectados y las líneas de
aire, utilizan un filtro de expansión de 40 µm, que resulta bastante
adecuado, aún cuando a veces pueden tolerarse valores más elevados.
El agua en forma de gotas o vapor, es el peor contaminante. Las gotas
de agua pueden congelarse o emulsionar con el lubricante, manchando
o coloreando los materiales de proceso en algunos casos, y obturando
las líneas que alimentan a las herramientas, instrumentos, etc., en
otros. Los productos de ruptura ácida, pueden atacar a las unidades
de sellado, arandelas, etc.
El tamaño de las gotas de agua y aceite varía entre 0,001 y 3 µm. Los
separadores mecánicos del tipo ciclónico, no son capaces de eliminar
partículas inferiores a un µm.
El aceite, los lubricantes sintéticos y los productos de ruptura en forma
de aceite líquido, pueden eliminarse mediante filtros coalescentes.
Las emulsiones de estas sustancias también pueden ser eliminadas
mediante tales filtros. La absorción sobre el carbón activado, también
es posible, aunque este medio se sature de aceite y necesite
sustituciones periódicas.
Los aerosoles, son muchas gotitas líquidas que están en los sistemas de
aire comprimido, y que son demasiado pequeñas como para que
puedan ser eliminadas por los materiales ordinarios de filtración.
Ahora bien, si estas gotitas se aglomeran dentro de otras grandes, ni
que decir, podrán eliminarse con mayor facilidad.
De todos los contaminantes que puede llevar el aire comprimido, uno
de los más comunes es el vapor de aceite, el cual necesita mucho más
tiempo para condensar que el vapor de agua.
Sin embargo, bajo condiciones normales, la cantidad de vapor de aceite
que puede llevar el aire es tan pequeña, que rara vez se intenta
eliminar.
Por ejemplo, con aire a +21°C y presión afectiva de 7 bar, el contenido
de vapor de un aceite para compresores de base hidrocarbonada
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(hidrocarburo), es menor de 0,02 p.pm (partes por millón), mientras
que el contenido de aceite total es de 30 p.p.m.
En general, todos estos contaminantes pueden hacer que el aire sea
transpirable y que precise de un tratamiento adicional, cuando el
mismo se destine a máscaras, espacios confinados, etc.
El monóxido de carbono es el más peligroso de los contaminantes
listados, el cual puede entrar al compresor como un producto de
combustión, procedente tal vez del motor de la unidad compresora. Se
elimina por conversión catalítica a dióxido de carbono, proceso que se
ve negativamente afectado por el vapor de agua, de aquí que el aire
deba ser seco.
En las industrias farmacéuticas, alimentación y bebidas, así como
también en hospitales, es muy esencial que el aire esté exento de aceite
y esterilizado. Esto puede lograrse calentando el aire durante un cierto
tiempo, o utilizando filtros especiales que detengan bacterias, virus,
etc.
1.2. Grados de calidad del aire comprimido
Tabla 1: Partículas sólidas
Clase Tamaño máximo Concentración máxima
Admisible de las Admisible de las
partículas partículas
µm Mg/m3
1 0,1 0,1
2 1 1
3 5 5
4 50 sin indicación
Tabla 2: Contenido de agua
Clase Punto de condensación
1 -20°C
2 +2°C
3 +10°C
Otras exigencias mayores deben mencionarse expresamente.
Para el uso práctico, conviene clasificar la calidad del aire
comprimido. Así, el usuario recibe indicaciones, de cómo debe
acondicionar el aire comprimido para evitar daños en los
elementos empleados ISO y también PNEUROP, como
instancias de normalización internacional han delegado
comisiones para elaborar normas adecuadas.
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Hasta ahora está más desarrollada la división en grados de
calidad, con subdivisión según:
• Partículas sólidas.
• Contenido de agua.
• Contenido de aceite.
Esta división provisional queda reflejada en las tablas
Tabla 3: Contenido de aceite (hidrocarburos)
Contenido máximo
Clase admisible Mg/m3
1 Aire a presión, no lubricado
2 0,01
3 0,1
4 1,0
5 5
6 25
m3 en estado normal según ISO 554.
2. Humedad de aire
El aire atmosférico es una mezcla de gases, oxígeno, nitrógeno, argón,
etc., y también vapor de agua. Parte de este vapor de agua se licua a
medida que va enfriándose el aire por las tuberías, ocasionando daños
en los elementos neumáticos como desgaste y oxidación.
1. Aire atmosférico
La proporción de humedad que contiene el aire atmosférico,
es mayor o menor según el país, la localidad y las
condiciones climatológicas.
La aptitud del aire para retener agua vaporizada está
relacionada con la temperatura y la presión, pero
principalmente con la primera admitiendo más vapor de
agua cuando aumenta su temperatura.
Un aire saturado (100% de humedad relativa) puede retener
más humedad si aumenta la temperatura o desciende la
presión, y por el contrario, desprende parte de su contenido
de humedad si baja la temperatura o sube la presión.
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2. Aire comprimido
En los sistemas de aire comprimido, el aire aspirado por el
compresor entra a la presión y la temperatura ambientes o
atmosféricas, con su consiguiente humedad relativa.
Entonces, se le comprime a una presión más alta que la
atmosférica, este ciclo de compresión lleva consigo una
elevación de temperatura y, como consecuencia, un
calentamiento del aire hasta un grado tal que toda la
humedad contenida en el mismo pasará por el compresor al
ser aspirado.
Se comprende por lo tanto, que este aire comprimido caliente
que descarga el compresor y que lleva vapor de agua, al irse
enfriando por radiación y convección en el depósito y
tuberías de distribución, y descender su temperatura hasta
igualar la temperatura ambiente que exista en el área de
trabajo, condensará la mayor parte de este vapor en forma de
gotas de agua, las cuales serán arrastradas por el mismo flujo
de aire hacia los lugares de utilización.
2.1. Humedad absoluta
La humedad expresa la condición del aire con respecto a la
cantidad del vapor de agua que contiene, luego humedad
absoluta se refiere a la cantidad de vapor de agua contenido en
una en un m3 de aire.
20g de vapor de agua
h =
ab
2m3de aire
10g de vapor de agua
h =
ab
m 3 de aire
2.2. Humedad de saturación
La humedad de saturación es la máxima cantidad de vapor de
agua que puede caber en una concreta cantidad de aire.
Ello significa que un volumen determinado de aire seco puede
contener a una temperatura dada, cualquier cantidad de vapor
de agua siempre que no supere un valor máximo, el valor de
saturación. Como consecuencia, el peso del vapor de agua
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contenido en el aire para un volumen y temperatura referidos,
podrá variar, desde cero hasta el máximo admisible.
Las unidades de la humedad de saturación, hs, es en g. De
vapor de agua / m3 de aire, y se puede determinar en la figura:
Figura 2.2.1
Humedad de Saturación
Ejemplo:
Determinar la máxima cantidad de agua que puede contener 2
m3 / min de aire, a una temperatura de 40°C.
En la figura 2.2.1 con 40°C en la abscisa, determinamos en la
ordenada, hs = 50 g / m3.
2m 3 50g g de v de agua
cantidad de agua = • = 100
min m 3 min
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2.3. Humedad relativa
Para tener una visión inmediata del estado de humedad del
aire se recurre a establecer una relación entre la humedad
absoluta existente, hab, y el máximo valor de la humedad que el
aire puede contener a la misma temperatura cuando dicho aire
está satura hs. Se representa por hr, y se da en tanto por ciento:
hab
hr = • 100
hs
Una humedad relativa del 100% denota que se trata de un
ambiente saturado, es decir, en el que hab = hs.
Una humedad relativa del 0% testimonia que recurre un
ambiente totalmente libre de humedad.
La humedad relativa del aire atmosférico puede ser
determinada mediante una carta psicométrica, con la
temperatura del bulbo seco y del bulbo húmedo. Ver figura
2.4.1.
Ejemplo:
Un m3 de aire a 25°C puede retener como máximo 24 g de v de
agua / m3. Si retiene a las 24 g / m3 completos, entonces
decimos que tiene 100% de humedad relativa.
24 g/m 3
hr x 100 = 100 %
24 g/m 3
Si el mismo m3 de aire retiene sólo 12 g/m3, entonces tiene 50%
de humedad relativa.
12 g/m3
hr x 100 = 50 %
24 g/m3
2.4. Psicometría
Por psicometría se entiende todos aquellos procedimientos
relacionados con la medida del contenido en vapor de agua que
porta el aire, sea comprimido o no, aunque en términos
generales, la psicometría puede referirse a cualquier vapor
comprendido en cualquier gas, aquí nos referimos al sistema de
agua/aire.
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El vapor de agua está configurado por moléculas
independientes de agua. Las distancias entre molécula y
molécula son considerables y varían sin cesar debido al libre
movimiento de las mismas.
La condensación se refiere al paso de vapor a líquido,
implicando con ello una pérdida de energía denominada calor
de condensación.
Figura 2.4.1
Gráfica Psicométrica
Unidades SI.
Mediante esta gráfica psicrométrica se puede determinar la
humedad relativa y absoluta del aire conociendo la
temperatura de bulbo húmedo en °C y la temperatura de bulbo
seco en °C.
El termómetro de bulbo húmedo tiene sobre su ampolla una
gasa húmeda, cuya intensidad o rapidez de evaporación del
agua depende en parte de la cantidad de vapor que ya había en
el aire. Si éste está saturado, no se evaporará nada del agua de
la gasa y la temperatura de bulbo húmedo y de bulbo seco
serán las mismas.
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12. Componentes de una Instalación Neumática Tecsup
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Ejemplo:
Sean las temperaturas del bulbo seco de 22,5° y la temperatura
de bulbo húmedo de 17,5°C. Determinar la humedad relativa y
la humedad absoluta del aire.
Entrar a la gráfica con las temperaturas dadas. Se busca la
temperatura de bulbo seco 22,5° en la bulba húmeda 17,5°C en
B, y siguiendo líneas de temperatura constante, se trazan por a
y b rectas que se cortan en el estado 1 y obtenidas una
humedad relativa de 61% aproximadamente.
Hr = 61%
Del punto 1 se traza una horizontal hasta que corte al eje
vertical en C y se lee la humedad absoluta en Kg de vapor / Kg
de aire seco:
kg de vapor de agua
w = 10 , 3 • 10 − 3
kg de aire aire
En el punto 1 se puede estimar el volumen específico del aire
seco, entre los valores de 0,85 y
m3
0,86
kg de aire seco
V = 0,852 m3 / Kg de aire seco
Con estos valores se puede determinar la humedad absoluta en
Kg. de vapor / m3 de aire.
10,3 • 10 −3 kg de vapor de agua / kg de aire sec o
h ab =
0,852 m 3 / Kg de aire sec o
12,09 g de vapor de agua
hab =
m3
Conociendo la humedad relativa 61% y la temperatura del
bulbo seco 22,5°C, se puede determinar la humedad absoluta
utilizando el gráfico 2.2.1.
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13. Tecsup Componentes de una Instalación Neumática
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hab
hr = × 100
hs
hr • hs
hab =
100
Entrando con la temperatura de 22,5°C en el gráfico 2.2.1.,
obtenemos una humedad de saturación de 19,95 g de vapor /
m3. Aplicando la fórmula:
61• 19,95
h ab =
100
g de vapor de agua
hab = 12,17
m3
2.4.1. Determinación de la cantidad de agua condensada
Ejemplo:
En la figura se muestra un compresor de pistón que
aspira aire a la presión de 1 bar abs y 10 comprime
hasta 6 bar abs. El rendimiento volumétrico del
compresor es 95%.
Determinar la cantidad de agua en Kg / h que, se
deposita en el recipiente de aire comprimido.
Contenido de agua antes de la compresión (aspiración)
Hr • Hs
H ab =
100
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14. Componentes de una Instalación Neumática Tecsup
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A 20°C la humedad de saturación (hs) es 17 g/m3.
70 • 17 g / m 3
H ab = = 11 ,9 g / m 3
100
En 50 m3/h : 11,9 g/m3 . 50 m3/h = 595 g/h
Contenido de agua después de la compresión:
Cálculo del flujo de aire a 6 bar abs.
Po Vo P1V1
=
To T1
1bar • 50m 3 / h 6bar abs • V1
=
293K 313K
1bar 313K • 50m 3 / h
V1 •
6bar 293K
V1 = 8,9 m3 / h
Afectándolo del rendimiento volumétrico.
V1 real = 8,9 m3/h • 0,95
V1 real = 8,455m3/h
A 40°C la máxima cantidad de agua (hs) que puede
contener un m3 es 50 g/m3.
En 8,455 m3/h : 50 g/m3 • 8m455 m3/h = 422,75 g/h.
El aire que ingresó lleva 595 g/h.
Por consiguiente:
Cantidad de agua condensada
= 595 – 422,75 = 172,25 g/h
0,172 kg/h
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15. Tecsup Componentes de una Instalación Neumática
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3. Acondicionamiento industrial
Una vez que el aire ha superado el compresor, comienza la etapa de
acondicionamiento industrial, entendiendo por esto, los procesos a que
debe ser sometido para que pueda ser utilizado sin ningún riesgo
mecánico ni químico. Es decir, queremos asegurarnos que el aire
comprimido nos va a dar la prestación deseada y que no habrá de
contaminar ni constituirse en el vehículo de ningún de corrosión.
Como ha de suponerse, el aire evoluciona a través de distintos
aparatos y elementos que lo conducen y acondicionan.
Estos son, en rasgos generales, los siguientes: post enfriador,
drenadores, tanque de almacenamiento, filtros de línea, secadores,
filtros para partículas sólidas, para agua, para aceite y para olores,
regulación y tubería de distribución.
La figura que transcribimos a continuación, nos da una idea de la
posición relativa de cada elemento.
3.1. Tratamiento antes de la compresión
El único tratamiento del aire antes de la compresión, se verifica
en la aspiración y lo constituyen los filtros de aspiración.
Existen distintos tipos de filtros:
1. Filtros en baños de aceite.
2. Filtros de papel.
3. Filtros inerciales.
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16. Componentes de una Instalación Neumática Tecsup
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La función de los filtros de aspiración, (ver figuras 3.1a, 3.1b y
3.4c) es la de proteger el mecanismo del compresor para evitar
inconvenientes mecánicos en el mismo y ninguna otra.
La capacidad de filtrado de estos elementos se encuentra entre
los 50 y los 10 micrones.
Evidentemente es una obligación tener instalados estos filtros,
pero no resuelve nuestro problema. (5)
Necesitamos pues, atender el aire aún después que es
abandonado por el compresor.
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17. Tecsup Componentes de una Instalación Neumática
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3.2. Tratamiento después de la compresión
Los aparatos que se utilizan para tratar el aire después de la
compresión pueden dividirse en:
1. Tratamiento a la salida del compresor.
• Post – enfriadores.
• Filtros de línea.
2. Tratamiento en las redes de distribución.
• Secadores.
3. Tratamiento en los puntos de utilización. Unidades de
Mantenimiento (FRL).
• Filtros.
• Regulación de presión.
• Lubricación.
3.2.1. Post enfriadores
Cuando el aire es aspirado por el compresor, se inicia
un proceso de compresión que siempre viene
acompañado por un aumento de la temperatura y por
ciertas modificaciones en la humedad relativa,
densidad, etc.
• POST ENFRIADOR AIRE – AIRE: Este post –
enfriador es el más expeditivo pues su instalación
es muy sencilla y por lo tanto rápida. Consiste
esencialmente en un radiador por donde se hace
circular el aire comprimido, que recibe una
circulación forzada de aire ambiente.
La figura 3.2.1.1 nos permite observar la
construcción de un post – enfriador aire – aire.
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18. Componentes de una Instalación Neumática Tecsup
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Figura 3.2.1.1 Esquema de un post – enfriador aire – aire
Sus limitaciones están relacionadas con la máxima
presión de trabajo, la temperatura máxima de
operación, la temperatura del ambiente y la capacidad
de circulación que permite, pues cualquier variación de
estos parámetros debería ser tal que a la salida la
temperatura sea menor que 40°C. En muchos casos este
aparato puede completarse con purgas automáticas que
eliminan el condensado que producen. (5)
Precauciones generales a tomar para su instalación:
Colocar el post – enfriador sobre un tramo horizontal
de la tubería. No debe instalarse pegado a la pared.
Colocar en un lugar limpio y ventilado. Drenar
periódicamente.
• POST – ENFRIADOR AIRE – AGUA: El post –
enfriador aire-agua es más efectivo que el post-
enfriador aire-aire y ocupa menos volumen, pero
como contrapartida tenemos que es necesario
atender la disminución de la temperatura de la guía
de circulación. Este enfriamiento se lleva a cabo en
“torres de enfriamiento”. A veces es necesario una
torre de enfriamiento específica para el post-
enfriador, y a veces, dependiendo de la carga,
puede compartir la torre principal, frecuentemente
creada para el agua de refrigeración de los
compresores. Aparte de esto deben considerarse las
instalaciones adicionales no mencionadas: Tuberías,
bombas, etc.
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19. Tecsup Componentes de una Instalación Neumática
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Figura 3.2.1.2 Post-enfriador aire-agua
Aquí podemos apreciar la evolución del agua de
refrigeración, intercambiando calor con el aire
comprimido que circula por el aparato. La zona de
contacto entre ambos fluidos está
considerablemente extendida debido al tubo
aletado con que se construyen. En este caso una
parte del contacto de los fluidos es en contra-
corriente y otra a favor posibilidades la conexión
del aparato en forma simple.
Las precauciones para la instalación del post-
enfriador son muy pocas: colóquelo en posición
horizontal. Use agua filtrada para evitar
obturaciones y mantenga el agua en circulación
durante la operación. Drenar periódicamente.
3.2.2. Filtros de línea
Estos filtros, que deben instalarse antes de cualquier
consumo, tienen como función retirar del aire
comprimido el mayor porcentaje posible de agua
líquida, aceite y partículas sólidas (incluso las que el
propio compresor haya introducido) y así como
también las emulsiones que suelen producirse al
coexistir agua con aceite.
Existen distintos tipos de filtros que desempeñan esta
función:
• Los de acción mecánica (elementos filtrantes).
• Los inerciales (de acción ciclónica).
• Los combinados.
Filtros de acción mecánica.
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20. Componentes de una Instalación Neumática Tecsup
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Este tipo de filtros presenta elementos filtrantes que
por acción mecánica pueden retener gotas y
partículas sólidas. Las gotas provenientes del
condensado se forman en la superficie de los
elementos obedeciendo a un principio de tensión
superficial. La gota formada cae por gravedad hacia
la zona de recolección. Este filtro (al igual que los
que siguen) es conveniente instalarlo después del
tanque de almacenamiento y si la red de
distribución es grande, uno por cada ramal. La
razón es simple: cuanto más alejado, más
oportunidad habrá tenido el aire de intercambiar
calor con el medio ambiente y por lo tanto, cabe
esperar más cantidad de condensado. En definitiva,
el filtro retiraría más cantidad de agua.
Estos filtros deben inspeccionarse periódicamente y
si bien los intervalos de atención no son muy
frecuentes (cuando el filtro está bien dimensionado)
debe preverse el recambio de los elementos
filtrantes para evitar la saturación de los mismos.
El tamaño de partículas que puede retener este tipo
de filtro está comprendido entre los 20 y 10
micrones con una eficiencia de 45-55%.
La elección de estos filtros debe hacerse en función
de la presión máxima de régimen y el caudal
máximo que podría circular.
• Filtro inercial
Si bien este tipo de filtro también responde a una
acción mecánica, esta es dinámica y se distingue
claramente de la anterior.
En un filtro inercial o ciclónico, la acción más
destacada es el cambio de dirección. Este cambio
imprime a las partículas pesadas una acción
centrífuga, que debidamente aprovechada, permite
controlarlas y retirarlas del torrente de aire.
La eficiencia de separación de estos filtros depende
de varios factores, entre otros: la intensidad del
cambio de dirección, la densidad de la partícula que
está evolucionando, la temperatura del aire, el
tiempo que se pueda mantener el cambio de
dirección, etc.
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21. Tecsup Componentes de una Instalación Neumática
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Estos filtros son económicos y si bien no son tan
eficaces como los anteriores, casi no necesitan
mantenimiento.
Las precauciones para su instalación son similares a
las anteriores.
• Filtros combinados
Una forma razonable de mejorar las cosas es tomar
lo bueno de cada uno y hacerlos compatibles.
Esto es exactamente lo que se ha hecho con los
filtros de línea combinados. Naturalmente estos
filtros son más modernos y reúnen las cualidades
positivas de los anteriores.
El hecho de dar al aire un tratamiento inercial
previo a la acción mecánica permite usar elementos
filtrantes más delicados y conseguir así una mayor
eficiencia.
La figura 3.2.2.1 nos muestra un filtro combinado
en el que el aire, al entrar en el recinto del mismo,
cambia de dirección para ingresar después al
elemento filtrante (desde el interior al exterior),
consiguiendo retenciones de hasta 3 micrones con
una eficiencia similar a los anteriores.
Figura 3.2.2.1 Filtro de Línea
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22. Componentes de una Instalación Neumática Tecsup
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Las recomendaciones para su instalación son las
mismas que en los casos anteriores.
El elemento filtrante deberá cambiarse cuando está
saturado, condición que se controla con un
manómetro diferencial (o con dos manómetros
comunes). La caída de presión nunca debe superar
1 bar. El tiempo de recambio depende de la calidad
del aire que se procese, aunque podríamos decir
que en general el período fluctúa entre 4 a 6 meses.
Lo importante en este caso es atender diariamente
el purgado y no generar ningún consumo de aire
que no hay pasado por el filtro de línea.
3.2.3. Tratamiento en las redes
El tratamiento en las redes es más específico y depende
de la calidad de aire pretendida. Esta aseveración nos
da un mensaje en forma indirecta: todo lo anterior es
obligatorio en el tratamiento del aire.
3.2.4. Tipos de secados
• Secado por absorción
El secado por absorción es un procedimiento
puramente químico. El aire comprimido pasa a
través de un lecho de sustancias secantes. En
cuanto el agua o vapor de agua entra en contacto
con dicha sustancia, se combina químicamente con
esta y se desprende como mezcla de agua y
sustancia secante.
Esta mezcla tiene que ser eliminada regularmente
del absorbedor. Ello se puede realizar manual o
automáticamente. Con el tiempo se consume la
sustancia secante, y debe suplirse en intervalor
regulares (2 a 4 veces al año).
Al mismo tiempo, en el secador por absorción se
separan vapores y partículas. No obstante, las
cantidades de aceite, si son grandes, influyen en el
funcionamiento del secador. Por esto conviene
montar un filtro delante de éste.
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23. Tecsup Componentes de una Instalación Neumática
Agosto 2007
Figura 3.2.3.1 Secado por absorción
El secado por absorción tiene hoy en día poca
importancia en la práctica, puesto que para la
mayoría de los casos de aplicación el coste de
explotación es elevado y el rendimiento, bajo.
Este principio se base en un proceso físico.
(Adsorver: Depositar sustancias sobre la superficie
de cuerpos sólidos).
El material de secado es granuloso con cantos vivos
o en forma de perlas. Se compone de casi un 100%
de dióxido de silicio. En general se le da el nombre
de “Gel”.
La misión del gel consiste en absorber el agua y el
vapor de agua. El aire comprimido húmedo se hace
pasar a través del lecho de gel, que fija la humedad.
La capacidad absorbente de un lecho de gel es
naturalmente limitada. Si está saturado, se
regenera de forma simple. A través del secador se
sopla aire caliente, que absorbe la humedad del
material de secado.
El calor necesario para la regeneración puede
aplicarse por medio de corriente eléctrica o también
con aire comprimido caliente.
Disponiendo en paralelo dos secados, se puede
emplear uno para el secado del aire, mientras el
otro se regenera (soplándolo con aire caliente).
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24. Componentes de una Instalación Neumática Tecsup
Agosto 2007
Figura 3.2.3.2 Secado por adsorción
• Secado de enfriamiento
Los secadores de aire comprimido por enfriamiento
se basan en el principio de una reducción de la
temperatura del punto de rocío.
Se entiende por temperatura del punto de rocío
aquella a la que hay que enfriar un gas, al objeto de
que se condense el vapor de agua contenido. El aire
comprimido a secar entra en el secador pasando
primero por el llamado intercambiador de calor de
aire-aire.
El aire caliente que entra en el secador se enfría
mediante aire seco y frío proveniente del
intercambiador de calor (vaporizador).
El condensado de aceite y agua se evacua del
intercambiador de calor, a través del separador.
Este aire pre enfríado pasa por el grupo frigorífico
(vaporizador) y se enfría más hasta una
temperatura de unos 274,7K (1,7°C). En este
proceso se elimina por segunda vez el agua y aceite
condensados.
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25. Tecsup Componentes de una Instalación Neumática
Agosto 2007
Seguidamente se puede hacer pasar el aire
comprimido por un filtro fino, con el objeto de
eliminar nuevamente partículas de suciedad.
Figura 3.2.3.3 Secado por enfriamiento
Tratamiento del aire comprimido en los puntos de
utilización. El aire ambiente, que aspira el
compresor, contiene impurezas. A estas se le
agregan las que el propio compresor genera, así
como también las que se puedan encontrar en los
puntos de distribución.
Estas impurezas, como se mencionará al principio
de este capítulo, son de distinta índole y de distinto
tamaño.
3.2.5. Filtros
El rol fundamental de cualquier filtro es el de
“protector”. Si, protegen los elementos “aguas abajo”
de su posición. Entendiendo este concepto,
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26. Componentes de una Instalación Neumática Tecsup
Agosto 2007
entenderemos, no sólo la importancia del filtro sino
también la razón de sus eventuales combinaciones.
Para mejor comprensión hemos dividido los filtros en
dos grandes grupos; standard y especiales. Los
denominadores así, pues de ordinario se suele colocar
el filtro más común, sin demasiada conciencia de su
función y limitaciones.
• Filtros standard
Al entrar el aire en el depósito (2) es sometido a un
movimiento de rotación por las ranuras directrices
(1), que desprenden por centrifugación los
componentes líquidos y las porciones de suciedad
grandes que descienden por efecto de la gravedad.
La condensación acumulada se deberá vaciar antes
de que se alcance la altura máxima permitida,
puesto que de no hacerlo así, la corriente llevará
consigo las impurezas hacia la salida.
Los componentes sólidos de mayor tamaño que el
poro del cartucho filtrante (3) son retenidos por él.
Después de un tiempo de funcionamiento este
cartucho quedará obturado si no se tiene la
precaución de recambiarlo o efectuar su limpieza.
El tamaño de los poros de los filtros normales está
entre µm.
Funcionamiento de la purga automática acoplada
al filtro de aire comprimido
El condensado dentro del filtro de aire llega a la
cámara de purga entre los discos de estanqueidad
(1 y 2) a través del taladro (6). A medida que
aumenta el condensado sube el flotador (3). Con el
nivel de condensado máximo se abre la tobera (7).
El aire comprimido del depósito del filtro pasa por
el taladro y empuja el émbolo (5) hacia la derecha.
Ahora el disco de estanqueidad (1) abre el paso del
condensado a la atmósfera. El aire comprimido
sólo puede escapar lentamente por la tobera (4), el
paso permanece abierto el tiempo necesario, Ver
figura.
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27. Tecsup Componentes de una Instalación Neumática
Agosto 2007
Figura 3.2.4.1 Figura 3.2.4.2
Filtro de Aire Purga automática
La elección correcta de un filtro standard se realiza
mediante la consideración de los siguientes puntos:
• Caída de presión que origina.
• Área dispuesta para el filtrado.
• Facilidad operativa para el cambio.
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28. Componentes de una Instalación Neumática Tecsup
Agosto 2007
La tabla 3.2.4.3 muestra los materiales más
comúnmente empleados para los filtros standard.
Tabla
Elementos Formas de Filtración Malla
Fieltro, papel Filtración externa Malla grande.
Filtración interna (>5 micrones)
Metal Filtración interna Malla pequeña
Malla de alambre Filtración externa Malla grande
• Filtros especiales
Hemos llamado así a los filtros que son capaces de
retirar alguna impureza que resulte “invisible para
los filtros standard”
Tabla 3.2.4.4 Clasificación de Filtros
Filtros Nivel de Capacidad
Filtrado
Standard >5 Micrones Eliminación de condensado
(Para (gotas) e impurezas sólidas.
referencia)
Con elemento 3 Micrones. Eliminación de aceite (gotas,
de fibras para niebla).
adsorción
(elemento X)
Con filtro de 0.3 Eliminación de carbón y
aire Micrones alquitrán del aire
submicronico comprimido.
(elemento Y)
Con filtro 0.3 Eliminación de polvo, aceite
separador de Micrones y humedad del aire
aerosoles de comprimido.
aceite
(elemento
micronaught)
Con filtro 0.01 Eliminación de olores en el
separador de Micrones aire comprimido.
aerosoles de
aceite
(elemento
Odornaught)
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29. Tecsup Componentes de una Instalación Neumática
Agosto 2007
3.2.6. Reguladores de presión
Tienen por misión mantener la presión de salida
(secundaria) lo más constante posible, a pesar de las
variaciones, en la presión de entrada (primera). La
presión primaria siempre es mayor a la secundaria, y es
regulada por la membrana (1), que es solicitado, por un
lado, por la presión de entrada, y por el otro, en muelle
(2) pretensado por un tornillo regulador (3).
A medida que la presión primaria aumenta, la
membrana tiene tendencia a comprimirse contra el
muelle, lo supone el cierre de la válvula de asiento (4).
En otros términos, la presión es regulada por el caudal.
Cuando desciende la presión el muelle abre la válvula.
La regulación de la presión de servicio consiste, pues,
en la abertura y cierre constante de la válvula, que para
evitar oscilaciones está dotada con un amortiguador de
muelle (5). La presión de servicio es visualizada en un
manómetro.
En caso de que la presión secundaria aumentase
mucho, desplazaría la membrana hacia abajo, y la
presión sobrante disminuiría a causa del escape a la
atmósfera de un caudal de aire determinado a través
del agujero central de la membrana y los taladros de
escape.
Figura 3.2.5.1 Regulador de Presión
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30. Componentes de una Instalación Neumática Tecsup
Agosto 2007
• Reguladores de Presión de Precisión
Estos reguladores son, en general, clasificados por
su rango de ajuste y su precisión de regulación
como se ven en la tabla siguiente:
Tabla 3.2.5.2 Tabla de Regulación
Clase Rango de Ajuste Precisión de
Regulación
Alta presión 0.7 – 17.5 (KGF / 0.4 (KGF / CM2)
Media presión CM2) 0.2
Baja presión 0.5 – 8.5 0.1
Semi-precisión 0.2 – 3.5 0.05
Precisión 0.11 – 2.5 0.005
0.05 – 2.0
Para elevar la precisión del ajuste, las válvulas del
tipo semi-precisión y de precisión están equipadas
con un sistema de purga permanente (por debajo de
3 litros/minuto). El volumen del flujo de aire de la
mayoría de éstas válvulas es inferior a 400 litros /
minuto.
En general su construcción es bastante compleja y
suelen tener varios diafragmas. A pleno título
ilustrativo, transcribimos a continuación el
esquema de un regulador de precisión:
Figura 3.2.5.3 Esquema de un regulador de precisión
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31. Tecsup Componentes de una Instalación Neumática
Agosto 2007
El regulador, al igual que el filtro, debe elegirse en
base al caudal que se espera pueda circular por él
con la mínima pérdida de carga. Sin embargo, en
este caso, debe tenerse presente el rango de
utilización pretendido y la constancia de
mantenimiento de esta presión, es decir la precisión
de regulación.
3.2.7. Lubricación
La forma práctica más lógica para lograr el correcto
funcionamiento de todo aparato en el que se verifiquen
movimientos es, sin duda, la lubricación.
Entre los componentes neumáticos existen dos formas
de llevar a cabo esta lubricación: con lubricantes sólidos
y con lubricantes líquidos.
En muchos casos se prefiere el lubricante sólido (que
durará lo que el componente en cuestión) pues existe
menos riesgo de contaminación del producto que se
estuviera elaboración. Cuando en cambio, se trata de
lubricante líquido, la solución formal es instalar
lubricadores.
La función de estos aparatos es incorporar al aire y a
tratado, una determinada cantidad de aceite, lo más
finamente pulverizado posible. El principio de
funcionamiento es el que insinúa la figura donde
aparece un conducto que presenta un estrechamiento
(tubo venturi).
En fluido que circula por él sufre una serie de
alteraciones en cuanto a su velocidad y presión: la
velocidad aumenta en el estrechamiento y la presión
disminuye en el mismo lugar. Este hecho produce un
desbalance entre los puntos señalados, desbalance que
se aprovecha entre los puntos señalados, desbalance
que se aprovecha para volcar aceite en la zona de
máxima velocidad.
El aceite derramado se pulveriza en el torrente de aire y
viaja con él en todas direcciones.
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32. Componentes de una Instalación Neumática Tecsup
Agosto 2007
Figura 3.2.6.1
• Funcionamiento de lubricador
El aire circula en sentido A-B. Una válvula H hace
pasar el aire a través de la boquilla C, hacia el vaso
E. El aire se enriquece con aceite, que circula por
efecto de la presión hacia E y por la depresión en C,
a través del tubo L, y cae goteando. Las gotas
grandes vuelven a caer en el depósito. Solamente
circulará una fina nebulización, a través de G, hacia
la salida B.
El ajuste del goteo se realiza mediante el tornillo K.
Figura 3.2.6.2
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33. Tecsup Componentes de una Instalación Neumática
Agosto 2007
1 Cuerpo.
2 Vaso del lubricador.
3 Tubo de subida.
4 Tornillo estrangulador.
5 Cubierta de la cámara de goteo.
• Ajuste de un lubricador
Debe ajustarse correctamente el lubricador de una
unidad de mantenimiento.
• Determinación del número de gotas/min.
Con el diámetro interior de la tubería φ = 3,5 mm. y
una presión de trabajo P = 6 bar; se halla en el
gráfico el caudal
Q ≅ 0,5 m3/min.
Por lo general se usa de 1 a 12 gotas de aceite por
metro cúbico de aire (1 m3). Se puede considerar
para 1 m3/min---5 gotas/min.
Fases de trabajo:
• Ajustar el regulador a la presión de trabajo.
• Determinar el tiempo (s) entre gota y gota.
• Ayudado de un destornillador, regular la caída de
las gotas de aceite en la cámara de goteo.
Cálculo:
1 min 5 gotas/min
0,5m3/min x gotas/min.
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34. Componentes de una Instalación Neumática Tecsup
Agosto 2007
X = 2,5 gotas / min
En 60 s 2,5 gotas
y S 1 gota
y = 24 segundos
Se debe ajustar el goteo en una gota cada 24
segundos.
4. Equipos compuestos para tratamiento
4.1. Unidades de mantenimiento
Estas unidades surgen de una combinación de aparatos que
serían, de aplicarlos sueltos, lo que obligatoriamente
deberíamos usar para tratar el aire en su forma más elemental y
acondicionarlo a nuestras necesidades operativas.
Este conjunto se compone de:
• Un filtro de aire (F).
• Un regulador de presión (R).
• Un lubricante (L).
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35. Tecsup Componentes de una Instalación Neumática
Agosto 2007
En estos puntos anteriores hicimos comentarios sobre las
características, funcionamiento y elección de estos aparatos en
forma individual; es nuestra intención, ahora, presentarlos en
forma agrupada para estandarizar su uso y referirnos a la
utilización en conjunto.
Figura 3.2.7.1
Símbolo en detalle Símbolo simplificado
Las unidades de mantenimiento (FRL) son un grupo formado
por el filtro (F) de aire comprimido, la válvula reguladora de
presión (R) con el manómetro y el lubricador (L). El filtro y la
válvula reguladora de presión constituyen una unidad.
Figura 3.2.7.2
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36. Componentes de una Instalación Neumática Tecsup
Agosto 2007
Dos puntos importantes:
• La elección del grupo está en función del caudal en m3/h.
Cuando el caudal es demasiado grande la pérdida de carga
puede ser excesiva. Es imprescindible respetar las
prescripciones del fabricante.
• La presión no deberá sobrepasar del valor estipulado en la
unidad y la temperatura tampoco deberá ser superior a
50°C (debido a los depósitos de plástico).
4.2. Cuidados en las unidades de mantenimiento
Es necesario proceder en intervalos regulares, a los trabajos
siguientes:
• Filtro de aire: el nivel de condensación debe controlarse
rigurosamente, para no sobrepasar el nivel máximo
permitido, puesto que existe el riesgo de que el agua pasará
al depósito de aceite y de allí a la instalación. Para eliminar
el depósito es necesario vaciar la condensación.
• El cartucho de filtro debe limpiarse en intervalos regulares.
• Regulador de presión: Cuando está precedido por un filtro
no es preciso ningún mantenimiento especial.
• Lubricador: Verificar el nivel de aceite, llenar hasta el nivel
permitido.
• Los depósitos del filtro y lubricador son de materia plástica,
no utilizar disolvente del tipo tricloroetileno.
• Utilizar aceites exentos de acidez, del tipo mineral.
5. Cilindros neumáticos
5.1. Cilindros de simple efectos
Estos cilindros tienen solamente una conexión de aire
comprimido. No pueden realizar trabajo más que en un solo
sentido: el retorno del vástago se realiza por un muelle
incorporado, o por una fuerza externa. El aire comprimido,
pues, es sólo necesario para un sentido de traslación.
El resorte interno es dimensionado de manera que vuelva lo
más rápidamente posible el émbolo a su posición inicial. Para
los cilindros de simple efecto, con muelle incorporado, la
carrera está en función de la longitud de dicho resorte y por
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37. Tecsup Componentes de una Instalación Neumática
Agosto 2007
esta causa, los cilindros de simple efecto no tienen carreras
largas. Su utilización se limita a trabajos simples, tales como
sujeción, expulsión, alimentación, etc.
Figura 1.1.1 Cilindro de simple efecto
5.1.1. Cilindros de émbolo
La estanqueidad se logre por un material flexible que
recubre el pistón metálico, de material sintético
(perbunan).
Durante el movimiento del émbolo los labios de junta
se deslizan por la pared interna del cilindro y
garantizan la estanqueidad necesaria.
Para otras ejecuciones, la carrera de trabajo es realizada
por el muelle, mientras que el aire comprimido efectúa
el retorno del vástago a su posición inicial.
Aplicación; cuando existe el riesgo de una interrupción
brusca de la energía (circuito de frenos en camiones y
trenes), su ventaja principal es el frenado instantáneo.
5.1.2. Cilindros de membrana
Una membrana de caucho, plástico o metal, reemplaza
aquí el pistón, y el vástago es la superficie de la
membrana. Todo fenómeno de rozamiento por
deslizamiento es inexistente; la única fuerza
antagonista es debida a la dilatación de la membrana.
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38. Componentes de una Instalación Neumática Tecsup
Agosto 2007
Aplicaciones principales: Sujeción de piezas y para su
utilización en máquinas y útiles, prensa de embutición,
etc.
Figura 1.1.2 Cilindro de membrana
5.1.3. Cilindros de membrana arrollable
Como su nombre indica, este cilindro también es de
membrana: cuando está sometido a la presión del aire,
se desarrolla a lo largo de la pared interna del cilindro
y efectúa el vástago su salida.
Las carreras son más importantes que en los cilindros
de membrana (50-80 mm).
El rozamiento es casi nulo.
Figura 1.1.3 Cilindro de membrana arrollable
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39. Tecsup Componentes de una Instalación Neumática
Agosto 2007
5.2. Cilindros de doble efecto
En este caso la fuerza ejercida por el aire comprimido anima al
émbolo de un movimiento de traslación en los dos sentidos.
Se dispone de fuerza útil tanto a la ida como al retorno. La
carrera, en principio, no está limitada, pero existe el riesgo de
pandeo. La estanqueidad la realizan juntas de labios o
membranas.
Figura 1.2.1 Cilindro de doble efecto
5.2.1. Cilindros con amortiguación interna
Cuando las masas trasladadas son importantes, para
evitar choques graves y el deterioro prematuro, se
utiliza el sistema de amortiguación regulable, que entra
en acción momentos antes de alcanzar el final de
carrera.
Este sistema está constituido principalmente por un
émbolo amortiguador que reduce considerablemente la
sección de paso del espacio el aire contenido en esta
cámara.
El aire almacenado es comprimido en la última parte
de la cámara del cilindro, y la sobrepresión así creada
tiene por efecto absorber una parte de la energía.
El émbolo es frenado y llega lentamente a su posición
extrema.
En el momento de la inversión el aire penetra en el
cilindro a través antiretorno y comienza rápidamente
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40. Componentes de una Instalación Neumática Tecsup
Agosto 2007
su desplazamiento: las fuerzas disponibles son
igualmente máximas.
Figura 1.2.2 Cilindro con amortiguación interna.
Otros tipos de amortiguación
• Amortiguación en los dos lados, no regulable.
• Amortiguación posterior, no regulable.
• Amortiguación posterior, regulable.
5.3. Cilindros especiales, de doble efecto
5.3.1. Cilindros con doble vástago
El guiado es mejor, puesto que tiene más puntos de
sujeción, además resulta muy útil en el caso de falta de
espacio para colocación de levas.
La fuerza resultante es la misma para los dos sentidos,
puesto que las secciones de aplicaciones son iguales.
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41. Tecsup Componentes de una Instalación Neumática
Agosto 2007
Figura 1.2.3 Cilindro con doble vástago
5.3.2. Cilindro tandem
Está constituido por dos cilindros de doble efecto,
acoplados en serie. Aplicando simultáneamente
presión sobre los dos émbolos se obtiene una fuerza
casi doble a la de un cilindro del mismo diámetro. Se
utiliza cuando son necesarias fuerzas considerables y se
dispone de un espacio reducido, no siendo posible la
utilización de un diámetro superior.
Figura 1.2.4 Cilindro tandem
5.3.3. Cilindro multiposicional
Este elemento este constituido por dos o más cilindros
de doble efecto. Los diferentes elementos están
acoplados como indica el esquema adjunto. Según el
émbolo solicitado actúa uno u otro cilindro.
Cuando se unen dos cilindros de carreras distintas
pueden obtenerse 4 posiciones finales diferentes.
Aplicación:
• Mando de palancas.
• Selección de vías.
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42. Componentes de una Instalación Neumática Tecsup
Agosto 2007
Figura 1.2.5
5.3.4. Cilindro de impacto
Si se utilizan cilindros normales para trabajos de
transformación las fuerzas disponibles son, a menudo,
insuficientes. El cilindro de impacto es el conveniente
para estos casos, para obtener energía cinética de valor
elevado. Según la fórmula.
m• v2
E=
2
Cuando aumenta la velocidad, la fuerza aumenta de
manera mucho mayor.
Funcionamiento:
El émbolo tiene una junta que cierra la cámara
posterior; cuando existe aire comprimido en las dos
cámaras, debido a la mayor sección anterior, una
presión menor será capaz de sostener el émbolo en esta
posición, sin embargo al descender a un nivel mínimo
la presión en la cámara anterior, vencerá el espacio
para la separación de la junta, aplicándose entonces
plena presión a la superficie del émbolo, en su lado
posterior, con la ventaja adicional de estar carente de
aire a presión la cámara anterior.
Figura 1.2.6
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43. Tecsup Componentes de una Instalación Neumática
Agosto 2007
5.3.5. Cilindro de cable
Los extremos del cable están fijados a ambos lados del
émbolo, y es guiado por medio de poleas. Su trabajo es
siempre de tracción.
Aplicación: apertura y cierre de puertas. Se caracteriza
por sus dimensiones reducidas, permitiendo obtener
carreras largas.
Figura 1.2.7
5.3.6. Cilindro con movimiento de giro
En estos cilindros de doble efecto, el vástago es una
cremallera que engrana con un piñón, que transforma
el movimiento lineal en giratorio, y del sentido
mandado por el émbolo. Los ángulos de giro pueden
ser 45, 90, 180, 290 hasta 720.
El momento es función de la presión, superficie del
émbolo y de la relación de transmisión. Estos sistemas
se utilizan para el doblado de tubos, giro de piezas,
regulación de instalaciones de climatización, mando de
válvulas de cierre, etc.
Figura 1.2.8
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44. Componentes de una Instalación Neumática Tecsup
Agosto 2007
5.4. Fijaciones
La fijación está en función del modo de colocación del cilindro
en la máquina. Si la fijación es definitiva el cilindro puede ser
equipado con los accesorios de montaje necesarios.
Este sistema de montaje en el que las fijaciones se pueden
colocar a elección facilita el almacenamiento en empresas que
utilizan a menudo el aire comprimido, puesto que se obtiene
mayor versatilidad con el mismo cilindro básico.
Figura 1.3.1 Diferentes tipos de fijaciones
5.5. Constitución de los cilindros:
El cilindro de émbolo se compone de: tubo, tapa posterior, y
tapa anterior con cojinete, junta del vástago, vástago, junta de
rascador y émbolo con junta.
El tubo cilíndrico (1) se construye en tubo de acero estirado sin
costura. Para prolongar la vida de las juntas, la superficie del
tubo debe tener un mecanizado de precisión (bruñido). Para
aplicaciones especiales, el tubo se construye el aluminio, latón,
con superficie de rozadura en cromo duro. Estas ejecuciones
especiales se emplean para proteger de influencias corrosivas.
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45. Tecsup Componentes de una Instalación Neumática
Agosto 2007
Para la tapa posterior (2) y la anterior (3) se emplea
preferentemente material de fundición (fundición de aluminio
o maleable). La fijación, de ambas tapas con el tubo, puede
realizarse por tirantes, rosca o bridas.
El vástago (4) es preferentemente de acero inoxidable, con
determinado porcentaje de cromo. Para prevenir el riesgo de
roturas, generalmente las roscas son laminadas. Si se desea
puede solicitarse un endurecimiento especial en el vástago. La
profundidad superficial de rugosidad debe ser de 1 µm. Para la
obturación de la cámara anterior se monta en la tapa frontal
una junta (5).
La guía del vástago se realiza por un cojinete autolubricante. (6)
que puede ser de bronce sinterizado o un casquillo de plástico
con revestimiento metálico.
Ante el casquillo de guía está la junta de rascador (7) que
impide la penetración de materias extrañas al interior del
cilindro. Por ello, no es necesario el revestimiento con fuelle
del vástago. La junta de doble vaso (8) separa las dos cámaras
del cilindro (T-dúo)
Material: Perbunan entre –20 y + 80°C
Viton entre –20 y + 190°C
Teflón entre –30 y + 200°C
Para la obturación estática se utilizan juntas tóricas (9). La junta
debe tensarse previamente, y esto es la causa, en su aplicación
dinámica de elevadas pérdidas por fricción.
Figura 1.4.1 Vista en corte de un cilindro neumático con amortiguación en
sus finales de carrera.
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46. Componentes de una Instalación Neumática Tecsup
Agosto 2007
• Diferentes clases de juntas
5.6. Cálculos de un cilindro
5.6.1. Fuerzas del émbolo
La fuerza ejercida por un cilindro está en función de la
presión de alimentación, diámetro (y por tanto sección)
del émbolo y del rozamiento de las juntas.
El empuje teórico se determina por la fórmula:
Ft = A . P
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47. Tecsup Componentes de una Instalación Neumática
Agosto 2007
Siendo:
Ft = Fuerza de empuje teórica (kgf) (N).
A = Sección útil del émbolo (cm2).
P = Presión de alimentación (bar, kgf/cm2)
(manométrica).
En la práctica es necesario conocer la fuerza real. Para
determinarla es necesario tener en cuenta los
rozamientos. En condiciones normales de servicio
(presión de 4-8 bar) puede suponerse que las fuerzas de
rozamiento representan de un 3 a un 20% de la fuerza
obtenible.
Cilindros de simple efecto:
Fn = A . p – (Fr + Ff)
Cilindros de doble efecto (al avance). Cilindros de
doble efecto (retorno).
Fn = A . p – Fr Fn = A’ . p – Fr
Fn = Fuerza real (kgf) (N)
A = Superficie útil del émbolo (cm2)
D2 • π
=
4
AI = Superficie útil restando la del émbolo.
(D 2 − d 2 )π
=
4
p = presión de alimentación (bar. Kgf/cm2).
Fr = Fuerza de rozamiento (3-20%) (Kgf) (N)
Ff = Fuerza de retorno del muelle (Kgf) (N)
D = Diámetro del émbolo (cm)
d = Diámetro del vástago (cm)
Ejemplo 1:
Determinar la fuerza teórica y real de un cilindro
neumático cuyas dimensiones son 50/12/200 (D = 50
mm, d = 12 mm, carrera 200 mm) considerar la fuerza
de rozamiento igual al 10% de la fuerza obtenible.
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48. Componentes de una Instalación Neumática Tecsup
Agosto 2007
Superficie del émbolo:
D 2 • π 5 2 • 3,14
A= = = 19,625cm 2
4 4
Superficie restando el émbolo:
(D 2 − d 2 )π (25 − 1,4) • 3,14
A= = = 18,5cm 2
4 4
Empuje teórico al avance:
Ft = A . p = 19,625 cm2 . 6 bar = 117,75 kgf.
9,81N
Ft = 117,75kgf . • 1155,13N
1Kgf
Resistencia de rozamiento 10% = 11,775 Kgf
Empuje real al avance:
Fn = A . p – Fr = 19,625cm2 . 6 bar – 11,775 kgf ≈ 106
kgf.
9,81N
Fn = 106Kgf . = 1039,86N
1Kgf
Fuerza de tracción, teórica al retroceso
Ft = AI . p = 18,5 cm2 . 6 bar = 111 kgf.
9,81N
Fn = 111Kgf . = 1088,91N
1Kgf
Resistencia de rozamiento 10% = 11,1 kp.
Fuerza de tracción real al retroceso.
Fn = AI . p = 18,5 cm2 . 6 bar – 11,1 kgf = 100 kgf.
9,81N
Fn = 100Kgf . = 981N
1Kgf
Ejemplo 2:
Seleccionar un cilindro de doble efecto que eleve una
carga en forma vertical. La disposición se muestra en
la figura, se ha podido determinar los siguientes datos:
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49. Tecsup Componentes de una Instalación Neumática
Agosto 2007
- Masa a mover : 200 kg.
- Longitud de carrera : 600 mm.
- Tiempo de carrera : 4S
- Presión de trabajo : 6 bar
- Tramo de aceleración : 5 cm.
Fuerzas que actúen en el cilindro:
Fw = Debido al peso de la masa m.
Fa = Debido a la aceleración de la masa.
FR = Debido al rozamiento en el cilindro.
La fuerza (F) que debe entregar el cilindro debe ser
mayor que todas las fuerzas exteriores contrarias.
F ≥ Fw + Fa + Fr
Cálculo de Fw :
m
Fw = mg = 200 Kg. 10 = 2000N
S2
Cálculo de Fa :
 Vf 2 − Vi 2 
Fa = mg = 200 Kg.  
 2e 
 
Donde: Vi = 0
600nm mm m
Vf = = 150 = 0,15
4S s s
e = 3 cm = 0,03 m
(0,15)2 − (0) 2 m 2 / s 2

 

Fa = 200Kg = 75N
2 • 0,03m
FR = 10% de F
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50. Componentes de una Instalación Neumática Tecsup
Agosto 2007
De donde:
F ≥ 2000 N + 75 N + 0,1 F
0,9F ≥ 2075 N
2075N
F≥ ≅ 2306N
0,9
En la tabla con una presión de 6 bar y una fuerza de
2306 N, obtenemos un diámetro del émbolo de 80 mm.,
y un diámetro del vástago igual a 25 mm.
Se debe chequear el diámetro del vástago por pandeo,
para lo cual, se ingresa al gráfico con una fuerza de
pandeo igual a 2306 N y un diámetro de vástago de 25
mm.
Encontramos que la carrera admisible para dichos
valores es de aprox. 920 mm., lo que indica que no
fallará el vástago por pandeo.
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51. Tecsup Componentes de una Instalación Neumática
Agosto 2007
5.7. Consumo de aire
Para el acondicionamiento y conocer el gasto de energía, es
importante conocer el consumo de aire de la instalación. Para
lo cual, se halla el consumo a la presión de trabajo, llevando
luego dicho valores a condiciones normales.
Ejemplo:
Calcular el consumo de un cilindro de doble efecto de /12/100,
presión de 6 bar y 10 ciclos por minuto.
Consumo de aire al avance y el retroceso.
  2 2 
 πD 2  D − d  
  
Q= + π S•n
 4 4 
 
 
Q = Cantidad de aire.
S = Longitud de carrera.
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52. Componentes de una Instalación Neumática Tecsup
Agosto 2007
n = ciclos por minuto.
 π • 2,5 2 (2,5 2 − 1,2 2 )  cm 3 ciclos
Q= + • π  • 10 • 10
 4 4  ciclo min
 
Q ≅ 869 cm3 / min. a 6 bar (man).
Llevando estos valores a condiciones normales.
Pn . Vn = P1 . V1 (consideramos T = cte).
PV 7bar • 869cm 3 / min
Vn = 1 1 =
Pn 1bar
cm 3 NL
Vn = 6083 ≅ 6,1
min mi
5.8. Unidades de avance óleo-neumáticas
Estos elementos se utilizan, como los precedentes, cuando se
necesita una velocidad de trabajo constante.
Son extremadamente compactos y están constituidos por un
cilindro neumático, otro hidráulico de freno y un bloque
neumático de mando. Los dos cilindros y el mando de válvula
están unidos con un yugo. El cilindro neumático constituye el
elemento de trabajo. Cuando se alimenta con aire comprimido
comienza su movimiento de traslación, pero al tener que
arrastrar el freno hidráulico, independientemente de la
resistencia de oposición, el aceite mantiene rigurosamente
constante la velocidad de avance.
En la carrera de retroceso el aceite circula rápidamente a través
de la válvula unidireccional, al otro lado del émbolo.
Un tope regulable sobre el vástago del freno permite que se
realice una primera fase de recorrido a velocidad mayor, puesto
que el freno no actúa, hasta que el encuentro con el tope
suponga el avance de trabajo propiamente dicho, obteniéndose
así un avance de aproximación para impedir tiempos muertos.
Si se dispone una segunda válvula de estrangulación con
antiretorno, es oposición a la anterior, también podrá obtenerse
un recorrido de retroceso lento.
El cilindro freno de aceite supone un circuito de aceite cerrado:
las pequeñas fugas son inevitables, reduciéndose a una ligera
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53. Tecsup Componentes de una Instalación Neumática
Agosto 2007
película de aceite sobre el vástago del cilindro, un compensador
de aceite, con nivel indicador, repone estas pérdidas.
El conjunto está mandado por un bloque de mando neumático
incorporado. Este mando directo comprende: un vástago de
mando, con levas de mando regulables que efectúan la
inversión de marcha, pudiéndose obtener también aquí,
movimientos alternativos constantes.
En una unidad tal como la de la figura con una estrangulación
del circuito de aceite muy intensa, puede presentarse un alto
momento de flexión sobre el vástago del cilindro, y para
reducir este efecto el vástago debe reforzarse.
En la figura 1.7.2 se muestra otra unidad, integrada por dos
cilindros neumáticos y un freno intermedio a ellos,
suprimiéndose así la presencia de flexión, además de lograrse
una velocidad aún más constante.
La combinación de cilindros y válvulas da como resultado la
obtención de unidades de avance.
Figura 1.7.1 Esquema unidad de avance óleo-neumática
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54. Componentes de una Instalación Neumática Tecsup
Agosto 2007
Figura 1.7.2 Esquema unidad de avance
5.8.1. Unidades de avance con movimiento giratorio
Mediante la unión de un cilindro neumático de giro,
otro de freno de aceite y la correspondiente válvula de
mando, resulta un equipo muy apto para la
automatización de taladradora de columna.
Figura 1.7.3 Unidad de avance, con movimiento giratorio
6. Motores neumáticos
Para generar movimiento de rotación en un sistema neumático, se usa
un motor de este tipo. Se ha encontrado, que los motores neumáticos
dan lugar a una velocidad de rotación muy elevada, la cual a veces
puede llegar hasta 10 000 revoluciones por minuto o incluso más. La
posibilidad de transmisión de alta potencia se realiza a velocidades
infinitamente variables, lo cual constituye una ventaja adicional que no
se encuentra en otros sistemas rotacionales.
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55. Tecsup Componentes de una Instalación Neumática
Agosto 2007
Los motores neumáticos, como se les conoce en forma popular, tienen
diversos tipos de diseño, pero el más común es el del tipo de paletas.
En los motores neumáticos de paletas, se coloca un bloque rotor en una
carcasa, concéntrico a ésta o, en algunos otros tipos, al interior de la
carcasa tiene contorno elíptico sobre el que se coloca el rotor en forma
concéntrica. El bloque rotor tiene varias ranuras finamente
maquinadas, rectificadas y pulidas (ilustradas en la figura 5.9 (a) en el
interior de las cuales se colocan unas pequeñas paletas, las que se
pueden mover hacia adentro y hacia fuera de esas ranuras. Cuando se
alimentan aire comprimido, el rotor inicia su giro, produciendo en
consecuencia un par motor (torque) sobre la flecha. Para operaciones a
rpm elevadas de los sistemas mecánicos rotatorios, los motores
neumáticos ofrecen un sistema en extremo seguro, debido a su
capacidad de disipar, el calor, en virtud de la expansión del aire en el
interior de las cámaras de las paletas. Esta es una propiedad muy
ventajosa del motor neumático sobre los motores eléctricos.
Figura 2.1 Partes principales de un motor neumático: 1. Cubierta del
extremo, 2. Cuerpo del motor con contorno interno elíptico, 3. Bloque
rotor con ranuras para las paletas. 4. Paletas, 5. Flecha del motor, 6.
Cubierta del extremo.
• Par motor de los motores neumáticos
Para los motores neumáticos, las características de par neumático
(momento de torsión) dan lugar a un estudio interesante.
Experimentalmente, se ha observado que cuando se aumenta la
resistencia de cargo al motor neumático, se reduce su velocidad de
funcionamiento y se incrementa el par para ajustarse a la carga.
Ésta condición de aumento del par con disminución de la velocidad
continúa hasta que el motor se detiene. Por otra parte, considérese
lo que sucederá si se disminuye la carga. En este caso, la velocidad
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56. Componentes de una Instalación Neumática Tecsup
Agosto 2007
se va hacia arriba, pero el par motor se reduce en proporción
correlativa a la carga. En el caso de la operación de un motor
neumático, también se ha observado que el par de arranque es
menor que el de funcionamiento normal y, debido a las
características de disipación de calor, no se tienen muchos
problemas que suelen encontrarse relacionados con los motores
eléctricos. Sin embargo, los motores neumáticos no están en
posición de suministrar una potencia uniforme y estable, lo cual
constituye un gran inconveniente.
• Potencia del motor neumático
Los motores neumáticos se encuentran en el mercado desde un
número nominal muy bajo de kilowatts hasta muy alto. Existen
motores neumáticos fabricados por algunas empresas en fracciones
de kilowatt, desde valores tan bajos como 0,05 KW, en tanto que el
límite superior llega hasta 20 KW. En condiciones normales de
trabajo, un tamaño moderado y máximo aceptable es de 10 kW,
para la aplicación neumática general.
6.1. Motor neumático y eléctrico: comparación
• Los motores neumáticos desarrollan más kW/peso normal
y por metro cúbico de desplazamiento que la mayor parte
de los motores eléctricos estándar.
• Inherentemente, son a prueba de choque y explosión, lo
cual no es el caso para los motores eléctricos.
• Los motores neumáticos no son afectados por una
atmósfera caliente, húmeda o corrosiva. En virtud de que
operan bajo presión interna, el polvo, la humedad y los
vapores no pueden entrar en la cubierta del motor. Las
cubiertas a prueba de polvo y de explosión para los motores
eléctricos tienen un costo adicional.
• Los motores neumáticos no resultan dañados por
sobrecargas, inversiones rápidas o por funcionar en forma
continua cerca de la velocidad mínima; cuando un motor
neumático se para por llevarlo hasta su carga máxima,
sigue produciendo un alto par, sin dañarse (para sostener
una carga, por ejemplo), pero un motor eléctrico puede
resultar gravemente dañado debido a una sobrecarga.
• Se puede hacer variar la velocidad en un amplio rango, sin
disposiciones complicadas de control en la masa de aire
pero, en los motores eléctricos, esto es caro.
• Debido a su baja inercia, los motores neumáticos se aceleran
y desaceleran con rapidez –desde cero hasta plena
velocidad en milisegundos-, lo que resulta ideal para
realizar ciclos rápidos. Los motores eléctricos tardan más
tiempo para llevar a cabo esto.
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