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![I I
COMPRESiÓN Y DISTRIBUCiÓN DEL AIRE
La pérdida térmica se produce debido al hecho de que durante la compre-
sión el aire adquiere una temperatura muy elevada, por lo tanto su volumen
aumenta y disminuye cuando se enfría a temperatura ambiente (ver la ley de
Charles en el apartado 4.4.3).
~ 5.2. RENDIMIENTO VOLUMÉTRICO
Rendimiento volumétrico = aire libre descargado
desplazamiento
x 100
El resultado de la fórmula anterior, expresado como porcentaje, se conoce
como rendimiento volumétrico y varía según el tamaño, tipo y fabricación de la
máquina, número de etapas y presión final. El rendimiento volumétrico de un
compresor de dos etapas es inferior a la del compresor de una sola etapa, pues-
to que tanto los cilindros de la primera como los de la segunda etapa, tienen
volúmenes muertos.
5.2.1. RENDIMIENTO TÉRMICO Y GLOBAL
Aparte de las pérdidas descritas anteriormente, existen también efectos tér-
micos que bajan el rendimiento de la compresión del aire. Estas pérdidas redu-
cen aún más el rendimiento global dependiente del coeficiente de compresión y
de la carga. Un compresor, que trabaja a capacidad casi total, acumula una gran
cantidad de calor y pierde rendimiento. En un compresor de dos etapas, el coe-
ficiente de compresión por etapa es inferior y el aire, comprimido parcialmente
en el cilindro de primera etapa, se enfría en un refrigerador intermedio antes de
ser comprimido a la presión final en el cilindro de segunda etapa.
Ejemplo:
Si se comprime el aire atmosférico absorbido por un cilindro de la primera
etapa a un tercio de su volumen, la presión absoluta a la salida es de 3 bar. El
calor desarrollado por esta compresión relativamente baja es consiguientemen-
te bajo. El aire comprimido pasa al cilindro de segunda etapa, a través del refri-
gerador intermedio, y nuevamente su volumen se reduce a un tercio. La presión
final es entonces de 9 bar abs.
El calor desarrollado al comprimir el mismo volumen de aire en una sola
compresión, directamente de la presión atmosférica a 9 bar abs, sería mucho
más elevado y se reduciría considerablemente el rendimiento global.
38 / © ITP-Paraninfo
COMPRESiÓN Y DISTRIBUCiÓN DEL AIRE
El diagrama de la figura 5.8 compara los rendimientos globales típicos de
compresores de una y dos etapas, para varias presiones finales.
Para presiones finales bajas, es mejor un compresor de una etapa, puesto
que su rendimiento volumétrico es más elevado. Sin embargo, con una presión
final en aumento, las pérdidas térmicas son cada vez más importantes y son
preferibles los compresores de dos etapas, con un rendimiento térmico más ele-
vado.
Rendimien-
to global
Una etapa Dos etapas
r -~ 'T
90% ~ ~--~--+ 1---t-+-~
80% - "];=:;.~ ~ 4- j
70% - __L I - +- G
60% l_. J.. ____ ~ _L ___
4 5 6 7 8 9 10 11 12
Presión (bar)
Figura 5.8. Diagrama del rendimiento global de compresores de 1 y 2 etapas.
El consumo específico de energía es una medida del rendimiento global y se
puede utilizar para estimar el coste de producción del aire comprimido. Como
promedio, se puede estimar que se necesita un KW de energía eléctrica para
producir 120-150 l/min (= 0,12...0,15 Nm3/minJKW) para una presión de traba-
jo de 7 bares.
Las cifras exactas deben establecerse según el tipo y el tamaño del compresor.
~ 5.3. ACCESORIOS DEL COMPRESOR
5.3.1. DEPÓSITO DE AIRE COMPRIMIDO
Un depósito de aire comprimido es un acumulador a presión construido en
chapa de acero soldada, montado horizontal o verticalmente, directamente des-
pués del refrigerador final para recibir el aire comprimido amortiguando así las
oscilaciones en el caudal de aire, a medida que se consume.
© ITP·Paraninfo / 39](https://image.slidesharecdn.com/395389766-neumatica-parani-pdf-210524025150/75/PLC-y-Electroneumatica-Neumatica-27-2048.jpg)
![ACTUADORES
. No .obstante, para elegir el tamaño de un cilindro, resulta siempre más prác-
tIc,outIhzar un dJagrama análogo al de la figura 7.7 que nos indica las fuerzas
teoncas para 5, 7 Y 10 bar, o utilizar información técnica facilitada por parte
del fabricante del componente.
í
~
"-
•_____ 0 (mm) _ _ _ _ _ _ __
25
"'00 r - --."4 6 8 10 12 16
~r= J~~4 ~_1] ~.
500 -
'00
300
'"
'00
'"
'"
''''
:f
25
'"
"
'"p
"' .
..
" 32
t I-L i ¡
t P (ba~-~~ fr 5 I--~-
-J - t-~L
¡ - f- - .
t~
, i
t-t-
+ - t
40 50 63 80
j- tJI
~ +-1
• . I
1-
100 125 140 160
o(mm)
Figura 7,7. Fuerza teórica de ros cilindros.
7.2.2. FUERZA NECESARIA
20 25 30 l
'''''''''
50000
""'"
"000
'0000
, J '''''''
p:cc- ."""
'0000
r -- -1
[J ""'"
"""
"00 ~
1
--t """ "-
¡ '''''
''''
'1" ''''''
t ..
, ,
""
..
""
200 250 300
La fuerza realmente nec~saria depend~ de la masa de la carga, del ángulo
del mOVJmIento de e1evaclOn, del rozamJento, de la presión de trabajo y del
área efectiva del émbolo.
La carga consiste en el peso de la masa, cuando esta se mueve en sentido
vertical (figura 7.8a). La fuerza R, representada por el coeficiente de rozamien-
104 I © ITP·Paraninfo
© Svt::E$PA.Ñ<..SA.
ACTUADORES
to que se multiplica por la masa (figura 7.8b) y la aceleración necesaria (fi-
gura 7.8c). La influencia de todas estas fuerzas, depende del ángulo del eje del
cilindro en relación con la horizontal, como se muestra en la figura 7.8d.
F= I-l.G
a
e d
Figura 7.8. Composición de fuerzas para una determinada carga.
Un movimiento horizontal (ángulo 0°) necesita solamente vencer el roza-
miento. La fuerza necesaria viene definida por el coeficiente de rozamiento el
cual puede variar (normalmente entre 0,1 y 0,4 para deslizamiento metal-
metal). Este factor entra a formar parte de la fórmula general multiplicando al
coseno del ángulo, con lo que varía desde I (=0°) hasta O(a=900).
La carga sería igual al peso de la masa a mover, cuando el movimiento sea
vertical. El peso es la fuerza creada por la aceleración de la gravedad, actuando
sobre la masa. El valor de la aceleración de la gravedad (en una latitud de 45')
es 9,80629 mls2
Con movimiento horizontal, el peso tiene una componente nula (aparte de
su influencia con el coeficiente de rozamiento) sobre la carga, ya que éste
estará soportado totalmente por la configuración de los elementos. Todo el
empuje del cilindro, será entonces disponible para acelerar la masa.
La componente del peso, propiamente dicho, sobre la carga a vencer por el
cilindro variará con el ángulo de elevación a desde 0% hasta 100% ya que
tiene como factor de composición el seno del ángulo de inclinación (a), cuyo
valor es Opara desplazamiento horizontal y I para desplazamiento vertical.
© ITP·Paraninfo / 105](https://image.slidesharecdn.com/395389766-neumatica-parani-pdf-210524025150/75/PLC-y-Electroneumatica-Neumatica-60-2048.jpg)
![ACTUADORES
a
e
b
Figura 7.54. Parada de los brazos y las masas en giro.
Las inercias son, respecto a los objetos en rotación lo mismo que las
masas en movimiento lo son para movimientos lineales. La energía está
definida por la velocidad. En rotación, la velocidad empleada es la "veloci-
dad angular" (ro) que se expresa en radianes por segundo. La figura 7.55
nos ilustra estas expresiones.
í--s-l
I
m=-rad l
I~~~~=J_
' _.
[ 1 rad : <p = 57.3° ]
_._._._._..._._.__.-
Figura 7.55. Representación de la velocidad angular.
Para calcular la energía máxima que se deberá absorber, deberemos con-
siderar la velocidad final. Una aceleración producida gracias al aire compri-
mido, si no está limitada por restricciones en la cámara de escape, puede ser
considerada como una aceleración uniforme. El movimiento comienza en
cero y alcanza al final, el doble de la velocidad media.
Para movimientos neumáticos rápidos, los cálculos se deben basar en
este valor (el doble de la velocidad media).
146 I © ITP·Paraninfo © 9fC E~SA
Velocidad lenta
a
ro!~",-,,,~ I
ACTUAOORES
Velocidad rápida
b
~
Vetoe. máxima
..--- - .- Vetoe. media
dUdd~ro =2
y:d
Figura 7.56. Energ¡a máxima en velocidad media y final.
Ejemplo de selección de un actuador de giro:
Momento de inercia:
Es necesario girar una masa de
dimensiones 300 x 200 mm. en el
sentido que se indica en la figura
7.57. La mesa es de 4 Kg. reparti-
dos de forma uniforme sobre la
superficie y disponemos de 3
segundos para conseguir un giro
de 180°.
Figura 7.57. Masa a mover en esta aplicación.
Este caso coincide con el apartado (i) del la figura 7.53.
J = m.(a' +b' ) = 4X(30' + 20')= 43333 Kg'cm2
12 12 '
Para el cálculo de la energía cinética y, según las condiciones de la fig.
7.56, se puede considerar que este giro es lento, con lo cual la velocidad
angular será:
y la energía cinética descrita será:
E, = ..!. J . w2 10-3 - 433,33 xl ,05
2
O24 K f
2 - 2 x 1000 ' gcm.
© 9Il::ESPAÑA. $A. © ITP·Paraninfo ; 147](https://image.slidesharecdn.com/395389766-neumatica-parani-pdf-210524025150/75/PLC-y-Electroneumatica-Neumatica-81-2048.jpg)
![ACTUADORES
ginando una elevada y estable fuerza prensil, incluso ante un descenso de la
presión.
7.9.2. PINZAS CON APERTURA PARALELA
En la figura 7.63 puede verse una pinza cuyo funcionamiento básico es
idéntico a la anterior, pero con algunas connotaciones distintas. Los dedos
no están libres, están guiados por un sistema de patines de rodadura, los
cuales tienen como misión principal corregir el arco creado por la unión del
vástago, los dedos y el giro de los mismos y transformarlo en un movimien-
to de traslación lineal para los dedos. Un movimiento lineal y sincronizado
en toda la longitud de apertura y cierre.
Estas pinzas, según la forma que se le dé a los dedos, pueden coger obje-
tos por el exterior o por el interior de los mismos, según convenga en cada
aplicación. La figura 7.64 muestra dos tipos de dedos para aplicaciones dis-
tintas.
]
Figura 7.63. Pinza con apertura paralela. Figura 7.64. Dedos para presión externa e interna.
7.9.2.1. Pinzas de apertura paralela de precisión
Esta pinza neumática, de accionamiento rotativo, ha sido diseñada para
posicionamientos de alta precisión, manipulación y ensamblaje de piezas de
pequeñas dimensiones.
La apertura y cierre de los dedos, mediante un sistema de rodillos trans-
versales, se produce de forma paralela, pudiendo trabajar realizando tanto
presiones internas como externas en las piezas.
152 / © ITP-Paranin!o
ACTUADORES
Actuador rotativo Rodamiento de bolas
--""'-'"""'-.
I
I
I
1
I
Guía soporte
Guía de rodillo~ Rodamiento de bolas
transversales
Figura 7.65. Pinza de apertura paralela de precisión.
El accionamiento rotativo de la pinza está equipado con rodamientos a
bolas y el actuador rotativo es usado como fuente de conexión de los dedos.
Este tipo de pinzas, puede ser empleado en sala limpia (eLEAN ROOM),
clase 10.
7.9.3. PINZAS AUTOCENTRANTES
Figura 7.66. Pinza autocentrante.
© ITP-Paranin!o / 153](https://image.slidesharecdn.com/395389766-neumatica-parani-pdf-210524025150/75/PLC-y-Electroneumatica-Neumatica-84-2048.jpg)
![DEFINICiÓN DE VAcío
~ ~pat =Presión atmosférica
Pv = Presión de vacío
Figura 8.2. Ventosa.
Tampoco una ventosa se adhiere por si sola a una superficie, pero sí se fija
por la mayor presión que la rodea. La presión atmosférica.
8.1.1. CONSIDERACIONES ENTRE VAcío y SOBREPRESIÓN
Tanto la neumática convencional de sobrepresión como la técnica del vacío,
están basadas en la circulación de aire desde las zonas de presión más alta
hacia las zonas de presión más baja (diferencia de potencial).
Por esta razón, la interdependencia y las leyes físicas entre flujo, presión y
fuerza que rigen el comportamiento del aire en las aplicaciones de vacío son
exactamente las mismas que en las aplicaciones convencionales, aunque-con
ciertas "peculiaridades"; por ejemplo:
• Podemos decir que, en el caso de vacío, el flujo es "opuesto" ya que el aire
fluye desde zonas a presión atmosférica (presión más alta) a zonas de
depresión o presión de vacío (presión más baja).
• La diferencia de presión siempre es limitada.
• Adquieren mayor importancia en vacío aspectos como:
- RESISTENCIA AL FLUJO.
- VOLÚMENES MUERTOS O INNECESARIOS QUE HAY QUE EVA-
CUAR Y QUE TIENEN QUE REDUCIRSE AL MíNIMO.
Estos dos últimos factores presentan un cierto nivel de controversia, puesto
que unas conducciones de mayor sección nos ofrecen menores resistencias al
flujo, pero, por el contrario, aumentan el volumen que hay que evacuar.
• Hay que tener en cuenta también que cuando se habla de técnica del vacío,
estamos hablando de la quinta o sexta parte de la energía disponible en las
160 I © ITP·Paraninfo
DEFINICiÓN DE VAcío
aplicaciones neumáticas convencionales. Esta es la razón por la cual pasan
a primer plano fenómenos hasta ahora considerados de forma secundaria.
En resumen: hemos de reducir en lo posible todas las caídas de presión pero
sin crear volúmenes a evacuar excesivamente grandes, puesto que esto supondrá
un coste de tiempo y energía (mayor caudal de succión).
8.1 .2. GASTO DE ENERGíA EN LOS DIFERENTES
GRADOS DE VAcío
El consumo de energía para producir el vacío, aumenta asintóticamente
hacia el infinito cuando aumenta el grado de vacío. Es importante, para optimi-
zar la relación energética, trabajar con el menor nivel de vacío posible.
Para ilustrar mejor lo anteriormente dicho, supongamos una bomba de cuer-
po cilíndrico con pistón, como la mostrada en la figura 8.3
101,3kPa
(0%)
© svr::ESfWIA. SA.
]
E
40,52 kPa
(60%)
J
E
~
N
Ó
10,13kPa
(90 %)
E
1,013kPa
(99 %)
Figura 8.3. Bomba cilíndrica con pistón.
0,1013 kPa
(99,9 %)
© ITP·Paraninfo / 161](https://image.slidesharecdn.com/395389766-neumatica-parani-pdf-210524025150/75/PLC-y-Electroneumatica-Neumatica-88-2048.jpg)
![DEFINICiÓN DE VAclo
8.7.3. CONSIDERACIONES SOBRE EL CIERRE DE
LAS VENTOSAS
En el cálculo de la fuerza real se puede observar que incluso aplicando fac-
tores de seguridad, como los indicados, se pueden manipular masas considera-
bles. No obstante, también hay que tener en cuenta dos condiciones fundamen-
tales referentes a las ventosas:
• LA VENTOSA DEBE MANTENER SU TAMAÑO INICIAL
• HAY QUE ASEGURAR QUE LA PRESIÓN DE VACÍO ALCANCE SU
VALOR DE CÁLCULO
La primera de estas condiciones depende casi exclusivamente del material y
calidad de la ventosa, y de la forma geométrica que hayamos elegido. Si esta
forma geométrica es inadecuada o el material resulta demasiado débil, la ven-
tosa puede deformarse y ello puede hacer que el área de contacto efectiva dis-
minuya. (figura 8.45).
Tamaño original Tamaño deformado
D>d
D d
Figura 8.45. Cambio de área de contacto.
Si esto ocurre, se generarán pérdidas en el nivel de vacío debido a que pene-
tra aire procedente del exterior, este fenómeno se puede considerar similar a un
flujo continuo a través de una restricción.
S
Pat = -1,013 bar _ Pv
------------~,~,----
..
DEFINICiÓN DE VAcio
En este caso la circulación de aire se produce desde la zona de presión
atmosférica hacia el interior de la ventosa a través del espacio existente en el
borde que es lo que representa la restricción fija. El nivel real d: vacío depen-
de de la relación entre la capacidad del eyector (flUJO de aSplTaClón) y el volu-
m~n de las pérdidas (aire que penetra desde la atmósfera).
Ejemplo:
Supongamos una ventosa de diámetro 200 mm. que realiza un cierre en una
placa dejando una restricción en el borde de 0,01 mm.
Luego el área de restricción será:
S =D.!t . 0,01 =200 x 3,14 xO,01 =6,28 mm'
Si disponemos de un eyector cuya capacidad de flujo sea de 68 NI/min. por
cada mm2 de sección efectiva será:
«
e
:::;
«
I/l
w
e
z
-o
¡¡;
w
et:
Il.
Ñ
!!:..
68/6,28 = 10,82 NI/min.
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
o
Punto de presión mínima de trabajo
;-
]. S::. 1mm
2
~~.
(P~'I PRESiÓNDE ENTRAIilA
:--:-. ';;;:;:::-10 - - +-
/
~ ~~ .
.L
-N ,---
1
---
I
- I~'" '" ~
7- 1----- 6 ' " lQ'ó
O
~f'U~lO'ól . r-
--- : "j'..
4 : I
1---..3 ~ ¡
: ' ,/ f-- j-
I ~ A .¡.-- - -- -- -
..,...,~:d::: d
i
: I
20 40 5~ 60
, 80 100 120
Qn= 54,44 Q = Nl/min
(P1+1
D
'b"o'"~
,?~e~
~
/j
O
0(,0
(P1
+1 .013),(1.89)(P,+1.013)
Figura 8.46. Cierre defectuoso del borde. Figura 8.47. Gráfico PID.
198 1© ITP·Paraninfo
© ITP·Paraninfo 1199](https://image.slidesharecdn.com/395389766-neumatica-parani-pdf-210524025150/75/PLC-y-Electroneumatica-Neumatica-107-2048.jpg)
![VÁLVULAS DE CONTROL DIRECCIONAL
en rectas, corresponde a la velocidad de paso máxima de aire por lo que, en
esta zona, el caudal no aumenta al incrementarse la caída de presión. En este
caso, el caudal no depende más que de la presión de alimentación.
P (bar) 1 Presión mlnima
o
9
8
7
~~
-
i>
",~
Il:
'"- 5
4
3
2
1
o
1
j--
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- . .-
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..........
r-- r-. I ~
1----t----
"
¡
r--t---- 1'
N
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Ik 1
¡
20
40 l' 60
50 Nlh'nln iS5 NVmm
Flujo subs6nico
S-1mm
]
--
--r------I
r---r--.... ~
r---
"" 1'
r-..... 1"
1 ¡....-"'"
,
1
j,... l-"
1'"
. ,
v.-
,
80 100 120
Q (NI/min.)
Figura 9.23. Diagrama P/Q.
Esta situación simplifica la determinación de la capacidad de caudal de las
válvulas porque sólo varía un parámetro. En algunas documentaciones técni-
cas, este valor de paso a velocidad crítica, se da como caudal máximo, cuando
en aplicaciones neumáticas normales nunca llegaremos a estos valores, salvo
que hayamos elegido de forma incorrecta la válvula o nos encontremos en apli-
caciones en las que se produce un soplado directo a la atmósfera, a no ser que
se pretenda dar una idea falsa de la característica de caudal de una válvula.
La velocidad crítica de paso se produce cuando la relación entre las presio-
nes de entrada y salida en la válvula cumplen la siguiente ecuación:
P, + 1,013 ;, 1,893 ,(P2 +1,013)
Donde:
PI =Presión de entrada
P2 =Presión de salida
258 / © ITP·Paraninfo
VÁLVULAS DE CONTROL DIRECCIONAL
En todos los casos de aplicación de válvulas con cilindros, evitaremos esta
zona del diagrama y no deberemos alcanzar velocidades críticas.
El diagrama P/Q permite determinar sin ningún tipo de cálculo la relación
existente entre caudal y presión. Responde, fundamentalmente, a las tres cues-
tiones siguientes:
• ¿Cuál es la presión de salida en un distribuidor, conociendo la presión de
alimentación y el caudal necesario?
• ¿Cuál es el caudal de paso en un distribuidor, cuando conocemos las pre-
siones de entrada y de salida?
• ¿Cuál debe ser la presión de alimentación de un distribuidor, conociendo
el caudal y la presión de salida?
Ejemplo 1:
Datos:
Sección:
Caudal necesario:
Presión de alimentación:
Incógnita:
Presión de utilización
20mm2
1300 NI/min.
7 bar.
Definir el punto de intersección entre la línea vertical (abscisas) 1300120
NI/min. y la curva de presión de 7 bar.
La presión de utilización vendrá reflejada en la recta de ordenadas: 5,8 bar.
Ejemplo 2:
Datos:
Sección:
Presión de alimentación:
Presión de utilización:
Incógnita:
Caudal nominal.
20mm2
7 bar.
4,5 bar.
© ITP·Paraninfo / 259](https://image.slidesharecdn.com/395389766-neumatica-parani-pdf-210524025150/75/PLC-y-Electroneumatica-Neumatica-137-2048.jpg)
![VÁLVULAS DE CONTROL DIRECCIONAL
Donde:
• Cv = Coeficiente de caudal.
• kv = Coeficiente de caudal.
• S = Sección equivalente (mm2).
• Q = Caudal unitario estándar (NI/min.).
• P2 = Presión de salida necesaria. (bar).
• ,1.P= Caída de presión pennisible (bar).
•e= Temperatura del aire (0 C).
La figura 9.24 muestra la relación entre las distintas unidades empleadas en
los cálculos anteriores.
~ 9.7. VÁLVULAS AUXILIARES
9.7.1. VÁLVULAS ANTI-RETORNO
Una válvula anti-retomo pennite que el aire libre fluya en un sentido y cie-
rre herméticamente en el otro. Estas válvulas se llaman también válvulas de
retención. Las válvulas anti-retorno están incorporadas en los reguladores de
velocidad, en los sistemas de bloqueo, etc.
Figura 9.25. Válvula anti-retorno.
262 I © ITP-Paraninfo
VÁLVULAS DE CONTROL DIRECCIONAL
9.7.2. REGULADORES DE VELOCIDAD
Un regulador de velocidad consiste en una válvula de retención y una
estrangulación variable en un alojamiento.
La figura 9.26 ilustra un ejemplo típico con la indicación del flujo.
.':: ~
~
• _JI
...:.....-
1-'
y
líl
JJ
J~
¡----] )"--' ~ i l
Figura 9.26. Regulador de velocidad.
9.7.3. VÁLVULA SELECTORA DE CIRCUITO (Función "O")
Se trata de una válvula con tres orificios, dos entradas de señal de presión y
una salida. La salida se producirá cuando exista señal en cualquiera de las dos
entradas. Si solamente hay señal en una de las entradas, el émbolo interno, impi-
de que la presión de la señal salga a escape por el lado opuesto (figura 9.27).
9.7.4. VÁLVULA DE ESCAPE RÁPIDO
Este componente pennite una máxima velocidad de carrera del émbolo, rea-
lizando el escape del cilindro directamente desde su orificio, con una gran
capacidad de caudal, en lugar de hacerlo por el tubo y la válvula.
© svr:E5I'AÑA. SA. © ITP-Paraninfo I 263](https://image.slidesharecdn.com/395389766-neumatica-parani-pdf-210524025150/75/PLC-y-Electroneumatica-Neumatica-139-2048.jpg)
Subido porSANTIAGO PABLO ALBERTO
PLC y Electroneumática: Neumática
1) El documento proporciona información sobre neumática y su aplicación en procesos industriales. 2) Explica los conceptos básicos de neumática como compresores, distribución de aire, tratamiento del aire y actuadores. 3) El objetivo es servir como guía para resolver problemas relacionados con la neumática en procesos de fabricación.
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- 1. dotar de conocimientosen Tecnología Neumática, • • •111 el dla a dia, se encuentran con problemas tanto [tüéClon, como en mantenimiento de líneas de fabricación. últimas innovaciones en este campo, los "'lCOntrar~ln en esta obra. una guía de ayuda para quepermitan el trabajo automático, en favor de IIcionisliz:aciión en los procesos, así como una gran mejora IfIdlici4)mls laborales del personal implicado en la manipulación de i1clolltóxic:os, o de difícil manejo. mbi6n esperamos que encuentre una buena acogida, en los Centros de itnaa4ión Profesional e Ingenierías Técnicas. ISBN: 978-84-28 Paraninfo www.paraninfo.es I 9 7 aParaninfo
- 2.
- 3. PARANINFO Neumática © SMC España.S.A. Gerente Editorial Área Técnico-Vocacional: M.' José López Raso COPYRIGHT © 2002 Internalianal Thomson Editores Spain Paraninfo, S.A. 2,' edición, 6.areimpresión, 2009 Magaltanes, 25; 28015 Madrid ESPAÑA Teléfono: 902 995 240 Fax: 91 44562 la elientes@paraninfo.es www.paraninfo.es Impreso en España Printed in Spain ISBN: 978-84-283-2848-7 Depósito Legal: M-9.936·2009 1'0529) Reservados los derechos para todos los paises de lengua espa- ñola. De conformidad con lo dis- puesto en el articulo 270 del Códi· go Penal vigente, podrán ser casti- gados con penas de multa y priva- ción de libertad quienes reprodu - jeren o plagiaren, en todo o en parte, una obra literaria. artística o cientifica fijada en cualquier tipo de soporte sin la preceptiva auto- riz ación. Ninguna parte de esta publicación, incluido el diseño de la cubierta, puede ser reproduci- da, almacenada o transmitida de ninguna forma, ni por ningún me- dio, sea éste electrónico. químico, mecánico, electro-óptico, graba. ción, fotocopia o cualquier otro, sin la prevía autorización escrita por parte de la Editoríal. Diseño de cubierta: Preimpresión : Impresión : Gráficas Rogar Polig. Ind. Alparrache Navalcarnero (Madrid) 1. Evolución histórica del aire comprimido ..................... 2. Introducción a la neumática práctica ............................ 2. L ¿Qué puede hacer la neumática? .................................................... 2.2. Propiedades del aire comprimido ................................................... 3. El sistema básico neumático .............................................. 3.1. Sistema de producción de aire ........................................................ 3.2. Sistema de utilización ..................................................................... 4. Teoría del aire comprimido .................................................. 4.1. Unidades ......................................................................................... 4.2. Unidades no métricas ..................................................................... 4.3. Presión ............................................................................................ 4.4. Propiedades de los gases ................................................................ 4.4. L Ley de Boile Mariotte ........................................................... 4.4.2. Ley de Gay Lussac ............................................................... 4.4.3. Ley de Charles ...................................................................... 4.4.4. Transformación adiabática ................................................... 4.4.5. Volumen estándar ................................................................. 4.4.6. Gasto volumétrico (Caudal) ................................................. 4.4.7. Ecuación de Bernoulli .......................................................... 4.5. Humedad del aire ........................................................................... 3 3 5 7 8 9 11 11 13 13 14 14 16 17 18 19 19 19 20 © ITP-Paraninfo I V
- 4. íNDICE 4.5.1. Humedad relativa.......... ....................... ........... .........••.••..••... 4.5.2. Punto de roCÍo ....................................................................... 4.6. Presión y caudal ...........................................................•................. 4.6.1. Uso del diagrama .................................................................. 4.6.2. Formulario ............................................................................. 5. Compresión y distribución del aire ................................ 5.1. Compresores ................................................................................... 5.1.1. Compresores alternativos ..................................................... 5.1.2. Compresores rotativos .......................................................... 5.1.3. Capacidad normal del compresor ......................................... 5.2. Rendimiento volumétrico ............................................................... 5.2.1. Rendimiento ténnino y global .............................................. 5.3. Accesorios del compresor .............................................................. 5.3.1. Depósito de aire comprimido ............................................... 5.3.1.1. Selección del tamaño de depósito de aire comprimido .............................................................. 5.3.2. Filtro de aspiración ............................................................... 5A. Deshidratación del aire ................................................................... SA.1. Post-enfriadores ............................•....................................... 5.5. Cálculo de los post-enfriadores ...................................................... 5.5.1 . Post-enfriador por aire .......................................................... 5.5.2. Post-enfriador por agua ........................................................ 5.6. Secadores de aire ............................................................................ 5.6.1. Secado por absorción (Secado coalescente) ......................... 5.6.2. Secado por adsorción (Desecante) ...................................... 5.6.3. Secado por refrigeración ...................................................... 5.6.4. Separador de condensados .................................................... 5.7. Filtro de línea principal .................................................................. 5.8. Distribución del aire ....................................................................... 5.8.1. Final en línea muerta ............................................................ 5.8.2. Conducto principal en anillo ................................................ 5.9. Líneas secundarias.......................................................................... 5.10. Purgas automáticas ....................................................................... 5.11. Selección del tamaño de los conductos principales de aire .......... 5.12. Materiales para la tubería ............................................................. 5.12.1. Tubería de gas estándar (SOP) ........................................... 5.12.2. Tuberías de acero inoxidable .............................................. 5.12.3. Tubos de cobre ................................................................... S.12A. Tubos de goma ................................................................... 22 23 27 29 30 31 31 31 34 37 38 38 39 39 40 41 41 41 43 43 45 46 46 47 49 50 51 52 52 53 54 55 56 60 60 61 61 61 VI , © ITP-Paranin!o © SV[; E;pfWA SA íNDICE 5.12.5. Tubos de PVC o de nylon ................................................... 62 5.13 . Sistemas de conexión ................................................................... 63 6. Tratamiento del aire ................................................................. 65 6.1. Filtraje ............................................................................................ 65 6.1.1. Filtro estándar.. ..................................................................... 65 6.1.2. Filtros micrónicos ................................................................. 67 6.1.3. Filtros sub-micrónicos .......................................................... 67 6.1.4. Selección del filtro ................................................................ 68 6.1.5. Calidad del aire ..................................................................... 68 6. I.5.1. Niveles de filtraje ..................................................... 68 6.2. Regulación de la presión ................................................................ 70 6.2.1. Regulador estándar ............................................................... 71 6.2.2. Regulador pilotado internamente ......................................... 74 6.2.3. Filtro-regulador .................................................................... 75 6.2A. Selección del tamaño de un regulador de presión: características ....................................................................... 75 6.2.5. Regulador de presión con válvula antirretorno .................... 77 6.2.6. Regulador de presión para equilibrio de cargas ................... 78 6.3. Regulador proporcional de la presión ............................................ 80 6A. Válvula de arranque progresivo ..................................................... 82 6.5. Multiplicación de la presión ........................................................... 84 6.6. Lubricación del aire comprimido ................................................... 87 6.6.1. Lubricadores proporcionales ................................................ 88 6.6.2. Lubricación por inyección .................................................... 89 6.6.3. Lubricador de micro-niebla .................................................. 91 6.6.4. Sistemas de lubricación centralizada .................................... 92 6.7. Unidades de filtro-regulador-lubricador (ER.L.) ........................... 95 6.7.1. Selección del tamaño e instalación ....................................... 95 7. Actuadores ..................................................................................... 97 7.1. Actuadores lineales ........................................................................ 97 7.1.1. Cilindro de simple efecto ..................................................... 97 7.1.2. Cilindro de doble efecto ....................................................... 98 7.1.3. Características principales .................................................... 98 7.IA. Construcción del cilindro ..................................................... 99 7.1.5. Estanqueidad ........................................................................ 99 7.2. Selección de los actuadores lineales ............................................... 10 I © SV'[; ESPAÑA, SA. © ITP·Paranin!o , VII
- 5. íNDICE 7.2.1. Cálculo dela fuerza .............................................................. 102 7.2.2. Fuerza necesaria ................................................................... 104 7.2.3. Coficiente de carga ............................................................... 106 7.2.4. Verificación del pandeo ........................................................ 108 7.3. Amortiguación ................................................................................ 112 7.3.1. Capacidad de amortiguación ................................................ 113 7.3.2. Verificación de la velocidad máxima ................................... 113 7.3.3. Super amortiguación ............................................................. 115 7.3.3.1. Capacidad ................................................................. 116 7.3.4. Amortiguadores hidráulicos ................................................. 117 7.4. Verificació~ de las cargas radiales .................................................. 117 7.5. Caudal de aire y consumo .............................................................. 119 7.6. Montaje del cilindro ....................................................................... 122 7.6.1. Juntas flotantes ..................................................................... 123 7.7. Actuadores especiales .................................................................... 123 7.7.1. Cilindro con unidad de bloqueo ........................................... 123 7.7.2. Cilindro de vástagos paralelos .............................................. 124 7.7.3. Cilindro con vástago antigiro ............................................... 124 7.7.4. Cilindro plano ....................................................................... 125 7.7.5. Cilindro de doble vástago ..................................................... 126 7.7.6. Cilindro tándem ..............................•....••............................... 126 7.7.7. Cilindro multiposicional ....................................................... 127 7.7.8. Unidades deslizantes ............................................................ 128 7.7.9. Mesa lineal de traslación ...................................................... 129 7.7.10. Cilindro de tope .................................................................. 130 7.7. 11. Cilindro compacto .............................................................. 131 7.7.12. Unidades hidroneumáticas ................................................. 132 7.7.13. Cilindros sin vástago .......................................................... 134 7.7.13.1. Selección de los cilindros sin vástago .................. 135 7.8. Actuadores de giro ......................................................................... 142 7.8.1. Actuador de giro mediante piñon-cremallera ....................... 142 7.8.2. Actuadores de giro por paletas ............................................. 142 7.8.3. Dimensionado de los actuadores de giro .............................. 143 7.8.4. Nuevos actuadores de giro ................................................... 148 7.8.5. Actuadores rotolineales ........................................................ 149 7.9. Pinzas neumáticas .......................................................................... 150 7.9.1. Pinzas con apertura angular .................................................. 151 7.9.1.1. Pinzas angulares con gran esfuerzo prensil ............ 151 7.9.2. Pinzas con apertura paralela ................................................. 152 7.9.2.1. Pinzas de apertura paralela de precisión ................. 152 7.9.3. Pinzas autocentrantes ........................................................... 153 VIII ! © ITP·Paranin!o ." íNDICE 7.9.4. Pinzas de tres dedos .............................................................. 154 7.9.5. Pinzas con apertura a 1800 ..... ........... ................... ........ ........ 154 7.9.6. Consideraciones sobre las pinzas ......................................... 155 7.9.7. Selección de las pinzas ......................................................... 155 7.9.8. Construcción de los dedos .................................................... 156 8. Vacío ................................................................................................... 159 8.1. Definición de vacío ........................................................................ 8.1.1. Consideraciones entre vacío y sobrepresión ........................ 8.1.2. Gasto de energía en los diferentes grados de vacío .............. 8.1.3. Vacío centralizado o descentralizado ................................... 8.1.4. Seguridad para cargas suspendidas ...................................... 8.2. Presión atmosférica ........................................................................ 8.2.1. Variación de la presión con altura ........................................ 8.2.2. Medición del vacío (Unidades) ............................................ 8.3. Generación del vacío ...................................................................... 8.3.1. Bombas mecánicas ............................................................... 8.4. Eyectores ........................................................................................ 8.4.1. Características de un eyector ................................................ 8.4.2. Influencia entre flujo de aspiración/presión de vacío ........... 8.4.3. Eyector con dos etapas ......................................................... 8.4.4. Eyector multietapa ................................................................ 8.4.5. Selección de los eyectores .................................................... 8.4.6. Sistemas estancos ................................................................. 8.4.7. Sistemas con fugas ............................................................... 8.4.7.1. Fugas a través de secciones conocidas .................... 8.4.8. Determinación de las fugas en secciones desconocidas ....... 8.4.9. Selección de eyector en sistema con fugas ........................... 8.4.10. Cálculos para seleccionar el tamaño de eyector ................. 8.5. Cálculo del tiempo de respuesta de los sistemas ............................ 8.5.1. Cálculo del volumen a evacuar ............................................ 8.5.2. Cálculos para determinar el tiempo ...................................... 8.5.3. Método gráfico para el cálculo del tiempo de respuesta ...... 8.5.4. Rendimiento de un eyector ................................................... 8.6. Recomendaciones para el uso de los eyectores ........:..................... 8.6.1. Alimentación de presión .........................:............................. 8.6.2. Filtrado del aire .................................................................... 8.6.3. Otras recomendaciones ......................................................... 8.7. Ventosas .......................................................................................... 8.7.1. Fuerza de elevación teórica .................................................. 159 160 161 162 164 165 166 168 169 169 171 172 173 174 175 180 181 182 182 183 184 185 186 187 188 189 191- 192 192 193 193 194 195 © ITP-Paranin!o ! IX
- 6. l íNDICE íNDICE 8.7.2. Fuerza deelevación real ....................................................... 196 9. Válvulas de control direccional ......................................... 241 8.7.3. Cierre de las ventosas ........................................................... 198 8.7.4. Selección de la ventosa ......................................................... 200 8.7.4.1. Según el material ..................................................... 200 • NBR ...................................................................... 200 • Silicona ................................................................. 201 • Vitón ..................................................................... 201 9.1. Funciones de la válvula .................................................................. 9.2. Monoestable y biestable ................................................................. 9.3. Tipos de válvula ............................................................................. 9.3.1. Válvulas de asiento ............................................................... 9.3.2. Válvulas de corredera ........................................................... 242 242 243 243 244 • Goma de conducción eléctrica.............................. 201 9.3.3. Válvulas rotativas ................................................................. 247 8.7.4.2. Según la forma geométrica ...................................... 201 • Ventosa universal .................................................. 201 9.4. Accionamiento de las válvulas ....................................................... 9.4.1. Accionamiento mecánico ..................................................... 248 248 • Ventosa con fuelle... .............................................. 201 9.4.1.1. Precauciones al utilizar rodillos de palanca.............. 248 • Ventosa mutifuelle ................................................ 202 9.4.2. Accionamiento manual ......................................................... 248 • Ventosa profunda .................................................. 202 9.4.3. Accionamiento por pilotaje neumático ................................. 249 • Junta esférica ........................................................ 202 9.4.3.1. Accionamiento directo e indirecto............................ 251 • Ventosa plana con refuerzo interior ...................... 203 9.4.4. Accionamiento eléctrico (por solenoide) ............................. 252 • Ventosa plana, interior con apoyo y válvula ......... 203 • Ventosa con perfi1 ................................................. 203 9.5. Montaje de válvulas ....................................................................... 9.5.1. Conexión directa ................................................................... 252 252 • Ventosa con movimiento mínimo ......................... 204 8.7.5. Precauciones para el uso de ventosas ................................... 204 8.8. Regulación del vaCÍo ...................................................................... 209 8.8.1. Regulación de acción directa con accionamiento manual .... 209 8.8.2. Regulación proporcional de la presión ................................. 210 8.8.3. Regulación de la presión de alimentación de eyectores ....... 212 8.8.4. Regulación con grandes caudales ......................................... 214 8.9. Electroválvulas utilizadas para la distribución de accionamiento en vacío .......................................................................................... 215 8.9.1. Electroválvulas de acondicionamiento directo ..................... 215 8.9.2. Electroválvulas servo-pilotado ............................................. 216 8.9.3. Selección de las electroválvulas ........................................... 217 9.5.2. Bloques de válvulas .............................................................. 9.5.3. Placas bases .......................................................................... 9.5.4. Placas base múltiples ............................................................ 9.5.5. Placas base acopladas ..............................................,............ 9.5.6. Bloques de electroválvulas Profibus .................................... 9.6. Cálculo del tamaño de una válvula ................................................ 9.7. Válvulas auxiliares ......................................................................... 9.7.1. Válvulas anti-retorno ............................................................ 9.7.2. Reguladores de velocidad ..................................................... 9.7.3. Válvula selectora de circuito ................................................ 9.7.4. Válvula de escape rápido ...................................................... 253 254 254 254 255 257 262 262 263 263 263 8.1 0. Vacuostatos ................................................................................... 222 8.11 . Tanques de reserva y conducciones .............................................. 224 8.11.1. Reserva de energía para la seguridad ................................. 224 8.11.2. Tanque de reserva - rapidez de respuesta ........................... 226 10. Neumática proporcional..................................................... 265 8.11.2.1 . Sistema con bomba directa .................................... 228 10.1. Introducción ................................................................................. 265 8.11.2.2. Sistema con bomba y depósito auxiliar ................. 229 8.11.3. Cálculo de tuberías ............................................................. 231 8.12. Circuitos de regulación proporcional de vacío ............................. 233 8.12.1. Cálculo de la válvula proporcional ..................................... 234 8.12.2. Circuito economizador de energía ...................................... 235 8.12.3. Elevación y transferencia de chapas ................................... 236 8.12.4. Spray ................................................................................... 238 8.12.5. Regulación de presión ........................................................ 238 8.12.6. Sistema de transporte neumático ........................................ 239 10.2. Control de la presión .................................................................... 266 10.2.1. Sistema fluídico tobera-paleta ............................................ 266 10.2.2. Corredera de distribución metal-metal............................... 267 10.3. Control de flujo ............................................................................ 269 10.4. Tarjetas electrónicas de mando ..................................................... 270 10.5. Aplicaciones ................................................................................. 272 10.5.1. Regulación de la tensión por tracción ................................ 272 10.5.2. Control de pulverización de cola o pintura ........................ 273 x¡ © ITP-Paraninfo © ITP·Paraninfo I XI
- 7. íNDICE 10.5.3. Control develocidad .......................................................... 274 10.5.4. Control de la posición ......................................................... 274 11. Circuitos básicos ............................... ............................ 277 11.1. Introducción .................................................................................. 277 11.2. Funciones elementales .................................................................. 278 11.2.1. Amplificación de caudal ..................................................... 278 11 .2.2. Inversión de señal ............................................................... 278 11.2.3. Selección ............................................................................. 279 11 .2.4. Función de memoria ........................................................... 280 11.3. Funciones de tiempo ..................................................................... 280 11.3.1 . Temporización a la conexión .............................................. 281 11 .3.2. Temporización a la desconexión ......................................... 282 11 .3.3. Impulso de presión a la conexión ....................................... 282 11.3.4. Impulso a la desconexión de una válvula ........................... 284 11.4. Control de cilindros ...................................................................... 284 11.4.1. Control manual ................................................................... 284 11.4.1.1. Cilindro de simple efecto ..................................... 284 11.4.1.2. Cilindro de doble efecto........................................ 287 11.5. Detección de la posición de los cilindros ..................................... 289 11.5.1. Retorno automático ............................................................ 289 11.5.2. Carreras repetitivas ............................................................. 291 11 .6. Control de secuencias ................................................................... 292 11 .6. 1. Cómo describir una secuencia ............................................ 292 11.6.2. Secuencia de dos cilindros .................................................. 292 11.6.3. Ciclo único, ciclo continuo ................................................. 294 I1.7. Comandos opuestos ...................................................................... 294 1l.7.1. Eliminación con una señal de corta duración ..................... 294 11 .7.2. Sistema de cascada ............................................................. 295 11.8. Desarrollo de automatismos neumáticos ...................................... 298 11.8.1. Planteamiento de un automatismo neumático .................... 298 11.8.2. Localización de señales permanentes ................................. 298 11.8.3. Anulación de señales permanentes ..................................... 11.8.4. Métodos intuitivos de anulación ............:............................ 301 301 11.8.5. Métodos sistemáticos de anulación .................................... 302 11.8.6. Elección del método de anulación ...................................... 302 Anexo. Simbología de componentes neumáticos ....... 305 XII I © ITP·Paranin!o © svcESf>AW.. SA. " Agra El presente texto de Neumática, ha sido creado por el Departamento Técnico Didáctico de SMC España, S.A. y la colaboración de D. Amadeo Rodríguez, Profesor de Sistemas de Regulación y Control Automático, del Centro I.E.S. FERMÍN BOUZA BREY en Vilagarcia de Arousa (Pontevedra). © SVCE~SA. © ITP·Paranin!o I XIII
- 8. Evoluci n del airecom En la antigüedad, los griegos, en su búsqueda de la verdad, fueron cautiva- dos por cuatro elementos que se presentaban con relativa continuidad y abun- dancia, estos eran: el agua, el aire, el fuego y la tierra. De estos cuatro elementos, uno en particular, el aire, poseía por su naturale- za volátil y presencia transparente, la más fina expresión de la materia, que en otras "densidades" o "estados" constituía además los otros elementos. Era casi el alma. En griego, el vocablo que significa alma es PNEUMA y en conse- cuencia la técnica que utiliza el aire como vehículo para transmitir energía se llama NEUMÁTICA. A partir de los griegos, el aire se usó de muy diversas formas. En algunos casos, tal como se presenta en la naturaleza, o sea en movimiento. La navega- ción a vela, fue quizás la más antigua forma de aprovechamiento de la energía eólica. Más tarde, los molinos de viento la transformaron en energía mecánica, pennitiendo en algunos casos mover moliendas y en otros bombear caudales importantes de agua unos cuantos metros por encima del nivel del mar en el que estaban operando. El aire presenta connotaciones muy importantes desde el punto de vista de su utilización. Desde su necesidad para la vida (el ser humano, sin saberlo, llena en sus pulmones el compresor más antiguo de la historia, capaz de bom- bear 100 litros de aire por minuto con una presión entre 0,02 y 0,08 bar) hasta contener olas en el mar o impedir el congelamiento de agua por burbujeo. El conocimiento y la aplicación del aire comprimido tomó consistencia a par- tir de la segunda mitad del siglo XVII, cuando el estudio de los gases es objetivo de científicos como: Torricelli, Pascal, Mariotte, Boyle, Gay Lussac, etc. © SIVl: E~SA. © ITP-Paraninfo 11
- 9. EVOLUCiÓN HISTÓRICA DELAIRE COMPRIMIDO Los sucesos más notables acaecidos en el avance del uso del aire comprimi- do pueden resumirse por orden cronológico como sigue: 1500 A.e. Fuelle de mano y de pie Fundición no ferrosa 1688 Máquina de émbolos Papín 1762 Cilindro soplante John Smeaton 1776 Prototipo compresor John Wilkinson 1857 Perforación túnel Mont Cenis 1869 Freno de aire para FFCC . Westinghouse 1888 Red de distribución de aire en París Distribución neumática de correspondencia en París Las investigaciones en el campo de las aplicaciones del aire comprimido no han terminado todavía. Los robots, la manipulación, los autómatas programa- bles y otras djversas prestaciones no han hecho perder ni un ápice el atractivo de la NEUMATICA en la nueva generación tecnológica. Actualmente, es posi- ble realizar elevados ciclos de trabajo con una vida larguísima de estos compo- nentes. Utilizando la electrónica como mando, se ofrecen soluciones inmejora- bles para muchos problemas de automatización industrial. Sectores industriales como: alimentación, ensamblaje y manipulación, siste- mas robotizados o industrias de proceso continuo, son automatizados, en gran parte, neumáticamente por las ventajas que esta tecnología ofrece, tales corno: • Elasticidad, puesto que puede ser almacenada en recipientes una vez com- primido. • No posee características explosivas, aún habiendo sido comprimido. • La velocidad de los actuadores es elevada (1m/s.). • Los cambios de temperatura no alteran sus prestaciones. • Es una técnica limpia (desde el punto de vista macroscópico). • Su coste no es elevado. • Simplifica enormemente la mecánica. Por lo tanto, la NEUMÁTICA, es una tecnología imprescindible como interface de potencia entre la electrónica de mando y el trabajo a desarrollar. 2 / © ITP·Paraninfo Intro neumáti Un sistema de potencia fluida es el que transmite y controla la energía por medio de la utilización de líquido o gas presurizado. En la neumática, esta potencia es aire que procede de la atmósfera y se redu- ce en volumen por compresión, aumentando así su presión. El aire comprimido se utiliza principalmente para trabajar actuando sobre un émbolo o paleta. Aunque esta energía se puede utilizar en muchas facetas de la industria, el campo de la neumática industrial es el que nos ocupa. La utilización correcta del control neumático requiere un conocimiento ade- cuado de los componentes neumáticos y de su función para asegurar su integra- ción en un sistema de trabajo eficiente. Aunque normalmente se especifique el control electrónico usando un secuenciador programable u otro controlador lógico, sigue siendo necesario conocer la función de los componentes neumáticos en este tipo de sistema. Este libro trata de la tecnología de los componentes de sistemas de control, describe tipos y características de diseño de equipos de tratamiento de aire, actuadores y válvulas, métodos de interconexión y presenta los circuitos neumáticos fundamentales. ~ 2.1. ¿QUÉ PUEDE HACER LA NEUMÁTICA? Las aplicaciones del aire comprimido no tienen límites: desde la utilización, por parte del óptico, de aire a baja presión para comprobar la presión del fluido en el ojo humano, a la multiplicidad de movimientos lineales y rotativos en © ITP-Paraninfo I 3
- 10. INTRODUCCiÓN A LANEUMÁTICA PRÁCTICA máquinas con procesos robóticos, hasta las grandes fuerzas necesarias para las prensas neumáticas y martillos neumáticos que rompen el hormigón. La breve lista y los diagramas indicados más adelante sirven solamente para indicar la versatilidad y variedad del control neumático en funcionamiento en una industria en continua expansión. • Accionamiento de válvulas para aire, agua o productos químicos. • Accionamiento de puertas pesadas o calientes. • Descarga de depósitos en la construcción, fabricación de acero, minería e industrias químicas. • Apisonamiento en la colocación de hormigón. • Elevación y movimiento en máquinas de moldeo. • Pulverización de la cosecha y accionamiento de otro equipamiento tractor. • Pintura por pulverización. • Sujeción y movimiento en el trabajo de la madera y la fabricación de mue- bles. • Montaje de plantillas y fijaciones en la maquinaria de ensamblado y máquinas herramientas. • Sujeción para encolar, pegar en caliente o soldar plásticos. • Sujeción para soldadura fuerte y normal. • Operaciones de conformado para curvado, trazado y alisado. • Máquinas de soldadura eléctrica por puntos. • Ribeteado. • Accionamiento de cuchillas de guillotina. • Máquinas de embotellado y envasado. • Accionamiento y alimentación de maquinaria para trabajar la madera. • Plantillas de ensayo. • Máquinas herramientas, mecanizado o alimentación de herramientas. • Transportadores de componentes y materiales. • Manipuladores neumáticos. • Calibrado automático o verificación. • Extracción del aire y elevación por vacío de placas finas. • Tomos de dentista. • y muchos más... 4 I © ITP·Paraninfo INTRODUCCiÓN A LA NEUMÁTICA PRÁCTICA ~ 2.2. PROPIEDADES DEL AIRE COMPRIMIDO Algunas razones importantes para la extensa utilización del aire comprimido en la industria son: Disponibilidad Muchas fábricas e instalaciones industriales tienen un suministro de aire comprimido en las áreas de trabajo y compresores portátiles que pueden servir en posiciones más alejadas. Almacenamiento Si es necesario, se puede almacenar fácilmente en grandes cantidades, en el interior de depósitos o calderines, especialmente diseñados para ello. Simplicidad de diseño y control Los componentes neumáticos son de configuración sencilla y se montan fácilmente para proporcionar sistemas automatizados extensos con un control relativamente sencillo. Elección del movimiento Se puede elegir entre un movimiento lineal o un movimiento de rotación angular con velocidades de funcionamiento fijas y continuamente variables, pudiéndose regular con facilidad dichas velocidades. Economía La instalación tiene un coste relativamente bajo debido al coste modesto de los componentes. El mantenimiento es también poco costoso debido a su larga duración sin apenas averías. Fiabilidad Los componentes neumáticos tienen una larga duración que tiene como con- secuencia la elevada fiabilidad del sistema. © ITP-Paraninfo / 5
- 11. INTRODUCCiÓN A LANEUMÁTICA PRÁCTICA Resistencia al entorno A este sistema no le afectan ambientes con temperaturas elevadas, polvo o atmósferas corrosivas en los que otros sistemas fallan. Limpieza del entorno El aire es limpio y, con un adecuado tratamiento de aire en el escape, se puede Instalar según las normas de "sala limpia", (Clean Room). Seguridad No presenta peligro de incendio en áreas de riesgo elevado y el sistema no está afectado por la sobrecarga, puesto que los actuadores se detienen o se suel- tan simplemente. Los actuadores neumáticos no producen calor. 6 / © ITP-Paraninfo © SVl:ESPAÑA. SA. neum Los cilindros neumáticos, los actuadores de giro y los motores de aire sumi- nistran la fuerza y el movimiento a la mayoría de los sistemas de control neumático para sujetar, mover, formar y procesar el material. Para accionar y controlar estos actuadores, se requieren otros componentes neumáticos, por ejemplo unidades de acondicionamiento de aire para preparar el aire comprimido y válvulas para controlar la presión, el caudal y el sentido del movimiento de los actuadores. Un sistema neumático básico, ilustrado en la figura 3.1, se compone de dos secciones principales: • El sistema de producción y distribución del aire • El sistema de consumo del aire o utilización Producción (!) (!) Utilización Figura 3.1 . El Sistema Neumático Básico. © ITP-Paraninfo / 7
- 12. El SISTEMA NEUMÁTICOBÁSICO ~ 3.1. SISTEMA DE PRODUCCiÓN DE AIRE Las partes componentes y sus funciones principales son: 1. Compresor El aire aspirado a presión atmosférica se comprime y entrega a presión más eleva~a al sistema neumático. Se transforma así la energía mecánica en energía neumat¡ca. 2. Motor eléctrico Suministra la energía mecánica al compresor. Transforma la energía eléctri- ca en energía mecánica. 3. Presostato Controla el motor eléctrico detectando la presión en el depósito. Se regula a la presión máxima a la que desconecta el motor y a la presión mínima a la que vuelve a arrancar el motor. 4. Válvula anti-retorno Deja pasar el aire comprimido del compresor al depósito e impide su retor- no cuando el compresor está parado. 5. Depósito Almacena el aire comprimido. Su tamaño está definido por la capacidad del compresor. Cuanto más grande sea su volumen, más largos son los intervalos de funcionamiento del compresor. 6. Manómetro Indica la presión del depósito. 7. Purga automática Purga todo el agua que se condensa en el depósito sin necesitar supervisión. 8 I © ITP-Paraninfo El SISTEMA NEUMÁTICO BÁSICO 8. Válvula de seguridad Expulsa el aire comprimido si la presión en el depósito sube por encima de la presión permitida. 9. Secador de aire refrigerado Enfría el aire comprimido hasta pocos grados por encima del punto de con- gelación y condensa la mayor parte de la humedad del aire, lo que evita tener agua en el resto del sistema. 10. Filtro de línea Al encontrarse en la tubería principal, este filtro debe tener una caída de presión mínima y la capacidad de eliminar el aceite lubricante en suspensión. Sirve para mantener la línea libre de polvo, agua y aceite. ~ 3.2. SISTEMA DE UTILIZACiÓN 1. Purga del aire Para el consumo, el aire es tomado de la parte superior de la tubería princi- pal para permitir que la condensación ocasional permanezca en la tubería prin- cipal; cuando alcanza un punto bajo, una salida de agua desde la parte inferior de la tubería irá a una purga automática eliminando así el condensado. 2. Purga automática Cada tubo descendiente, debe tener una purga en su extremo inferior. El método más eficaz es una purga automática que impide que el agua se quede en el tubo en el caso en que se descuide la purga manual. 3. Unidad de acondicionamiento del aire Acondiciona el aire comprimido para suministrar aire limpio a una presión óptima y ocasionalmente añade lubricante para alargar la duración de los com- ponentes del sistema neumático que necesitan lubricación. © lTP·Paraninfo / 9 l
- 13. EL SISTEMA NEUMÁTICOBÁSICO 4. Válvula direccional Proporciona presión y pone a escape alternativamente las dos conexiones del cilindro para controlar la dirección del movimiento. 5. Actuador Transforma la energía potencial del aire comprimido en trabajo mecánico. En la figura se ilustra un cilindro lineal, pero puede ser también un actuador de giro o una herramienta neumática, etc. 6. Controladores de velocidad Permiten una regulación fácil y continua de la velocidad de movimiento del actuador. Estos componentes se ilustrarán con más detalle tras estudiar la teoría del aire comprimido. Es imprescindible para comprender qué pasa en un sistema neumático. 10 / © rTP-Paraninfo © SVCESPAÑA. $A ~ 4.1 UNIDADES Para la aplicación práctica de los accesorios neumáticos, es necesario estu- diar las leyes naturales relacionadas con el comportarrnento del aIre corno gas comprimido y las medidas físicas que se utilizan normalmente. El Sistema Internacional de Unidades está aceptado en todo el mundo desde 1960, pero EEUU, el Reino Unido y Japón siguen utilizando preferentemente el sistema legal de pesas y medidas. UNIDADES BÁSICAS UNIDADES COMPUESTAS © ITP-Paraninfo I 11
- 14. TEORíA DEL AIRECOMPRIMIDO Magnitud 51mbolo Unidad SI Nombre 80 a V I cid d v mis metro por segundo VelocIdad ang. Ol rad/s radianes por segundo AceJerloi611 a m/s2 metro/segundo al cuadrado Inercia J m 2Kg "".." F N Newton pelO " ,':' G N Aceler. Gravedad TrebejO , W J Joule EnwgI. potencial E,W J Joule Enarg/a clnéllo. E,W J Joule Potencl. P W Vatio UNIDADES RELACIONADAS CON EL AIRE COMPRIMIDO Magnrtud Símbolo Umdad SI Nombre VP_ 1 6ft P Pa Pascal r·VoIdIROII " témiar Yn m' Metro cúbico estándar " Gaít" volumétrico O m3 n S" Metro cúbico por segundo en.rgl••Trabajo E,W J Joule POMt.¡. P W Vatio Tabla 4.1. Unidades S.r. utilizadas en los sistemas neumáticos Tabla 4.2. Preposiciones para potencias de diez 12 I © ITP·Paraninfo Para numerar las unidades por potencias de diez, más grandes o más pequeñas que las unidades arriba indicadas fue acordada una serie de pre~ fijos que se enumeran en la tabla 4.2, TEORíA DEL AIRE COMPRIMIDO ~ 4.2 UNIDADES NO MÉTRICAS La tabla que viene a continuación ilustra una comparación entre el sistema métrico (ISO) y el sistema legal de pesas y medidas, Magnitud 51st Metrlco 51St. Inglés Factor m q I Factor I c;) m Masa Kg. Libra 2,205 0.4535 g. Onza 0,03527 28,3527 LCl/lgitud M pie 3,281 0,3048 m yarda 1,094 0,914 mm, pulgada 0,03937 25,4 Temperatura OC ° F 1,8 C + 32 (OF-32)/l,8 í Ar.....c.16n m' pie cuadrado 10,76 0,0929 cm' pulgada cuad. 0,155 6.4516 Volumen m' yarda cúbica 1.308 0,7645 cm' pulgada cúb. 0,06102 16,388 dm3 (litro) Pie cúbico 0,03531 28,32 Gasto m3jmin. scfm 35,31 0,02832 volumétrico dm3j min scfm 0,03531 28,32 Fuerza Newton (NI Libra fuerza 0,2248 4,4484 Presión Bar psi 14,5 0,06895 Tabla 4.3. Unidades no métricas ~ 4.3 PRESiÓN Es necesario notar que la unidad ISO de presión es el Pascal (Pa) 1 Pa = 1 N/m2 (Newton por metro cuadrado) Esta unidad es extremadamente pequeña, así que para evitar trabajar con números grandes, existe un acuerdo para utilizar el bar como unidad de 100,000 Pa, puesto que esta medida es más práctica para utilización industrial. 100.000 Pa = 100 kPa = 1 bar Corresponde, con suficiente precisión para fines prácticos, a kgf/cm2 y kp/cm2 del sistema métrico. © ITP·Paraninfo I 13
- 15. TEORíA DEL AIRECOMPRIMIDO Físíca Meteorología Neumática Vacío ....---- _ - ~ ______._r_------------- ----_,-------- "Y""-,.... ..---,-..,.....----_____ _ _ -, ! 500 KPa ¡ 4 bar l ! ! ! ! ! I I I I f", 400 KPa i 3 bar ! f I~I" 300 KPa ! 2 bar I I I I e I I , I -o I I I~ 200 KPa I .~ 1 bar ! ! ttt ¡ 1060 mbar ,9i : : : 1I : 1a.. I I la.. I t Ob i I f, ' 100 KPa ~ I ar, , ! 400 Torr. i -533 mbar i 1 , ' 1 L ________________ _____o. _ ___________ _ =__-'_____________ _____, Figura 4.4. Diferentes sistemas de indicación de presión. PrMlon atmosférica estándar 101.325 Pa (absolul ) Presión atmosféríca. Vacío absoluto En el contexto de los accesorios neumáticos, una presión se considera como presión relativa, es decir por encima de la presión atmosférica, y se denomina comúnmente presión manométrica. La presión se puede expresar también como presión absoluta (ABS), es decir una presión relativa a un vacío total. En la tecnología del vacío, se utiliza una presión por debajo de la atmosférica, es decir bajo presión. Las diferentes maneras de indicar la presión se ilustran en la figura 4.4 utili- zando como referencia una presión atmosférica estándar de 1013 m.bar. Hay que notar que ésta no es 1 bar, aunque para cálculos neumáticos normales se puede ignorar la diferencia. ~ 4.4 PROPIEDADES DE LOS GASES 4.4.1. LEY DE BOYLE MARIOTTE A temperatura constante, el volumen ocupado por una masa gaseosa inva- riable está en razón inversa de su presión, es decir, que en tales circunstancias se verifica: p . V = Cte. También se puede escribir: P, .V, =P2 . v2 =P, .V, =ete 14 / © ITP-Paraninfo © SV[;: ESPAÑA. SA. o también de esta otra manera: P ~ = P, = Cte. V, V, P.V= Cte. L-__________________~~v Figura 4.5. Isoterma del gas. V=1 ; P=1 P, .V, = P2 V2 TEORíA DEL AIRE COMPRIMIDO Si la temperatura T es constante. Las líneas que unen los puntos que se hallan a la misma temperatura se lla- man "isotermas" o "isotér- micas del gas", siendo su curva representativa la hipérbola equilátera sobre el plano P V como la que aparece en la figura 4.5. = P3 ,V3 Figura 4.6. Ilustración de la ley de Bayle. © ITP·Paraninfo / 15 l
- 16. TEORíA DEL AIRECOMPRIMIDO Si el volumen VI =1 m3 a una presión absoluta de 100 kPa (1 bar ABS) se comprime a temperatura constante a un volumen V2 = 0,5 m3, entonces: P,' V, = P,'V, Por lo tanto: P _ p, 'V, , - V , es decir, P _ 100 KPa ·1 m' 200 KPa (2 bares ABS) 2 - 0,5 m3 Nuevamente. si el volumen VI a lOO kPa se comprime a V3 =0,2 m3, enton- ces la presión resultante: P, = P, . V, = 100 KPa·1 m' 500 KPa (5 bares ABS) V, 0.2 m' 4.4.2. LEY DE GAY LUSSAC A presión constante. el volumen ocupado por una masa dada de gas, es directamente proporcional a su temperatura absoluta. V , = V , = V , = Cte T, T, T, Dichas transformaciones se denominan "isobaras" o "isobáricas del gas". siendo su línea representativa, sobre el plano P V una línea paralela a V. Esto se comprende fácilmente, pues tanto más se comprime un gas más aumenta su temperatura. El coeficiente de dilatación de un gas viene dado por la fórmula: V- v a = _ _ 0 Vo ' t de donde: V= Vo(1 + a ·1) 16 / © ITP-Paraninfo © SlVCESPAÑo>., $A. TEORíA DEL AIRE COMPRIMIDO lo que permite calcular el volumen V ocupado por un gas de volumen inicial Vocuando su temperatura se ha elevado tOK. 4.4.3. LEY DE CHARLES A volumen constante, la presión absoluta de una masa de gas determinada. es directamente proporcional a la temperatura, esto es: P, = P, = P, = Cle. T, T, T, Las curvas que unen los puntos que tienen el mismo volumen específico se denominan "isacaras" , "isosteras" o "isopléricas". En un gas perfecto, las isa- caras son líneas rectas verticales sobre el plano P V. Esta variación de presión viene dada por ~, que es impropiamente llamado coeficiente de dilatación a volumen constante. De este modo se puede obtener la presión del aire contenido en un depósito cuando la temperatura ambiente aumenta tO , despreciando el aumento del volu- men del depósito para esa variación de temperatura, tendremos: P = Po(1 +B 1) El coeficiente de variación de presión a volumen constante (~), es de un valor similar al coeficiente de dilatación a presión constante (a), como él es igualmente independiente de : • La naturaleza del gas. • Su presión inicial. • Su temperatura. Prácticamente se puede escribir: 1 a = B= 273 = 0.00366 En las expresiones superiores, se debe utilizar la escala de temperatura Kelvin, es decir oC + 273°C = 0K. Las relaciones anteriores, se combinan para proporcionar la "ecuación general de los gases perfectos". P, .V , = P, .V , = P, .V , = Cle T, T, T, © svr::E SPAÑA. $A. © ITP-Paraninfo / 17 l
- 17. TEORíA DEL AIRECOMPRIMIDO Esta ley proporciona una de las bases teóricas principales para el cálculo a la hora de diseñar o elegir un equipo neumático, cuando sea necesario tener en cuenta los cambios de temperatura. 4.4.4. TRANSFORMACiÓN ADIABÁTICA P P.V · =Cte. P.V= Cte. ~____________________-.-V Figura 4.7. Transformación adiabática. Esta ley viene expresada analíticamente por: v, = ,íP, V, V"P, de donde: Las leyes anteriores se referían siempre a cambios lentos, con solamente dos variables cambiando al mismo tiempo. En la prác- tica cuando, por ejemplo, el aire entra en un cilindro, no tiene lugar un cambio de estas características, sino un cambio adiabático. La Ley de Boyle conocida: P·V =Cte. se transforma según la siguiente expresión: p . v' = Cte. siendo VI Y V2 los volúmenes correspondientes a dos estados de la masa evolu- cionante y PI Y P2 las presiones respectivas. De la Ley de POISSON y la ecuación de los gases perfectos, se deduce con facilidad, según los cálculos: V ,.p, = R ·T , V, ' P, = R ·T , 18 I © ITP-Paraninfo } V, P, =~ V, .p, T, © SVI::ESP,w. SA. TEORíA DEL AIRE COMPRIMIDO ~r'J ( V r T .-, ~ ( ::r ~ _ 2 =---1. = V, V, T, V, T , T , O bien en definitiva: (~:r=(::f = ~ T , Por otra parte, podemos escribir las ecuaciones en la forma en que se emple- an usualmente: ~= (~J";:' T, P, , V, = (~J¡¡ V, P, Todas ellas nos permiten relacionar los volúmenes o las presiones absolutas de la masa gaseosa con las temperaturas absolutas correspondientes. 4.4.5. VOLUMEN ESTÁNDAR Debido a las interrelaciones entre volumen, presión y temperatura, es nece- sario referir todos los datos de volumen de aire a una unidad estandarizada, el metro cúbico estándar, que es la cantidad de 1,293 Kg. de masa de aire a una temperatura de O°C y a una presión absoluta de 760 mm. de Hg (101.325 Palo 4.4.6. GASTO VOLUMÉTRICO (Caudal) La unidad básica para el gasto volumétrico "Q" es el metro cúbico normal por segundo (mJnls). En la neumática práctica, los volúmenes se expresan en términos de litros por minuto (l/min.) o decímetros cúbicos normales por minu- to (dmJ/min). La unidad no métrica habitual para el gasto volumétrico es el "pie cúbico standard por minuto" (scfm). 4.4.7. ECUACiÓN DE BERNOULLI Bernoulli dice: "Si un líquido de peso específico P fluye horizontalmente por un tubo de diámetro variable, la energía total en los puntos 1 y 2 es la misma" © SVI:ESI'AÑA, SA. © ITP-Paraninfo / 19
- 18. TEORíA DEL AIRECOMPRIMIDO Figura 4.8. Ecuación de Bernoulli. Esto se expresa en la fórmula general: 1 , 1 , P' + "2Ii .V, = P' + "21i V, de donde obtendremos: t.P = ~¡; (v,' - V i ) 2 Esta ecuación se aplica también a los gases si la velocidad del flujo no supe- ra los 330 mis aproximadamente. Aplicaciones de esta ecuación son el tubo de Venturi y la compensación del flujo en los reguladores de presión. ~ 4.5. HUMEDAD DEL AIRE El aire de la atmósfera contiene siempre un porcentaje de vapor de agua. La cantidad de humedad presente, depende de la humedad atmosférica y de la temperatura. La cantidad real de agua que puede ser retenida, depende por completo de la temperatura; 1 m3 de aire comprimido es capaz de retener sólo la misma canti- dad de vapor de agua como 1 m3 de aire a presión atmosférica. 20 / © ITP-Paraninfo © svr:ESPAÑA.. SA. TEORíA DEL AIRE COMPRIMIDO 150 100 50 ..~ .¡;¡ .. "O M 15 E 10 (5 N :c .. 5 "O r:i> 1,5 1 0,5 100 oC Temperatura Figura 4.9. Puntos de condensación para temperaturas de -30°C a aoo c. La gráfica de la figura 4.9 nos permite conocer el número de gramos de agua por metro cúbico para una amplia gama de temperaturas, desde -30°C hasta +80°C. La línea fina indica la cantidad de agua por metro cúbico están- dar. Todo consumo de aire se expresa normalmente en volumen estándar. lo que hace innecesario el cálculo. Para la gama de temperaturas de las aplicaciones neumáticas, la tabla de la figura 4.10 proporciona los valores exactos. La primera mitad se refiere a las temperaturas bajo cero, mientras que la parte inferior indica las temperaturas sobre cero. Las columna central muestra el contenido de un metro cúbico © M:ESPAÑA. AA. © tTP-Paraninfo 121
- 19. TEORíA DEL AIRECOMPRIMIDO estándar y la de la derecha el contenido en un volumen de un metro cúbico a la temperatura dada. Temperatura Q e 9 / m3 n (estándar) 9 / m3 (atmosfénco) - 40 0,15 0,18 - 35 0.25 0.29 - 30 0,40 0,45 -25 0,64 0,70 -20 1,00 1,08 ·15 1,52 1,61 · 1. 2,28 2,37 ·5 3,36 3,42 O 4,98 4,98 5 6,99 6,86 10 9,86 9,51 15 13,76 13,04 20 18,99 17,69 25 25,94 23,76 30 35,12 31,64 35 47,19 41,83 40 63,03 54, 108 Figura 4.10. Saturación del aire por agua (Punto de condensación). 4.5.1. HUMEDAD RELATIVA A excepción de condiciones atmosféricas extremas, como una repentina caída de la temperatura, el aire atmosférico no se satura nunca. El coeficiente entre el contenido real de agua y el del punto de condensación se llama hume- dad relativa y se indica como porcentaje. Humedad relativa = contenido real de agua x 100 cantidad de saturación Ejemplo 1. Temperatura 25°C, h.r. 65%. ¿Qué cantidad de agua hay en 1m3? Punto de condensación 25°C=24g/m3 24 x 0,65= 15,6 g/m3 22 / © ITP~Paraninfo TEORíA DEL AIRE COMPRIMIDO Cuando el aire se comprime, su capacidad para contener humedad en forma de vapor es sólo la de su "volumen reducido". Por lo tanto, a menos que la tem- peratura suba sustancialmente, el agua será expulsada mediante condensación. Ejemplo 2. 10 m3 de aire atmosférico a 15° y 65% de humedad relativa se comprime a 6 bares de presión manométrica. Se modifica la temperatura hasta alcanzar los 25° ¿Qué cantidad de agua se condensará? En la tabla de la figura 4.10 observamos que a 15°C, lO m3 de aire pueden contener una máx. de: 13,04 g/m3 x 10 = 130,4g; Al 65% de h.r., el aire contendrá 130,4 x 0,65= 84,9 g. Se puede calcular el volumen reducido del aire comprimido a 6 bar de presión. P, .V, = P2 . V2 V _ 1,013x10 2 - 6 + 1,013 V _ p, ' V' 2 - P2 1,44 m' De la tabla antes consultada, obtenemos que este volumen, a la nueva tem- peratura, puede retener un máximo de: 23, 76 9 x 1,44 = 34,2 g. La condensación es igual a la cantidad total de agua en el aire, menos el volumen que el aire comprimido puede absorber; así tendremos que: 84,9 - 34,2 = 50,6 9 de agua que se condensa. Este agua de condensación debe eliminarse antes de que se distribuya el aire comprimido, para evitar efectos nocivos sobre los componentes del sistema neumático. 4.5.2. PUNTO DE Rocío Uno de los conceptos clásicos para señalar el grado de humedad de un aire comprimido o de un aire ambiente es el punto de rocío, que se distingue por las siglas PR. El punto de rocío determina una temperatura t, a la cual el aire llega al punto de saturación; esto es, el aire se convierte en aire saturado. No se produ- © ITP-Paraninfo I 23 l
- 20. TEORíA DEL AIRECOMPRIMIDO cirán condensaciones si la temperatura del aire se mantiene por encima del punto de rocío. Si bien, un enfriamiento del aire por debajo de la temperatura del PR, el vapor contenido en el aire comienza a condensar en forma de agua líquida. Cuando un ambiente de aire atmosférico o de aire comprimido seco se somete a un proceso de enfriamiento, la humedad de saturación va disminuyen- do. Como la humedad absoluta permanece constante, la humedad relativa aumentará hasta que la misma alcance el 100%. La temperatura t evidenciada en ese momento corresponderá con el valor del punto de rocío. La principal utilización del concepto del punto de rocío está en el campo del aire seco, en donde es el parámetro para indicar la mayor o menor sequedad del mismo. Puntos de rocío muy bajos reflejan aire muy seco y, por lo tanto, de gran calidad; puntos de rocío elevados suponen aires con altas humedades relativas. De donde se deduce que, para aire con humedad relativa: • Inferior al 100% (aire seco), el punto de rocío será siempre inferior a la temperatura real del ambiente considerado. • Igual al 100% (aire saturado), el punto de rocío coincidirá con el de la temperatura real del ambiente considerado. • Igual al 100%, pero conteniendo fase líquida en suspensión (nieblas), el punto de rocío será superior al de la temperatura real del ambiente con~i derado. El punto de rocío puede calcularse a partir de datos psicrométricos tales como: • Humedad relativa y temperatura ambiente. • Humedad relativa y humedad de saturación. • Humedad absoluta. Con ayuda de fórmulas, es posible calcular el punto de rocío a partir de la humedad relativa (hr) y de la temperatura ambiente (t). En primer lugar, se busca la humedad de saturación (hs) en función de la temperatura y de la pre- sión del sistema: hS=0,625~ P - P, Luego se obtiene la humedad absoluta (hab) por medio de la ecuación: hab =hr.hs hab =hr· hs 100 100 24 / © ITP-Paraninfo © sw:; ESPAÑA, 51'. TEORíA DEL AIRE COMPRIMIDO siendo que, en el punto de rocío, la humedad absoluta (hab) se convierte en hume- dad de saturación, hab = hs hallando Pa (presión de vapor) y finalmente con ayuda de la tabla de la figura 4.11 se buscará la temperatura corresp,ondiente al valor calculado para Pa. Dicha temperatura es el valor del punto de roCIO deseado. Temperatura oC Preso Vapor Temperatura oC Preso Vapor Temperatura oC Preso Vapor mm/Hg mm/Hg mm/ Hg -100 0.0000099 -4 3.280 72 254,6 - 98 0,000015 - 3 3,590 73 265.7 - 96 0,000022 - 2 3,880 74 277,2 - 94 0,000033 - 1 4,225 75 289,1 - 92 0,000048 O 4,579 76 301,4 - 90 0,000070 1 4,926 77 314,1 - 88 0,00010 2 5,294 78 327,3 - 86 0,00014 3 5,685 79 341,0 - 84 0,00020 4 6,101 80 355,1 - 82 0,00029 5 6,543 81 369.7 - 80 0,00040 6 7,013 82 384,9 - 78 0,00056 7 7,513 83 400,6 - 76 0,00077 8 8,045 84 416,8 -74 0,00105 9 8,609 85 433,6 -72 0,00143 10 9,209 86 450,9 - 70 0,00194 11 9,844 87 468.7 - 68 0,00261 12 10,518 88 487,1 - 66 0,00349 13 11,231 89 506,1 - 64 0,00464 14 11,987 90 525,76 - 62 0,00614 15 12.788 91 546,05 - 60 0,00808 16 13,634 92 566,99 - 59 0,00933 17 14,530 93 588,60 - 58 0,0106 18 15,477 94 610,90 - 57 0,0122 19 16,477 95 633,90 - 56 0,0138 20 17,535 96 657,62 - 55 0,0144 21 18,650 97 682,07 - 54 0,0178 22 19,827 98 707,27 - 53 0,0204 23 21,068 99 733,24 - 52 0,0230 24 22,377 100 760,00 - 51 0,0262 25 23,756 101 787,57 - 50 0,0295 26 25,209 102 815,86 - 49 0,0337 27 26,209 103 845,12 - 48 0,0378 28 28,739 104 875,06 -47 0,0430 29 30,043 105 906,07 - 46 0,0481 30 31,824 106 937,92 - 45 0,0540 31 33,695 107 967,6 - 44 0,0609 32 35,663 108 1004,42 - 43 0,0679 33 37,729 109 1038,92 -42 0,0768 34 39,898 110 1074,56 - 41 0,0859 35 42,175 111 1111,20 - 40 0,0966 36 44,563 112 1148.74 Figura 4.11. Presiones de vapor de agua. © SIV[: E SPA.NA. SIl.. © lTP-Paraninfo / 25
- 21. TEORíA DEL AIRECOMPRIMIDO Ejemplo de cálculo: Calcular el punto de rocío de un ambiente a 30°C y 60% de humedad relati- va a la presión atmosférica. Siguiendo el orden de cálculo que hemos visto anteriormente, tendremos: donde: P hs ~ O625 --'- , P-Pa p. = Presión de vapor de agua a 30°C (según tabla =31,824 mm Hg) P =Presión atmosférica =760 mm Hg hs ~ O625 31,824 O , 760 _ 31,824 ,027 Kg. de vapor de agua por Kg. de aire seco. hab ~ 60 x 0,027 00 K 100 ' 162 g. de vapor de agua por Kg. de aire seco con humedad relativa del 60%. La presión con estos valores, será: P ~ 0,0162x760 , 0,625 + 0,0162 19,2014 mm Hg. Buscando en la tabla de la figura 4.11 hallaremos que la temperatura que pro- porciona una presión de vapor de 19,2014 está comprendida entre 21°C y 22°C. Cabe la posibilidad de realizar este experimento a presión atmosférica o bajo presión. Corno existe una variación de la humedad de saturación cuando aumenta la presión también hay una modificación del punto de rocío. La figura 4.12 nos da los valores según lo expuesto. 26 I © ITP-Paraninfo Ü 50 "-- z 40 {) 30 ¡¡¡ w 20 n:: IL 10 o TI O o -10 n:: w -20 o o -30 1- -40 z :J IL -50 -+ -~ -+--- i: tl + TEORíA DEL AIRE COMPRIMIDO t + -50 -40 -30 -20 -10 O 10 20 30 40 PUNTO DE Roclo ATMOSFÉRICO ('C) Figura 4.12. Conversión del punto de rocío bajo presión a punto de rocio a presión atmosférica. ~ 4.6. PRESiÓN Y CAUDAL La relación más importante que existe para los componentes neumáticos es la que existe entre presión y caudal. Si no existe circulación de aire, la presión en todos los puntos del sistema será la misma, pero si existe circulación desde un punto hasta otro, querrá decir que la presión en el primer punto es mayor que en el segundo, es decir, existe una diferencia de presión. Esta diferencia de presión depende de tres factores: • de la presión inicial. • del caudal de aire que circula. • de la resistencia al flujo existente entre ambas zonas. La resistencia a la circulación de aire es un concepto que no tiene unidades propias (como el ohmio en la electricidad) sino que en neumática se usa el con- cepto opuesto, es decir, conceptos que reflejan la facilidad o aptitud de un ele- mento para que el aire circule a través de él, el área de orificio equivalente "S" o el "Cv" o el "Kv". La sección de orificio equivalente "S" se expresa en mm2 y representa el área de un orificio sobre pared delgada que crea la misma relación entre pre- sión y caudal que el elemento definido por él. © ITP-Paraninfo I 27
- 22. TEORíA DEL AIRECOMPRIMIDO Estas relaciones son, en cierta manera, similares a la electricidad, donde " Diferencia de potencial =Resistencia x Intensidad". Esto, trasladado de alguna forma a la neumática, sería: " Caída de presión = Caudal x Área efectiva", sólo que, mientras que las unidades eléctricas son directamente proporcionales, esta relación para el aire es bastante más compleja y nunca será simplemente pro- porcional. En electricidad, una corriente de un amperio (1 A), crea sobre una resisten- cia de un ohmio (In) una tensión de un voltio (1 V). Esto se cumple bien sea desde 100 V. a 99 V. o desde 4 V a 3 V. En cambio, una caída de presión a través del mismo objeto y con el mismo caudal, puede variar con la presión ini- cial y también con la temperatura. Razón, la compresibilidad del aire. Para definir uno de los cuatro datos interrelacionados que han sido mencio- nados, a partir de los otros tres, necesitamos el diagrama que se muestra a con- tinuación: P (bar) 10 Presión minima 9 8 7 6,3 bar ... :....:_.6 Presión de entrada 5 4 3 I , 1 i , .1 i I -1- ..- i - - r-- -t-- . - r--r-- - I p,.,...¡-.. -:--.. "' :--... i::--- i ¡--.... '" i' Flujo subsónico -LI' ¡s=1~m2 t-:- ......... ---1-i 1'---hL--l--+--. r----...~ ~ I ....... r----. ~ 1'1 1"- t'-- ............ "- ~ 1 J"-... ~ f , V 1-' ' - ' V V t'-- r---h t----+ 1 V I ¡-,-_. ----t t---. . 2 i '" O 1 ....... I Iy 20 , 1 V V t-f W"! I 40 t 50 NVmln 1 T'11 I 60 i 80 ' 55 NVmln -- . .- , , I i ¡ 100 120 Q (NI/min.) Figura 4.13. Diagrama de relaciones entre Presión y Flujo para sección de 1 mm2• 8 'c '0 '" o '" ¡¡: 28 I © ITP·Paraninfo © svr::ESPAÑA. SI. TEORíA DEL AIRE COMPRIMIDO El triángulo de la esquina inferior derecha marca el rango del flujo a veloci- dad "sónica", cuando el caudal de aire alcanza una velocidad próxima a la velocidad del sonido. En este caso, el caudal ya no se puede incrementar inde- pendientemente de la diferencia de presión que puede existir entre la entrada y la salida. Como puede verse, las curvas, en esta zona, caen verticalmente. Esto supone que el caudal no depende de la diferencia de presión sino de la presión de entrada. 4.6.1. USO DEL DIAGRAMA La escala de presión en la izquierda indica tanto la presión de entrada como la de salida. La primera línea vertical de la izquierda representa el caudal cero y, evidentemente, la presión en la entrada y la salida; las diferentes curvas para las presiones de entrada desde 1 hasta 10 bar, indican cómo varía la presión de salida con el incremento de caudal. Ejemplo 1: • Presión de entrada = 6 bar. • Caída de presión =l bar (presión de salida =5 bar). Seguimos la curva que parte de 6 hasta que corta la horizontal del nivel de 5 bar. Desde este punto, seguimos la línea a trazos que baja verticalmente hasta la escala de caudales, en la que obtenemos un valor de 55 l/min. Esta situación concreta, define lo que se ha llamado el "volumen de flujo estándar (Qn)", un valor encontrado en los catálogos para una rápida comparación de capacidad de caudal de otras válvulas. El caudal obtenido en este diagrama es para un elemento (válvula, racor, tubería, etc.) con una sección equivalente "S" de 1 mm2 Si el elemento en cuestión tiene, según catálogo, un "S" de 4,5 mm2, el caudal será 4,5 veces mayor. En este caso: 4,5 x 55 = 245 Vmin. Ejemplo 2: Dado un elemento con una sección equivalente "S" de 12 mm2, con una pre- sión de alimentación de 7 bar y un consumo de aire de 600 l/mino ¿qué presión obtendremos en la salida? Un caudal de 600 l/mino con una sección equivalente de 12 mm2, correspon- de un caudal de 50 Vmin. por cada mm2 de sección equivalente (necesitamos esta conversión para poder utilizar el diagrama de la figura 4.13). Seguimos © ITP·Paraninfo I 29
- 23. TEORíA DEL AIRECOMPRIMIDO ahora la curva que comienza en 7 bar hasta que corta la línea vertical de 50 l/min de Qn. A partir de este punto, seguimos la línea horizontal hasta la escala de presiones y obtenemos un valor de 6,3 bar. 4.6.2. FORMULARIO Cuando se requiera un cálculo más exacto que el que pueda ser obtenido en este diagrama, el caudal puede ser calculado con alguna de las fórmulas siguientes. Un vistazo al diagrama de la figura 4.13 nos lo puede aclarar y, lógicamen- te, deben existir dos fórmulas diferentes para los rangos de "flujo sónico" y para los rangos de "flujo subsónico". La frontera entre el flujo sónico y el subsónico viene establecida por las siguientes expresiones: Flujo sónico P, +1,013 5 1,896 (P, +1.013) Flujo subsónico P, +1.013 > 1,896 (P, + 1,013) Siendo PI Y P2 presiones de alimentación y salida de válvulas, respectiva- mente. El caudal Q vendría dado por las siguientes fórmulas: Flujo subsónico: Q = 22,2 S ~=(p'--,-+1 ""' ,0CC"" 13 "')--' (=-P,---= P--",) Flujo sónico: Q = 11,1 · S· (p, + 1,013) Vea cómo un sistema neumático nunca funcionará de forma satisfactoria en condiciones de flujo sónico ya que, por ejemplo, de una presión de alimenta- ción de 6 bar no quedarían nada más que 2,7 bar para trabajar. Ejemplo de cálculo: Repetiremos el cálculo del ejemplo 2 que acabamos de realizar con los mis- mos datos: Presión de trabajo 7 bar, una presión de salida de 6,3 bar y una sec- ción equivalente de 12 mm2 Q = 22.2 . S . .,¡(P, + 1,013)'(P,-P,)- 22.2x12x"¡ 8,013xO,7 - 630,93 I/min. Este dato nos muestra que la precisión del diagrama es suficiente para el uso práctico en neumática. 30 / © ITP-Paraninfo © SVC ESPAÑA SA e p distribución ~ 5.1. COMPRESORES Un compresor convierte la energía mecánica de un motor eléctrico o de combustión, en energía potencial de aire comprímido. Los compresores de aire se dividen en dos categorías principales: alternati- vos y rotativos. Los tipos principales de compresores incluidos en estas categorías se indi- can en la figura 5.1. COMPRESORES DE DESPLAZAMIENTO ROTATIVOS Figura 5.1. Tipos principales de compresores utilizados en los sistemas neumáticos. 5.1.1. COMPRESORES ALTERNATIVOS Compresor de émbolo de una etapa El aire aspirado a presión atmosférica, se comprime a la presión deseada con una sola compresión. © ITP-Paraninfo /31
- 24. I I COMPRESiÓN Y DISTRIBUCiÓNDEL AIRE El movimiento hacia abajo del émbolo aumenta el volumen para crear una presión más baja que la de la atmósfera, lo que hace entrar el aire en el cilindro por la válvula de admisión. Al final de la carrera, el émbolo se mueve hacia arriba, la válvula de admi- sión se cierra cuando el aire se comprime, obligando a la válvula de escape a abrirse para descargar el aire en el depósito de recogida. Este tipo de compresor, alternativo, se utiliza generalmente en sistemas que requieran aire en la gama de 3-7 bares. • Figura 5.2. Compresor de émbolo de una sola etapa. Compresor de émbolo de dos etapas En un compresor de una sola etapa, cuando se comprime el aire por encima de 6 bares, el calor excesivo que se crea, reduce en gran medida su eficacia. Debido a esto, los compresores de émbolo utilizados en los sistemas industria- les de aire comprimido son generalmente de dos etapas. 32 / © ITP-Paraninfo © SlVC E5PAÑA. 5A.. COMPRESiÓN Y DISTRIBUCiÓN DEL AIRE Figura 5.3. Compresor de émbolo de dos etapas. El aire recogido a presión atmosférica se comprime en dos etapas, hasta la presión final. Si la presión final es de 7 bares, la primera etapa normalmente comprime el aire hasta aproximadamente 3 bares, tras lo cual se enfría. Se alimenta entonces el cilindro de la segunda etapa que comprime el aire hasta 7 bares. El aire comprimido entra en el cilindro de segunda etapa de compresión a una temperatura muy reducida, tras pasar por el refrigerador intermedio, mejo- rando el rendimiento en comparación con una unidad de una sola compresión. La temperatura final puede estar alrededor de 120 oc. Compresor de diafragma Los compresores de diafragma suministran aire comprimido seco hasta 5 bares y totalmente libre de aceite. Por lo tanto, se utilizan ampliamente en la industria alimenticia, farmacéutica y similares. El diafragma proporciona un cambio en el volumen de la cámara, lo que permite la entrada del aire en la carrera hacia abajo y la compresión y el escape en la carrera hacia arriba. © SIVC E SI'AÑA. SI'.. © ITP-Paraninfo / 33
- 25. COMPRESiÓN Y DISTRIBUCiÓNDEL AIRE Figura 5.4. Compresor de diafragma. 5.1.2. COMPRESORES ROTATIVOS Compresor rotativo de paletas deslizantes Este compresor tiene un rotor montado excéntricamente con una serie de paletas que se deslizan dentro de ranuras radiales. Al girar el rotor, la fuerza centrífuga mantiene las paletas en contacto con la pared del estator y el espacio entre las paletas adyacentes disminuye desde la entrada de aire hasta la salida, comprimiendo así el aire. La lubricación y la estanqueidad se obtienen inyectando aceite en la corrien- te de aire cerca de la entrada. El aceite actúa también como refrigerante para eliminar parte del calor generado por la compresión, para limitar la temperatura alrededor de 190 oc. 34/ © ITP-Paraninfo © SVC EsPAAA. $A. COMPRESiÓN Y DISTRIBUCiÓN DEL AIRE Figura 5.5. Compresor de paletas. Compresor de tornillo Dos rotores helicoidales engranan girando en sentidos contrarios. El espacio libre entre ellos disminuye axialmente en volumen, lo que comprime el aire atrapado entre los rotores (figura 5.6). El aceite lubrifica y cierra herméticamente los dos tornillos rotativos. Los separadores de aceite, eliminan el mismo del aire de salida. Con estas máquinas se pueden obtener caudales unitarios continuos y eleva- dos, de más de 400 m3/min, a presiones superiores a 10 bares. Este tipo de compresor, a diferencia del compresor de paletas, ofrece un suministro continuo libre de altibajos. El tipo industrial de compresor de aire más común, sigue siendo la máquina alternativa, aunque los tipos de tornillo y paletas se están usando cada vez más. © svr:ESPAÑI, SA © rTP-Paraninfo / 35 l
- 26. COMPRESiÓN V DISTRIBUCiÓNDEL AIRE Figura 5.6. Principio del compresor de tornillo. Turbo compresor radial Como su denominación indica, este compresor funciona de forma muy semejante a una turbina, sólo que aquí los álabes en lugar de producir trabajo, lo consumen. El recorrido del gas se realiza, entre etapa y etapa, siguiendo un camino radial. De ahí su nombre. El gas proyectado contra la carcasa transforma su energía cinética en energía de presión. Tomado de la atmósfera, el aire va recorriendo todas las etapas de compre- sión. Puede advertirse que a medida que se van superando etapas, la presión acumulada aumenta con la consiguiente disminución de volumen por unidad de masa. Dependiendo del tipo de construcción, pueden conseguirse resultados muy aceptables desde el punto de vista de la energía consumida. La figura 5.7 nos presenta una construcción esquemática del eje común en la que todos los álabes son de igual diámetro y giran a la misma velocidad angular. 36 I © ITP-Paraninfo COMPRESiÓN V DISTRIBUCiÓN DEL AIRE En general, este tipo de compresores permiten manejar grandes caudales a grandes presiones (220.000 m3/h y 300 bar, como máximo). Figura 5.7. Turbo compresor radial. 5.1.3. CAPACIDAD NORMAL DEL COMPRESOR El caudal de salida de un compresor se indica como gasto volumétrico estándar, en Nm3/s o Imin., Ndm3/s o NVmin. El caudal puede describirse tam- bién como volumen desplazado o "volumen teórico de entrada", un concepto teórico. Para un compresor de émbolo, se basa en: Q (Vmin) = área del émbolo en dm2 x longitud de carrera en dm x número de cilindros de primera etapa x r.p.m. En el caso de un compresor de dos etapas, se considera sólo el cilindro de primera etapa. El suministro efectivo es siempre inferior, debido a las pérdidas volumétri· cas y térmicas. La pérdida volumétrica es inevitable, puesto que no es posible descargar la totalidad del aire comprimido del cilindro al final de la carrera de compresión: queda algo de espacio, el llamado "volumen muerto". © ITP·Paranin!o / 37
- 27. I I COMPRESiÓN YDISTRIBUCiÓN DEL AIRE La pérdida térmica se produce debido al hecho de que durante la compre- sión el aire adquiere una temperatura muy elevada, por lo tanto su volumen aumenta y disminuye cuando se enfría a temperatura ambiente (ver la ley de Charles en el apartado 4.4.3). ~ 5.2. RENDIMIENTO VOLUMÉTRICO Rendimiento volumétrico = aire libre descargado desplazamiento x 100 El resultado de la fórmula anterior, expresado como porcentaje, se conoce como rendimiento volumétrico y varía según el tamaño, tipo y fabricación de la máquina, número de etapas y presión final. El rendimiento volumétrico de un compresor de dos etapas es inferior a la del compresor de una sola etapa, pues- to que tanto los cilindros de la primera como los de la segunda etapa, tienen volúmenes muertos. 5.2.1. RENDIMIENTO TÉRMICO Y GLOBAL Aparte de las pérdidas descritas anteriormente, existen también efectos tér- micos que bajan el rendimiento de la compresión del aire. Estas pérdidas redu- cen aún más el rendimiento global dependiente del coeficiente de compresión y de la carga. Un compresor, que trabaja a capacidad casi total, acumula una gran cantidad de calor y pierde rendimiento. En un compresor de dos etapas, el coe- ficiente de compresión por etapa es inferior y el aire, comprimido parcialmente en el cilindro de primera etapa, se enfría en un refrigerador intermedio antes de ser comprimido a la presión final en el cilindro de segunda etapa. Ejemplo: Si se comprime el aire atmosférico absorbido por un cilindro de la primera etapa a un tercio de su volumen, la presión absoluta a la salida es de 3 bar. El calor desarrollado por esta compresión relativamente baja es consiguientemen- te bajo. El aire comprimido pasa al cilindro de segunda etapa, a través del refri- gerador intermedio, y nuevamente su volumen se reduce a un tercio. La presión final es entonces de 9 bar abs. El calor desarrollado al comprimir el mismo volumen de aire en una sola compresión, directamente de la presión atmosférica a 9 bar abs, sería mucho más elevado y se reduciría considerablemente el rendimiento global. 38 / © ITP-Paraninfo COMPRESiÓN Y DISTRIBUCiÓN DEL AIRE El diagrama de la figura 5.8 compara los rendimientos globales típicos de compresores de una y dos etapas, para varias presiones finales. Para presiones finales bajas, es mejor un compresor de una etapa, puesto que su rendimiento volumétrico es más elevado. Sin embargo, con una presión final en aumento, las pérdidas térmicas son cada vez más importantes y son preferibles los compresores de dos etapas, con un rendimiento térmico más ele- vado. Rendimien- to global Una etapa Dos etapas r -~ 'T 90% ~ ~--~--+ 1---t-+-~ 80% - "];=:;.~ ~ 4- j 70% - __L I - +- G 60% l_. J.. ____ ~ _L ___ 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Presión (bar) Figura 5.8. Diagrama del rendimiento global de compresores de 1 y 2 etapas. El consumo específico de energía es una medida del rendimiento global y se puede utilizar para estimar el coste de producción del aire comprimido. Como promedio, se puede estimar que se necesita un KW de energía eléctrica para producir 120-150 l/min (= 0,12...0,15 Nm3/minJKW) para una presión de traba- jo de 7 bares. Las cifras exactas deben establecerse según el tipo y el tamaño del compresor. ~ 5.3. ACCESORIOS DEL COMPRESOR 5.3.1. DEPÓSITO DE AIRE COMPRIMIDO Un depósito de aire comprimido es un acumulador a presión construido en chapa de acero soldada, montado horizontal o verticalmente, directamente des- pués del refrigerador final para recibir el aire comprimido amortiguando así las oscilaciones en el caudal de aire, a medida que se consume. © ITP·Paraninfo / 39
- 28. COMPRESiÓN Y DISTRIBUCiÓNDEL AIRE Sus funciDnes principales SDn las de almacenar una cantidad suficiente de aire para satisfacer las demandas que superen la capacidad del cDmpresDr y minimizar la carga y descarga frecuentes del cDmpresDr; sin embargD, suminis- tra también un enfriamientD adiciDnal para precipitar el aceite y la humedad que llegan del refrigerador, antes de que el aire se distribuya pDsteriDrmente. A este respectD, cDlDcar el depósitD del aire en un lugar frescD representa una ventaja. El depósitD debe estar provistD de válvula de seguridad, manómetrD, purga autDmática y tapas de inspección para la comprobación Dlimpieza del interior. 5.3.1.1. Selección del tamaño del depósito de aire comprimido El tamaño de los depósitDs del aire se selecciona según las salida del com- presDr, el tamaño del sistema y el hechD de que la demanda sea relativamente constante o variable. LDs compresores CDn acciDnamientD eléctrico en plantas industriales, las que suministran una red, normalmente se CDnectan y desconectan entre una presión mínima y máxima. Este control se llama "automático". Para ello, es necesario un vDlumen mínimo del depósito del aire para evitar que la cDnexión y desconexión sean demasiado frecuentes. LDS compresores móviles CDn un mDtDr de combustión no se paran cuando se alcanza una presión máxima, sino que se elevan las válvulas de aspiración de forma que el aire puede fluir libremente dentro y fuera del cilindro sin ser comprimido. La diferencia de presión entre la cDmpresión y la carrera en vacío es bastante pequeña. En este caso, se necesita sólD un pequeño depósitD. Para el cálculo de vDlumen puede emplearse la siguiente fórmula: v, =( O,25Q, ). 103 Z(p,- p,) Donde: • PI= Presión máxima en el interior del tanque. • P2= Presión mínima en el interiDr del tanque. • Qn= Caudal suministrado por el cDmpresor en m3/h. • Z =Conexiones/desconexiDnes por hora del compresor. • Vo= Volumen nominal del tanque con Po=I,013 bar. 40 I © ITP-Paraninfo © S'vI::ESPAÑA. SA COMPRESiÓN Y DISTRIBUCiÓN DEL AIRE 5.3.2. FILTRO DE ASPIRACiÓN La atmósfera de una ciudad típica puede cDntener 40 partes por millón/m 3 de partículas sólidas, es decir pDlvD, suciedad, pDlen, etc. Si se cDmprime este aire a 7 bares, la cDncentración sería de 320 partes pDr millón/m3 Una cDndl- ción impDrtante para la fiabilidad y duración del cDmpresor debe ser la instala- ción de un filtro eficaz y adecuadD para impedir el desgaste exceSlVD de cllin- drDs, anillDs del émbDID, etc., que es provDcadD principalmente pDr el efectD abrasivD de estas impurezas. El filtrD nD debe ser demasiadD finD, puestD que el rendimientD del cDmpre- SDr disminuye debidD a la elevada resistencia al pasD de aire y así las partículas de aire muy pequeñas (2-5 micras) nD se pueden eliminar. La entrada de aire debe estar situada de fDrma que, en la medida de lo pDsi- ble, se aspire aire seCD limpiD, con cDnductDs de entrada de diámetro ID suficien- temente grandes para evitar una caída de presión excesiva. Cuando se utlIice un silenciador, es posible incluir el filtro de aire que se cDIDcará después ~e la PDSI- ción del silenciadDr, de fDrma que esté sujetD a efectDs de pulsaCión nummDS. ~ 5.4. DESHIDRATACiÓN DEL AIRE 5.4.1. POST-ENFRIADORES Después de la cDmpresión final, el aire está caliente y, al enfria~se, el agua se depDsitará en cantidades cDnsiderables en el sistema de tubenas, ID cual deberá evitarse. La manera más efectiva de eliminar la mayor parte del agua de cDndensación es SDmeter el aire a la refrigeración pDsteriDr, inmediatamente después de la cDmpresión. LDs pDst-enfriadDres SDn intercambiadDres de calor que pueden ser unidades refrigeradas pDr aire Dpor agua. Refrigeración por aire CDnsiste en una serie de cDnductDs pDr IDs cuales fluye el aire cDmprimidD y sDbre IDs cuales se hace pasar una cDrriente forzada de aire fríD pDr mediD de un ventiladDr. Un ejemplD típicD se ilustra en la figura 5.9. © sva:EsPÑ<A. SA, © ITP·Paranin!o 141
- 29. COMPRESiÓN Y DISTRIBUCiÓNDEL AIRE La temperatura de salida del aire comprimido refrigerado debe ser de apro- ximadamente 15 oC por encima de la temperatura del aire de refrigeración. =:> =:> =:> ~ =:> =:> =:> =:> =:> Figura 5.9. Principio de un post-enfriador refrigerado por aire. Refrigeración por agua Se trata esencialmente de un revestimiento de acero que aloja unos conduc- tos en los que el agua circula por un lado y el aire por el otro, normalmente de forma que el flujo de ambos fluidos sea en sentido contrario a través del refri- gerador. Este principio se ilustra en la figura 5.10. Un post-enfriador de agua nos asegurará que el aire descargado estará apro- ximadamente 10 oC por encima de la temperatura de! agua de refrigeración. Una purga automática acoplada, o integrada, en el post-enfriador elimina el condensado acumulado. Los post-enfriadores podrán estar equipados con una válvula de seguridad, un manómetro y se recomienda que se incluyan termómetros tanto para el aire como para el agua. 42 / © ITP-Paraninfo COMPRESiÓN Y DISTRIBUCiÓN DEL AIRE H,O => => Aire ~ ••• ·1: ~ ,'!..•r '11_1111111111111111111111111111111II1II ~ ( 1111111111111111111111111111111" 1111111111111111111111111111111II1II C IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII" '1IIi- 1111111111111111111111111111111II1II 1111111111111111111111111111111" Purga automática Figura 5.10. Principio de un post-enfriador por agua. => H,O ~ 5.5. CÁLCULO DE LOS POST-ENFRIADORES 5.5.1. POST-ENFRIADOR POR AIRE El cálculo de un refrigerador de aire comprimido, al igual que el de cual- quier intercambiador de calor, se basa en conseguir un ajuste óptimo entre una adecuada transmisión de calor y una aceptable pérdida de carga. Para el cálculo de la superficie de transmisión, nos valdremos de la fórmula: s- q - U (ót)log en la que: • S = Superficie de transmisión de calor © SVI:ESPAÑA. SI. © ITP-Paraninfo / 43
- 30. COMPRESiÓN Y DISTRIBUCiÓNDEL AIRE o q = Potencia térmica del refrigerador, Kcal/h. o U = Coeficiente global de transmisión de calor, Kcal/h.m2 oc. o (b.t)log = Salto térmico medio logarítmico, oc. La potencia térmica q se determina a partir de la ecuación: en donde: o q = Potencia térmica. o G = Caudal de aire en Nm3/h. o Cp = Calor especifico volumétrico del aire, 0,31 Kcal/m3, oc. o TI = Temperatura del aire de entrada del refrigerador, oc. o T2= Temperatura del aire se salida del refrigerador, oC. o K = Factor de corrección, superior al, para tener en cuenta la condensa- ción de la humedad. El coeficiente global de transmisión de calor, U, en función de los coeficien- tes de película exterior e interior en tubos, así como el coeficiente de incrusta- ción, lo determinaremos por la expresión: 1 U ~ d 1 -'-+-+F h,·di h¡ d siendo: o U = Coeficiente global de transmisión de calor. o de= Diámetro exterior de tubo, mm. o d¡= Diámetro interior de tubo, mm. o h¡= Coeficiente de película interior, Kcal/h.m2 oC. o he= Coeficiente de película exterior, Kcal/h.m2 oc. o Fd= Factor de incrustación, Kcal/h.m2 °C; es costumbre hacerlo igual a 0,0004 para una calidad media de agua de refrigeración. Los coeficientes de película son función de los números de Reynolds y Prandtl, según las expresiones clásicas utilizadas en convección de calor. 44/ © ITP-Paraninfo © SfV[: ESPANA.. SA COMPRESiÓN Y DISTRIBUCiÓN DEL AIRE El salto térmico medio logarítmico (b.t) log, puede definirse por la expresión: (~I)109 ~ (T, - I,) - (T, - 1,) 2310 T, - I, . 9 T _ 1 , 1 siendo: o b.1= Salto térmico medio logarítmico. o TI = Temperatura del aire de entrada, oc. o T2= Temperatura del aire de salida, oc. o ti = Temperatura del aire/agua de refrigeración de entrada, oc. o tz = Temperatura del aire/agua de refrigeración de salida, oc. 5.5.2. POST-ENFRIADOR POR AGUA Las fórmulas utilizadas para los post-enfriadores de agua, son las mismas que en los refrigeradores por aire. Solamente hay que añadir el consumo de agua de refrigeración y la pérdida de carga originada a través del haz de tubos. El consumo de agua de refrigeración puede calcularse a partir de: Q ~ -q t2 - t1 en donde: o Q= Caudal de agua de refrigeración, l/h. o q= Potencia térmica calculada previamente, Kcal/h. o tz=Temperatura de salida del agua de refrigeración, oc. A poder ser, no debe superar nunca los 40 oC para evitar la formación de incrustacio- nes sobre los tubos. o ti = Temperatura de entrada del agua de refrigeración, oc. Es normal que t2-tl se considere igual a 20 oC siempre que t2 no supere los 40 oc. La pérdida de carga, en la que intervienen diversos factores relacionados con el material de los tubos, velocidad, etc., puede averiguarse mediante: c (G)" ~p ~ pL s © ~ ESI'AÑ"., SA © ITP-Paraninfo ;45
- 31. COMPRESiÓN Y DISTRIBUCiÓNDEL AIRE siendo: • L'lp= Pérdida de carga. • c = Constante. Es función de cada modelo de refrigeración y puede deter- minarse a partir de la ecuación de Fanning. • P = Presión absoluta del aire. • G = Caudal de aire en condiciones normales (presión y temperatura ambiente). • s = Sección total del haz tubular por donde pasa el aire. • n = 1,8 aproximadamente. • L = Longitud de cada tubo. ~ 5.6. SECADORES DE AIRE Los post-enfriadores enfrían el aire hasta unos 10 o 15 oC por encima del medio refrigerante. El control y operación de los elementos de un sistema neumático serán normalmente a temperatura ambiente (aprox. 20 OC). Esto nos puede hacer pensar que no se precipitará ningún condensado más y que la humedad remanente es expulsada con el aire de salida de vuelta a la atmósfera. A menudo, la temperatura del aire o la salida del post-enfriador puede ser más alta que la temperatura circundante con la cual pasa por las líneas de tuberías, por ejemplo durante la noche. Esta situación enfría el aire comprimido todavía más, por lo que habrá todavía vapor que se condensará como agua. La medida empleada en el secado de aire es la bajada del punto de rocío, el cual se define como la temperatura a la cual el aire está completamente satura- do de humedad (100% h.r.). Cuanto más bajo sea el punto de rocío, menos humedad queda en el aire. Existen tres tipos principales de secadores de aire disponibles que operan por procesos de absorción, adsorción o refrigeración. 5.6.1. SECADO POR ABSORCiÓN (SECADO COALESCENTE) El aire comprimido es forzado a través de un agente secante, yeso deshidra- tado o cloruro de magnesio que contiene en forma sólida cloruro de litio o c10- 46 / © ITP-Paraninfo COMPRESiÓN Y DISTRIBUCiÓN DEL AIRE ruro de calcio, el cual reacciona con la humedad para formar una solución que es drenada desde el fondo del depósito. El agente secante debe ser regenerado a intervalos regulares ya que el punto de roCÍo se eleva en función del consumo de sales durante el funcionamiento. De todas formas, a presiones de 7 bar. son posibles puntos de rocío de 5 oc. Las principales ventajas de este método son su bajo coste inicial y de fun- cionamiento. Por contra, la temperatura de entrada no debe exceder de 30 oc. Los productos químicos implicados son altamente corrosivos, necesitando un filtrado cuidadosamente comprobado para asegurar que ninguna fina partícula corrosiva sea arrastrada al sistema neumático. Figura. 5.11. Principio del secador de aire por absorción. 5.6.2. SECADO POR ADSORCiÓN (DESECANTE) En una cámara vertical, está contenido un producto químico tal como el sílica- gel o la alúmina activada en forma granular, para que, por métodos físicos, absor- © svr::ESf'IIÑA, SA. © ITP-Paraninfo / 47
- 32. COMPRESiÓN Y DISTRIBUCiÓNDEL AIRE ba la humedad del aire comprimido que pasa a través de él. Cuando el agente secante se satura, es regenerado mediante secado por calentamientos o, como en la figura 5.12. por la pérdida de calor de un flujo de aire secado previamente. El aire comprimido húmedo, entra a través de una válvula de control direc- cional y pasa atravesando la columna desecante. El aire seco, fluye hacia la vía de salida. Entre un 0% y un 20% del aire seco pasa a través de la columna desecante que no se está utilizando, para reabsorber su humedad con el fin de regenerarla. El flujo de aire de refrigeración va entonces hacia el escape. Figura. 5.12. Principio del secador de aire por adsorción, regenerado por pérdida de calor. La válvula de control direccional es accionada periódicamente por un tem- porizador para conseguir alternativamente el suministro de aire a una columna y la regeneración de la otra, para proporcionar aire seco continuo. 48 / © ITP·Paraninfo COMPRESiÓN Y DISTRIBUCiÓN DEL AIRE Con este método, son posibles puntos de rocío extremadamente bajos, por ejemplo de - 30 oc. Un indicador de color puede ser incorporado al desecante para comprobar el grado de saturación. El microfiltrado es esencial a la salida del secador para preve- nir el arrastre de partículas absorbentes. El coste inicial y de funcionamiento es comparativamente alto, pero los costes de mantenimiento tienden a ser bajos. 5.6.3. SECADO POR REFRIGERACiÓN Es una unidad mecánica que incorpora uñ circuito de refrigeración con dos intercambiadores de calor. El aire húmedo a alta temperatura es pre-enfriado en el primer intercambia- dor de calor (1) transfiriendo parte de su calor al aire frío de salida. = Figura. 5.13. Principio del secador de aire por refrigeración. © ITP·Paraninfo / 49
- 33. COMPRESiÓN Y DISTRIBUCiÓNDEL AIRE Entonces, en el intercambiador de calor (2), el aire es enfriado gracias al principio refrigerador de extracción de calor como resultado de la evaporación de gas freón en su propio circuito de refrigeración. En ese momento la hume- dad y las partículas de aceite se condensan y son automáticamente drenadas. El aire frío seco de la tubería de retorno, pasa a través del intercambiador de calor por aire (1) Ytoma calor del aire entrante a alta temperatura. Esto previe- ne la formación de rocío en la salida de descarga, aumentando el volumen y bajando la humedad relativa. Mediante los métodos modernos, es posible una temperatura de salida de 2 oC, aunque una temperatura del aire de salida de 5 oC es suficiente para la mayoría de las aplicaciones del aire comprimido. La temperatura de entrada puede ser superior a los 60 oC, pero es más económico pre-enfriarlo para lle- varlo a temperaturas de entrada más bajas. Como regla general, el costo del secado de aire comprimido puede represen- tar entre el 10% Yel 20% del coste del aire comprimido. 5.6.4. SEPARADOR DE CONDENSADOS Cuando se desea mejorar la calidad de la red de aire comprimido, y no hace falta necesariamente un secador: • Porque no se necesite un grado de secado tan alto. • Porque no puede ser usado en lugares donde no se admiten fuentes de energía. • Porque es demasiado caro y no se justifica la inversión. Los separadores de agua, son elementos imprescindibles, colocándose a la salida del compresor. Su eficacia en la eliminación de condensados es de un 99%, su tamaño es compacto y no necesita sustitución del elemento interno, con lo cual su mantenimiento es nulo. Hay una extensa gama de tamaños, que van desde 1/ 2", para potencia de compresor de 15 CV, hasta 2" y potencia de 100 Cv. 50 / © ITP-Paraninfo COMPRESiÓN Y DISTRIBUCiÓN DEL AIRE l' ETAPA 2'ETAPA 3' ETAPA p _ 1 bar (aOO.) P e lO bar (abs.) p '" 10 bar (abs.) V '" 10m' V ",'18m3 V = 0.96 m1 T '" 25"C T '" 80°C T = 15"C MD = 70% MO <C 26.2% MD "" 100% H;¡O= 1669r H.!O= 1669r H. O", 12 gr. (Sm condensado ~ Sm condensado f Condensado) I-tO-154gr _ 1N0 n, ,d. MS>~' / i ENTRADA DE AIRE COMPRESOR POST ENFRIADOR P • PRESIÓN (bar .ba.) V =VOLUMEN 1m) I T • TEMPERATURA 1- el MD "' HUMEDAD RELATIVA (%) 4'ETAPA P =10bar{abs ) V .. 096m' T ~ 15"C MD= 100·,'0 CA I A A EN El ArRE COMPRIMIDO EN MÁaUINA 166· 152.4 ", 136 r. Figura 5.14. Esquema de instalación de un separador de condensados. ~ 5.7. FILTRO DE LíNEA PRINCIPAL Un filtro de gran capacidad será instalado después del depósito de aire para eliminar de éste la contaminación, los vapores de aceite procedentes del com- presor y el agua. El filtro debe tener una minima caída de presión y capacidad para eliminar el vapor de aceite procedente del compresor con el fin de evitar la emulsión en la línea con el líquido condensado. El filtro de línea principal no posee deflector para la separación de agua como es el caso de los "filtros estándar" descritos en la sección del "Tratamiento de Aire". Una purga de drenaje automático, bien sea incluida de serie o bien acoplada, nos asegurará la descarga regular del agua acumulada. El filtro es generalmente del tipo de cartucho de cambio rápido. © ITP-Paraninfo / 51 l
- 34. COMPRESiÓN Y DISTRIBUCiÓNDEL AIRE figura. 5.15. Típico filtro de línea. ~ 5.8. DISTRIBUCiÓN DEL AIRE Para hacer legar el aire comprimido a los puntos de consumo, se colocan tomas de aire de distribución, de forma permanente Se instalarán válvulas de aislamiento para dividir la línea de distribución en secciones, con el fin de limitar el área que deba ser vaciada durante períodos de mantenimiento o reparación. Existen dos configuraciones de trazado básicas: FINAL EN LíNEA MUER- TA YCONDUCTO PRINCIPAL EN ANILLO. 5.8.1. FINAL EN LíNEA MUERTA Para favorecer el drenaje, las tuberías de trabajo tienen una pendiente de cerca del 1% en la dirección del fluido y deberán ser adecuadamente purgadas. A intervalos ajustables, la línea principal puede ser devuelta a su altura original mediante dos largos tubos curvados en ángulo recto y disponiendo una deriva- ción de purga en el punto más bajo. 52 / © ITP·Paraninfo COMPRESiÓN Y DISTRIBUCiÓN DEL AIRE .... .. . . " ....... ............... ............ ..... ... ....:; .... ~ ... .. ... .. .. ...... . ~. '" ............ .... ."""""'- . ...: '. ..................... . ,.; ........... ........ ................. ..' Figura. 5.16. Tipica configuración de línea principal con final en línea muerta. 5.8.2. CONDUCTO PRINCIPAL EN ANILLO .. ..... ..... . -.¡ ....; .... ...... . ...... .......... .......... . ................. ........... ~~ .... :.:..:..... ...... ~ ..' ........::...... :.: .... ..... ..... ....... ,,' ;.. , .•............... ...)...... ....... Figura. 5.17. Conducto principal en anillo. © ITP·Paraninfo / 53
- 35. COMPRESiÓN Y DISTRIBUCiÓNDEL AIRE En un sistema de conducto principal en anillo, es posible alimentar el aire por dos lados a un punto de consumo elevado, lo que permite minimizar la caída de presión. De cualquier forma, el agua es llevada en cualquier dirección y se deben preveer tomas de salida para el agua con purgas automáticas. ~ 5.9. LíNEAS SECUNDARIAS A menos que estén instalados un post-enfriador eficiente y un secador de aire, el conducto de distribución del aire comprimido actúa como una superfi- cie refrigerante y el agua y el aceite se acumulan a lo largo de su longitud. Las derivaciones de la línea se toman de la parte superior del conducto, para impedir que el agua del conducto principal entre en ellas. Mientras, deberá pur- garse la parte inferior de la caída del conducto. Los puntos de purga deben estar provistos de empalmes en "T" iguales ins- talados en puntos idóneos a lo largo del recorrido, en cada punto bajo. Deben purgarse manualmente a intervalos regulares, o bien estar provistos de purga automática. (b) ! Figura 5.18. Salidas de aire (a) yagua (b). Las purgas automáticas son un poco más caras de instalar al principio, pero compensa, si se consideran las horas de trabajo que se ahorran con respecto al funcionamiento de tipo manual. Con la purga manual, la negligencia conlleva problemas debido a la contaminación del conducto principal. 54 1© ITP-Paraninfo COMPRESiÓN Y DISTRIBUCiÓN DEL AIRE ~ 5.10. PURGAS AUTOMÁTICAS En las figuras 5.19 y 5.20 se ilustran dos tipos de purga automática. Figura 5.19. Purga automática de flotador. En el tipo de purga con flotador (figura 5.19), el tubo guía y el flotador, están conectados internamente a la atmósfera por medio de un filtro, una válvu- la de alivio, un orificio en el pistón de resorte y a lo largo del vástago del accio- namiento manual. El agua de condensación se acumula en el fondo de la cavidad y, cuando sube lo suficiente para levantar el flotador de su asiento, la presión se transmite al émbolo que se mueve a la derecha para abrir el asiento de la válvula de ali- vio y expulsar el agua. El flotador baja entonces, para cerrar el suministro de aire al ·émbolo. La válvula de alivio limita la presión por detrás del émbolo cuando el flota- dor cierra la tobera. Esta válvula pre-regulada asegura un tiempo adecuado de © ITP-Paraninfo 155
- 36. COMPRESiÓN Y DISTRIBUCiÓNOEL AIRE reinicialización al émbolo, puesto que el aire capturado es purgado por un esca- pe funcional de la válvula de seguridad. La figura 5.20 ilustra un tipo de purga accionado eléctricamente que drena periódicamente el agua de condensación por medio de una leva que dispara una válvula de vástago vertical accionada por palanca. Ofrece las ventajas de poder trabajar con cualquier orientación y es extre- madamente resistente a la vibración, así que resulta idóneo para compresores móviles y en los sistemas neumáticos de autobuses o camiones. Figura 5.20. Purga automática motorizada. ~ 5.11. SELECCiÓN DEL TAMAÑO DE LOS CONDUCTOS PRINCIPALES DE AIRE El coste de los conductos de aire representa una porción elevada del coste inicial de una instalación de aire comprimido. Una reducción en el diámetro de la tubería, aunque baja el coste inicial de la instalación, hace aumentar la caída de presión en el sistema, incrementando así el coste de funcionamiento y supe- rando el coste adicional de una tubería de diámetro más grande. También, puesto que los costes de la mano de obra representan gran parte del coste global y dado que dicho coste varía muy poco entre diferentes tamaños de tubería, el coste de la instalación, por ejemplo, de una tubería de diámetro interior de 25 mm. es parecido al de una tubería de 50 mm. de diáme- tro, mientras que la capacidad de caudal de una tubería de 50 mm. es cuatro veces la de una tubería de 25 mm. 56 / © ITP·Paraninfo COMPRESiÓN Y DISTRIBUCiÓN DEL AIRE En un sistema de conducto principal en anillo de circuito cerrado, el sumi- nistro por cualquier punto de salida particular se alimenta por dos derivaciones de tubería. A la hora de determinar el tamaño de la tubería, deberá ignorarse esta alimentación doble, estimando que, en cualquier momento, el aire se sumi- nistra sólo por una tubería. El tamaño del conducto del aire y de las derivaciones se calcula por la limi- tación de la velocidad del aire, que normalmente se recomienda que sea de 6m1s, mientras que los sub-circuitos -a una presión de aproximadamente 6 bares y de pocos metros de longitud- pueden funcionar a velocidades de hasta 20m/s. La caída de presión desde el compresor al extremo de la derivación de la tubería no debe superar los 0,3 bares. El nomograma (figura 5.21) permite determinar el diámetro de tubería más idóneo. Los codos y las válvulas pueden provocar rozamiento adicional. Este roza- miento se puede expresar como longitud adicional (equivalente) de la tubería, con el fin de determinar la pérdida de presión global. La tabla 5.23 indica las longitudes equivalentes para los distintos tipos de accesorios utilizados común- mente. Ejemplo (a) Determinar el tamaño de una tubería en la que pasarán 16.800 Vmin. de aire libre con una caída de presión de no más de 0,3 bares en un tubo de 125 m. El compresor, de dos etapas, se conecta a 8 bares y se detiene a 10 bares; la media es 9 bares. La caída de presión de 30 kPa (0'3 bar = 30 kPa) en un tubo de 125 m. es equivalente a: 30 KPa = 0,24 KPa / m. 125m Haciendo referencia al nomograma de la figura 5.21: dibujar un trazo a par- tir de 9 bares en la línea de presión pasando por 0,24 kPa/m en la línea de la caída de presión para cortar la línea de referencia en el punto X. Unir la X con 0,28 Nm3/s y prolongar el trazo hasta que corte la línea del tamaño de la tubería, a aproximadamente 61 mm en nuestro ejemplo. Se puede utilizar una tubería con un diámetro interno de 61 mm. Una tubería con un diámetro interno nominal de 65 mm. (ver tabla 5.23) tiene un diámetro interno real de 68 mm. y puede satisfacer los requisitos con cierto margen. © 9A: ESIWIA. SA. © ITP·Paraninfo / 57
- 37. COMPRESiÓN Y DISTRIBUCiÓNDEL AIRE Ejemplo (b): Si la tubería de 125 m. de longitud en el ejemplo (a) tiene cierto número de accesorios en la línea, por ejemplo dos codos, dos tubos curvos de 90°, seis empalmes en "T" estándar y dos válvulas de compuerta ¿sería necesaria una tubería de tamaño mayor para limitar la caída de presión a 30 kPa? En la tabla 5.23, en la columna de 65 mm. de diámetro se encuentra la siguiente longitud de tubería: o o dos codos: 2x 1,4 m = 2,8 m o dos curvas de 90°: 2 x 0,8 m = 1,6 m o seis 'T" estándar: 6 x 0,7 m = 4,2m o dos válvulas de compuerta: 2 x 0,5 m = 1m Total: 9,6m Los doce accesorios tienen una resistencia a la fluencia equivalente a apro- ximadamente 10 m. de longitud adicional de la tubería. La "longitud efectiva" de la tubería es entonces de 135 m. y la caída de pre- sión equivalente será: 30 KPa 0,22 KPa I m. 135 m Haciendo nuevamente referencia al nomograma de la figura 5.21: la línea que representa el tamaño de la tubería se intersecciona ahora a aproximada- mente 65 mm. de diámetro interno, así que una tubería de diámetro interno nominal de 65 mm., con un diámetro interno real de 68 mm. será aún satisfac- toria en este caso. Nota: A la hora de determinar el tamaño de los conductos principales para una nueva instalación, hay que tener en cuenta la posibilidad de extensiones futuras. Podemos calcular también analíticamente la pérdida de carga según la fór- mula siguiente: ~ V' Llp; - ·- L·P R·T D en donde: 58 I © ITP·Paraninfo COMPRESiÓN Y DISTRIBUCiÓN DEL AIRE o L1p =Caída de presión, bar. o P = Presión, bar. o R =Constante del gas (29,27 para el aire). o T = Temperatura absoluta (tOC+273). o D = Diámetro de la tubería, mm. o L = Longitud de la tubería, m. o G = Cantidad de aire suministrada en Kglh (1 Kg/h = 60 x 1,3 m3n!min) o ~ = Índice de resistencia, grado medio de rugosidad, variable con la canti- dad de aire suministrada según tabla 5.22) 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 3,0 2,5 2,25 2,0 1,75 1.5 1,0 0,9 0,8 0.7 0.6 0,5 0,4 0,3 0,25 0,2 0.15 3 4 100 2 90 1.5 3 80 70 0,5 2,5 60 0,4 2 0,3 50 0,2 1,5 0,15 40 0,1 35 30 0,05 0,04 25 003 0.025 0,02 0,015 3/4 20 0.01 1/2 15 3/8 Q (m'/s) Diámetro pulg y m.m. Figura 5.21. Nomograma para el cálculo del diámetro de la tubería de los conductos principales. © ITP-Paraninfo / 59
- 38. COMPRESiÓN Y DISTRIBUCIÓNDEL AIRE G ~ G ~ G ~ G 10 2,03 100 1,45 1000 1,03 10000 15 1,92 150 1,36 1500 0,97 15000 25 1.78 250 1,26 2500 0,90 25000 40 1,66 400 1,18 4000 0,84 40000 65 1,54 650 1,10 6500 0,78 65000 Figura 5.22. índices de resistencia Ppara G Kg de peso del aire comprimido que circula por hora. Accesorio 15 20 25 30 40 50 65 80 100 Codo Elbow 0,3 0,4 0,5 0,7 0,8 1,1 1,4 1,8 2,4 Curva a 90° 0,1 0,2 0,2 0,4 0,5 0,6 0,8 0,9 1,2 Codo de 90· 1,0 1,2 1,6 1,8 2,2 2,6 3,0 3,9 5,4 Curva de 180· 0,5 0,6 0,8 1,1 1,2 1,7 2,0 2,6 3,7 Válvula estér. 0,8 1,1 1,4 2,0 2,4 3,4 4,0 5,2 7,3 Válvula comp. 0,1 0,1 0,2 0,3 0,3 0,4 0,5 0,6 0,9 "T" estándar 0,1 0,5 0,2 0,4 0,4 0,5 0,7 0,9 1,2 "T" lateral 0,5 0,7 0,9 1,4 1,6 2,1 2,7 3,7 4,1 ~ 0,73 0,69 0,64 0,595 0,555 125 3,2 1,5 7,1 4,1 9,4 1,2 1,5 6,4 Tabla 5.23. Longitudes de tubería equivalentes para accesorios del conducto principal. ~ 5.12. MATERIALES PARA LA TUBERíA 5.12.1. TUBERíA DE GAS ESTÁNDAR (SGP) El conducto de aire es normalmente un tubo de acero o de hierro maleable. Se puede obtener en negro o galvanizado, que está menos sujeto a la corrosión. Este tipo de tubería puede ser roscada, para aceptar la gama de accesorios nor- malizados. Para diámetros de más de 80 mm., es más económico instalar bridas soldadas que hacer roscas en tuberías largas. Las especificaciones de las tuberías de gas estándar de acero al carbono (SGP) son: 60 I © ITP·Paraninfo © svr::E SPAÑA SI. COMPRESiÓN Y DISTRIBUCiÓN DEL AIRE DIÁMETRO DIÁMETRO DIÁMETRO ESPESOR MASA (mm) (pulgadas) EXT. (mm) TU80 (mm) Kg./m 6 1/8 10,35 2,00 0,419 8 1/4 13,8 2,30 0,652 10 3/8 17,3 2,30 0,851 15 1/2 21,7 2,80 1,310 20 3/4 27,2 2,80 1,680 25 34,0 3,20 2,430 32 1 1/4 42,7 3,50 3,380 40 1 1/2 48,6 3,50 3,890 50 2 60,3 3,65 5,100 65 2 1/2 76,1 3,65 6,510 75 3 88,9 4,05 8,470 100 4 114,3 4,50 12,100 Figura 5.24. Especificaciones de las tuberías de gas estándar de acero al carbono (SGP). 5.12.2. TUBERíAS DE ACERO INOXIDABLE Se utilizan sobre todo, cuando se requieren grandes diámetros en líneas de conductos largos y rectos. 5.1 2.3. TUBOS DE COBRE Cuando se requieren resistencia a la corrosión, al calor y una rigidez elevada, se pueden utilizar tubos de cobre con un diámetro nominal de hasta 40 mm., pero resultarán relativamente caros para diámetros mayores de 28 mm. Los accesorios fabricados para tubos de este material son fáciles de instalar. 5.12.4. TUBOS DE GOMA (MANGUERA DE AIRE) La manguera de goma o de plástico reforzado es la más adecuada para herramientas de mano neumáticas manuales, puesto que ofrece flexibi lidad para la libertad de movimiento del operador. Las dimensiones de las mangueras neumáticas de goma son: © SIVCESPAÑA SI. © ITP-Paraninfo / 61
- 39. COMPRESiÓN Y DISTRIBUCiÓNDEL AIRE DIÁMETRO DIÁMETRO DIÁMETRO SECCiÓN NOMINAL EXTERIOR INTERIOR INTERNA (pulgadas) (mm) (mm) (mm) 1/8 9,2 3,2 8,04 1/4 10,3 6,3 31,2 3/8 18,5 9,5 70,9 1/2 21 ,7 12,7 127 5/8 24,1 15,9 199 3/4 29,0 19,0 284 35,4 25,4 507 1 1/4 45,8 31 ,8 794 1 1/2 52,1 38,1 1,140 1 3/4 60,5 44,5 1,560 2 66,8 50,8 2,030 21/4 81.1 57,1 2,560 2 1/2 90,5 63,5 3,170 Figura 5.25. Especificaciones de mangueras neumáticas de goma. La manguera de goma se recomienda principalmente para herramientas y otras aplicaciones en que el tubo está expuesto a desgaste mecánico. 5.12.5. TUBOS DE PVC O DE NYLON Se utilizan normalmente para la interconexión de componentes neumáticos. Dentro de sus limitaciones de temperatura de trabajo, presentan obvias ventajas de instalación, permitiendo un fácil corte de la longitud deseada y una cone- xión rápida con otros accesorios bien por compresión o bien mediante enchufes rápidos. Si se requiere una mayor flexibilidad para curvas más cerradas o movimien- to constante, está disponible un nylon de grado más suave o poliuretano, que sin embargo presenta menores presiones admisibles de trabajo. 62 / © ITP-Paraninfo © sva:E SPIWA. SIl COMPRESiÓN Y DISTRIBUCiÓN DEL AIRE ~ 5.13. SISTEMAS DE CONEXiÓN Dentro de los sistemas, los componentes neumáticos se conectan mediante varios métodos. En la figura 5.26 se ilustra una típica conexión rápida. El tubo se introduce y queda firmemente enganchado y herméticamente cerrado. La conexión por INSERCIÓN proporciona una fuerza de retención fiable tanto por dentro como por fuera del tubo. El mismo está presionado por el ani- llo exterior cuando se atornilla la conexión. El tubo insertado al entrar dentro del alojamiento, reduce su diámetro anterior y representa así una resistencia extra. Figura 5.26. Ejemplo de conexión por inserción. La conexión por INTRODUCCIÓN presenta una gran fuerza de retención del tubo y la utilización de una junta de perfil especial asegura la estanqueidad para presión y vacío. No hay resistencia adicional al flujo, puesto que la cone- xión tiene la misma sección de paso interior que el diámetro interior del tubo que se conecta. La conexión AUTOESTANCA tiene un mecanismo, de antirretorno, incor- porado de forma que el aire no se escapa tras retirar el tubo y, además, se puede utilizar también en aplicaciones de tubo de cobre. • a) Si no se introduce ningún tubo, la conexión queda cerrada por una vál- vula de retención. • b) Cuando se introduce un tubo, se abre el caudal de aire, empujando la válvula de retención fuera de su asiento. © svr::ESPAÑA. SA © ITP-Paraninfo /63
- 40. COMPRESiÓN Y DISTRIBUCiÓNDEL AIRE Figura 5.27. Ejemplo de conexión por inserción, en codo orientable. Figura. 5.28. Ejemplo de conexión autoestanca. 64/ © ITP·Paraninfo Tratamiento Como se ha descrito anteriormente, el aire atmosférico lleva polvo y hume- dad. Tras la compresión, la humedad se condensa en el post-enfriador y en el depósito, pero siempre queda algo. Además, finas partículas de aceite carboni- zado, cascarillas de la tubería y otras materias extrañas como por ejemplo material de sellado desgastado forman sustancias gomosas. Todo esto, puede producir efectos nocivos al equipo neumático, incrementando el desgaste de las juntas y de los componentes, la deformación de las juntas, la corrosión y atasco de las válvulas. Para eliminar estos contaminantes, es necesario limpiar el aire lo más cerca posible del punto de utilización. El tratamiento de aire incluye también la regu- lación de presión y, a veces, la lubricación. ~ 6.1. FllTRAJE 6.1.1. FILTRO ESTÁNDAR El filtro estándar consta de un separador de agua y un filtro combinado. Si el aire no ha sido deshidratado anteriormente, se recogerá una cantidad consi- derable de agua y el filtro retendrá impurezas sólidas como partículas de polvo y de óxido. La separación del agua se produce principalmente por una rotación rápida del aire, provocada por un deflector en la entrada (figura 6.1). Las partículas más pesadas de suciedad, agua y aceite son expulsadas al impactar contra el vaso del filtro antes de ir a depositarse en el fondo. Entonces, el líquido puede ser purgado por un drenaje de purga manual o automática. La placa separadora © svr::ESPAÑA, SI. © ITP-Paraninfo / 65
- 41. TRATAMIENTO DEL AIRE creauna zona de calma debajo del torbellino de aire, impidiendo que el líquido separado vuelva a entrar en la corriente de aire. Figura 6.1. Típico filtro separador y purga automática opcional. El elemento filtrante elimina las partículas más finas de polvo, de cascarilla, de óxido y de aceite carbonizado al fluir el aire hacia la salida. El elemento fil- trante estándar, elimina todas las partículas contaminantes de hasta 5 micras. Este elemento puede retirarse fácilmente, lavarse y reutilizarse un cierto núme- ro de veces antes de que sea necesario sustituirlo debido a una caída de presión excesiva. El vaso se fabrica normalmente en policarbonato. Por seguridad, debe estar protegido por un protector metálico. En ambientes químicamente peligrosos, deben utilizarse materiales especiales para el vaso. Cuando el mismo esté expuesto a calor, chispas, etc., es recomendable utilizar un vaso metálico. Si el agua de condensación se acumula a gran velocidad, es aconsejable ins- talar una purga automática (figura 6.1). 66 I © ITP-Paraninfo TRATAMIENTO DEL AIRE 6.1.2. FILTROS MICRÓNICOS Cuando la contaminación por vapor de aceite es desaconsejable, se utiliza un filtro micrónico. Al ser un filtro puro, no está provisto de deflector. Figura 6.2. Filtro micrónico típico. El aire fluye desde la entrada al centro del cartucho filtrante y luego hacia la salida (figura 6.2). El polvo queda atrapado dentro de los elementos microfiltrantes. El vapor de aceite y la neblina de agua se convierten en líquido por una acción coales- cente dentro del material filtrante, formando así unas gotas en el cartucho fil- trante que se recogen en el fondo del vaso. 6.1.3. FILTROS SUB-MICRÓNICOS Un filtro sub-micrónico elimina virtualmente todo el aceite y el agua y tam- bién las partículas más finas hasta 0,01 micras, para proporcionar la máxima protección a los: dispositivos neumáticos de medición, pintura pulverizada electrostática, limpieza y secado de accesorios electrónicos, etc. © SlW: ESPl'>ÑA.SA. © ITP-Paraninfo I 67
- 42. TRATAMIENTO DEL AIRE Elprincipio de su funcionamiento es el mismo que el del filtro micrónico, pero su elemento filtrante tiene capas adicionales con una mayor eficacia fil- trante. 6.1.4. SELECCiÓN DEL FILTRO El tamaño del filtro que se requiere para una aplicación específica depende de dos factores: • El caudal máximo de aire comprimido utilizado por el equipo neumático. • La caída de presión máxima aceptable para la aplicación. Los fabricantes suministran diagramas de caudal/presión para permitir la correcta selección del tamaño del filtro. Debe observarse que la utilización de un filtro estándar, puede no resultar muy eficaz para bajas velocidades de flujo. 6.1.5. CALIDAD DEL AIRE 6.1.5.1. Niveles de filtraje La figura 6.3 ilustra los distintos niveles de pureza para diferentes aplica- ciones. El aire procedente del compresor pasa por un post-refrigerador provisto de purga automática para eliminar el agua de condensación y la suciedad. Más agua de condensación se elimina por la purga automática, puesto que el aire se enfría posteriormente en el depósito del aire. Se pueden instalar purgas adicio- nales en todos los puntos bajos del conducto. El sistema se divide en tres partes principales: Las derivaciones (1 y 2) proporcionan el aire directamente del depósito. Las derivaciones (3 - 6) utilizan el aire acondicionado por un secador de tipo refri- gerado. La derivación 7 incorpora un secador adicional de absorción. Los filtros estándar de las sub-derivaciones I y 2, provistos de purgas automá- ticas, eliminan el agua de condensación: la sub-derivación 2 es de mayor pureza debido al filtro micrónico. Las sub-derivaciones 3 - 5 utilizan aire seco refrigera- do, por lo tanto, la derivación 3 no requiere purga automática, la derivación 4 no necesita filtraje previo y la derivación 5 proporciona un nivel de pureza del aire 68 I © rTP-Paraninfo TRATAMIENTO DEL AIRE utilizando un filtro micrónico y un filtro sub-micrónico, mientras que la humedad ha sido eliminada por un secador de aire refrigerado. a .- Filtro micrónico b .- Filtro sub-micrónico e .- Filtro eliminador de olores d .- Secador por absorción 1 11====;=== 2 11==<;>0== = a 3 Ip=====(:;>=== 4 F====<>=== a 5 Ip=== 0<G=== ab 6 Ip===(>0<G=== a b e II====<JQ<G== 1 a d b Figura 6.3. Definici6n esquemática de 7 grados de filtraje. La sub-derivación 6 incorpora un filtro para la eliminación de los olores. Un secador de absorción elimina todo riesgo de condensación a temperaturas más bajas en la sub-derivación 7. Las aplicaciones típicas se indican en el tabla 6.4. N° ELIMINACiÓN DE... APLICACiÓN EJEMPLOS TíPICOS 1 Partículas de polvo mayores de 5 ~m. AceIte líquido> 99%. Humedad saturada < 96%. Cuando son aceptables impurezas sólidas, humedad y aceite. Aire para sujetar, soplado y accionamientos neumáticos sencillos. Tabla 6.4. Definición y aplicaciones típicas de las siete calidades de aire. © SVl:E:if'AÑA.SA. © rTP-Paraninfo / 69
- 43. TRATAMIENTO DEL AIRE N°ELIMINACiÓN DE.. . APLICACiÓN EJEMPLOS TíPICOS 2 Particulas de polvo Cuando no es Controles y mayores de 0,3 ~m. aceptable polvo fino, accionamientos Neblina de aceite >99% aunque puede haber neumáticos para Humedad saturada aceite y cierta cantidad equipos industriales 99%. de condensación. en general. 3 Humedad hasta un Cuando la eliminación Análogo a 111, pero punto de rocío de de la humedad es impe· el aire es seco. Pintura ·17 °C. rativa, pero son acepta- adicional por Lo demás como en (11. bies restos de polvo pulverización. fino y aceite. 4 Particulas de polvo Cuando no son Control de proceso, mayores de 0,3 ~m. aceptables humedad, equipos de medición, Neblina de aceite >99% polvo fino ni vapor de pintura por pulveriza- Humedad hasta un aceite. ción de gran calidad, punto de rocío de enfriamiento de fundí- .17 oC. ción y troqueles de inyección. 5 Partículas de polvo Cuando se requiere aire Dispositivos neumáti- mayores de 0,01 ~m . sin, prácticamente, nin- eos para medición de Neblina de aceite guna impureza. precisión, pintura por >99,999% pUlverización elec· Humedad hasta un trostática, limpieza y punto de rocío de secado de conjuntos -17 oC. electrónicos. 6 Como en (51 con Como en (51 pero cuan· Farmacia, industria ali· eliminación adicional de do se requiere el aire menticia, transporte los olores. también sin olores. aéreo, fermentación, aire para respirar. 7 Todas las impurezas Cuando es necesario Secado de componen· como en (61 pero con evitar cualquier riesgo tes electrónicos, alma· un punto de rocio de de condensación duran· cenamiento de produc· .30 oC. te la expansión ya tos farmacéuticos, equi· bajas temperaturas. pos de medición mari· nos, transporte aéreo de pólvora. Tabla 6.4. Definición y aplicaciones típicas de las siete calidades de aire. (Continuación). ~ 6.2. REGULACiÓN DE LA PRESiÓN La regulación de la presión es necesaria porque, a presiones por encima del nivel óptimo, se produce un desgaste rápido con un incremento mínimo o nulo de efectividad. Cuando la presión del aire es demasiado baja, resulta antieconó- mica puesto que tiene como consecuencia un rendimiento escaso. 70 / © ITP-Paraninfo © sw:ESPAÑA. $A 6.2.1. REGULADOR ESTÁNDAR Figura 6.5. Principio del regulador de presión. TRATAMIENTO DEL AIRE Los reguladores de presión pueden tener un émbolo o dia- fragma para equilibrar la pre- sión de salida contra la fuerza regu lable de un resorte, tal como aparece en la figura 6.5. La presión de salida se predis- pone regulando el tornillo que carga el resorte de regulación para mantener abierta la vál- vula principal, permitiendo que fluya desde el orificio de entrada de presión PI al orifi- cio de la presión de salida P2' Cuando el circuito conectado con la salida se encuentra a la presión preestablecida, actúa sobre el diafragma creando una fuerza elevadora contra la carga del resorte. Si desciende el nivel de consumo, P2 aumenta ligeramente, lo que hace aumentar la fuerza sobre el diafragma contra la fuerza del resorte; el diafragma de la válvula se eleva entonces hasta que la fuerza del resorte sea nuevamente igualada. El caudal de aire que pasa por la válvula se reduce hasta que se equi- libre el nivel de consumo y se mantenga la presión de salida. Si el nivel de consumo aumenta, P2 disminuye ligeramente, lo que hace dis- minuir la fuerza del diafragma contra la del resorte; el diafragma y la válvula descienden hasta que la fuerza del resorte se iguale nuevamente, lo que hace aumentar el caudal de aire por la válvula hasta que se equilibra el nivel de con- sumo. Sin consumo de aire la válvula está cerrada. Si la presión de salida sube por encima del valor regulado debido a: • Una nueva regulación del regulador a una presión de salida más baja o bien, © sw:ESPAÑA. )¡,. © ITP-Paraninfo /71
- 44. TRATAMIENTO DEL AIRE •Un impulso contrario externo desde el actuador ~ <- ro 6 .c ~ 5 ro o c 4 ro -g 3 ~ t.l 2 Ql (/) e :2 o (/) ~ a.. ----- T 1- _. ¡:.-- 1--- '=-- , _--L_ o 2000 4000 6000 8000 Caudal NI/min. Figura 6.6. Gráfica de caudal. El diafragma se eleva para abrir el asiento de alivio de forma que la presión en exceso puede ser evacuada por el orificio de escape en la cápsula del cuerpo del regulador. Figura 6.7. Función de descarga. Con caudales unitarios muy elevados, la válvula se queda completamente abierta. Por tanto, el resorte se estira y se queda más débil y el equilibrio entre 72 / © ITP·Paraninfo TRATAMIENTO DEL AIRE P en el área del diafragma y el resorte se produce a un nivel más bajo. Este 2 ' · ó al problema se puede solucionar creando una tercera camara con una conexl n canal de salida. En este mismo canal la velocidad del caudal es elevada. La presión estática es baja (Bernoulli). Puesto que P3 se encuentra ahora a una pre- sión estática más baja, el equilibrio contra el resorte debilItado a caudales um- tarios elevados queda compensado. El efecto se puede mejorar insertando un tubo en la conexión, cortado en ángulo con la apertura orientada hacia la salida (figura 6.8). Figura 6.8. Principio del regulador de caudal compensado. Figura 6.10. Principio del regulador de presión. Figura 6.9. Teorema de Bernoulli. Figura 6.11. Detalle de compensación de compensado secciones. © ITP·Paraninfo / 73
- 45. TRATAMIENTO DEL AIRE Quedaaún un inconveniente en el regulador de la figura 6.8: si la presión de salida PI aumenta, una fuerza mayor está actuando sobre la parte inferior de la válvula, tratando de cerrarla. Esto significa que un aumento de la presión de entrada hace disminuir la presión de salida y viceversa. Esto se puede evitar por medio de una válvula cuyas áreas de superficie sean iguales para la presión de entrada y salida en ambos sentidos. Así lo demuestra el regulador de la figu- ra6.l0. Figura 6.12. Regulador de presión completamente compensado. 6.2.2. REGULADOR PILOTADO INTERNAMENTE El regulador accionado por piloto ofrece una mayor precisión en la regula- ción de la presión dentro de una amplia gama de caudales. Esta precisión se obtiene sustituyendo el resorte de regulación de un regula- dor estándar por una presión piloto a partir de un pequeño regulador de pilotaje situado en la unidad (figura 6.13). 74 / © ITP·Paraninfo TRATAMIENTO DEL AIRE Figura 6.13. Regulador de presión por piloto. El regulador de pilotaje en la parte superior de la unidad suministra aire de piloto sólo durante las correcciones de la presión de salida. Por tanto, su resorte no se alarga con caudales unitarios muy elevados. 6.2.3. FILTRO-REGULADOR El filtraje del aire y la regulación de la presión se combinan en un solo fil- tro-regulador que proporciona una unidad compacta que ahorra espacio (fi- gura 6.14). 6.2.4. SELECCiÓN DEL TAMAÑO DE UN REGULADOR DE PRESiÓN: CARACTERíSTICAS El tamaño de un regulador de presión, se selecciona para obtener el caudal deseado para la aplicación, con una variación mínima de presión en toda la gama de caudales de la unidad. Los fabricantes suministran información gráfica respecto a las característi- cas de caudal de sus equipos. El más importante es el diagrama CaudallPresión © ITP·Paraninfo / 75
- 46. TRATAMIENTO DEL AIRE queilustra cómo evoluciona P2 al aumentar el caudal (figura 6.15). La curva tiene tres partes distintas: Figura 6.14. Filtro-regulador. 11 ~ '" 6 e Q.N 5 Q (I/min.) Figura 6.15. Diagrama típico de caudal/presión. 76 I © ITP-Paraninfo TRATAMIENTO DEL AIRE • I POCO consumo, con un pequeño intersticio en la válvula que no permite aún una regulación real • II La gama de caudales en los que es efectiva la regulación • III La gama de saturación; la válvula está completamente abierta y una regulación es imposible. 6.2.5. REGULADOR DE PRESiÓN CON VÁLVULA ANTIRRETORNO El regulador de presión que se muestra en la figura 6.16, dispone de una válvula antirretorno en el interior del propio cuerpo, esto permite el paso del aire comprimido en sentido contrario al regulado. De esta forma, al no tener que pasar el aire evacuado por la cámara del actuador, puesta a escape a través del regulador, el retroceso del actuador, se realiza sin ningún tipo de impedi- mento y a gran velocidad. Estos reguladores están especialmente indicados en aplicaciones en las que sea necesaria una regulación entre los órganos de gobierno y los actuadores. , , , , , _________ 1 Figura 6.16. Regulador de presión con válvula antirretorno. © ITP-Paraninfo / 77
- 47. TRATAMIENTO DEL AIRE Elejemplo de la figura 6.17, demuestra la aplicación de estos elementos. El cilindro A, realiza una fuerza de apriete correspondiente a la presión regulada PI =3 bar. Mientras que la del cilindro B, es función de la regulada en la red, P=6 bar. P, = 3 bar 6 bar Figura 6.17. Ejemplo de aplicación de regulador con antirretorno. 6.2.6. REGULADOR DE PRESiÓN PARA EQUILIBRIO DE CARGAS En la manipulación neumática de cargas suspendidas, hay que tener en cuenta las particularidades siguientes: • El equilibrio de la carga durante su trayectoria. • Asegurar una velocidad constante y suave en el descenso para evitar una velocidad elevada. • Accionamiento manual de la carga, con el mínimo esfuerzo muscular del operario. • Estanqueidad del circuito, manteniendo la carga suspendida durante tiem- pos prolongados. 78 / © ITP·Paraninfo TRATAMIENTO DEL AIRE Para ello son necesarios reguladores de presión compensada como el que se muestra en la figura 6.18. Este regulador, está diseñado bajo el concepto fluídi- co de tobera - lengüeta. Este concepto de diseño, tiene la ventaja de crear varia- ciones muy rápidas y sensibles en la regulación de presión, obedeciendo a movimientos mecánicos de la carga extremadamente pequeños. Figura 6.1 8. Regulador de presión para equilibrio de cargas. ,-" ........._.- ---- ._---_..--_....•.• -- -, .. ; REGULADOR PARA EQUILIBRIO .................................................. . . . ........................ •.' Figura 6.19. Esquema de aplicación de regulador de presión para equilibrio de cargas. © ITP·Paraninfo / 79
- 48. TRATAMIENTO DEL AIRE Paracomprender su funcionamiento, asumiremos una situación de carga ingrávida o estática, en cualquier punto de la carrera del cilindro, según el esquema de la figura 6.19, y tendremos la siguiente ecuación: P2,A, = W Donde: • P2 = Presión de equilibrio • Al = Área del cilindro • W = Peso de la carga En esta situación, no existe circulación de flujo, y las presiones Pp y P2, queda estáticamente equilibradas, cerrando la vía EX de evacuación a la atmós- fera con total estanqueidad. Si provocamos un esfuerzo adicional a la carga en sentido ascendente, la nueva situación del circuito, será: es decir, la presión P2 decrecerá, y siendo P2 < Pp, el regulador reaccionará sensi- blemente, poniendo en comunicación la vía de entrada Pi' con la utilización A, ayudando a elevar la carga. Cuando esta fuerza cese, se restablecerá nuevamente el equilibrio del sistema, quedando la carga estática en una nueva posición. Si operamos en el sentido descendente, la presión P2 en la línea A aumenta de valor, originando un cierre en la vía de entrada PI Y una apertura en la vía de evacuación EX. En los movimientos expuestos, la velocidad de desplazamiento de la carga, será constante, suave y sin envaJamiento, correspondiendo su valor al que manualmente haya seleccionado el operario. En el esquema, los elementos 1, 2, 3, 4, 5 Y6 cumplen la misión de automatizar el proceso. ~ 6.3. REGULACiÓN PROPORCIONAL DE LA PRESiÓN Las exigencias de una tecnología cada día más avanzada en el campo de la regulación, ha hecho que se desarrollen constantemente elementos que, conjun- tados con equipos electrónicos, obedecen señales y órdenes de forma analógi- ca, permitiendo variaciones en función de señales, siendo estos valores, propor- 80 I © ITP·Paraninfo TRATAMIENTO DEL AIRE cionales a la señal recibida. No es nuestra intención profundizar, en este texto, sobre los mismos, pero sí dar una noción de su existencia y funcionamiento. El regulador, cuyo principio de funcionamiento aparece en la figura 6.21, es capaz de variar la presión de salida de forma continuada en función de una señal de mando. El gráfico de la figura 6.20 muestra esta particularidad. e 'íl e "'- 100% 75% SO% 25 % 25% SO% Señal 75% Figura 6.20. Gráfica de señal-presión. 100% Figura 6.21. Regulador proporcional de presión. © ITP-Paraninfo / 81
- 49. TRATAMIENTO DEL AIRE Funcionamiento Cuandose incrementa la señal de mando, el piezoeléctrico de la lengüeta 1, produce una flexión sobre esta y cierra la tobera 2. Esta, hace aumentar la pre- sión en la cámara de la tobera 3, la cual actúa sobre la superficie superior del diafragma 4, que fuerza la válvula 5 a bajar. Al descender, ella misma se cierra contra la válvula principal 6 que es presionada hacia abajo, abriendo la entrada 7. La presión de alimentación pasará a través de la válvula principal dando lugar a una presión en la salida. Esta presión es captada y convertida en señal eléctrica por el sensor de presión 8, el cual realiza una realimentación al circui- to controlador 9. El controlador realizará un balance entre la señal de mando y la presión de salida, asegurando que esta última permanezca proporcional a la señal de mando. ~ 6.4. VÁLVULA DE ARRANQUE PROGRESIVO Tiene como misión, poner bajo presión un circuito neumático, de una mane- ra progresiva. De esta forma, el aire penetrará en las válvulas de potencia y los cilindros paulatinamente, evitando accidentes a causa de movimientos muy rápidos e incontrolados. Sección POf A A R A Figura 6.22. Válvula de arranque progresivo. 82 / © ITP-Paranin!o TRATAMIENTO DEL AIRE Funcionamiento: Suministro de aire a baja velocidad (PA < 1/2 PB ) Cuando la válvula piloto 2 se acciona, el pistón 3 pulsa la válvula princi- pal de clapet 1, que es abierta y el orificio de escape R se cierra simultá- neamente. El aire pasa a través del tomillo regulador 7, el cual permite ajustar el caudal de paso, la presión es conducida hacia la salida A con un caudal reducido. Suministro de aire a alta velocidad (PA ~ 1/2 PB ) Cuando la presión de salida de la válvula alcanza un valor superior al 50% de la presión de alimentación, el pistón secundario 5 se abre com- pletamente. La presión sube rápidamente y llega a ser igual a la de ali- mentación. Operación habitual (PA = PB ) Ya que el pistón 5 permanece totalmente abierto en funcionamiento nor- mal, tendremos máximo caudal y la presión máxima está garantizada. Escape rápido Cuando la válvula piloto 2 se desactiva, la válvula principal de clape! 1 se cierra abnendo Simultáneamente el orificio de escape R. El descenso d~ presión hace abrir la válvula antirretomo 6, permitiendo un escape rapldo de la presión residual del circuito secundario. ro 0,5 a. T 1 I-J -, T T ~ 1 I ",OA r +- t - T-+-~ ro iij Eu~~~r llj L l::. ° 0,1 0,2 0,3 0.4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 (P1) Presión pnmaria (MPa) Figura 6.23. Relación de presiones P1 P2 para apertura (cerrado -t abierto). © ITP-Paranin!o / 83
- 50. TRATAMIENTO DEL AIRE ~6.5. MULTIPLICACiÓN DE LA PRESiÓN En muchas ocasiones, es necesario elevar la presión por encima del valor existente en la red. La forma más sencilla de conseguirlo es por mediación de una relación de superficies, las cuales están dispuestas de tal manera que el empuje de una de ellas (la mayor conectada a presión de red) sea recibido por otra de menor superficie. Este principio de funcionamiento, se ilustra en la figura 6.24. En la figura, tenemos: o PI = Presión de red. o P2= Presión multiplicada. o Al = Área de red. o A2 = Área de multiplicación. Considerando el dispositivo de la figura en equilibrio: P, .A, = P, .A, Figura 6.24. Principio de funcionamiento del multiplicador de presión. Luego la presión de salida P2' se obtendrá según: P _ P, ·A, ,- A, ó En la figura 6.25 se muestra un multiplicador que cumple esta característica, y además realiza, de forma automática, el ciclo de multiplicación, sin ningún tipo de energía auxiliar de mando. Funcionamiento: El aire a presión de red, se introduce en el multiplicador por el orificio denominado ENTRADA y se dirige a las cámaras de amplificación A y B a través de los antirretornos 1 y 2, Y también queda conectado a la cámara de 84 / © ITP-Paraninfo TRATAMIENTO DEL AIRE conducción B por medio del regulador de control de presión y de la válvula de control direccional. Las presiones en la cámara de amplificación A y de con- ducción B, obligan al émbolo a desplazarse presurizando el aire de la cámara de amplificación B, el cual, como consecuencia se dirige hacia la SALIDA a través del antirretorno 3. Cuando el émbolo llega al final de su carrera, acciona la válvula de control direccional. Esto hace que la cámara de conducción B se ponga a escape y la cámara de conducción A se presurice. El proceso se repe- tirá de nuevo, asegurando un suministro continuo de aire a presión más elevada que la de entrada. La presión de salida es realimentada al regulador, aseguran- do un control preciso de dicha presión de salida. ENTRADA Cámara de Cámara de SALIDA Figura 6.25. Multiplicador de presión. Ejemplo de cálculo: Disponemos de una presión de red de 5 bar. Se desea llenar un tanque de 100 litros de volumen con una presión cuyo valor será de un mínimo de 8 bar y un máximo de 9,9 bar. ¿Qué tiempo se necesita para realizar esta función? En primer lugar, hallaremos las características del elemento según la tabla que se muestra en la siguiente figura. © ITP-Paraninfo / 85
- 51. TRATAMIENTO DEL AIRE 10 9 8 ro7 .o ~ ro 6 :2 ro 5 '" .!!1 4 c: 3 '0 'c;; 2 !!' [L o ---- ~ '--.... ~ ~ r-- ~'I :::",.. -~ ~bar "- 0 i'. 3b~ 1'--' '" ' .L- ~ ~ ~ "~ ba " "~"' " 1'----- '" "- 'l- ~ • ,,~~ 3 bar ,,~~ "" 0 _ _ _ ~ 1~1_ ,_ 1~1~m~ Caudal a la salida (NI/min.) Figura 6.26. Características de caudal. .- Según el gráfico, a una presión de 9,9 bar, podremos conseguir un caudal medio de 200 NI/min. Por tanto, el modelo elegido será el de la curva superior. Siendo la relación de presiones: P2 =~ = 16 P, 5 ' y P, =9,9 =198 P, 5 ' En el gráfico de la figura 6.27 vemos las características de carga en función de la relación de presiones. Este gráfico, nos da un tiempo según un volumen estándar de 10 litros. ti = 3,2 s. s= 1,1 s. tr =3,2-1,1 =2,1 s. Y, el tiempo de llenado, para un tanque de 100 litros, es de: V 100 T=t ·- =2,1x-=21 s. , 10 10 86 I © ITP-Pa,anin!o 10 9 o , 7 6 ro e> 5 ro u 4 Q) 'O , o a. E 2 Q) ¡:: TRATAMIENTO DEL AIRE / / / "'~~ 1 / / L ./ L 'I~p..A / V , -V --- - 11 12 13 '4 15 16 17 '8 19 20 Relación de preslones P2/P1 y P3/P1 Figura 6.27. Características de carga. ~ 6.6. LUBRICACiÓN DEL AIRE COMPRIMIDO En la actualidad, la lubricación no es una necesidad para los componentes neumáticos modernos, puesto que estos, están prelubricados para toda su vida. Su duración y rendimiento satisfacen por completo los requisitos de la moderna maquinaria, con procesos donde se requiere un gran número de ciclos. Las ventajas de los sistemas "no lubricados" son muchas, enumeraremos algunas como: • Ahorro en el coste del equipo de lubricación, aceite de lubricación y de mantenimiento de los niveles de aceite. • Es más limpio. Los sistemas son más higiénicos y esto es especialmente importante en las industrias alimenticia y farmacéutica. • La atmósfera queda limpia de aceite, para un ambiente de trabajo más sano y más seguro. Pero algunos equipos, debido a que las condiciones de trabajo son extremas, requieren lubricación, y de esta forma, se aumenta la vida útil de los mismos. Para asegurarse de que estén continuamente lubricados, se añade cierta canti- dad de aceite al aire comprimido por medio de un lubricador. © ITP-Paronin!o 187
- 52. TRATAMIENTO DEL AIRE 6.6.1.LUBRICADORES PROPORCIONALES En un lubricador (proporcional) se crea una caída de presión entre la entrada y la salida, directamente proporcional al caudal unitario y se hace subir el acei· te del vaso al visualizador del goteo. Con un tamaño fijo de restricción, un caudal unitario muy alto crearía una caída de presión excesiva y produciría una mezcla de aire/aceite que contendría demasiado aceite y que inundaría el sistema neumático. Al contrario. un caudal unitario disminuido puede no crear la caída de pre- sión suficiente, lo que tendría como consecuencia una mezcla demasiado pobre. Para solventar estos problemas, los lubricadores tienen secciones transversa- les auto-reguladas para producir una mezcla constante. Figura 6.28. Lubricador proporcional. 88 I © ITP·Paraninfo © sw::EsPANA. SA TRATAMIENTO DEL AIRE El aire que entra en (A) sigue dos caminos: fluye por la paleta amortiguado- ra hacia la salida y también entra en el vaso del lubricador por la válvula de retención. Cuando no hay caudal, existe la misma presión sobre la superficie del aceite en el vaso, en el tubo del aceite y en el visualizador del goteo. Por consiguien- te, no hay movimiento de aceite. Cuando el aire fluye por la unidad, el restrictor del visualizador de goteo provoca una caída de presión entre la entrada y la salida. Cuanto más elevado es el caudal, más grande es la caída de presión. Puesto que el visualizador del goteo está conectado por un orificio capilar a la zona de baja presión inmediatamente después del mismo, la presión es infe- rior a la del vaso. Esta diferencia de presión fuerza la subida del aceite en el tubo. por la válvula de retención del aceite y el regulador del caudal hasta el visualizador. Una vez en el visualizador, el aceite se infiltra por el orificio capilar en la corriente de aire principal de mayor velocidad. El aceite se rompe en partículas minúsculas, se atomiza y mezcla homogéneamente con el aire debido al torbe- llino creado por la lengüeta amortiguadora. La lengüeta amortiguadora está fabricada en material flexible para permitir que se doble al aumentar el caudal, ensanchando el paso de este, para regular automáticamente la caída de presión y mantener siempre una mezcla constante. El regulador del caudal permite la regulación de la cantidad de aceite para una caída de presión determinada. La válvula de retención del aceite retiene el aceite en la parte superior del tubo, en el caso en que se detuviera temporal- mente el caudal de aire. La válvula de retención del aire posibilita el rellenado de la unidad sin nece- sidad de desconectar el suministro de aire. El avance correcto del aceite depende de las condiciones de funcionamiento, aunque, como norma general, se permiten una o dos gotas por ciclo de la máquina. Se recomienda un aceite mineral puro de 32 centistokes de viscosidad (ISO VG32). 6.6.2. LUBRICACiÓN POR INYECCiÓN Especialmente para la lubricación de herramientas neumáticas (rotativas) hay lubricadores que inyectan una pequeña cantidad de aceite en la manguera © SVl:ESlWi.iA.SA © tTP·Paraninfo I 89
- 53. TRATAMIENTO DEL AIRE queprovee aire comprimido a la herramienta. Estos requieren una señal de pre- sión para accionar el pistón de una pequeña bomba de vástago. A Figura 6.29. Lubricador por inyección. En la figura 6.39, se muestra la forma en que opera este lubricador: El pistón mueve el vástago hacia la derecha y así expulsa aceite alimentado por la conexión ACEITE a través de la válvula de retención hasta llegar a la salida A, cada vez que una señal de presión llega al punto AIRE PILOTO. Después que esta conexión desaparece, el pistón es reposicionado por el resor- te. La presión de aire piloto, con un valor mínimo de 3 bar, debe durar un míni- mo de 0,5 segundos. Las herramientas con válvula de accionamiento incorpo- rada, no requieren el uso de una válvula direccional externa para producir la señal requerida por el pistón. En este caso, es necesario contar con un "trans- formador de señal". Transformador de señal. Herramienta con válvula incorporada. Figura 6.30. Circuito de lubricador de inyección con herramienta manual. 90 I © ITP·Paranin!o TRATAMIENTO DEL AIRE El transformador de señal, antes mencionado, deberá estar montado en la tubería neumática, como se muestra en la figura 6.30 y emite una señal de pre- sión cada vez que se inicia el flujo de aire hacia la herramienta. El transporte del aceite se efectúa a través de un tubo capilar (usualmente un conducto de nylon de 2,5 x 1,5 mm de diámetro) ubicado en el interior de la tubería de aire y con su extremo a corta distancia antes de la entrada de la herramienta. En este punto, se prevé que el aire atomice el aceite que emerge del tubo capilar. 6.6.3. LUBRICADOR DE MICRO-NIEBLA Este lubricador, representado en la figura 6.31, tiene como característica principal, asegurar una pulverización extra fina, necesaria en casos especiales de lubricación, como por ejemplo instalaciones que cuentan con circuitos intrincados con muchas curvas. Figura 6.31. Lubricador de micro-niebla. Su funcionamiento es muy sencillo: El aceite dosificado, en lugar de entrar directamente en el torrente de aire, lo hace hacia una tobera y en dirección al depósito de aceite. © ITP-Paraninfo / 91
- 54. TRATAMIENTO DEL AIRE Deesta forma, las gotas más gruesas quedan retenidas en el depósito y nue- vamente incorporadas al aceite. Cabe mencionar que en el lubricador de micro-niebla, el aire que pasa a través de él, se divide en dos partes que recorren el lubricador por distintos caminos. Una parte pasa directamente hacia la salida y la otra se dirige al depósito de aceite, retomando la dirección de la salida después de haber entrado en contac- to con el aceite super pulverizado. La parte que pasa directamente es controla- da por la lengüeta, cuya posición está directamente relacionada con el caudal. Es fácil advertir que como todo el aire que entra, debe salir, la restricción impuesta por la lengüeta sobre la primera parte del caudal regula automática- mente la otra y viceversa, permitiendo de esta forma, una distribución propor- cional de la microniebla. Debido a la fineza de la lubricación obtenida con estos elementos, y con el ánimo de mantener una calidad uniforme, es aconsejable instalar antes del lubricador, un filtro que asegure la retención de partículas sólidas de tamaño muy fino así como también, en lo posible, partículas de aceite provenientes del compresor. 6.6.4. SISTEMAS DE LUBRICACiÓN CENTRALIZADA El principio básico de este sistema consiste en hacer burbujear el aire en el lecho del aceite, después de provocar una diferencia de presión que garantice este burbujeo. Funcionamiento El aire comprimido pasa a través del filtro de entrada y del lubricador divi- diéndose en dos flujos, uno destinado a regular la presión diferencial y otro a generar la microniebla de aceite. El primero de ellos, penetra en el interior de la cámara a con presión primaria. La válvula de pilotaje f se abre por mediación del diafragma e dejando pasar el fluido a la cámara de pilotaje b. Seguidamente, la presión de pilotaje abre la válvula principal d permitiendo pasar el fluido de la vía primaria a la secundaria. Según la presión aumente en la vía secundaria, la presión de pilotaje se nivelará en la cámara de pilotaje b cerrando la válvula de pilotaje f. Según aumente o disminuya la presión en la vía primaria o secunda- ria, la operación anterior se repetirá manteniendo la presión diferencial prefijada por el tornillo de regulación F constante y sin variaciones. 92 / © ITP-Paraninfo TRATAMIENTO DEL AIRE Figura 6.32. Lubricador para engrase centralizado. La segunda parte del flujo que genera la microniebla de aceite pasa a través del distribuidor de 2 vías D y entra en el cabezal de toberas E emitiendo un pequeño flujo de aire comprimido lubricado, cuyas partículas no exceden de un tamaño aproximado de 2 micras. . La cantidad de microniebla generada es proporcional a la presión diferen- cial. A mayor presión diferencial, mayor es la cantidad de microniebla. Ante tal evolución parecía imposible lograr una mejora en este sistema. Sin embargo, obsérvese que existe, aunque poca, una caída de presión provocada por el aparato. Cualquier caída de presión significa un gasto. Si pudiera evitar- se, se conseguiría una mejora real del mismo. Esto es lo que ocurre precisa- mente en el lubricador por burbujeo con amplificador. Funcionamiento Esta unidad de lubricación, lleva incorporado un multiplicador de presión, cuyo funcionamiento se ha descrito en este capítulo, de doble pistón, el cual crea una sobrepresión interna que, atravesando un cabezal de toberas, genera © svr::EsPAÑA. SA. © ITP·Paraninfo /93
- 55. TRATAMIENTO DEL AIRE unaniebla de aceite extremadamente fina y homogénea. Las partículas de acei- te, son después inyectadas directamente en la tubería principal. Figura 6.33. Lubricador por burbujeo con amplificador. Las principales ventajas de los sistemas de engrase centralizado, son: • Mínimo caudal de arranque. • Escasa caída de presión. • Alto caudal máximo. • Inmediata respuesta. • Extraordinario alcance (verdadero sistema de lubricación centralizada). • Muy fácil maniobrabilidad. • Reducción del coste de mantenimiento de la instalación. • Optimización del consumo de aceite. 94 / © ITP·Paraninfo © f!N['; ESPAÑA. SA. TRATAMIENTO DEL AIRE ~ 6.7. UNIDADES DE FilTRO-REGULADOR-lUBRICADOR (F.R.l.) Los elementos compuestos por filtro, regulador de presión y lubricador modulares pueden estar combinados en una unidad de servicio conectándolos con bloques de unión y anclaje. En las configuraciones más recientes, se pue- den instalar fácilmente escuadras de fijación y otros accesorios (figura 6.34). 6.7.1. SELECCiÓN DEL TAMAÑO E INSTALACiÓN El tamaño de la unidad modular, debe seleccionarse de acuerdo con el cau- dal unitario máximo del sistema. Generalmente, los fabricantes proporcionan esta información. Figura 6.34. Típica unidad de filtro-regulador-lubricador en una configuración modular. © ITP·Paraninfo / 95
- 56. El trabajo realizadopor un actuador neumático puede ser lineal o rotativo. El movimiento lineal se obtiene por cilindros de émbolo; éstos también propor- cionan movimiento rotativo con un ángulo de hasta 2700 por medio de actuado- res del tipo de paleta y de piñón-cremallera, y motores neumáticos de rotación continua. ~ 7.1. ACTUADORES LINEALES Los cilindros neumáticos, en distintas configuraciones, representan los com- ponentes de energía más comunes que se utilizan en los circuitos neumáticos. Existen dos tipos fundamentales, de los cuales derivan construcciones especiales. • Cilindros de simple efecto con una entrada de aire para producir una carre- ra de trabajo en un sentido. • Cilindros de doble efecto con dos entradas de aire para producir carreras de trabajo de salida y retroceso. 7.1.1. CILINDRO DE SIMPLE EFECTO Un cilindro de simple efecto desarrolla un trabajo sólo en un sentido. El émbolo se hace retornar por medio de un resorte interno o por algún otro medio externo como carga, movimiento mecánico, etc. Puede ser de tipo "vástago retraído" o "vástago extendido", siendo el prime- ro de ellos el más utilizado. Su forma constructiva se muestra en la figura 7.1. © ITP~Paraninfo / 97
- 57. ACTUADORES Figura 7.1. Cilindrode simple efecto del ti,po "vástago retraído", Los cilindros de simple efecto se utilizan para sujetar, marcar, expulsar, etc, Tienen un consumo de aire algo más bajo que el cilindro de doble efecto de igual tamaño. Sin embargo, hay una reducción de impulso debida a la fuerza contraria del resorte, así que puede ser necesario un diámetro interno más gran- de. También la adecuación del resorte tiene como consecuencia una longitud global más larga y una longitud de carrera limitada. 7.1.2. CILINDRO DE DOBLE EFECTO Con este actuador, el trabajo se desarrolla en las dos carreras de salida y retroceso, dado que la presión del aire se aplica alternativamente a los lados opuestos del émbolo. El impulso disponible en la carrera de retroceso es menor debido a que e! área efectiva del émbolo es más pequeña, pero se trata sólo de una consideración si el cilindro tiene que "mover" la misma carga en los (los sentidos. Figura 7.2. Cilindro de doble efecto. 7.1.3. CARACTERíSTICAS PRINCIPALES Las características principales que definen un buen actuador neumático line- al son las siguientes: o Que su rozamiento interno sea lo más bajo posible. 98 I © ITP·Paraninfo © SIVCESPANA. SI. ACTUADORES o Que su montaje o instalación sea lo más simple y rápida. o Que su vida útil sea lo más larga posible. o Que existan gran variedad de diseños para adaptarlos a diversas necesida- des. o Que pueda utilizarse con O sin lubricación. o Que pueda resistir los esfuerzos de tracción, compresión, así como la tem- peratura, sin deformarse. o Que tenga gran capacidad de amortiguación. o Que tenga posibilidad de detectar su posición de carrera. 7.1.4. CONSTRUCCiÓN DEL CILINDRO Se ilustra la construcción de un cilindro de doble efecto. La camisa del cilindro está realizada, normalmente, con un tubo sin costura que puede tener un revestimiento duro y muy bien acabado en la superficie de trabajo interna, para minimizar el desgaste y el rozamiento. Las culatas de los extremos pueden ser de aleación de aluminio o de hierro maleable y están sujetas por tirantes o bien, en el caso de cilindros pequeños, roscados en el tubo del cilindro o embu- tidos. Para trabajar en entornos agresivos o peligrosos, el cuerpo de! cilindro puede estar hecho de aluminio, latón, bronce o acero inoxidable. Figura 7.3. Partes componentes de un cilindro de doble efecto. 7.1.5. ESTANOUEIDAD Uno de los problemas más discutidos en la construcción de cilindros, es la forma de lograr la estanqueidad. Ésta, depende de las juntas o anillos que se © ITP·Paraninfo / 99
- 58. ACTUADORES montan en losémbolos y sobre el vástago. Existen varias formas. Seleccionar cual debe montarse no es fácil, pues se ha de tener en cuenta: • Tipo de actuador. • Material de la junta. • Forma de la junta. • Diámetro del émbolo. • Calidad supeIficial de la camisa. • Tipo de lubricación. • Presión de trabajo. • Velocidad. • Temperatura. • Frecuencia de movimiento, etc. De todas formas, nos atreveremos a hacer algunos comentarios que puedan aclarar este importante tema. Figura 7.4. Junta de doble labio. Deducimos que, con la obturación que se muestra en la figura 7.4, denomi- nada junta de doble labio, la mecanización interior del tubo del cilindro es de una calidad no muy precisa y, por tanto, bastante económica. Por otra parte, los rozamientos son elevados puesto que la componente de fuerza en el cierre ori- ginada por la presión, produce mayor superficie de rozamiento entre junta y 100 / © ITP-Paraninfo ACTUADORES cilindro. También hay que tener en cuenta el efecto de la distribución de la grasa lubricante en la camisa del cilindro, que no es muy uniforme, dejando zonas sin lubricar, después de un prolongado uso. La regulación de velocidades bajas es casi imposible con esta junta ya que se genera un efecto típico denomi- nado "STICK-SLIP". Figura 7.5. Junta de características mejoradas. La junta que aparece en la figura 7.5 mejora, considerablemente, las condi- ciones anteriores, puesto que su forma geométrica contribuye a disminuir la componente normal de la fuerza y, por tanto, a disminuir de forma apreciable el rozamiento con lo que se conseguirán mayores velocidades y la consiguiente econooúa de energía dando mayor vida de servicio al elemento. Esto supone, evidentemente, mayor coste en la mecanización superficial del interior del cilindro puesto que la superficie del mismo requiere un acabado más preciso. En cuanto al reparto de grasa lubricante, en este caso, es favorecida al tener este tipo de obturación mayor movimiento en sentido longitudinal y ser su dis- tribución superficial más uniforme. ~ 7.2. SELECCiÓN DE ACTUADORES LINEALES Cuando se trata de seleccionar un actuador, se realizan las siguientes opera- ciones básicas de cálculo: © ITP-Paraninfo / 101
- 59. ACTUADORES o Cálculo dela fuerza. o Verificación del pandeo. o Capacidad de amortiguación. o Fuerzas radiales. o Consumo de aire comprimido. 7.2.1. CÁLCULO DE LA FUERZA La fuerza desarrollada por un cilindro es función del diámetro del émbolo, de la presión del aire de alimentación y de la resistencia producida por el roza- miento. Hay que tener en cuenta, la eficacia o rendimiento interno del cilindro en la realización de los cálculos. 3: 1: '0 '¡; u '': u.. Si tenemos: 1.0 0,9 0,8 0,7 o 1 . 2 3 4 5 6 7 8 PRESiÓN (bar) Figura 7.6. Rendimiento interno. o FI = Fuerza necesaria para realizar el trabajo, Kgf. o F2 = Fuerza real necesaria en el cilindro, Kgf. 102 / © ITP·Pa,anin!o © S'v'[: ESPAÑA SA. o FT = Fuerza teórica del cilindro, Kgf. o A. = Factor de carga para producir la aceleración: Velocidades normales 0,7 Velocidades altas 0,4+0,5 o ¡.t =Eficacia o rendimiento interno, o D = Diámetro del cilindro, mm, o d = Diámetro del émbolo, mm. o P = Presión relativa de trabajo, bar. Los cálculos para un cilindro de doble efecto, serían: F - F, (Fuerza real necesaria en el cilindro) ,- Á FT = F, (Fuerza teórica) f! Siendo el área: re'O' A = - - cm2 en avance , 4·100 n·IO' -d') A = V cm' en retroceso , 4·100 ACTUADORES Si el actuador es de simple efecto, como el representado en la figura 7,1, nuestro interés apuntará a conocer la fuerza real del mismo. Por consiguiente, a la fuerza teórica calculada hay que reducirle, además de la fuerza de rozamien- to, la fuerza del resorte. Esta última, depende de la elongación del rrUsmo y se puede calcular mediante la expresión: F = K·X siendo: o F = Fuerza del resorte, N. o K = Constante del resorte, N/mm. o X = Elongación, mm. En definitiva, el cálculo de la fuerza real del cilindro de simple efecto, que- daría como sigue: © SIVCESAAÑA. $A. © ITP·Pa,anin!o / 103
- 60. ACTUADORES . No .obstante,para elegir el tamaño de un cilindro, resulta siempre más prác- tIc,outIhzar un dJagrama análogo al de la figura 7.7 que nos indica las fuerzas teoncas para 5, 7 Y 10 bar, o utilizar información técnica facilitada por parte del fabricante del componente. í ~ "- •_____ 0 (mm) _ _ _ _ _ _ __ 25 "'00 r - --."4 6 8 10 12 16 ~r= J~~4 ~_1] ~. 500 - '00 300 '" '00 '" '" '''' :f 25 '" " '"p "' . .. " 32 t I-L i ¡ t P (ba~-~~ fr 5 I--~- -J - t-~L ¡ - f- - . t~ , i t-t- + - t 40 50 63 80 j- tJI ~ +-1 • . I 1- 100 125 140 160 o(mm) Figura 7,7. Fuerza teórica de ros cilindros. 7.2.2. FUERZA NECESARIA 20 25 30 l ''''''''' 50000 ""'" "000 '0000 , J ''''''' p:cc- .""" '0000 r -- -1 [J ""'" """ "00 ~ 1 --t """ "- ¡ ''''' '''' '1" '''''' t .. , , "" .. "" 200 250 300 La fuerza realmente nec~saria depend~ de la masa de la carga, del ángulo del mOVJmIento de e1evaclOn, del rozamJento, de la presión de trabajo y del área efectiva del émbolo. La carga consiste en el peso de la masa, cuando esta se mueve en sentido vertical (figura 7.8a). La fuerza R, representada por el coeficiente de rozamien- 104 I © ITP·Paraninfo © Svt::E$PA.Ñ<..SA. ACTUADORES to que se multiplica por la masa (figura 7.8b) y la aceleración necesaria (fi- gura 7.8c). La influencia de todas estas fuerzas, depende del ángulo del eje del cilindro en relación con la horizontal, como se muestra en la figura 7.8d. F= I-l.G a e d Figura 7.8. Composición de fuerzas para una determinada carga. Un movimiento horizontal (ángulo 0°) necesita solamente vencer el roza- miento. La fuerza necesaria viene definida por el coeficiente de rozamiento el cual puede variar (normalmente entre 0,1 y 0,4 para deslizamiento metal- metal). Este factor entra a formar parte de la fórmula general multiplicando al coseno del ángulo, con lo que varía desde I (=0°) hasta O(a=900). La carga sería igual al peso de la masa a mover, cuando el movimiento sea vertical. El peso es la fuerza creada por la aceleración de la gravedad, actuando sobre la masa. El valor de la aceleración de la gravedad (en una latitud de 45') es 9,80629 mls2 Con movimiento horizontal, el peso tiene una componente nula (aparte de su influencia con el coeficiente de rozamiento) sobre la carga, ya que éste estará soportado totalmente por la configuración de los elementos. Todo el empuje del cilindro, será entonces disponible para acelerar la masa. La componente del peso, propiamente dicho, sobre la carga a vencer por el cilindro variará con el ángulo de elevación a desde 0% hasta 100% ya que tiene como factor de composición el seno del ángulo de inclinación (a), cuyo valor es Opara desplazamiento horizontal y I para desplazamiento vertical. © ITP·Paraninfo / 105
- 61. ACTUADORES 7.2.3. COEFICIENTE DECARGA El coeficiente de carga. es: c, Fuerza necesaria x 100 % Fuerza teórica ' Un cilindro no debe tener un coeficiente de carga superior a. aproximada- mente, el 85%. Si se requiere un control de velocidad preciso o si las fuerzas de carga varían notablemente, no se debería superar el 70%. Los diámetros de los actuadores lineales deben estar calculados, no sólo para desarrollar el esfuerzo requerido, sino también para actuar dentro de unas condiciones de velocidad. Para ello es necesario tener en consideración una disponibilidad de energía adicional que permita acelerar la carga hasta conse- guir la velocidad establecida. El ejemplo siguiente nos puede clarificar lo expuesto. Sea un actuador lineal con las siguientes características y condiciones de funcionamiento: • Diámetro del actuador • Carrera • Masa a trasladar • Posición del actuador 50 mm. 250 mm. 1.000 N. La fuerza disponible para la aceleración de la masa, será: F ~(p . 1t.D' .9,81 J- F ~ 6x1tx50'x9,81 100 ~ 155N , l 400 1 400 La energía desarrollada será: w. ~ F2 . C ~ 155 x 0,25 ~ 38,7 Nm o Julios Siendo, que la energía cinética desarrollada por una masa en movimiento se calcula mediante la expresión: w ~~ m·v' , 2 por tanto: 106 I © ITP-Paraninfo © svr:ESPAÑA. SA ACTUADORES v ~ t;:· La velocidad final teórica de este actuador, despreciando factores de roza- miento, pérdidas de presión en la cámara contraria originadas por la evacua- ción del aire a la atmósfera, podemos decir que estará en tomo a: p8,7X2 v ~ ~ 0,879 m/seg. 100 El coeficiente de carga, en este caso, será: C ~ 1000 x100 ~ 86 % , 1155 La tabla 7.9 proporciona los coeficientes de carga resultantes en aplicacio- nes con cilindros de diámetro 25 a lOO mm., para diferentes masas y utilizando como coeficientes de rozamiento 0,01 para rodadura y 0,2 para metal-metal. Diámetro MASA t 60' 45' 30' .... Cilindro (Kg) IlO,OI )..10,2 jlO,OI 11 0,2 )..10,01 Jl 0,2 )l0,01 Jl 0,2 25 100 4 80 50 , 40 25 (87,2) (967) ":~. 84,9 50,9 67,4 1 20 12,5 51 ,8 43,6 48,3 35,7 34,2 25A 337 0,5 10 32 180 3 c 9 7~" 90 (99,3) 2 39,1 45 (99 ,6) 85 (94,3) 69,7 62,6 49,7 65,7 1 195 22,5 48,8 42,5 47,2 ".' 41,4 24,8 32.9 0;5 980 40 250 3,' 78 125 (99.2) 2 39 65 72,4 (86) 51 ,6 68,3 1 20,3 35 54,6 47,6 52,8 39 46,3 27,8 36,8 0,5 10,9 50 400 4 79,9 200 2 40 100 87 (96,5) 7D 84,8 50,8 67,3 1 20 50 50 43,5 483 35,7 42,4 25,4 33,6 0.5 O 63 850 4,1 81.8 300 l.' 37,8 150 (94,4) 82,3 (912) 67,4 :g;~ 48 63,6 0.9 18,9 75 47,2 41 ,1 45,6 33,7 24 31 ,8 0,5 9,4 80 1000 3.9 78,1 500 2 39 250 (9'7,6) 85 (94,3) 6S,7 82,S 49(1) 65,7 1 19,5 125 48,S 42,5 47,1 34,8 41 ,4 24,8 32,S 0,5 9,8 100 1600 4 79,9 800 2 40 400 (S7) (96,5) 71.4 64,4 50,S 67,3 1 20 200 50 43,5 46,3 35,7 42,2 25,4 33,6 0.5 10 Figura 7.9. Coeficientes de carga en aplicaciones de cilindros. © SI'v(; ESPAÑA, SA. © ITP·Paraninfo /107
- 62. ACTUADORES Una ayuda máspráctica, para encontrar el diámetro adecuado de cilindro, es saber cuál es la masa máxima que éste puede mover bajo diferentes condiciones. En la tabla 7.10, se muestra la masa total en Kg. que resulta de aplicar a las condi- ciones específicas de trabajo un coeficiente de carga del 85% trabajando a una pre- sión de 5 bar y para los dos coeficientes de rozamiento utilizados anteriormente. 60' 45' 30' ..... Diámetro J.!' 0,01 I 0,2 0,01 I 0,2 0,01 0,2 0,01 0,2 25 21,2 . 24,5 22 30 / 25 42,5 J 31 ,5 2123 106 196 I 32 .~ 45 _ 40,:_ 1-~4 , 8 46,2 _ .,7 0 8,2 I-J9~~ 27251 40 5~ 62,5 56,4 i6:3~2 107 80,9 5450 50 85 9(7'" 88 11§ !100,2 hl~7.,II 126 4 8500 425 63 135 155 139,8 i89159,2 265,5 200,5 13500; 675 80 217,7 250 225.5 305 ' 256,7 428 . 323,5 21775 108~ 100 340,2 390,5 390,8 352 , 476,2 669,2 505,5 34020 1701 Figura 7.10. Masa máxima para cilindros (P=5bar Co=85%»). 7,2.4. VERIFICACiÓN DEL PANDEO Hasta el momento, nuestra única preocupación ha sido el conocer la fuerza, aceleración y velocidad; sin embargo la realidad nos obliga también a pensar en la longitud o carrera del cilindro. Con esta variable, aparece un nuevo fenómeno que debemos considerar: el pandeo del vástago. Una definición rápida de este fenómeno, es: "Pandeo es la deformación que sobreviene a una barra esbelta cuando se le somete a un esfuerzo de compre- sión". Decimos ahora que nuestro problema es el de la verificación de pandeo, pues dimensionado un actuador, a partir del diámetro y de la carrera necesaria para que cumpla su [unción, es imprescindible asegurar que no se vea afectado por esta deformación. Si se analiza con más detalle este tema, descubrimos que existen cuatro casos de pandeo que representamos en la figura 7. 11. Y que, estos esfuerzos de pandeo dependen: • Del valor de la carga. • De las dimensiones del vástago (momento de inercia), • Del material del vástago (módulo de elasticidad). • Longitud entre empotramiento (fijación y carga). 108 / © IT?·?aranin!o ACTUADORES · · • • · · • • · • • • · · · • · • · · · • • · · • · • • • · • · · · · · · · · • · • · · · · · • · • · • • · · · • • · • · · • · · • · · • • · · · · ·• b • d a e Figura 7.11. Distintos casos de pandeo. Por tanto, tendremos que la carga máxima de pandeo obedecerá a la expre- sión siguiente: donde: E= 210.000 N/mm' (módulo elástico del acero al carbono) n·04 J = - - mm' (momento de inercia) 64 L= Longitud libre de pandeo Siendo la fuerza de compresión: ( 1t D' J FK =p. ~oo ·9,81 N Y: P = Presión en bar. O = Diámetro en mm. © ITP-Paraninfo 1109
- 63. ACTUADORES Tendremos que elcoeficiente de seguridad es: ¡:; S = ~ (no debe ser inferior a 5) FK Naturalmente, nuestra barra es un cilindro y, como tal, surgen entonces las posibilidades de sujeción que aparecen en la figura 7.12. L,a F,a G, a L,e F,e G,e T,b C,b D,b L,d F,d Figura 7.12. Distintos tipos de sujeción de cilindros. G,d Volviendo a la idea central de verificar si la elección del cilindro y si su carrera está comprometida o no con el pandeo, debemos definir cuál habría de ser su forma de montaje. Con todos estos datos, podemos trabajar de dos for- mas: una analítica y otra gráfica. Elegimos el camino más simple, por medio del gráfico de la figura 7.13. Este diagrama, está construido considerando el caso más desfavorable (empo- 110 / © ITP·Paraninfo ACTUADORES tramiento trasero y carga libre). O sea que, cuando se utilice este diagrama (aún sin conocer la instalación del cilindro) no correremos el riesgo de equivocarnos en la elección. Ejemplo: Tenemos un cilindro con las siguientes características: • Diámetro del cilindro • Diámetro del vástago • Presión • Fuerza 1 LIt 11 63 mm. 20 mm. 6 bar. 1700N. o 45 50 11 ";)::::1'--.l' ...... ),~ Diámetro del Véstago (m1 m l " l' 200 ,,. '" '" 3 , - , 4 ~ = .. .- . 12 'W ~" K ¡-..... "1"- ... ¡.... p". l' • ----- ----- ""'-.... -........ " ~1'---r-- ----- V 60 70 1: 1'---.-""'1'--. 1~r-....l'-- t-.... , "'"'" 1'-- . --=, ...... ......... , 1'-....... ......... r-... 1'>>"Y 11 I! .. 5 67811100 3 ~ 5678110000 , , 3 . ss 1100000 FUERZA (N) Figura 7.13. Verificación de esfuerzo de pandeo. Localizaremos en primer lugar, en la parte inferior del gráfico, la fuerza. A continuación levantaremos una perpendicular hasta encontrar la línea corres- pondiente al diámetro del vástago. Desde el punto que acabamos de obtener, trazaremos una línea horizontal hacia la izquierda para localizar el dato de la carrera máxima que puede realizar el cilindro de nuestro ejemplo. En nuestro caso, 700 mm. © ITP·Paraninfo / 111
- 64. ACTUADDRES ~ 7.3. AMORTIGUACiÓN Loscilindros neumáticos pueden tener una velocidad muy elevada y se pue· dan desarrollar fuerzas de choque considerables al final de la carrera. Los cilin- dros más pequeños tienen una amortiguación fija, por ejemplo amortiguadores elásticos de goma, para absorber el choque e impedir que el cilindro se dañe internamente. En los cilindros más grandes, el efecto del impacto puede ser una amortiguación neumática que decelera el émbolo en la parte terminal de la carrera. El amortiguador se apropia de parte del aire de escape cerca del punto de final de carrera y lo evacua más lentamente a través de una restricción regu- lable (figura 7.14). Figura 7.14. Principio de amortiguación por aire. El escape normal del aire al orificio de salida, se cierra en cuanto el casqui- llo de amortiguación 1 entra en la junta de amortiguación 2, de forma que el aire puede escaparse sólo a través del orificio de restricción regulable 3. El aire atrapado se comprime a una presión relativamente elevada que absorbe la iner- cia del émbolo. Cuando el cilindro inicia la carrera contraria, la junta de amortiguación actúa como una válvula anti-retorno para permitir el paso de aire al émbolo. De cualquier forma, restringe el flujo de aire y retrasa la aceleración del émbolo, la zona de amortiguación deberá ser entonces tan corta como sea posible. Para decelerar grandes cargas o altas velocidades del cilindro, se necesita un amortiguador externo. Si la velocidad del émbolo supera los 500 mm/s, será necesario un tope mecánico externo, también en los casos en que tenga amorti- guación incorporada. 112 / © ITP·Paraninfo © svt: ESPAÑA. SA ACTUADORES 7.3.1. CAPACIDAD DE AMORTIGUACiÓN La amortiguación neumática no está diseñada para absorber valores altos de energía cinética, como pueden hacerlo los amortiguadores hidráulicos. Si la amortiguación neumática resulta insuficiente, rápidamente se producirán daños en las culatas y el émbolo del cilindro. Por tanto hay que verificar la velocidad máxima del actuador que puede desarrollar en función de la masa a trasladar. 7.3.2. VERIFICACiÓN DE LA VELOCIDAD MÁXIMA La amortiguación del cilindro seleccionado debe ser capaz de absorber la energía cinética desarrollada por la masa en movimiento. Por lo tanto, hay que contar con la información siguiente: • Valor de la carga externa. • Valor de las piezas del cilindro aceleradas. - Émbolo K - Vástago St La tabla de la figura 7.15, nos da información sobre el peso de las piezas en cilindros de diámetros comprendidos entre 32 y 160 mm. Según ISO 4393 e ISO 497RlO. I l2J Ez (J) K (Kg) St (Kg/O.lm) 32 1,56 0,110 0,176 40 2.45 0.244 0.166 -_._- - ~-,~ 50 4,40 0,465 I 0,260 63 7,85 0,534 0.260 _. 80 11 .80-- 0.938 o;¡¡¡¡¡-- 100 20,60 __1,49~ 0,560 125 32.30 3,540 ! 0,800 140 44,60 ¡- 4,040 -:-o~86o~~ 160 58.80 5,070 I 1.000 Figura 7.15. Peso de componentes de cilindros. Por tanto, la energía cinética desarrollada por la masa y las piezas que com- ponen el cilindro en movimiento, será: © SIVI:: ESPAÑA. Si, © ITP·Paraninfo / 113
- 65. ACTUADORES donde: EK = L(m+K + St).v2 2 • m = Masa a trasladar, Kg. • K = Masa del émbolo, Kg. • St= Masa del vástago por cada 100 mm. de carrera. • V = Velocidad de trabajo, mis. EK no puede ser mayor que Ez (en la tabla 7.15). La velocidad máxima permisible, será: 2·E V~ = Z ,mis. m+K + St En el gráfico de la figura 7.16 es posible verificar, de forma rápida y cómo- da, lo expuesto analíticamente. En él, se nos muestran los valores límite de velocidad con cargas de diferentes valores de masa, para cilindros de diámetro entre 32 y 160 mm. Es posible que una vez verificada la velocidad máxima y si, en consecuencia, no cumple los requerimientos exigidos, el diámetro del cilindro haya que elegirlo en función de la capacidad de amortiguación aumen- tando su tamaño o utilizando amortiguadores externos, como los hidráulicos. Diagrama m/v 13 del cilindro (mm) -l 3000 2000 1~ ! 500 300 160 o; 200 140 125 ~ 10<1 100 E 70 80 50 63 30 20 50 10 40 7 32 200 250 300 350 400 450 500 550 600 V (mm/seg) Figura 7.16. Verificación de la velocidad máxima. 114 / © ITP-Paraninfo ACTUADORES Ejemplo de aplicación: Dada una masa de 140 Kg. que alcanza una velocidad de 350 mrnIs. con una carrera de 400 mm. ¿Qué diámetro de cilindro será necesario para soportar la correspondiente energía? EK = ~ x 140 X 0,35' = 8,57 Nm ó Julios Por tanto, según la tabla de la figura 7_15 el cilindro adecuado será el de diá- metro 80 mm. ya que, tendremos: Ez = 11,80 > 8,57 Si el cilindro instalado fuese de diámetro 63 mm_ la velocidad máxima per- misible para trasladar la misma masa, sería de: V = 2 x 7,85 033 / m~ , m s. 140 + 0,534 + 0,26 7.3.3. SUPER AMORTIGUACiÓN La figura 7.17 muestra el principio de trabajo: un émbolo amortiguador con un vástago grueso apuntando hacia el émbolo del cilindro, puede desplazarse con una determinada carrera en un alojamiento cilíndrico ubicado en el cabezal alargado del cilindro. Cuando el émbolo principal se desplaza hacia el extremo opuesto, el émbolo amortiguador es presurizado en su par1e posterior por medio de una válvu- la de retención y se desplaza en la misma dirección que el principal (figura 7.17a). Esto ayuda, asimismo, al émbolo principal a acelerar el arranque. La válvula de retención, se cierra tan pronto como el émbolo principal alcanza el extremo opues- to y la presión iguala a la del sistema. Esto mantiene el émbolo amortiguador pre- surizado mientras retrocede el émbolo principal figura 7.17b)_ Finalmente, la proyección cilíndrica del émbolo principal golpea al émbolo amortiguador, que comprime el aire ubicado en la cámara de amortiguación están- dar. Esta presión, actúa sobre toda la superficie del émbolo en lugar de hacerlo sólo sobre un sector anular. Otra diferencia importante es el reemplazado "by- pass" a través de una aguja de restricción para alcanzar el fin de la carrera por una regulación de la presión. Esto se lleva a cabo variando la tensión del resorte de una válvula de asiento por medio del bulón con traba ubicado en la par1e superior © ITP-Paraninfo / 115
- 66. ACTUADORES de la cubierta.Por consiguiente, la presión no se eleva hasta un valor indefinido que podría llegar a dañar los retenes como en el caso del amortiguador estándar, sino que la desaceleración se efectúa mediante una presión alta pero más o menos constante (alrededor de tres veces la presión de trabajo) a lo largo de toda la carre- ra de amortiguación (figura 7.17c). Durante la carrera del émbolo amortiguador, el aire es asimismo aspirado a través de un filtro de bronce sinterizado. Figura 7.17. Principio de trabajo de la super amortiguación. 7.3.3.1. Capacidad Este sistema de amortiguación puede decelerar masa hasta un valor de 20 G. Esto equivale a 20 veces la aceleración de la gravedad, teniendo una velocidad máxima en torno a 2,2 mis. 116 / © ITP-Paraninfo ACTUADORES 7.3.4. AMORTIGUADORES HIDRÁULICOS Estos amortiguadores, se caracterizan por un ajuste automático de la capaci- dad de absorción, debido al original diseño de los orificios que nos permiten obtener un nivel de absorción óptimo, adecuado a cada caso de carga, es decir, es posible amortiguar masas pequeñas con velocidades altas o grandes masas a velocidades menores sin necesidad de ningún tipo de regulación, y no depen- diendo de la temperatura. Evidentemente, siempre que su selección haya sido realizada dentro de los rangos especificados para cada uno de los modelos. En la figura 7.18 se representa un elemento de estas características. Figura 7.18. Amortiguador hidráulico. Estos sistemas de amortiguación son útiles en todo tipo de aplicación donde exista el problema de frenado de masas en sus puntos finales de carrera, y espe- cialmente en sistemas donde la frecuencia, la presión de posición y la suavidad de amortiguación tengan una gran importancia, como por ejemplo la amortigua- ción de brazos de robot, manipuladores, paradas de grandes masas en lineas de rodillos, líneas de transferización, amortiguación de masas en caída libre, etc. etc. ~ 7.4. VERIFICACiÓN DE LAS CARGAS RADIALES Los actuadores lineales con vástago son elementos preparados para realizar esfuerzos de tracción o compresión con cargas centradas a su vástago. Pero no siempre es posible. Existen desalineaciones imprevistas, descentramiento de la carga por razones del proyecto, etc. Estas desalineaciones de la carga, crean momentos sobre la junta del émbolo y sobre el casquillo de deslizamiento y obturación del vástago, provocando daños prematuros y acortando la vida útil del elemento. Para evitar este problema, es necesario verificar la magnitud de las fuerzas radiales que actúan sobre el vástago. Para ello, se han de considerar los siguientes factores: © ITP-Paraninfo / 117
- 67. ACTUADORES • Longitud delsistema de empotramiento LJ' • Carga máxima sobre el casquillo guía FBJ' • Longitud del voladizo total (carrera) L2. • Carga en el extremo del vástago Estos valores, se representan en la figura 7.19 y, a partir de ellos, calculare- mos la carga máxima sobre el casquillo guía, según la siguiente expresión: I "" I Figura 1.19. Diagrama de cargas en cilindros. El valor hallado no podrá superar al de la tabla 7.20 para el diámetro del cilindro cuya verificación se esté realizando. Diámetro l1 (mm) l2 (mm) Carga máx. FB 32 32 52+carrera 40 40 37 58+carrera 65 50 39 68+carrera 100 63 43 71 +carrera 155 80 52 79+carrera 250 100 56 85+carrera 395 125 91 118+carrera 615 160 103 149+carrera 1.005 Figura 7.20. Tabla de cargas máximas para cilindros de 32 a 160 mm. de diámetro. 118 1© JTP·Paraninfo © SVCE~SA. ACTUADORES Ejemplo: Se ha de efectuar la verificación de cargas radiales en la siguiente aplica- ción: • Diámetro del cilindro • Carrera • Carga en el extremo 63 mm. 100 mm. 20N. F.! = 9,95 <155 => admisible. ~ 7.5 CAUDAL DE AIRE Y CONSUMO Existen dos formas para expresar el consumo de aire de un cilindro o un sis- tema neumático. Uno es el consumo medio por hora: esta cifra se utiliza para calcular el coste de la energía como parte del precio de coste total del producto. El segundo aspecto es el consumo máximo de un cilindro, que se usa para cal- cular el tamaño correcto de la válvula o, en el caso de un sistema neumático, para calcular correctamente el tamaño de la unidad filtro-regulador-lubricador. El consumo, en el caso del cilindro, se define como: Consumo =superficie del émbolo x longitud de carrera x N° de carreras por minuto x presión absoluta. Cuando el émbolo se encuentra en uno de los puntos finales, el volumen es cero. Cuando el cilindro realiza una carrera, entra en él una cantidad de aire capaz de llenar su cámara hasta alcanzar la presión relativa de trabajo con lo cual, necesitaremos el volumen de la cámara multiplicado por el valor de la presión absoluta. Según esto, el consumo de aire de un cilindro, en una sola carrera es: ".02 Q = - - ·L ·P 4 ,'" © JTP·Paraninfo 1119
- 68. ACTUADORES siendo: • Q =Consumo de aire del cilindro. • D = Diámetro del cilindro, cm. • L = Longitud de carrera, cm. • Pahs = Presión absoluta, bar. El resultado se nos dará en cm3/carrera. El consumo para un ciclo será el doble (carreras de ida y vuelta) ya que para niveles prácticos resulta despreciable el volumen del vástago en la carrera de retroceso y, en todo caso, dicho volumen compensa el de la tubería del circuito de alimentación al cilindro. Para que el resultado sea expresado en NlJcarrera, tendremos que dividir el valor obtenido por l.000. Presión de Trabajo bar) Diámetro eil. 3 4 5 6 7 20 0,124 0,155 __I--~~B~__ 0,217 0,248 . - 25 0,194 0,243 0,291 0,340 0,38a 32 0,319 0,39a 0,477 0,557 0.636 __ 40 0,498 0.622 0,746 0,870 0.993 50 0,777 0,971 1,165 1,359 1,553 63 1,235 1,542 1,850 2,158 2,465 80 1,993 2,487 2,983 3,47-9- ~75 -- 100 3,111 3886 4,661 5,436 6,211 Figura 7.21. Consumo teórico en cilindros de doble efecto (litros estándar por 100 mm. de carrera). Deberemos tener en cuenta que: • El consumo que figura en la tabla anterior, no incluye los volúmenes muertos en cada extremo de la carrera, ni tampoco el volumen de las tuberías de conexión. • La energía neumática no sufre pérdidas. Para seleccionar el tamaño de la válvula de un cilindro, es necesaria otra cifra: el caudal máximo o el caudal de pico. Este caudal se determina por la velocidad máxima del cilindro. 120 / © ITP-Paraninfo ACTUADORES Q. = 1,41 (Ir'D' .v ·(p + 1,013) SO J " 4 ·10' NI / min. en donde: • Qn= Caudal máximo. • D = Diámetro del cilindro, mm. • v = Velocidad, mm/s. • P = Presión de trabajo, bar. En esta expresión, para no dejar de lado las pérdidas de energía debidas a fenómenos térmicos, se ha tenido presente lo referente a los cambios adiabáti- cos, es decir, procesos sin intercambios de calor, procesos que vienen definidos por la fórmula: P.VK=Cte., donde el exponente K es 1,41 en el caso del aire. La tabla de la figura 7.22 muestra las cifras reales que se obtienen de la tabla 7.21 pero ya corregidas. Presión de Trabajo bar) Diámetro eil. 3 4 5 6 7 20 0,174 0,217 0,260 O,3~~ ~-~~~~- 0,272 - _._--- - r-------;; - _ .. 25 0,340 0,408 0,476 0,543 - --- 32 0,446 0,557 0,668 0,779 0,890 40 0,697 0,870 1,044 1,208 1 ,391 ~_ 50 1,088 1,360 1,631 1,903 2,174 63 1,729 2,159 ¡-- 2,590 3,021 3,451 -¡--~~- --- 80 2,790 I 3,482 4,176 4,870 5,565 100 4,355 , I 5,440 6525 7,611 8,696 Figura 7.22. Consumo real de aire en cilindros de doble efecto (N1/100 mm. de carrera), Ejemplo de cálculo: En un cilindro de 63 mm. de diámetro, 500 mm. de carrera, trabajando a 6 bar. ¿Cual será el consumo real de aire a 15 ciclos por minuto? Resolveremos la cuestión de forma analítica y mediante la tabla 7.22, para contrastar ambos resultados: Q = 14x 3,14xS3' x500x15x2x(S+1,013) = 45885 , 4x106 ' NI/ min. © SV[; esf'AÑ.r<.SA. © ITP-Paraninfo 1121
- 69. ACTUADORES Utilizando la tabla7.22 encontramos que un cilindro de diámetro 63 mm. consume 3,021 litros por cada 100 mm. Este valor, deberemos multiplicarlo por 5 (500 mm. de carrera) y por 30 (15 ciclos completos). Q=3,021x5x30=453,15 NI/min. Vemos que, a efectos prácticos, ambos resultados son similares. ~ 7.6 MONTAJE DEL CILINDRO Para asegurar que los cilindros estén montados correctamente, los fabrican- tes ofrecen una gama de fijaciones que satisfacen todos los requisitos, incluido el movimiento oscilante, utilizando fijaciones de tipo oscilante. DIRECTO BRIDA POSTERIOR HORQUILLA POSTERIOR 122 / © ITP-Paraninfo PATAS Figura 7.23. Varios métodos de fijación del cilindro. CUELLO ROSCADO BRIDA ANTERIOR MUÑÓN OSCILANTE ACTUADORES 7.6.1. JUNTAS FLOTANTES Para arreglar la "desalineación" inevitable entre el movimiento del vástago del cilindro y el objeto guiado, es necesario predisponer una junta flotante en el extremo del vástago del émbolo. Figura 7.24. Junta flotante (rótula). ~ 7.7. ACTUADORES ESPECIALES 7.7.1. CILINDRO CON UNIDAD DE BLOQUEO Un cilindro puede estar provisto de una cabeza de bloqueo al final de la culata delantera estándar. Se podrá sujetar así el vástago del cilindro en cual- quier posición. La acción de bloqueo es mecánica. Eso asegura que el vástago del émbolo esté sujeto correctamente, aún cuando esté bajo carga completa. Figura 7.25. Cilindro con unidad de bloqueo. © ITP~Paraninfo / 123
- 70. ACTUADORES 7.7.2. CILINDRO DEVÁSTAGOS PARALELOS Esta unidad, está formada por dos cilindros de igual dimensión, por lo que su fuerza total es la suma de los dos. Figura 7.26. Cilindro de vástagos paralelos. 7.7.3. CILINDRO CON VÁSTAGO ANTIGIRO El vástago de un cilindro estándar puede girar fácilmente si no existen guías que lo eviten. Esto nos puede condicionar en algunas ocasiones, en el montaje directo de determinadas herramientas. Este tipo de aplicaciones, en las que la herramienta no ejerce un elevado par de giro, pueden ser solucionados utilizando un cilindro con vástago antigiro. , • o Figura 7.27. Vástago antigiro. 124 / © ITP·Paranin!o ACTUADORES La rotación se evita mediante dos caras planas en el vástago y en el casqui- llo guía, o bien utilizando un vástago de sección hexagonal. La figura muestra también cómo un par crea las fuerzas de reacción en el vástago y en su casquillo guía, y como si éste es elevado, puede dañar ambos, especialmente en carreras largas. 7.7.4. CILINDRO PLANO Un cilindro normal tiene un perfil exterior más o menos cuadrado, como es obvio, para cilindros de vástago circular. Si realizamos un émbolo con la misma área efectiva, esto es, con la misma fuerza teórica pero con forma ovalada, obtendremos un actuador con cubierta exterior rectangular, más plana y que además lleva ya incorporada la condición antigiro. Ver ejemplo en la figura 7.28. o o Figura 7.28. Principio del actuador plano. © SVCESPiWA. SA. © ITP·Paranin!o / 125
- 71. ACTUADORES 7.7.5. CILINDRO DEDOBLE VÁSTAGO Figura 7.29. Principio del doble vástago. La Figura 7.30 ilustra este tipo de cilindro siendo utilizado para accionar una mesa de carrera larga. La guía y la rigidez extra se obtienen al ser fijos los extremos del vástago del émbolo, mientras que el cuerpo se mueve con la mesa. Figura 7.30. Aplicación típica de un cilindro de doble vástago. 7.7.6. CILINDRO TÁNDEM Un cilindro tándem está formado por dos cilindros de doble efecto unidos por un vástago común, para formar una sola unidad. Presurizando simultánea- mente las cámaras de ambos cilindros, la fuerza de salida es casi el doble que la de un cilindro estándar del mismo diámetro. Ofrece una fuerza más elevada para un diámetro de cilindro determinado, que puede ser utilizado cuando el espacio para instalación sea reducido. 126 / © ITP·Paraninfo ACTUADORES Figura 7.31. Principio del cilindro tándem. 7.7.7. CILINDRO MULTIPOSICIONAL Las dos posiciones finales de un cilindro estándar propor~ionan dos posicio- nes fijas. Si se necesitan más de dos posiciones, se puede ulihzar una combIna- ción de cilindros de doble efecto. --11~ ---11:-- El I 11 , ~ O 1 ~ 2 Figura 7.32. Cilindro multiposicional de tres posiciones. © ITP·Paraninfo / 127
- 72. ACTUADORES Existen dos principios: Paratres posiciones, es idóneo el conjunto ilustrado en la figura 7.32, que permite fijar el cuerpo del cilindro. Es muy adecuado para movimientos verti- cales, por ejemplo para dispositivos de manipulación. El segundo tipo consta de dos cilindros independientes unidos por sus cula- tas posteriores, lo que permite obtener cuatro posiciones distintas, pero el cuer- po del cilindro no se puede fijar. Combinando tres cilindros se, obtienen 8 posi- ciones. Con cuatro, 16 posiciones. Siempre que estos cilindros tengan sus carreras diferentes. Figura 7.33. Cilindro multiposicional de cuatro posiciones. 7.7.8. UNIDADES DESLIZANTES La unidad deslizante es un actuador lineal de precisión, de dimensiones compactas, que se puede utilizar en robots para fabricación y ensamblaje. Figura 7.34. Unidad deslizante típica. 128 / © ITP-Paraninfo ACTUADORES Figura 7.35. Unidad deslizante típica. (Cant.). La alta precisión de mecanizado de las superficies de montaje y de los vás- tagos guía paralelos, aseguran un movimiento lineal perfectamente recto cuan- do están integrados como partes constructivas de máquina de transferencia y de posicionamiento. En una posición, el cuerpo se puede fijar y son los vástagos los que se pue- den mover (b). Dándole la vuelta, los extremos de los vástagos se apoyan sobre la superficie de montaje y el cuerpo se puede mover (a). En ambos casos, la válvula puede estar conectada a la parte que permanece fija. 7.7.9. MESA LINEAL DE TRASLACiÓN Figura 7.36. Mesa lineal de traslación. Las aplicaciones modernas en manipulación o sistemas robotizados exi- gen cada vez con más frecuencia que los componentes neumáticos sean © SIVC EsPAÑA. 51'.. © ITP-Paraninfo / 129
- 73. ACTUADORES muy compactos, degran precisión, suaves, uniformes y con peso y tamaño reducido. El componente de la figura 7.36, es una mesa adecuada para la traslación de masas, bien centradas o descentradas con respecto a su eje simétrico. A pesar de su tamaño reducido, presenta una construcción de doble cilindro lo que supone, por consiguiente, doble esfuerzo lineal. El guiado del carro, se realiza mediante una guía de rodillos cruzados con lo cual el desplazamiento es preciso y silencioso. También es destacable, la detección magnética de fin de carrera y la regulación mecánica con tope de amortiguación elástica de la misma. Figura 7.37. Mesa lineal de traslación de carrera larga. La figura 7.37 muestra otra ejecución de mesa lineal de traslación para aplicaciones similares a las mencionadas pero con carrera de mayor longi- tud y con posibilidad de amortiguar los finales de carrera con amortiguado- res hidráulicos incorporados. 7.7.10. CILINDRO DE TOPE En las líneas de producción continua, es necesario en un elevado número de aplicaciones, detener la marcha de productos para dar lugar y tiempo a 130 I © ITP·Paraninfo ACTUADORES que se realicen determinadas operaciones. Muy a menudo, se recurre a pequeños dispositivos que son gobernados por actuadores neumáticos. Esto requiere, además del lugar adecuado para su ubicación, el proyecto de los mismos y su construcción. El cilindro de tope de la figura 7.38, es un equi- po diseñado para evitar los inconvenientes mencionados. Se trata de un actuador con vástago y sistema de guiado muy reforzados capaces de resis- tir severas cargas flectoras. En su extremo, puede ser incorporado, como en el caso de la figura 7.39, un elemento de amortiguación hidráulica o elásti- ca, para absorber el golpe originado por el contacto de la pieza frenada. Figura 7.38. Cilindro de tope. 7.7.11. CILINDRO COMPACTO Figura 7.39. Cilindro de tope con amortiguador. La figura 7.40 permite apreciar una inte- resante ejecución, un actuador compacto de carrera corta con amortiguación elás- tica fija y con la posibilidad de detectar a lo largo de su carrera mediante detec- tores magnéticos de posición. Las dimensiones externas del cilindro, en comparación con otras ejecuciones estándar, son entre 2,5 y 4 veces inferio- res en longitud. En este tipo de actuado- res, uno de los problemas más difíciles de resolver, debido a su pequeña carrera, es la detección de posición para generar señales. Con la aplicación de los senso- res magnéticos de posición, se ha dado un gran paso en este sentido. Figura 7.40. Cilindro compacto. © ITP·Paraninfo I 131
- 74. ACTUADORES 7.7.12. UNIDADES HIDRONEUMÁTICAS Unode los problemas o inconvenientes con los que tropieza la neumática es su incapacidad para realizar movimientos lentos. Esta incapacidad surge de la característica que tiene el aire de ser compresible (es decir, de ser un medio elásticol. La solución la proporciona una legítima asociación con la hidráulica, téc- nica que como medio de transmisión de presión utiliza el aceite. Existen en ese sentido dos caminos: uno el que proporciona un cambio del medio de presión y otro el de vinculación mecánica. Figura 7.41. Unidad hidroneumática con cambio del medio de presión. La figura 7.41 nos muestra el primero de ellos. Se aprecia un recipiente al que llega presión neumática, el émbolo flotante que la recibe tiene como única función cambiarla a presión hidráulica, presión ésta que es transmiti- da a un actuador a través de un conducto que presenta un dispositivo que permite controlar el caudal. Debido a que el aceite es prácticamente incom- presible, la velocidad del actuador puede regularse, incluso, a velocidades muy lentas (25 rnm./min.l 132 I © ITP·Paranin!o © srvr:ESPANI, SA ACTUADORES Existen equipos que reúnen el recipiente y la válvula en un solo cuerpo, de manera que si quisiéramos regular velocidades en uno y otro sentido, deberíamos instalar dos. Figura 7.42. Unidad hidroneumática con vinculación mecánica. La figura 7.42 sugiere una variante muy interesante: con el mismo prin- cipio permite lograr un aumento de presión en el aceite. Efectivamente, la posibilidad la brinda el hecho de transmitir, por un medio mecánico, la fuerza a un émbolo de menor diámetro. El resto, funcio- na igual que en el caso anterior. Una variación sobre esta aplicación, consistiría en utilizar una unión en tándem del cilindro neumático y el hidráulico. En este caso deberá verifi- carse la resistencia a la presión de trabajo así como también la compatibili- © svr; ESPANA. SA © ITP-Paraninfo / 133
- 75. ACTUADORES dad de loscomponentes con el aceite a emplear. Debido a su compleja construcción, no se aconseja su utilización. 7.7.13. CILINDROS SIN VÁSTAGO d Figura 7.43. Aplicaciones típicas de cilindros sin vástago. En ciertas aplicaciones representa un inconveniente el hecho de que un cilindro casi duplique su longitud durante la carrera. En otras palabras, está ubicado cerca de la carrera de trabajo, ocupando espacio adicional fuera del área de trabajo propiamente dicha. Un impulsor cuyo largo total sea invaria- ble que puede ser colocado sobre el área de trabajo con una pieza de accio- namiento comprendida dentro de su longitud total es una solución preferible para puertas corredizas a, para corte b, para alimentación e, para manipula- ción d, y, en general para todo tipo de manipulación o selección de producto en el proceso. Existen varias clases de cilindros sin vástago, pero fijaremos nuestra atención en dos modelos cuya ejecución es diferente y pueden darnos una idea clara de estos componentes: • Cilindro sin vástago de transmisión magnética. • Cilindro sin vástago de transmisión mecánica. Un cilindro convencional con una carrera de, digamos 500 mm., puede tener una dimensión aproximada total en posición de salida, de 1100 mm. Un cilindro sin vástago con la misma carrera puede ser instalado en un espacio mucho más reducido, de 600 mm. Presenta una ventaja especial cuando se requieren carreras muy largas y, puede estar disponible hasta una carrera estándar de 1 m. Ó más bajo pedidos especiales. 134 / © ITP·Paraninfo ACTUADORES Figura 7.44. Cilindro sin vástago de transmisión magnética entre el émbolo y el carro. Figura 7.45. Cilindro sin vástago de transmisión mecánica. La fuerza realizable por un cilindro sin vástago con acoplamiento magnético, está limitada por la fuerza de retención magnética. Para levantar o mover cargas más pesadas, los cilindros de tipo ranurado normalmente ofrecen una mayor capacidad de fuerza, pero no están total- mente exentos de fugas como los del tipo de acoplamiento magnético. 7.7.13.1. Selección de los cilindros sin vástago Contrariamente a los cilindros con vástago, en los que las cargas están aplicadas normalmente según el eje central del cilindro, en los cilindros sin vástago, debido a su diseño constructivo, todas las cargas son excéntricas en mayor o menor grado. Dependiendo de la aplicación, estas cargas excéntri- cas pueden llegar a ser determinantes y condicionar totalmente el buen fun- cionamiento del cilindro y su vida útil de trabajo. Por todo ello, la utiliza- ción de los cilindros sin vástago y su integración en la máquina, requieren un análisis cuidadoso de los distintos factores que influyen en la aplicación, con el objeto de conseguir óptimos resultados. Estos factores a considerar, serán: © svr: E~SA. © ITP·Paraninfo / 135
- 76. ACTUADORES • Los momentoslaterales. • El peso total. • La fuerza resistente. • La velocidad. • La deceleración. Momento de flexión Momento radial Momento transversal Figura 7.46. Momentos laterales. w, .J W, W3 Figura 7.47. Cargas admisibles. En primer lugar, una vez establecido el estado de las cargas y momentos que actúan sobre el carro del cilindro, estudiaremos cada una de las cargas W l' W2 y W3' calculando su factor de carga según la expresión: w" a = ~~ n W nmáx siendo: • Wn • Wnmáx =Carga sobre el cilindro. =Carga recomendada por el fabricante. 136 / © ITP-Paraninfo © svr::EsPAÑA $A. ACTUADORES Actuaremos de igual forma con los momentos: M" a = ~~ Mn M nmax Por otra parte, hay que considerar con rigor las condiciones dinámicas del momento de impacto en la deceleración, calculando la carga eqUIvalente (We). Dicha carga equivalente depende de factores como: • La masa en movimiento. • La velocidad del impacto. • La carrera y el tipo de amortiguación. Todo esto se refleja en la siguiente expresión: W, = W·8 G donde: • G = Factor dependiente de la velocidad de impacto. Según figura 7.48 15 - (!) 'O ~ 5 ro u. I I Velocidad de impacto 01.máx ) 1 ___________ ___ ____J Figura 7.48. Factor G. Si tenemos que: Vmáx = 1,4 V, mm./s. • V . =Velocidad de impacto. max • V =Velocidad de trabajo. La carga equivalente We surge en el momento del impacto, aplicada en el centro de gravedad de la carga y en la dirección en que se realtza el movI- miento provocando un momento MVn (según la figura 7.49) en cada una de las posibles direcciones (M I ó M3)· © SVC ESPANA.. $A © tTP-Paraninfo / 137
- 77. ACTUADORES Figura 7.49. Ejemplode aplicación. Luego: • Mvn= Momento provocado por We en el momento del impacto. • We =Carga equivalente. • Ln = Desplazamiento del centro de gravedad de la carga. • 1/, = Factor medio de carga, durante el impacto. El momento generado será comparado con los datos que figuran en las tablas de los fabricantes, según: M a. ___ Vo_ Vn - M Vnmax Como último paso, sumaremos todos los factores obtenidos y comproba- remos que su suma no sea superior a la unidad. Este es un modelo de cálculo. Existen otros similares pero en definitiva " , de lo que se trata a la hora de seleccionar un cilindro sin vástago es de: esta- blecer correctamente los ejes de carga y tener en cuenta las condiciones dinámicas requeridas para realizar la traslación. 138 I © ITP·Paraninfo © srvt::ESPAÑA SI<- ACTUADORES Ejemplo de cálculo: Mesa de giro MSQB20-A (1 ,2 Kg) Pinza de 3 dedos MHS3-40D (0,5 Kg) Pieza (1 Kg) Figura 7.50. Ejemplo para cálculo. El cilindro que aparece en la figura 7.50 ha de mover las masas que en ella aparecen en sentido horizontal, a una velocidad de 250 mm./s. Paso 1: Basándonos en una apreciación previa de la carga a mover, podemos encaminarnos a un diámetro de cilindro de 20 ó 25 mm. Paso 2: Establecemos el estado de cargas y momentos: • Carga estática: solamente tenemos la carga suspendida de un lateral en la dirección W3 (Fig. 7.47) • Momentos estáticos: Solamente existe un momento en la dirección M2. (Fig.7.46) © Sl'v'CESf'AÑA.SA © ITP-Paraninfo f 139
- 78. ACTUADORES Paso 3: Examinamos lascargas estáticas: W3 =9,8 ' (1+0,5+1 ,2+1,5) =41 ,16 N v = Velocidad media = 250 mm/s, Diámetro del cilindro = 25 mm. Con estos datos, consultamos las tablas del fabricante de nuestro cilindro y obtenemos W3max' En este caso, 290 N. Calculamos el factor de carga: Paso 4: Examinamos los momentos estáticos (solamente tenemos momentos en M 2 ), M, =w3 , L, =41 ,16 x 0,04 =1,64 N.m Consultando las tablas del fabricante obtendremos: M2max = 26 N,m. Por tanto, el factor de carga será: _~_ 1,64 - 0063 U M2 - - - , M2max 26 Paso 5: Condiciones dinámicas en el momento del impacto de final de carrera, Calcularemos cada una de las cargas en dicho punto (W e ) Para conocer el valor de SG, en la figura 7.48, necesitamos conocer pre- viamente la velocidad máxima: 140 / © ITP·Paranin!o © SI'v'I:EsPAÑA.. $A. ACTUADORES Vmáx = 1,4 x 250 = 350 mm/s. En la mencionada figura, vemos que con esta velocidad máxima, el valor del factor que tratamos de localizar es: SG =3,5, Por tanto, utilizando la fórmula general, tendremos, para cada compo- nente: W" = 9,8 x 1,5 x 3,5 = 51,45 W'2= 9,8x1,2 x 3,5 = 41,16 W" = 9,8xO,5x3,5 = 17,15 W" =9,8 x1x3,5 =34,3 W" = 51,45 + 41,16 + 17,15 + 34,3 = 144,06 N Paso 6: Momentos dinámicos durante el impacto. Surgen momentos en dos sentidos: MI y M3 Yprocederemos a calcularlos: M = .1..L .W = 0,04 x 144,06 = 1,92 N ·m Vl 3 e 3 1 M =-· LW V3 3 e (41,16x 0,1 0)+ (17,15 x 0,16)+ (34,3xO,28) = 5,48 N.m 3 Ahora calcularemos los factores de carga correspondientes: (J, =~= 1,92 = 0,096 Mvl M Vlmax 20 =~= 5,48 = 0275 CX Mv3 M 20 ' v3max Paso 7: Calculamos el sumatorio de TODOS los factores de carga obtenidos: ~(J, = 0,142 + 0,063 + 0,096 + 0,275 = 0,576 0,576 < 1 VÁLIDO © SV1:ESPAÑA. $A. © ITP-Paraninfo / 141
- 79. ACTUADORES ~ 7.8. ACTUADORESDE GIRO 7.8.1. ACTUADOR DE GIRO MEDIANTE PIÑÓN-CREMALLERA El eje de salida tiene tallado un piñón que engrana con una cremallera que está unida a un émbolo doble. Los ángulos de rotación varían entre 90" y 180°. Figura 7.51. Unidad de giro piñón-cremallera. 7.8.2. ACTUADORES DE GIRO POR PALETAS La presión del aire actúa sobre una paleta que está unida al eje de salida. La paleta hace un cierre hermético mediante una junta de goma o por un revestimiento elastomérico. 142 / © ITP-Paraninfo © S1VI:ESPAÑA. SI. ACTUADORES Una junta especial tridimensional cierra el tope contra el eje y el asiento. El tamaño del tope, determina el giro: 90°, 180° ó 270°. Se dispone de topes regulables, para ajustar cualquier ángulo de giro de la unidad. Figura 7.52. Unidad de giro por paleta. 7.8.3. DIMENSIONADO DE LOS ACTUADORES DE GIRO Los actuadores lineales poseen una amortiguación para reducir el impac- to antes de que el émbolo pueda golpear las culatas. La capacidad de la amortiguación viene definida por la energía cinética que dicha amortigua- ción puede absorber. Esta energía, es el elemento más importante a tener en cuenta cuando la carga es impulsada a altas velocidades y con una baja rela- ción de carga. Estas características dinámicas, son aún más importantes en el caso de los actuadores de giro. El hecho de que la parada de la masa que gira, sea realizada de forma libre por el propio actuador, sin amortiguaciones ni topes © SNI:ESPAÑA. SA. © ITP-Paraninfo / 143
- 80. ACTUADORES externos, provoca unalto riesgo de rotura de los dientes del piñón o de las paletas. La energía que es posible absorber, que estará claramente definida por el fabricante, deberá ser estrictamente respetada. Para definir esta energía, necesitaremos saber la inercia de las masas en rotación. Suponiendo que el material esté compuesto de elementos diferen- ciales (partes de tamaño extremadamente pequeño), la suma de todas estas masas multiplicada por la distancia del centro de gravedad de cada una de ellas al eje de rotación, nos dará la inercia total. .. El caso básico es un cilindro colocado en posición vertical y con un cen- tro coincidente con el eje de rotación. Su momento de inercia será: Los momentos de inercia de formas más complicadas, deben ser calcula- dos mediante cálculo diferencial. La figura 7.53 nos da las fórmulas a emplear en los casos más comunes. En dispositivos giratorios más complicados, se pueden considerar dividi- dos en elementos básicos simples y el momento de inercia total es la suma de los parciales. Por ejemplo, una pinza en un brazo como el de la tabla (K). Se deberá sumar el momento de inercia del brazo a la masa de la pinza y la pieza y el resultado, multiplicarlo por el cuadrado de su distancia al eje de giro. Siempre que sea posible, las masas en rotación deberán ser paradas con- tra topes mecánicos externos, preferiblemente contra amortiguadores. Estos deberán estar situados tan lejos del eje de rotación como sea posible. Un tope colocado entre la masa que gira y el centro de rotación nos provocará reacciones en el eje del actuador. Si los topes externos no se pueden situar en el propio plano de rotación de la masa, tenemos la opción de hacerlo colocando una palanca en el extre- mo opuesto del eje y actuando con los topes externos sobre ella, tal como se muestra en la figura 7.54. Esta disposición ocasionará esfuerzos de torsión en el eje. Deberá ser evitada en lo posible y, en caso de duda, lo consultare- mos con el fabricante. 144 / © ITP·Paraninfo a d k eJ r2 J = m. - b 2 Gr2 J = m.- 4 e ......... .~ .... ........ _ ........... : : . = . ~ r2 J = m. - 2 ~ a2 r' J = m. - +- 12 4 a2 J = m.- 12 e f ~ , r2 , ; ,.---=..: iCi ............. = = A CTUADORES 2 2 J = m. r, + r2 2 2r2 J = m. - 5 a2 + b2 J = m.--- 12 4a2 +c2 4b2 + c2 J = ma · +mb· -- - 12 12 Figura 7.53. Formulario de los momentos de inercia para formas comunes. © ITP-Paraninfo / 145
- 81. ACTUADORES a e b Figura 7.54. Paradade los brazos y las masas en giro. Las inercias son, respecto a los objetos en rotación lo mismo que las masas en movimiento lo son para movimientos lineales. La energía está definida por la velocidad. En rotación, la velocidad empleada es la "veloci- dad angular" (ro) que se expresa en radianes por segundo. La figura 7.55 nos ilustra estas expresiones. í--s-l I m=-rad l I~~~~=J_ ' _. [ 1 rad : <p = 57.3° ] _._._._._..._._.__.- Figura 7.55. Representación de la velocidad angular. Para calcular la energía máxima que se deberá absorber, deberemos con- siderar la velocidad final. Una aceleración producida gracias al aire compri- mido, si no está limitada por restricciones en la cámara de escape, puede ser considerada como una aceleración uniforme. El movimiento comienza en cero y alcanza al final, el doble de la velocidad media. Para movimientos neumáticos rápidos, los cálculos se deben basar en este valor (el doble de la velocidad media). 146 I © ITP·Paraninfo © 9fC E~SA Velocidad lenta a ro!~",-,,,~ I ACTUAOORES Velocidad rápida b ~ Vetoe. máxima ..--- - .- Vetoe. media dUdd~ro =2 y:d Figura 7.56. Energ¡a máxima en velocidad media y final. Ejemplo de selección de un actuador de giro: Momento de inercia: Es necesario girar una masa de dimensiones 300 x 200 mm. en el sentido que se indica en la figura 7.57. La mesa es de 4 Kg. reparti- dos de forma uniforme sobre la superficie y disponemos de 3 segundos para conseguir un giro de 180°. Figura 7.57. Masa a mover en esta aplicación. Este caso coincide con el apartado (i) del la figura 7.53. J = m.(a' +b' ) = 4X(30' + 20')= 43333 Kg'cm2 12 12 ' Para el cálculo de la energía cinética y, según las condiciones de la fig. 7.56, se puede considerar que este giro es lento, con lo cual la velocidad angular será: y la energía cinética descrita será: E, = ..!. J . w2 10-3 - 433,33 xl ,05 2 O24 K f 2 - 2 x 1000 ' gcm. © 9Il::ESPAÑA. $A. © ITP·Paraninfo ; 147
- 82. ACTUADORES Una vez localizado,en la información del fabricante, un actuador que cumpla estas características, la elección habrá sido adecuada. 7.8.4. NUEVOS ACTUADORES DE GIRO Los actuadores de giro antes expuestos son, generalmente, los más cono· cidos y utilizados en casi todos los sectores industriales. No obstante, la tec- nología neumática avanza con rapidez y es capaz de dar respuestas instantá- neas a cualquier requerimiento del mercado y, por este motivo, se han diseñado nuevos modelos de actuadores rotativos que cumplen adecuada- mente las necesidades de un mercado cada vez más exigente con respecto a los procesos en que se utiliza la manipulación y la robótica. Dentro de estos modelos nuevos, la figura 7.58 muestra una mesa girato- ria mediante un actuador de paletas. La mesa es apoyada sobre un roda- miento y forma un conjunto compacto. Es posible, en este elemento, esta- blecer una regulación del ángulo de giro y detectar magnéticamente la posi- ción establecida. Figura 7.58. Mesa giratoria con actuador de paleta. 148 / © ITP·Paraninfo ACTUAOORES Figura 7.59. Actuador giratorio con doble cremallera y piñón. La figura 7.59, muestra otra mesa giratoria con accionamiento, en este caso, de piñón-doble cremallera. La mesa apoya sobre rodamientos y es capaz de sustentar cargas elevadas con relación a su tamaño y girarlas con suavidad y precisión. También se dispone, en este caso, de la posibilidad de regular el ángulo de giro y, además, absorber la energía cinética por media- ción de amortiguadores hidráulicos. 7.8.5. ACTUADORES ROTOLlNEALES Estos elementos, están estudiados para la manipulación de piezas pequeñas en máquinas automatizadas, mecanismos robotizados, posiciona- mientos o cargas y descargas de puestos de trabajo, donde sean necesarios movimientos lineales y rotativos combinados. La ejecución del elemento es compacta, estando integrados ambos movimientos en un solo cuerpo, y pudiendo realizar simultánea o independientemente la translación y el giro. © ITP·Paraninfo / 149
- 83. ACTUADORES figura 7.60. ActuadorrotolineaL ~ 7.9 PINZAS NEUMÁTICAS La manipulación de productos representa una fase esencial en la mayoría de los procesos industriales. En la industria, las funciones de manipulación son necesanas en cada una de las operaciones de alimentación y descarga de las máquinas que operan en el proceso. En capítulos anteriores, vimos como los movimientos lineales o rotativos nos proporcionan ejes con giros capaces de cumplir cualquier requerimiento en la traslación o posicionado de piezas. Los cilindros sin vástago o mesas lineales son elementos útiles para estos trabajos.. También con ayuda de la tecnología de vacío se pueden sUjetar piezas mediante ventosas adecuadas. En definitiva, el objetivo final de toda manipulación es sujetar la pieza para poderla trasladar posterior- mente a través de ejes matrices. Las pinzas neumáticas, en este aspecto, podemos considerarlas como las "manos" que cogen y sujetan estas piezas. Existen varios modelos de pinzas pero, de entre todos, podemos destacar las siguientes familias, en función de su forma de trabajo: • Pinzas con apertura angular de los dedos. • Pinzas con apertura paralela de los dedos. • Pinzas autocentrantes. • Pinzas con tres dedos dispuestos a 120°. • Pinzas con apertura de los dedos a 180°. • etc. 150 / © ITP-Paraninfo ACTUADORES 7.9.1. PINZAS CON APERTURA ANGULAR Figura 7.61. Pinza con apertura angular. La figura 7.61 muestra una pinza con apertura angular de los dedos. Su funcionamiento es como sigue: Un émbolo está unido por el vástago a un sistema de dedos con puntos giratorios que, a su vez portan un sistema de rodadura que se desliza sobre una pista. Cuando la presión aparece en la cámara superior del émbolo, los dedos de las pinzas cierran hasta completar el reCOrrido. La apertura es posible, evacuando la presión de la cámara superior e introduciéndola por la inferior. 7.9.1.2. Pinzas angulares con gran esfuerzo prensil Figura 7.62. Pinza angular de gran esfuerzo prensil. Esta pinza, ha sido diseñada para aplicaciones en las que se requieren grandes esfuerzos de manipulación. Su construcción, partiendo de un cilindro compacto, permite un mantenimiento rápido y sencillo, gracias a la calidad de estos cilindros. Cuando los dedos están cerra- dos, el mecanismo de transmi- sión articulado de la pinza entra en funcionamiento, ori- © ITP-Paraninfo / 151
- 84. ACTUADORES ginando una elevaday estable fuerza prensil, incluso ante un descenso de la presión. 7.9.2. PINZAS CON APERTURA PARALELA En la figura 7.63 puede verse una pinza cuyo funcionamiento básico es idéntico a la anterior, pero con algunas connotaciones distintas. Los dedos no están libres, están guiados por un sistema de patines de rodadura, los cuales tienen como misión principal corregir el arco creado por la unión del vástago, los dedos y el giro de los mismos y transformarlo en un movimien- to de traslación lineal para los dedos. Un movimiento lineal y sincronizado en toda la longitud de apertura y cierre. Estas pinzas, según la forma que se le dé a los dedos, pueden coger obje- tos por el exterior o por el interior de los mismos, según convenga en cada aplicación. La figura 7.64 muestra dos tipos de dedos para aplicaciones dis- tintas. ] Figura 7.63. Pinza con apertura paralela. Figura 7.64. Dedos para presión externa e interna. 7.9.2.1. Pinzas de apertura paralela de precisión Esta pinza neumática, de accionamiento rotativo, ha sido diseñada para posicionamientos de alta precisión, manipulación y ensamblaje de piezas de pequeñas dimensiones. La apertura y cierre de los dedos, mediante un sistema de rodillos trans- versales, se produce de forma paralela, pudiendo trabajar realizando tanto presiones internas como externas en las piezas. 152 / © ITP-Paranin!o ACTUADORES Actuador rotativo Rodamiento de bolas --""'-'"""'-. I I I 1 I Guía soporte Guía de rodillo~ Rodamiento de bolas transversales Figura 7.65. Pinza de apertura paralela de precisión. El accionamiento rotativo de la pinza está equipado con rodamientos a bolas y el actuador rotativo es usado como fuente de conexión de los dedos. Este tipo de pinzas, puede ser empleado en sala limpia (eLEAN ROOM), clase 10. 7.9.3. PINZAS AUTOCENTRANTES Figura 7.66. Pinza autocentrante. © ITP-Paranin!o / 153
- 85. ACTUADORES En la figura7.66 vemos que un mecanismo de piñón-cremallera propor- ciona a los dedos un movimiento lineal, sincronizado y autocentrante. Su construcción, de doble émbolo, permite obtener un esfuerzo considerable en la fuerza prensi1. 7.9.4. PINZAS DE TRES DEDOS La pinza de la figura 7.67, se utiliza para realizar cierres y aperturas de tres dedos concéntricos, dispuestos a 120°. En este caso el funcionamiento es diferente al del resto de pinzas vistas hasta ahora. El cierre y la apertu- ra de los dedos se consigue por un mecanismo de cuña y leva accionado por un cilindro neumático. Por sus características, estas pinzas, son muy útiles para manipulación y centrado de piezas en manipulación, robótica, etc. Figura 7.67. Pinza de tres dedos. 7.9.5. PINZAS CON APERTURA A 1800 Figura 7.68. Pinza con apertura a 180°. La figura 7.68 muestra una nueva forma constructiva de pinzas. Las anteriores, presentaban una apertura y cierre de los dedos siempre en el 154 / © ITP·Paraninfo ACTUADORES mismo plano. Esta, sin embargo, puede abrir y cerrar los dedos en función de un abatimiento del plano de 180°. Evidentemente, gracias a este abati- miento, en trabajos de manipulación es posible eliminar el movimiento de uno de los ejes. El funcionamiento es, según la figura, bastante simple: un émbolo neumático con una cremallera tallada en su vástago, engrana con dos piñones periféricos que, a su vez, están unidos sólidamente a los dedos que sujetan. El recorrido del émbolo proporciona un arco de giro de 90° a cada dedo. 7.9.6. CONSIDERACIONES SOBRE LAS PINZAS Como ya hemos hablado anteriormente, el objeto fundamental de las pin- zas, como elementos finales en la manipulación de piezas, es el de sujetar- las con garantía para su posterior traslado. Por este motivo, las pinzas deben reunir las características siguientes: • Gran fuerza prensil en relación a su tamaño. • Poco volumen ocupado. • Ligeras (poco peso adicional al resto de mecanismos). • Con detección de la posición de los dedos abiertos/cerrados. • Facilidad de acoplamiento. 7.9.7. SELECCiÓN DE LAS PINZAS Para la selección de estos componentes, es necesario tener en cuenta algunas consideraciones: Fuerza prensil La fuerza prensil que puede realizar la pinza viene detenninada mediante gráficas que proporciona el fabricante. Gráficas similares a la de la figura 7.69. © ITP·Paraninfo / 155
- 86. ACTUADORES + -1--- 1 =1 l() 20 30 Longitudde voladizo L (mm) Figura 7.69. Gráfica de fuerza en pinzas. No obstante, también hay que considerar que en el transporte de piezas es posible que se produzcan aceleraciones y deceleraciones fuertes o para- das súbitas del movimiento. En este caso, hay que prever una reserva suple- mentaria de fuerza prensil como seguridad de sujeción. Esta reserva, puede establecerse en función de la construcción de los dedos, de los valores de velocidad, aceleración, frenado, etc. Como punto de partida, se pueden pre- fijar unos valores iniciales: fuerza prensil entre JO Y 20 veceS superior al peso de la pieza. 7.9.8. CONSTRUCCiÓN DE LOS DEDOS Correcta Incorrecta Figura 7.70. Formas, correcta e incorrecta, de dedos para pinzas. Para el funcionamiento seguro y correcto de las pinzas, es importante fijar la atención en la construcción de los dedos. La figura 7.70 nos muestra de una forma muy expresiva lo que no debe hacerse en el diseño de los 156 / © ITP·Paraninfo © 9VC ESPAÑA. SA, ACTUADORES dedos para una pinza de apertura paralela que deba sujetar una pieza circu- lar. Sin embargo, aunque la figura sea elocuente, se han de tener en cuenta una serie de factores. En la figura 7.71 vemos cómo la fuerza prensil por dedo se descompone en Y2 de la fuerza total del cilindro y, además teniendo en cuenta el ángulo que le demos a las muescas en los dedos, tendremos: 2·F Q= - t9a siendo: • Q = Masa de la pieza. • F =Fuerza de sujeción en los dedos. F ' Ra1h -~ Ci- ~. ~ ~ Áa1 0/2 0/2 Q F Ra2h ~ Figura 7.71. Descomposición de fuerzas en los dedos. Si en la fórmula anterior contemplamos un coeficiente de seguridad para cubrir las aceleraciones, frenadas y paros, tendremos: Q=2F. K t9a © ITP-Paraninfo /157
- 87. ACTUADORES Tomando como valorespara K: • K =0,5 para velocidades moderadas. • K = 0,25 para velocidades altas con aceleraciones y paradas bruscas. Otra consideración importante es la siguiente: Se debe procurar sujetar siempre las cargas por su centro de gravedad o lo más cerca posible de él. La figura 7.72 nos muestra un estudio de com- portamiento de las fuerzas y los momentos que inciden sobre los dedos de una pinza cuando la carga está desplazada. Ra, Rb: Reacciones sobre los dedos de la pinza. Figura 7.72. Reacciones sobre los dedos con carga desplazada. Tendremos las siguientes fuerzas y momentos: Fuerzas: Momentos: IM=O 158 / © ITP-Paraninfo Definición ~ 8.1. DEFINICiÓN DE VAcío Se puede definir el vacío como la ausencia de aire en el interior de un espa- cio dado. Esta ausencia de aire en el interior reduce la presión atmosférica exis- tente a valores próximos al cero absoluto, creando una diferencia de presión entre el interior y el exterior del mismo. Por ejemplo, si disminuimos la presión en un recipiente cerrado, evacuando el aire de su interior, se crea vacío y, por consiguiente, existirá una diferencia de presión entre el interior y el exterior del recipiente, generando la presión exterior una fuerza sobre las paredes del mismo, que será mayor cuanto menor presión haya en su interior. Figura 8.1. Aspirador. Por este motivo, podemos decir que un aspirador por sí solo no aspira: sino que crea en su interior una presión menor que la atmosférica, y en consecuen- cia el aire y el polvo son llevados hacia su interior debido a la mayor presión externa. © ITP·Paraninfo / 159
- 88. DEFINICiÓN DE VAcío ~~pat =Presión atmosférica Pv = Presión de vacío Figura 8.2. Ventosa. Tampoco una ventosa se adhiere por si sola a una superficie, pero sí se fija por la mayor presión que la rodea. La presión atmosférica. 8.1.1. CONSIDERACIONES ENTRE VAcío y SOBREPRESIÓN Tanto la neumática convencional de sobrepresión como la técnica del vacío, están basadas en la circulación de aire desde las zonas de presión más alta hacia las zonas de presión más baja (diferencia de potencial). Por esta razón, la interdependencia y las leyes físicas entre flujo, presión y fuerza que rigen el comportamiento del aire en las aplicaciones de vacío son exactamente las mismas que en las aplicaciones convencionales, aunque-con ciertas "peculiaridades"; por ejemplo: • Podemos decir que, en el caso de vacío, el flujo es "opuesto" ya que el aire fluye desde zonas a presión atmosférica (presión más alta) a zonas de depresión o presión de vacío (presión más baja). • La diferencia de presión siempre es limitada. • Adquieren mayor importancia en vacío aspectos como: - RESISTENCIA AL FLUJO. - VOLÚMENES MUERTOS O INNECESARIOS QUE HAY QUE EVA- CUAR Y QUE TIENEN QUE REDUCIRSE AL MíNIMO. Estos dos últimos factores presentan un cierto nivel de controversia, puesto que unas conducciones de mayor sección nos ofrecen menores resistencias al flujo, pero, por el contrario, aumentan el volumen que hay que evacuar. • Hay que tener en cuenta también que cuando se habla de técnica del vacío, estamos hablando de la quinta o sexta parte de la energía disponible en las 160 I © ITP·Paraninfo DEFINICiÓN DE VAcío aplicaciones neumáticas convencionales. Esta es la razón por la cual pasan a primer plano fenómenos hasta ahora considerados de forma secundaria. En resumen: hemos de reducir en lo posible todas las caídas de presión pero sin crear volúmenes a evacuar excesivamente grandes, puesto que esto supondrá un coste de tiempo y energía (mayor caudal de succión). 8.1 .2. GASTO DE ENERGíA EN LOS DIFERENTES GRADOS DE VAcío El consumo de energía para producir el vacío, aumenta asintóticamente hacia el infinito cuando aumenta el grado de vacío. Es importante, para optimi- zar la relación energética, trabajar con el menor nivel de vacío posible. Para ilustrar mejor lo anteriormente dicho, supongamos una bomba de cuer- po cilíndrico con pistón, como la mostrada en la figura 8.3 101,3kPa (0%) © svr::ESfWIA. SA. ] E 40,52 kPa (60%) J E ~ N Ó 10,13kPa (90 %) E 1,013kPa (99 %) Figura 8.3. Bomba cilíndrica con pistón. 0,1013 kPa (99,9 %) © ITP·Paraninfo / 161
- 89. DEFINICiÓN DE VAcío Segúnla ley de BOYLE, a temperatura constante (T) la presión absoluta (P) en un gas, es inversamente proporcional al volumen (V) ocupado por el mismo. p. V = Constante Si aumenta el volumen, disminuye la presión. En la figura 8.3 se ve clara- mente como tirando lentamente del pistón de la bomba, la carrera efectuada representa el trabajo desarrollado para incrementar el volumen inicial y conse- guir el nivel de vacío. El campo del vacío se subdivide en tres sectores principales analizados en la tabla de la figura 8.4. BAJOVACio VAcio INDUSTRIAL VAcío DE PROCESOS 0-20 % PARA MANIPULACiÓN Y REFRIGERACiÓN 20-99% >99% • PARA ELEVACIóN • MANIPULACIÓN .AUTOMATIZACIÓN Figura 8.4. Grados de vacío usados en diferentes sectores. 8.1.3. VAcío CENTRALIZADO O DESCENTRALIZADO Un sistema de elevación con ventosas, puede proyectarse de diversas for- mas; por ejemplo: utilizando una sola fuente de vacío para alimentar todas las ventosas o bien utilizar una fuente de vacío para cada ventosa. La elección de uno u otro método, está condicionada a la capacidad de carga deseada, al con- sumo de aire y al requerimiento de seguridad. En la mayoría de los casos, es más eficaz la segunda solución. Sistema centralizado Es un sistema como el mostrado el la figura 8.5, en la que se aprecia que disponemos de una bomba de vacío junto con su recipiente auxiliar, montada en la posición central. 162 I © ITP·Paraninfo © sva::::ESI'AÑA. SA. DEFINICiÓN DE VAcío Supongamos que el volumen total a evacuar (ventosas + tubería) sea de 1 litro, el volumen de la ventosa sea 0,1 litro y el nivel de vacío del sistema de -90 Kpa. Cuando se abra el paso de vacío, la depresión del sistema se reduce a -80 Kpa. Por tanto, antes del inicio del trabajo, la bomba debe aumentar el vacío de -80 Kpa a -90 Kpa. El tiempo de evacuación a -90 Kpa. es de 7 s. y a -80 Kpa es de 1,9 s. Por tanto, el tiempo de evacuación desde -80 Kpa a -90 Kpa será (7 - 1,9 =5,1 s.). Esto significa que la bomba debe trabajar en 5,1 s. El dato se encuentra en la figura 8.6 y pone en evidencia el tiempo de evacua- ción de una bomba de vacío normal, por aire comprimido, en función del nivel de vacío. ~ 7 6 5 E 2 iñ o Figura 8.5. Sistema centralizado. 7s 7 -, 1 1 1,9 s 110.. 1 / O 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 kPa Figura 8.6. Diagrama de tiempos de evacuación. Sistema descentralizado Con un eyector de vacío sobre cada ventosa se trabaja desde Ohasta el vacío máximo en cada ciclo. El volumen a evacuar es, por tanto, 0,1 litro, que repre- © svr:ESPAÑA. SA. © ITP·Paraninfo I 163
- 90. DEFINICiÓN DE VAcío sentala décima parte del caso antes analizado y, por lo tanto, el tiempo de eva- cuación también será la décima parte del calculado anteriormente. Según se refleja en el diagrama de la figura 8.6 el tiempo de evacuación para 0,1 litros de O a -80 Kpa es solamente de 0.19 segundos, siendo mucho más ventajoso que los 5,1 calculados para el sistema centralizado (26 veces menor). Figura 8.7. Sistema descentralizado. 8.1.4. SEGURIDAD PARA CARGAS SUSPENDIDAS Si se proyecta un sistema de elevación para vacío, se debe verificar en pri- mer lugar, por razones de seguridad, lo siguiente: • El sistema se debe calcular para elevar una carga superior a la real (ver cálculos para ventosas) teniendo en cuenta los coeficientes de seguridad que se dan en este apartado. Con el fin de impedir que la carga pueda sol- tarse de las ventosas por error, es necesario bloquear el dispositivo de amarre mientras la carga está suspendida. Para aumentar la seguridad se puede proveer de señalizaciones acústicas o luminosas al sistema para que nos adviertan del descenso de vacío a partir de un valor preestablecido. Para proteger el sistema de una caída de vacío por la rotura de un tubo, es necesario montar una válvula antirretorno entre el eyector y la ventosa como se muestra en la figura 8.8. Una solución con mayor seguridad es la de colocar un depósito entre la bomba y la ventosa. Este depósito proporciona una reserva en caso de pérdida imprevista o caída de vacío. Este montaje se muestra en la figura 8.9. 164 / © ITP-Paraninfo © SVC ESI>AÑA. $A DEFINICiÓN DE VAcío VACUOSTATO o ~ ANTlRRETORNO EYECTOR Figura 8.8. Colocación de antirretorno. VACUOSTATO DEPÓSITO EYECTOR Figura 8.9. Colocación de depósito de seguridad. ~ 8.2 PRESiÓN ATMOSFÉRICA Si imaginamos la atmósfera compuesta por diferentes capas, resulta eviden- te que cada una de ellas descansa sobre la otra, hasta alcanzar la superficie terrestre y sobre ella, percibiremos el resultado de estas cargas suceSivas, que conocemos como presión atmosférica y que es la fuerza que el aire ejerce sobre cada cm2 de la superficie terrestre por efecto de la fuerza de gravedad. Naturalmente, hay que tener en cuenta que nuestro planeta está en constante movimiento sobre sí mismo y alrededor del sol y, en consecuencia, cabe imagi- nar una serie de variaciones en las capas del aire, que se manifiestan como variaciones de la presión. No obstante, su valor podemos establecerlo al nivel del mar y con una temperatura de 0° en: 101,3 Kpa. 1 Pa (Pascal), es equivalente a 1 N/m2 Luego, esto significa que, una columna de aire de 1 m2, a nivel del mar, ejerce una fuerza de 101.325 N sobre la tierra. © SVC ESPAÑA. $A © ITP·Paraninfo / 165
- 91. DEFINICiÓN DE VAcio LAPRESiÓN ATMOSF¡;RICA SE REDUCE HACIA CERO EN FUNCiÓN DE LA ALTURA Figura 8.10. Relación entre presión y altitud. 8.2.1. VARIACiÓN DE LA PRESiÓN CON LA ALTURA Como se ha visto anterionnente, la presión atmosférica genera una fuerza motriz; si ésta varía, en consecuencia, varía también la presión. Esto se debe tener en cuenta y considerarlo en función de la altura que se encuentre el lugar de trabajo. Hasta 2.000 metros de altitud la presión se reduce cerca del I % cada 100 metros. Esto significa que una aplicación de vacío calculada para ele- var 100 Kg. a nivel del mar, verá reducida su capacidad de elevación a 89 Kg. en una altura de 1.000 metros. La fónnula para calcular la presión en función de la altura viene dada por: Z, P, JdZ = -RTJdP I P lo Po 166 / © ITP·Paraninfo © SIVCESPAÑA, Si. donde: H = Z, -Zo = K logn(Po IP,) y haciendo K = RT = 29,3(273 + O'G) Pasando de logaritmos naturales a decimales, tendremos: H = K .2,302585 Log(PoI p,) H = 18.418 Log(PoIP,) 2.500 t 5,4. 10 ·15 TORR 50 40 ~ 30 z w ~ 20 ::J ~ « 10 5 r. "~ 75 ~ 110 ~ 50 o ........... r-...... DEFINICiÓN DE VAcio t-..... - 100 100 200 300 400 500 600 750 mmHg. PRESiÓN Figura 8.11. Parámetros atmosféricos en función de la altura. © ITP·Paraninfo / 167
- 92. DEFINICiÓN DE VAcio 8.2.2.MEDICiÓN DE VAcío (Unidades) Existen varias formas de expresar un determinado nivel de vacío: • Como una presión absoluta Valor numérico positivo menor que la presión atmosférica. • Como una depresión Valor numérico negativo para indicar presiones inferiores a la presión atmosférica. • Como presión de vacío Valor numérico positivo, mayor cuanto menor es la presión absoluta. • En porcentaje De forma que cuando nos referimos a un vacío del 90% estamos diciendo que en el sistema, tanque, ventosa, etc. queda solamente el 10% del aire que tendría si estuviese a presión atmosférica. Es decir, expresa el % de vacío con- seguido respecto al vacío absoluto. o 168 / © ITP-Paraninfo Presión en bar Nivel de la presión de utilización P. abs. P. rel. Presión atmosférica P. atm. ! P - Relativa + P, Absoluta Vaclo absoluto Figura 8.12. Diferentes expresiones del vacío. © sw:::ESPAÑA, Sil.. DEFINICiÓN DE VAcio Valores de ores" n baio la oresión atmosfér"c 10 I a kPa mbar Torr -kPa mmHg inHg % Vacío Nivel del mar 101,3 1013 760 O O O O 100 1000 900 · 700 !-- -10 !-- 1- 10 1- 90 -100 80 800 600 -20 ·5 20 t- -200 1- 70 700 -30 30 1- 500 ·10 60 600 -40 -300 1- 40 t- 400 -50 50 t- 50 500 -400 1- -1 5 40 400 i- 300 !-- ·60 60 ¡- ·500 1- ·20 30 300 ·70 i- 70 t- 200 20 200 ·80 -600 1- 80 t- 100 ·25 -90 10 ~ 100 -700 !-- 90 i- Vacío O O O -101,3 -760 -30 100 absoluto Figura 8.13. Comparativo de los distintos modos de expresión de vacío. ~ 8.3 GENERACiÓN DEL VAcío Los dos sistemas más comunes para la generación del vaCÍo en aplicaciones industriales, ambos muy extendidos en la actualidad, son las bombas mecáni- cas accionadas por un motor eléctrico y los eyectores fluídicos basados en el principio VENTUR!. 8.3.1. BOMBAS MECÁNICAS Fundamentalmente el principio de funcionamiento es común a todas las bombas mecánicas, en definitiva, consiste en el hecho de cambiar de un modo u otro un cierto volumen de aire que fluye de la zona de aspiración, (por ejem- plo: un tanque), a la zona de escape, atmósfera. Creando de esta forma una depresión en el interior del tanque, con respecto al valor de la presión atmosfé- rica que reina en el exterior del mismo. Existen varios modelos de bombas mecánicas, pero como ejemplo citaremos solamente las más importantes: • VENTILADOR CENTRÍFUGO © ITP-Paraninfo / 169
- 93. DEFINICiÓN DE VAcio •VENTILADOR CON CANALES LATERALES • BOMBA DE PISTÓN • BOMBA DE PALETAS • BOMBA DE MEMBRANA • BOMBA DE ÁLAVES Ventilador centrífugo Ventajas: - Pocas partes en mer vimienlo. - Gran caudal. - Reducido consumo deenergla. Inconvenientes: - Nivel de vacio bajo. - Marcha y paro lentos. - Ruido elevado. 1 _ _ B _o _m _b_ a_ d _ e-,p ,-i _ s-, to _'n _---1 Ventajas : - Precio relaÍvamen- te bajo. Inconvenientes: - Elevada emisión de calor. o Elevado manteni- miento. I--_B _o '--m --' b .:. a_d :.e '--" p" a" le"ta :.s =----I Ventajas: - Alto vacio y gran caudal. - Ruido relativamente bajo. Inconvenientes: - Riesgo de contami- nación del fluido. - Precio allo. - Alta frecuencia de mantenimiento. - Elevado calor. Vontilador con canales laterales Ventajas: - Pocas partes en mo- vimiento. - Gran caudal. - Robustez. Inconvenientes: - Nivel de vaclo bajo. - Marcha y paro lenlos. - Ruido elevado. Bomba de membrana Ventajas: - Pocas partes en mo- vimiento. - Oimensiones reduci- das. - Precio relativamente bajo. Inconvenientes: - Caudal reducido. 1 _--= B "o .:. m .:.b :.a ::...:: d:.: e"á ::l= av .:.e :.s =-----i Ventajas: - Gran caudal. - Poco mantenimiento. Inconvenientes: - Elevado precio. - Elevada emisIÓn de calor. - Ruido elevado. Figura 8.14. Características de las bombas mecánicas. 170 I © ITP-Paraninfo DEFINICiÓN DE VAcio Teóricamente y sin entrar en detalles referente a la construcción de estos modelos, podemos decir que una bomba de vacío es un compresor conectado al revés. No obstante, la tabla de la figura 8.14 nos proporciona una idea de sus ventajas e inconvenientes que nos puede ser bastante útil para establecer un cri- terio inicial de selección de las mismas. ~ 8.4 EYECTORES Los eyectores son componentes que utilizan la energía cinética de un fluido para producir una depresión. El funcionamiento de estos componentes se basa en el principio de BERNOULLI referente a la Ley de conservación de la energía, cuyo enunciado podemos expresar según la siguiente ecuación: 1 2 1 2 P +-o·V = P +-O·V 1 2 1 2 2 2 Siendo: P = Presión del fluido /) = Densidad V = Velocidad ESCAPE Figura 8.15. Principio de funcionamiento del eyector. © svr:ESPm SI. © ITP.Paraninfo /171
- 94. DEFINICiÓN DE VAcio Sila velocidad, la densidad y la presión del aire son constantes en la alimen- tación y hacemos pasar este fluido a través de una tobera (Fig. 8. J5) con un ori- ficio de pequeño diámetro, a la salida de esta tobera la corriente de fluido cir- culará con una velocidad muy alta y la presión en esa zona decrecerá (zona del difusor). La gran velocidad del fluido en esta zona arrastra el aire cercano a ella haciendo que entre en el difusor y forme parte de la misma corriente. La rela- ción de la sección del difusor con respecto a la tobera, viene a ser aproximada- mente el doble. Si aislamos un cierto volumen (una ventosa o un tanque) en contacto con la salida de la tobera y hacemos pasar la corriente aire de alimen- tación por la tobera y el difusor, conseguiremos extraer el aire contenido en dicho volumen generando, evidentemente, un vacío. Esto es generalmente conocido como efecto VENTUR!. 8.4.1. CARACTERíSTICAS DE UN EYECTOR Las características principales de un eyector vienen determinadas por la forma y dimensiones de la tobera y el difusor, puesto que de estos elementos depende: • EL FLUJO MÁXIMO DE ASPIRACIÓN • LA PRESIÓN MÁXIMA DE VACÍO p PRESiÓN DE VAclo Q o~--------------~~~~ PRESiÓN ATMOSF~RICA Figura 8.16. Relación P/Q. 172 / © ITP-Paraninfo DEFINICiÓN DE VAcio El flujo máximo de aspiración, es el caudal de aire máximo que el eyector es capaz de aspirar en la unidad de tiempo. Siendo expresado este valor, en NL/min. El flujo que un eyector puede aspirar, tiene su valor máximo al inicio (Fig. 8.16) cuando el volumen a evacuar se encuentra a presión atmosférica, va dis- minuyendo este a medida que aumenta el nivel de vacío. Esto es totalmente lógico, porque cada vez la diferencia entre la presión del volumen que se está extrayendo y la presión existente en las cercanías de la tobera, es menor. La presión máxima de vacío, indica el nivel máximo de vacío que podemos lograr mediante el eyector seleccionado. 8.4.2. INFLUENCIA ENTRE FLUJO DE ASPIRACiÓN Y PRESiÓN DE VAcío En los gráficos de la figura 8.17 se observan las diferencias siguientes: Con una tobera y un difusor de menor tamaño, se obtiene un flujo de aspira- ción menor, pero se puede alcanzar un nivel de vacío mayor que con un eyector que disponga de una tobera y un difusor de mayor diámetro (Fig. 8.17). Pv Pv ~ TOBERA 2 mm Qmax Qmax Figura 8.17. Relación PV I Qmax. Estas dos particularidades hay que tenerlas muy en cuenta, porque según las materias que se vayan a manipular por vacío, nos encontraremos con sistemas más o menos estancos es decir, con o sin fugas. Y, en el caso de aplicaciones con fugas, probablemente, será mas adecuado trabajar con presiones de vacío relativamente bajas y sin embargo utilizar eyectores con gran capacidad de caudal en la aspiración para poder compensar las fugas del sistema. © ITP·Paraninfo / 173
- 95. DEFINICiÓN DE VAcío 8.4.3.EYECTOR CON DOS ETAPAS Si nos basarnos en las conclusiones anteriores, los eyectores con dos etapas de aspiración, reúnen en un solo componente la ventaja de tener un gran caudal de succión y, además, un alto nivel de vacío. La primera etapa de este eyector se compone de una tobera de pequeño diámetro que proporciona un alto nivel de vacío. El difusor de esta primera etapa, que tiene una sección doble que la de su tobera, actúa a su vez corno tobera para la segunda etapa, la cual está diseñada exclusivamente para obtener un alto caudal de succión al inicio, que- dando luego anulada por un antirretomo cuando se alcanza el nivel de vacío máximo correspondiente a esta etapa. La figura 8.18 y el esquema 8.19, reflejan lo expuesto anteriormente. Alta presión de vacio Gran caudal de succión Tobera A ~ Qmáx L-_~_ _~.L.. Figura 8.18. Eyector de dos etapas. 174/ © ITP·Paraninfo DEFINICiÓN DE VAcío 1" Etapa 2" Etapa ALlMENTAC ~ 1 A /1 B / ~ 1 "'-1 " CAPE ,r., T ANTIRRETORNO VAcío Figura 8.19. Esquema del eyector de dos etapas. 8.4.4. EYECTOR MULTIETAPA La teoría expuesta en el apartado anterior, trae corno consecuencia el eyec- tor multietapa. Al aumentar una etapa (Fig. 8.20) se reduce el consumo de energía y se aumenta el caudal de aspiración. El eyector consta de una tobera de 1,2 mm. de 0 para alto nivel de vacío y de dos difusores/tobera para el gran caudal de aspiración (Q2 y Q3). L---.:-----=:::~o_--+ Caudal de aspiración (ncremento del 250% en el caudal de succión Figura 8.20. Principio del eyector multietapa. Relación "Nivel de vacío - Caudal aspirado" La curva de la figura 8.21 muestra la forma en que varía el caudal aspirado por un eyector dependiendo del nivel de vacío que existe en cada momento. © ITP·Paraninfo /175
- 96. DEFINICiÓN DE VAcío Presiónde alimentación 4 bar -O. ,,~,"¡ c--I- =1- -- ,-- r- - 'í:' -0.8 !-. 1-- ¡--'-i=- '" ft~-J _.. e -0.7 .2 -0.61--'.- ._- -- ,.... - " -0.5 ¡-- - . r-- --E --1-1-- g> -" -1-- . Q) -DA .. - ¡--- 'O -031-- f- t-- -l. -+ .r - --t- 1- ~ " .. J~...~p~__ -02 . " l- .- Z -01 ' -¡--!:--,¡-+-- :a1 , " 20 " '" " ., " so 90 '" '" 120130 Caudal aspiración ( I/min (ANR) ) Figura 8.21. Relación Nivel de vacio· Caudal aspirado. • Zona estanca: Si la zona en que se desea obtener el vacío está perfecta- mente sellada, sin fugas, llegaremos a un punto en el que obtendremos el nivel máximo de vacío (Pmáx.). En este momento, el caudal que estemos aspirando será nulo. • Zona con fugas localizadas: Cuando la estanqueidad no sea perfecta en la zona en que estamos aspirando, no podremos alcanzar el valor máximo de vacío, porque tendremos una entrada de aire del exterior que dependerá de la sección por la que se originen esas pérclidas y de la diferencia de pre- siones existentes (nivel de vacío). El eyector nos llevará a un estado de equilibrio en el cual el caudal aspirado QI coincidirá con las pérdidas a un nivel de vacío deternúnado PI' Según el gráfico 8.21: Q¡ =30Nl/m. Valor de las fugas. PI = -0,2 bar Presión de vacío máxima alcanzada. • Zona con grandes fugas: Si el sellado en la zona a aspirar es nulo o se trata de manipular elementos muy porosos, las pérdidas de presión son tales que el eyector (a pesar de estar aspirando el caudal máximo Qmáx.) puede no ser capaz de restituir estas fugas y, entonces, crear un insignifi- cante nivel de vacío. Dispone el eyector de dos antirretornos para aislar las etapas entre sí, en función del valor del vacío alcanzado en cada una de ellas (figura 8.22). 176 / © ITP·Paraninfo DEFINICiÓN DE VAcío a, a, Q , o Antirretornos Figura 8.22. Esquema del eyector multietapa. Eyector multietapa con economizador de energía. El eyector de la figura 8.23, es un eyector multietapa con electroválvulas de alimentación de aire y expulsión de pieza, vacuostato y filtros; todo ello monta- do en una unidad. Este eyector está pensado para los sistemas de manipulación, en los cuales, es importante mantener un bajo consumo de energía. Según el símbolo de la figura 8.24 al sistema descrito en el apartado anterior, se le ha añadido una tercera válvula antirretorno con objeto de retener la presión de vacío sin necesidad de consumir aire comprinúdo en la alimentación. Por lo tanto, se consigue AHORRO DE ENERGÍA. Figura 8.23. Eyector multietapa. El eyector está funcionando hasta conseguir una depresión establecida en el vacuostato, cuando esta depresión es alcanzada, la electroválvula se desconecta y la presión de vacío es retenida por la válvula R¡. © ITP·Paraninfo / 177
- 97. DEFINICiÓN DE VAcio EV1(Eleetroválvulaalimentación) EV2 (Eleetrov. expulsión) v Vacuostato Figura 8.24. Esquema del eyector multietapa. El aparato vuelve a ponerse en funcionamiento cuando el valor de la presión de vacío desciende hasta el umbral establecido en el vacuostato con nivel míni- mo admisible. De este modo y según la comparación de los gráficos de la figu- ra 8.25, existe una clara diferencia, entre un sistema tradicional y otro sistema con economizador. En la parte superior del gráfico el eyector debe ser alimen- tado constantemente para mantener la presión de vacío, sin embargo, en la parte inferior la alimentación es intermitente, estando el tiempo de intervalo (T) entre conexiones condicionado al grado de estanqueidad de la superficie del producto a transportar. , Vacío Mbim (-0,86 b~,) - O,SO ba, Control positivo de pieza Consumo de aire - 0,75 ba, - 0,70ba, 1 / - 0,50 ba '1 / Control posijivo de pie~a Consumo de aire /' ALIMENTACiÓN CONTINUA / U L,., n _ NTERVALO ALlMENTACIÓN INTERMITENTE Figura 8.25. Diagrama comparativo de eyectores con y sin economiz~dor. 178 / © ITP·Paranin!o DEFINICiÓN DE VAcio Unidades combinadas Son unidades que integran un eyector de dos etapas, electroválvulas para el control de vacío y soplado, ajuste del caudal de soplado, filtro de succión, silenciador de escape y vacuostato (Fig. 8.26). , , , , .._--_.._-, ectrov vu a allmentaclón Silenciador Antlrretorno Filtro '----.,- ¡---1-' : >t-----------3F--t...........g ,_____ ___, Electroválvula Vacuostato expulsión Figura 8.26. Esquema de una unidad combinada. El cambio desde la fase de alto flujo de aspiración a la fase de alta presión de vacío se realiza espontáneamente a través de una lengüeta de goma que hace las funciones de antirretomo y que está situada entre el filtro de succión y la cámara de la segunda etapa del eyector. Cuando la presión de vacío en la línea del filtro es mayor que la que pode- mos conseguir en la 2' etapa del eyector, la lengüeta de goma (antirretomo) se cierra provocando que el aire de la conexión de vacío sea sólo aspirado a través de la primera etapa del eyector (etapa de alta presiól) de vacío). Cuando en una instalación de vacío son necesarias varias ventosas, los eyec- tores pueden ser montados de forma modular en bloques con alimentación y escapes comunes, a través de placas finales. El número máximo de unidades que se puede colocar en un bloque depende del tamaño del eyector que lo compone y de si el escape se realiza por uno o por los dos lados. En la figura 8.28 vemos un conjunto de unidades modulares montadas en bloque, dispuesto para comandar un número de ventosas. © ITP·Paraninfo / 179
- 98. DEFINICiÓN DE VAcío Figura8.27. Aspecto de una unidad combinada. Figura 8.28. Unidades combinadas montadas en bloque. 8.4.5. SELECCiÓN DE LOS EYECTORES Para seleccionar el tamaño del eyector de forma adecuada, hay que conside- rar los parámetros siguientes: • Caudal de succión necesario. • Presión final de vaCÍo que se desea alcanzar. • Tiempo de respuesta del sistema. • Fugas del objeto a manipular por: forma geométrica, porosidad, ondula- ción, etc. 180 / © ITP·Paraninfo DEFINICiÓN DE VAcío De las consideraciones anteriores, las tres primeras están interrelacionadas con la última. Por este motivo hay que estudiar, en primer lugar, el objeto que queremos manipular, su forma geométrica, su porosidad, su calidad superficial y todo aquello que pueda entorpecer el cierre estanco entre la ventosa y el obje- to a manipular, o la estanqueidad de la conducción hasta el eyector. Y por tanto, se pueden prefijar, inicialmente, dos tipos de sistemas: • SISTEMAS ESTANCOS • SISTEMAS CON FUGAS En cada caso, el cálculo y el criterio usado en la selección del eyector es diferente y, por tanto, es conveniente estudiarlos por separado. 8.4.6. SISTEMAS ESTANCOS Para sistemas de vacío cuyos valores de fuga son muy bajos o casi nulos, como por ejemplo: conducciones estancas o ventosas que realizan buen contac- to con la superficie del objeto a elevar y que a su vez el objeto es compacto y sin porosidad apreciable, el nivel de vacío alcanzado, en estos casos, se puede considerar el máximo que es capaz de proporcionar el eyector. y por tanto, la capacidad de flujo del eyector estará condicionada solamente al volumen de aire a evacuar y al tiempo de respuesta que exijamos al sistema. Por todo ello, para la selección del eyector se pueden realizar los cálculos mediante el empleo de las siguientes fórmulas: Q, =V [~~) (NI/min) T, = 3 T, (s) ,, ·D'· L V = (litros) 4·100,0 Donde: Q¡ Caudal medio requerido TI Tiempo de respuesta para e163% de Pv T2 Tiempo de respuesta para el 95% de Pv © sva:EWÑA. 5A. Nl/min. s s © ITP·Paraninfo / 181
- 99. DEFINICiÓN DE VAcío VVolumen a evacuar I D Diámetro del interior del tubo mm. L Longitud del tubo m. y la máxima capacidad de flujo necesaria en el eyector será, entre 2 y 3 veces el caudal medio: 8.4.7. SISTEMA CON FUGAS Para los sistemas de manipulación por vacío donde existen fugas, por ejem- plo: manipulación de materiales porosos o superficie rugosa (figura 8.29) la situación para el cálculo es totalmente diferente a la anterior. En este caso, para mantener el nivel de vacío deseado, en primer lugar hay que localizar y evaluar las fugas del sistema, con el fin de poder compensarlas con un eyector, el cual tenga una capacidad de flujo de succión mayor que la necesaria para un sistema estanco. k Ventosa Ir t IObjeto /..... Material poroso V Ventosa ~Objeto Material rugoso Figura 8.29. Succión en materiales porosos o rugosos. 8.4.7.1. Fugas a través de secciones conocidas Cuando es conocido el valor de la sección que origina la pérdida de presión, con la ayuda del gráfico 8.30, es fácil hallar el caudal de fuga. Los valores del gráfico, son para un orificio de lmm2 de sección. Para obtener la pérdida total, basta multiplicar el valor obtenido en el gráfico, por la sección total localizada. 182 / © ITP·Paraninlo © SVCESPAÑA. SA. DEFINICiÓN DE VAcío 0,2 .....- 0,18 V 0,16 ~ 0,14 / ~ 0,12 / ñi 0.1 / Seecj6 1 mm2' .., / " 0,08 '" I (.) 0,06 0.04 0,02 o o 20 40 60 80 100 DEPRESIÓN (·KPa) Figura 8.30. Pérdidas a través de un orificio. 8.4.8. DETERMINACiÓN DE LAS FUGAS EN SECCIONES DESCONOCIDAS Si se desconoce el valor de la sección expuesta a fugas, un método sencillo para determinarlas, es posible según el ejemplo siguiente: EZH P = 4,5 bar '- Vacuómetro Ventosa Material poroso Figura 8.31. Determinación de fugas. Un sistema de vacío para manipular un material poroso, según el esquema de la figura 8.31. El circuito de vacío está compuesto por una ventosa y un eyector alimentado a 4,5 bar. Cuando la presión de vacío se estabiliza, el vacuómetro indica un valor de -400 mmHg. Para hallar el valor del caudal de fugas se procede de la siguiente forma: © ITP·Paraninlo / 183
- 100. DEFINICiÓN DE VAcío Alimentandoel eyector a 4,5 bar, en el gráfico (a) de la figura 8.32 pueden leerse los siguientes valores: • Presión de vacío =-650 mmHg. • Caudal máximo = 12 NI/min. Que es el resultado de un eyector trabajando en un sistema sin fugas. Sin embargo la lectura por orden 1 - 2 - 3 del gráfico (b) nos indica: • PI = -400 mmHg. (presión en el vacuómetro) • QL = 5 NI/min. (caudal de fugas) Gráficos presión de vacío I Caudal de succión .-1_ .~ ~+-~+ ~. -700 Presión de alimentación (bar) -700 ~~t c; -600 ; ¡.. -1-- -- -- -f I f ~ -500 ~ ~.. -~- -; 06 I .~ -400 - . - -_. . !;l I > ¡ al -300 .. - .J-~ -o - .g ~200 " __ - - '00 I I!! -100 --L- a. 1 @l o 5 10 15 20 Caudal de succión (NI/min) Figura 8.32. Gráficos presión de vacío I caudal de succión. 8_4.9. CONSIDERACIONES PARA LA SELECCiÓN DEL EYECTOR EN UN SISTEMA CON FUGAS. ¿ALTA PRESiÓN O GRAN CAUDAL DE SUCCiÓN? No se puede establecer una regla fija que nos decante por una u otra elec- ción. En todo caso, según el resultado obtenido de la comparación de los datos técnicos del fabricante, se debe seleccionar el eyector más adecuado en cada caso, de forma que sea capaz de compensar las fugas del sistema, y mantener la presión de vacío requerida. 184 / © ITP-Paraninfo -700 ----+---- 0-600 :F-soo E -S-400 l o~ -300 i ;:~~~ : -y_ 6 -- I t ,,-100 :._~---: .~. ~ :0 O: ~ 05 203040 60 80 Caudal de succión (NI/min) DEFINICiÓN DE VAcío o; -500 -.;..,-f---l----'--·H I E ..s-400 - -"- ____1- 0-350 -300 @l -250 .2 -200 u g! .g -100 ~ " 00 a - , .... i T I l .~ Q. 05203040 60 80 100 Caudal de succión (NI/min) Figura 8.33. Comparación de valores para dos eyectores distintos. 8.4.10. CÁLCULOS PARA SELECCIONAR EL TAMAÑO DEL EYECTOR Una vez conocido el valor de las fugas, para calcular el Qmáx. del eyector, (cuyo valor nos indica el tamaño y el diámetro de la tobera), se procede según el siguiente cálculo, teniendo en cuenta que para hallar el tamaño del eyector, es necesario sumar el valor de las fugas (QL) al caudal medio requerido (Q,). O,=V (~~}OL (NI / min) T, =3 -T, (s) ¡¡ -D' L V (litros) 4·1000 O~ = (2 = 3)·0 , (NI/min) Donde: QL Caudal de fugas Q1 Caudal medio requerido TI Tiempo de respuesta para el 63% de Pv T2 Tiempo de respuesta para el 95% de Pv NI/min. NI/min. s s © ITP-Paraninfo / 185
- 101. DEFINICiÓN DE VAcío VVolumen a evacuar D Diámetro del interior del tubo mm. L Longitud del tubo m. Para obtener los resultados con mayor rapidez, el cálculo puede realizarse utilizando los gráficos 8.37 y 8.38. Fijando el volumen (V) y el tiempo de res- puesta TI Ó T2, obtendremos el caudal máximo (Qmáx)' y para seleccionar el tamaño del eyector tendremos que sumarle a este caudal (Q . ) hallado en el .- max. grafico, tres veces el valor de las fugas, quedando finalmente: Caudal del eyector = Qm" + (3· Ql) (NI / min) ~ 8.5. CÁLCULO DEL TIEMPO DE RESPUESTA DE LOS SISTEMAS Desde la apertura de la electroválvula para alimentación del eyector (figura 8.34) hasta conseguir el vacío final en la ventosa, existe un tiempo de ciclo. Este tiempo puede representarse como una entrada en escalón (figura 8.35) y está condicionado a la capacidad de succión del eyector y al volumen de aire que hay que evacuar en el sistema de conducción, ventosa, y finalmente, al nivel de vacío que se quiera conseguir. 186 / © ITP-Paraninfo Electroválvula alimentación Figura 8.34. Esquema de montaje de vacío. DEFINICiÓN DE VAcío Tiempo de respuesta Conexión ON Electro- OFF Neumát. -, O; J: Pv 1Vagio fiAb'l1 E PV . 95% ,S - ~ .2 I " Pv . 63% '" V > " l 'tl [ e '0 .¡¡; 1 ~ a. T, 2T, 3T, L~. Tiempo de respuesta (s) Figura 8.35. Gráfico de tiempo de respuesta. El gráfico, antes mencionado, relaciona el tiempo TI necesario para alcanzar el 63 % de la presión de vacío final, y el tiempo T2 empleado en alcanzar el 95 % dePv. 8.5.1. CÁLCULO DEL VOLÚMEN A EVACUAR El volumen de la conducción relaciona el área y la longitud del tubo entre el eyector y el sistema: ventosa, tanque, etc. en que se quiere crear vacío. Para el cálculo de la sección efectiva de paso en las tuberías de conducción hay que tener en cuenta los siguientes factores: • RESISTENCIA AL FLUJO (PÉRDIDA DE CARGA) • REDUCCIÓN AL MÍNIMO DE LOS VOLÚMENES A EVACUAR Evidentemente, estos dos factores representan una gran desavenencia, pues una conducción amplia proporciona menor resistencia al flujo pero, sin embar- go, aumenta el volumen a evacuar y, como consecuencia, el tiempo de respues- ta o el tamaño del eyector. En resumen, hay que diseñar las conducciones con la sección efectiva ade- cuada para obtener resistencias al flujo admisibles y la longitud menor posible para disminuir el volumen que hay que evacuar. La figura 8.36 nos proporciona un valor efectivo entre longitud y diámetro interior del tubo. © srvr:E sPAÑA SA. © ITP-Paraninfo / 187
- 102. DEFINICiÓN DE VAcio Gráficosección efectiva N E .s Diámetro Intenor det tubo (mm) 60r ---_9 50 - ~ 40 U 30 .!!1 I r----.;.......§. 6__-.:._ '" 20 e 'o '8 10 ~ 0,t:::;;;::;;:I;;:~;:;;~~~~~~~ 0.02 0.05 0.1 0.2 0.5 1 ~ 5 10 Longitud del tubo (m) Figura 8.36. Gráfico de sección efectiva. 8,5.2. CÁLCULOS PARA DETERMINAR EL TIEMPO Una vez determinado el caudal de succión y el volumen de la conducción y ventosa o sistema, el tiempo de respuesta, viene determinado por las siguientes fórmulas: T,= V(~) (s) T ,=3T, (s) 1t·O'· L V = (titros) 41000 O = (~ = ~).O · (NI / min) 1 2 3 mal: O,= S·11,1 (NI/min) Donde: Q¡ Ó Q2 (elegir el menor) Caudal medio requerido Nl/min. Máxima capacidad de flujo de la conducción NI/min. 188 / © ITP·Paraninfo Qmáx. Máxima capacidad de flujo del eyector T¡ Tiempo de respuesta para el 63% de Pv T2 Tiempo de respuesta para el 95% de Pv V Volumen a evacuar D Diámetro interior del tubo L Longitud del tubo S Sección efectiva del tubo 8.5.3. MÉTODO GRÁFICO PARA EL CÁLCULO DEL TIEMPO DE RESPUESTA DEFINICiÓN DE VAcio I NI/min. s s mm. m. mm2 0,001 8:888~",-::.,-__.L "--: - I 0,1 0,2 0,3 0,5 0,7 1 2 3 5 7 10 Longitud tubería (m) Figura 8.37. Cálculo del volumen. Con los gráficos que se muestran a continuación, es posible hallar el tiempo de respuesta de un sistema de forma cómoda y rápida. En el gráfico de la figura 8.37 se relacionan: el diámetro de la conducción y la longitud. La figura 8.38 © ITP·Paraninfo / 189
- 103. DEFINICiÓN DE VAcío nosproporciona el tiempo de respuesta en función del volumen anteriormente hallado, y el caudal (Qmá) del eyector elegido. Con el gráfico anterior es posible hallar directamente el volumen a evacuar en la tubería de conducción: Ejemplo: Hallar el volumen de una tubería de 5 mm., de diámetro interior y 1 m. de longitud. Solución: Interpolando la longitud de la tubería de 1 m. verticalmente con su diámetro interior de 5 mm. obtendremos el resultado de: V = 0,02 litros 0,1 0,2 0,3 0,5 0,7 1 2 3-~ 5 7 10 20 30 50 70 100 f) T1,i,(sec) = 63 % de Pv , "Q 0.3 0,6 0,9 1,5 2,1 0,1 6 S 152130 60 90 150 300 T2 (sec) =95 %de Pv Figura 8.38. Tiempo de respuesta. 190 1© ITP·Paranin!o © SV[; ESPAÑA $A. DEFINICiÓN DE VAcío Con este nuevo gráfico se determina el tiempo de respuesta TI o T2 necesa- rio para evacuar un volumen de aire o el paso efectivo S (mm2 ) de la válvula y tubería. Ejemplo: Hallar el tiempo TI de respuesta para evacuar el volumen calculado en el ejemplo anterior de 0,02 litros con una presión de vacío final del 63% de Pv, utilizando un eyector cuyo caudal de succión máximo es de 12 Nl/min. Solución: Interpolando, en el gráfico, el caudal (Qmáx) del eyector de 12 Nl/min. con la línea inclinada del volumen a evacuar (V = 0,02 litros) obtendremos el resul- tado de: TI =0,3s T2 = 0,9 s 8.5.4. RENDIMIENTO DE UN EYECTOR El rendimiento es un criterio aplicado para realizar una comparación objeti- va entre la eficacia de las toberas de aspiración (de una o de varias) y podemos expresarlo mediante la siguiente fórmula: r¡(pv) Donde: 1+ t(pv)· Q V t(pv) Tiempo de evacuación en segundos de un volumen (V) en litros con una presión de vacío Pv. Q V Consumo de aire de la tobera (Nl/min.) Volumen que debe ser evacuado (L) © SII::ESPAÑA SI. © ITP·Paranin!o 1191
- 104. DEFINICiÓN DE VAcío ~8.6. RECOMENDACIONES PARA EL USO DE LOS EYECTORES 8.6.1. ALIMENTACiÓN DE PRESiÓN El diagrama de la figura 8.40 presenta rasgos comunes para todos los eyec- tores del tipo de alta presión de vacío. El máximo nivel se alcanza con una pre- sión de alimentación entre 4~4,5 bar. Incrementando la presión por encima de estos valores solamente conseguiremos consumir más aire comprimido y un mayor nivel de ruido en el escape, posibilidades que deben ser siempre evita- das. El flujo máximo de succión se obtiene también con los mismos valores de alimentación, incluso, como se puede observar en el gráfico, con una alimenta- ción a mayor presión el caudal de succión decrece. Por otra parte, el consumo de aire está representado por una proporción lineal en relación con la presión de alimentación. Hay que procurar que la alimentación del eyector sea segura y constante en su valor. Una caída de presión por debajo de los 4 bar provoca una importante disminución de la presión de vaCÍo. Se debe prestar especial aten- ción a las conexiones y tubos de alimentación, sobre todo cuando se utiliza una tubería de alimentación común para varios eyectores. ~ -798 el I E -665 E 'é: -532 '¡¡ ~ -399 (J) 'O -300 I -200 -100 Zona de alimentación ideal T -'---'~', ~ e L-o;-:-i~-i 50 ~ I e. ~ .¡¡; (J) 25 'O O E :;¡ UJ e O ~_ ~~L!-' O Ü O 6 Presión de alimentación (Kg/cm2 ) Figura 8.40. Zona de alimentación ideal en los eyectores. 192 / © ITP-Paraninfo © SIIC ESPA~ SA DEFINICiÓN DE VAcío En el caso de alimentación común de varios eyectores hay que calcular la tubería lo suficientemente amplia para evitar las fluctuaciones de presión. Estas variaciones en la presión de alimentación influyen en las curvas características, como se ha visto anteriormente, sobre la presión de vaCÍo y por tanto pueden también producir un funcionamiento anómalo de los vacuostatos. 8.6.2. FILTRADO DEL AIRE Es conveniente prever un filtro en la alimentación no mayor de 5 micras y otro en la succión para evitar que en el eyector y, sobre todo, en la tobera, que se introduzcan partículas y polvo del ambiente. Se recomienda utilizar en suc~ ción filtros con una porosidad de 30 micras, porque filtros de menor porosidad pueden originar caídas de presión importantes. 8.6.3, OTRAS RECOMENDACIONES Escapes En los modelos tipo caja, se debe tener cuidado de dejar un lateral libre, sin obstrucción, pues el escape lo realiza por una ranura situada a cada lado. En los modelos con conexión de tubo en escape, la longitud del mismo no excederá de 0,5 m. Circuito de vacío La longitud del tubo entre eyector y ventosa debe mantenerse lo más corta posible para evitar pérdidas innecesarias en el nivel de vaCÍo. También debe tenerse cuidado de no estrangular el tubo al fijarlo a la ventosa. La figura 8.41 muestra algunos eyectores existentes con sus características, ventajas e inconvenientes. © ITP-Paraninfo / 193
- 105. DEFINICiÓN DE VAcío I-_E__ y_ ec _I _ O _ '_ s_ im -" p_ le '---_--1Ventajas: - Precio bajo - Ausencia de emisión de calor. - Reducidas dimensio- nes. Inconvenientes: - Elevado ruido - Bajo caudal de aire aspirado con alto vacío o viceversa. - Elevado consumo de aire Eyeclo, "slol" Vo·t.j·••· I---"----'--'--'--'----~ " . - Compacto. - Ausencia de calor. Inconvenientes: - Sensible a la conta- minación. ¡--_E -' y '-- e'-- c'--Io :c'__m .:c.:: u'-- II'-- ie:::ta=-::p= a-----j Ventajas: - Extremado silencio - Ausencia de emisión de calor. - Consumo de energía relativamente bajo - 1----- --1 Inconvenientes: - Mayor coste respec- lo al eyector simple. Eyector multicaraterísticas Ventajas: . Elevado rendimiento. - Elevado caudal de aire aspirado y vacio - Rápido y con poco consumo de aire. Inconvenientes: - Mayor coste respec- lo al eyector simple. Figura 8.41. Formas constructivas de eyectores. ~ 8.7 VENTOSAS La ventosa es el elemento final utilizado en la manipulación por vaCÍo. Constituye un sistema eficaz. simple y económico para el movimiento de los materiales más variados y es. por tanto, una alternativa a métodos de manipula- ción más complicados y costosos. La ventosa puede elevar, trasladar y coger objetos de peso variable, desde pocos gramos, hasta varios Kg. Su selección debe realizarse según los parámetros siguientes: • La fuerza a elevar. • La posición del objeto (horizontal o vertical). • La forma geométrica. • La compatibilidad del material. • La velocidad lineal o angular de traslación y el frenado. 194 / © ITP-Paraninfo DEFINICiÓN DE VAcío 8.7.1. FUERZA DE ELEVACiÓN TEÓRICA Pv Figura 8.42. Principio de funcionamiento de una ventosa. La fuerza de sujeción teórica que realiza una ventosa, viene determinada por la diferencia de presión entre la atmósfera y el interior de la ventosa, multipli- cada por el área efectiva de la misma. Cuanto mayor es la depresión en el inte- rior de la ventosa, mayor es la fuerza ejercida en el exterior debido a la presión que la rodea. 1t D' F =(p - P ). _ . -· 981 (N) T • v 4.100 ' Donde: o también: Presión atmosférica Presión en el interior de la ventosa Diámetro de la ventosa Fuerza teórica P n·02 F _ _ v _ . _ _ 1013981 (N) T - 760 4 .100' , Presión de vacío en mm.Hg. Kgf/cm2 absoluta Kgf/cm2 absoluta mm. N © ITP-Paraninfo / 195
- 106. DEFINICiÓN DE VAcío FUERZADE ELEVACiÓN TEÓRICA (N) lO Ventosa , • , 10 13 " " " " .. " " " 100 '25 A : Area de la ventosa (cm2) 0,031 0,125 0,283 O.78!:i 1.33 2,01 3.14 4,91 8.04 12.60 19,60 31,15 50,24 78,SO 122,65 ... ¡--~ 0,27 1.09 2,45 6,80 11,70 17,40 27.20 42,50 69,70 109,2 169.8 270.1 435,4 680,3 1062.9 _. ... • 0,25 0,98 2,26 6.30 10,80 16.10 25.10 39,30 64,30 100.8 156,7 249.2 401 .9 627,9 981,2 mbarltnm >19) ,,'" r~ 0,23 0.92 2,07 5,80 S." 14.70 23.00 36,00 58,90 92,4 143,7 228,4 368.4 575.6 899,4 ... 0,21 O ... 1,89 5,20 9.90 13,40 20,90 32.10 53.60 ".0 130,6 207,7 333,9 52U 817,6 , , '" ..... ..,. 0,19 0,76 1.70 4,70 8,10 12,10 18,60 29,50 48,20 75,6 117,6 186,9 301,4 471.1 735,9 53> ~--4~'- 0.17 0,67 1.51 4,20 7,20 10,70 16.70 26.20 42,90 67,2 104.5 166,1 267,9 418,6 654.1 ..., t= 0,14 0,59 1,32 3,70 6,30 9,40 14,60 22,90 37,SO 58.8 91.5 145,4 234,4 ".3 572,4 -- 0,12 0.50 1,13 3.14 5,40 8.00 12.60 19,60 32.1 0 50,4 78,4 124.6 200,9 313,9 490,6 Figura 8.43. Tabla de fuerzas teóricas de ventosas. 8.7.2. FUERZA DE ELEVACiÓN REAL Para el cálculo de la fuerza real de elevación hay que tener en cuenta los parámetros siguientes: • ORIENTACIÓN DE LA VENTOSA • VELOCIDAD LINEAL O ANGULAR DE TRASLACIÓN • FRENADO DE LA MASA Si combinamos los resultados teóricos con los experimentales, se pueden fijar coeficientes de seguridad que nos permitan calcular con garantía la fuerza real de elevación. Ventosa t w Elevación Horizontal Elevación Vertical Figura 8.44. Formas de elevación con ventosas. 196 / © ITP-Paraninfo t = coeficiente de seguridad Elevación horizontal: • Dinámico ~ 4 • Estático ~ 2 Elevación vertical: • Dinámico • Estático ~8 ~4 y la fuerza real de elevación será: Donde: Fuerza real Fuerza teórica N N Coeficiente de seguridad DEFINICiÓN DE VAcío Si empleamos la siguiente fórmula, podremos calcular directamente el diá- metro de la o las ventosas necesarias en cada aplicación: D = 4 760 . W t .100 (m.m) Donde: n w © Svt::ESPAÑA. $A. 7t Pv ·1,013 n Número de ventosas Peso de la pieza Coeficiente de seguridad Presión de vacío Kgf. mm.Hg © ITP·Paraninfo / 197
- 107. DEFINICiÓN DE VAclo 8.7.3.CONSIDERACIONES SOBRE EL CIERRE DE LAS VENTOSAS En el cálculo de la fuerza real se puede observar que incluso aplicando fac- tores de seguridad, como los indicados, se pueden manipular masas considera- bles. No obstante, también hay que tener en cuenta dos condiciones fundamen- tales referentes a las ventosas: • LA VENTOSA DEBE MANTENER SU TAMAÑO INICIAL • HAY QUE ASEGURAR QUE LA PRESIÓN DE VACÍO ALCANCE SU VALOR DE CÁLCULO La primera de estas condiciones depende casi exclusivamente del material y calidad de la ventosa, y de la forma geométrica que hayamos elegido. Si esta forma geométrica es inadecuada o el material resulta demasiado débil, la ven- tosa puede deformarse y ello puede hacer que el área de contacto efectiva dis- minuya. (figura 8.45). Tamaño original Tamaño deformado D>d D d Figura 8.45. Cambio de área de contacto. Si esto ocurre, se generarán pérdidas en el nivel de vacío debido a que pene- tra aire procedente del exterior, este fenómeno se puede considerar similar a un flujo continuo a través de una restricción. S Pat = -1,013 bar _ Pv ------------~,~,---- .. DEFINICiÓN DE VAcio En este caso la circulación de aire se produce desde la zona de presión atmosférica hacia el interior de la ventosa a través del espacio existente en el borde que es lo que representa la restricción fija. El nivel real d: vacío depen- de de la relación entre la capacidad del eyector (flUJO de aSplTaClón) y el volu- m~n de las pérdidas (aire que penetra desde la atmósfera). Ejemplo: Supongamos una ventosa de diámetro 200 mm. que realiza un cierre en una placa dejando una restricción en el borde de 0,01 mm. Luego el área de restricción será: S =D.!t . 0,01 =200 x 3,14 xO,01 =6,28 mm' Si disponemos de un eyector cuya capacidad de flujo sea de 68 NI/min. por cada mm2 de sección efectiva será: « e :::; « I/l w e z -o ¡¡; w et: Il. Ñ !!:.. 68/6,28 = 10,82 NI/min. 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 o Punto de presión mínima de trabajo ;- ]. S::. 1mm 2 ~~. (P~'I PRESiÓNDE ENTRAIilA :--:-. ';;;:;:::-10 - - +- / ~ ~~ . .L -N ,--- 1 --- I - I~'" '" ~ 7- 1----- 6 ' " lQ'ó O ~f'U~lO'ól . r- --- : "j'.. 4 : I 1---..3 ~ ¡ : ' ,/ f-- j- I ~ A .¡.-- - -- -- - ..,...,~:d::: d i : I 20 40 5~ 60 , 80 100 120 Qn= 54,44 Q = Nl/min (P1+1 D 'b"o'"~ ,?~e~ ~ /j O 0(,0 (P1 +1 .013),(1.89)(P,+1.013) Figura 8.46. Cierre defectuoso del borde. Figura 8.47. Gráfico PID. 198 1© ITP·Paraninfo © ITP·Paraninfo 1199
- 108. DEFINICiÓN DE VAcío Coneste valor y la ayuda del diagrama P/Q de la figura 8.47, para I mm2 de sección efectiva puede observarse que con este caudal de pérdidas la caída de presión es del orden de 0,12 bar; con lo cual la presión de vacío PV dentro de la ventosa es por supuesto 0,12 bar menos que en el exterior. Esta pérdida redu- cirá la fuerza de elevación de la ventosa hasta un valor teórico de 37 Kg. apro- ximadamente. Si mantenemos las mismas condiciones pero con un flujo de aspiración mayor (20 NI/min.) se consigue, según el diagrama, una diferencia de presión de 0,5 bar. Por otra parte, si logramos reducir el hueco a 0,00 I mm. la sección equivalente de este nuevo sistema será de 0,628 mm2 y el aire que penetra en el interior de la ventosa tomará características de flujo sónico limitándose entonces el caudal a 14 NI/min. por cada mm2 de sección efectiva y, la pérdida de presión de vacío será entonces solamente del 6%. Este ejemplo sirve como caso práctico para comprender que gran parte de la eficacia de un sistema de vacío depende de la calidad del cierre que realicemos entre la ventosa y el objeto a manipular. La fuerza de cierre se realiza aplicando una fuerza mayor sobre la ventosa. ¿Cómo obtendremos esta fuerza? Esta fuerza la obtendremos del incremento en la diferencia de presión entre el interior y el exterior de la ventosa; también hemos visto como esta caída de presión es consecuencia directa del flujo de aspiración y no de la presión de vacío máxima del eyector, puesto que dicha presión no se puede obtener sino después de haber conseguido el cierre adecuado sobre la pieza. Todo esto indica que la característica más importante, inicialmente, en un eyector es la de aspiración y no la presión máxima. 8.7.4. SELECCiÓN DE LA VENTOSA 8.7.4.1. Según el material El material con que se realizan las ventosas ha sido estudiado para cada situación en función de varios requerimientos: NBR • Útil para aplicaciones normales, prácticamente el 90 % de ellas. Este material tiene buena resistencia al aceite y una modesta resistencia al envejecimiento. 200 / © ITP·Paraninfo © SIVCESPAÑA. SA. DEFINICiÓN DE VAcío SIL/CONA • Es un material de color blanco lechoso, semitransparente y más flexible que el NBR. Resiste temperaturas muy bajas y muy altas. Apta para uso alimenticio. VITÓN • Se utiliza cuando las ventosas hayan de aguantar temperaturas extremada- mente altas. GOMA DE CONDUCCIÓN ELÉCTRICA • Para la manipulación de componentes electrónicos que puedan ser daña- dos por la electricidad estática. 8.7.4.2. Según la forma geométrica Para que el cierre de la ventosa sea lo más hermético posible, hay que estu- diar el objeto que se quiere manipular y adaptarse ~ la ventosa con la forma geométrica más adecuada. Se muestran a contlUuaClOn algunos tIpOS de vento- sas útiles para realizar diferentes tipos de trabaJO. Ventosa universal Ventosa con fuelle Figura 8.49. Ventosa con fuelle. Es el modelo más simple de ventosa, apto para la manipulación de objetos planos o ligeramente curvos. Figura 8.48. Ventosa universal. Se utiliza cuando existe la necesidad de compen- sar diferencias de nivel. Usando la ventosa con fuelle, con un solo sistema se puede manipular objetos con altura y forma diversa. Esta ventosa tolera también pequeños desplazamientos, útil para ligeros movimientos de separación. Poco recomendable para elevaciones verticales. © ITP·Paraninfo / 201
- 109. DEFINICiÓN DE VAcío Ventosamultifuelle Ventosa profunda Junta esférica Figura 8.52. Junta esférica. 202 I © ITP-Paraninfo Se utiliza para las mismas aplicaciones que la vista anteriormente, tolerando sin embargo, mayo- res diferencias de nivel, dando un movimiento de manipulación muy importante. No son idóneas para altos niveles de vacío. Se puede aumentar su rigidez mediante anillos. Figura 8.50. Ventosa multifuelle. Se emplea sobre superficies curvas e irregulares, también en aquellas aplicaciones en que la ventosa debe sujetar en ángulo. No es conveniente su uso en superficies planas. Particularmente adaptada para la elevación. Figura 8.51. Ventosa profunda. Cuando se deben mover objetos pesados, la vento- sa puede encontrarse sometida a esfuerzos de fle- xión. A fin de evitar esto, la ventosa puede conec- tarse a una junta esférica (rótula). Las rótulas montadas en cada una de las ventosas que confor- man el sistema de elevación pueden soportar ele- vadas cargas y adaptarse a la forma del objeto a manipular. © SIW: ESPAÑA $A DEFINICiÓN DE VAcío Ventosa plana con refuerzo interior Figura 8.53. Ventosa con refuerzo interior. Son ventosas dotadas de un particular refuerzo interior que asegura una excelen- te estabilidad para la elevación y el movi- miento en superficies lisas, también de grandes dimensiones como hojas de cartón, láminas de metal y de material poroso. Los refuerzos (apoyos interiores) impiden que el material se deforme por efecto de la presión hacia el interior de la ventosa y permite también aplicaciones con fuerza paralela a la superficie de apoyo de la ventosa. Ventosa plana, interior con apoyo y válvula Figura 8.54. Ventosa con apoyo y válvula. Ventosa con perfil ( ¿ li Figura 8.55. Ventosa con perfil. En un montaje con varias de estas vento- sas se ha evitado el riesgo de succión atmosférica por alguna, pues sólo abrirá el vacío cuando exista contacto con la superficie de apoyo. Por consiguiente, se puede garantizar mayor seguridad, menor consumo de aire y una toma de contacto muchísimo más rápida. Estudiada para superficies irregulares y abrasivas, como bloques de piedra, de cemento y hojas de chapa granulada. Se emplea en superficies delicadas sin dejar marca. Esta ventosa se puede rea- lizar en formas y dimensiones diferen- tes, en función del objeto a manipular. Para compensar eventuales inclinacio- nes de los objetos, puede dotarse con juntas esféricas_ © ITP-Paraninfo I 203
- 110. DEFINICiÓN DE VAciD Ventosacon movimiento minimo Figura 8.56. Ventosa con movimiento mínimo. Particularmente adaptada para la mani- pulación de materiales delgados como papel y película plástica. Incorpora internamente una pletina regulable en altura que admitirá elevar, totalmente plano, sin riego de deformaciones. 8.7.5. PRECAUCIONES PARA EL USO DE VENTOSAS Las precauciones de carácter general que se han de observar para el uso de ventosas son: • Limpiar la tubería antes de hacer las conexiones, para evitar que el polvo u otras partículas entren en la instalación. • El vástago debe estar sometido siempre a cargas en su dirección axial. La carga en dirección transversal puede dañarlo. • Tener cuidado de no dañar el vástago, pues esto puede perjudicar a las jun- tas de cierre y producirse fugas. En otros órdenes también deberemos considerar determinados aspectos que ahora se enumeran: Montaje La forma correcta es horizontalmente. El montaje inclinado o vertical debe evitarse a menos que sea absolutamente necesario. Sin embargo, si es inevita- ble, es importante asegurarse de que la sujeción ofrece suficientes garantías. Ventosa t Elevación HorilOntal Elelación Vertical Figura 8.57. Montaje de ventosas. 204 I © ITP·Paraninfo DEFINICiÓN DE VAcio puesta a punto de la ventosa Se recomienda que la ventosa tome contacto con la pieza sin demasiada pre- sión y sin ser golpeada, dentro del rango de deformación del material de la ven- tosa. Un contacto suave es suficiente para una manipulación correcta. Especialmente en el caso de ventosas de pequeño diámetro, es importante pre- cisar bien la posición. Figura 8.58. Puesta a punto de la ventosa. En la figura se muestra la distancia (A) necesaria para que no haya lugar un choque innecesario contra la pieza. Posicionamiento y distribución Hay que poner atención en que el área de absorción de la ventosa sea menor que su superficie, de lo contrario se producirá una fuga. Cuando se transporta una gran superficie con varias ventosas, lo más impor- tante es el posicionamiento equilibrado de las mismas y ha de prevenirse que no sobresalgan de la placa. En la figura 8.59 se ilustran estos conceptos. Bien r--'}v~ Ventosa :=fMal """M':""a"-I.J Figura 8.59. Posicionamiento y distribución de ventosas. © ITP·Paraninfo I 205
- 111. DEFINICiÓN DE VAcío Fuerzade elevación, momento, fuerza horizontal Cuando se eleva verticalmente una carga, no sólo influye el peso, sino tam- bién la aceleración y la depresión creada. (fig. 8.60a). Se debe tratar de conseguir que el momento con que trabaja la ventosa sea el menor posible, tomando la carga por su centro de gravedad. (fig. 8.60b). En el caso de un movimiento horizontal con elevación vertical, la ventosa puede estar sometida a una gran fuerza dependiendo de la aceleración. En general, la fuerza horizontal dependerá del rozamiento entre la ventosa y la superficie. De todos modos, cuando el rozamiento entre la ventosa y la superfi- cie sea bajo, la aceleración o deceleración en los movimientos horizontales tendrá que ser tan bajo como sea posible. (fig. 8.60c). Vento,a ~ I I a • • • Ventosa ~ veolo,a b Mar Mal - Ventosa e Figura 8,60. Elevación, momento, fuerza horizontal. Manipulación a diferentes alturas Cuando la posición de la ventosa y la pieza entraña dificultades, como en el caso de la succión de piezas de diferentes alturas, se recomienda utilizar una ventosa de tipo telescópico, de tal modo que, dicho mecanismo sea el encarga- do de absorber la diferencia de alturas de trabajo. 206 / © ITP-Paraninfo © svr:::ESPANA. SA. DEFINICiÓN DE VAcío Ventosa ~, , Ventosa Figura 8.61 . Empleo de ventosa telescópica. Superficies porosas En el caso de manipulación de papel u otras piezas de superficie porosa, se debe seleccionar el diámetro de ventosa más pequeño posible, ya que muchas fugas de aire reducen la fuerza de succión, y por lo tanto necesitaríamos un incremento de la fuerza del eyector o de la bomba de vacío. Deberá tenerse en cuenta la selección de una mayor sección efectiva de la línea de conducción u otra apropiada. Figura 8.62. Piezas porosas. Piezas de material blando Cuando se manipula una pieza de material blando, como el vinilo, papel o materiales delgados, debido a la depresión, pueden aparecer ondulaciones o © ITP-Paraninfo / 207
- 112. DEFINICiÓN DE VAcío deformaciones.En estos casos, es recomendable el uso de una ventosa . - . d " mas pequena o con nervIOS, y re UClr la Intensidad del vacío. Ventosa Vinilo a el etc. Figura 8.63. Piezas de material blando. Láminas planas . Cuando se eleva una pieza de superficie grande, como por ejemplo una lamina de vldno, puede darse una gran fuerza con tendencia al desprendimien- to. En estos casos deberá prestarse especial atención a la localización y tamaño de las ventosas. :...:::::,::: ::.,: Plancha de vidrio Figura 8.64. Láminas planas. Superficies inclinadas ~uando se eleva una pieza con superficie inclinada, no se debe sobrepasar un angulo a = 5°. Las ventosas adecuadas para esta aplicación toleran también pequeños desplazamientos, útiles para ligeros movimientos de separación. Sin embargo, no son recomendables para elevaciones verticales. 208 ! © ITP-Paranin!o DEFINICiÓN DE VAcío Figura 8.65. Superficies inclinadas. ~ 8.8 REGULACiÓN DEL VAcío Como se ha podido deducir en capítulos anteriores, la regulación de la pre- sión de vacío tenderá a disminuir la presión diferencial entre la atmósfera y el nivel de vacío conseguido, siendo los valores más bajos de presión de vacío próximos al valor de la presión atmosférica, y los más alejados, los valores más altos. Con esta consideración se puede establecer que introduciendo la presión atmosférica o sobrepresiones superiores en un espacio sometido a vacío, el valor de la presión varía a medida y en función de la cantidad de aire que se introduce en su interior. También se han de tener en cuenta las siguientes cir- cunstancias: • Dirección del flujo. • Rango de regulación con valores muy bajos. 8.8.1. REGULACiÓN DE ACCiÓN DIRECTA CON ACCIONAMIENTO MANUAL Los elementos que realizan esta función son reguladores de accionamiento manual instalados en la línea de presión de vacío y funcionan bajo los criterios comentados en el apartado anterior. Estos reguladores son de pasos variables y con rangos de regulación entre 10=750 TORR. © ITP-Paranin!o ! 209
- 113. DEFINICiÓN DE VAcío 8.8.2.REGULACiÓN PROPORCIONAL DE LA PRESiÓN A veces es necesario trabajar con di ferentes presiones en un mismo proceso. Por ejemplo: cambio de gramaje del papel en la alimentación de máquinas en la industria de artes gráficas. En este caso es indispensable contar con elemen- tos que sean capaces de regular esta presión de forma automática, es decir, que el valor de la presión obedezca a una señal eléctrica de consigna y además sea proporcional al valor de la misma. Los transductores de presión, como el que se muestra en la figura 8.66, cumplen con este cometido. Estos componentes funcionan según un principio fluídico de tobera/paleta. Requieren una alimentación externa en sobrepresión para realizar el acciona- miento de la válvula principal y regular, evidentemente, la vena fluida proce- dente de la zona de presión más alta (atmósfera) por mediación de un sensor, trabajando en anillo cerrado con un control eléctrico que establece un balance entre la señal de mando y la presión de vacío regulada. Figura 8.66. Regulador proporcional. 210 I© ITP-Paraninfo DEFINICiÓN DE VAcío Funcionamiento Cuando se incrementa la señal de mando, el piezoeléctrico de la aleta 1, pro- duce una flexión sobre ésta y cierra la tobera 2. Ésta hace aumentar la presión en la cámara de la tobera 3, la cual, actúa sobre la superficie superior del dia- fragma 4, que fuerza la válvula 5 a bajar. Al descender, ella misma se cierra contra la válvula principal 6, que es presionada hacia abajo, abriendo la entrada 7. La alimentación de vacío pasará a través de la válvula principal dando lugar a una presión de vacío regulada en la salida. Este nivel de vacío es captado y convertido en señal eléctrica por el sensor de presión 8, el cual, realiza una rea- limentación al circuito controlador 9. El controlador realizará un balance entre la señal de mando y la presión de salida, asegurando que esta última permanez- ca proporcional a la señal de mando. linealidad: EIT209-303 G 3/8" F o {!. (760) ;; -150 I (610) E -300 E (460) ~ -450 ro (310) '" Q) "O -600 (160) .g -750 .~ (10) 0 '!--': 2- -'::--:: 6- ' 8 I-' 1 * 0'" a. Señal de mando (VCC) Figura 8.67. Señal eléctrica I Presión regulada. selal (le mando (vcc, mAce) Bomba de vaelo Eyector Alimentaci6n de waefo (VAC) IN EIT 209 Figura 8.68. Detalle de instalación. TANQUE OUT lacio relll,llado © ITP-Paraninfo 1211
- 114. DEFINICiÓN DE VAcío Elgráfico de la figura 8.67, muestra la proporcionalidad existente entre la señal eléctrica y la presión de salida regulada. La figura 8.68 muestra los detalles de instalación de este componente. 8.8.3. REGULACiÓN DE LA PRESiÓN, REGULANDO LA PRESiÓN DE ALIMENTACiÓN DE LOS EYECTORES Según el gráfico de la figura 8.69, es fácil deducir que, la presión de vacío está interrelacionada con la presión de alimentación, por lo tanto, regulando esta última, mediante el empleo de reguladores estándar o proporcionales, tam- bién lograremos regular la presión de vacío. 2 bar -300 mmHg 4,5 bar -660 mmHg I~-------~' --~---- - -- - - " -'-'--- -'.--, Características de aspiración mbar mmHg -931 ~ -798 el I E -665 E ~ -532 o '(3 ~ -399 ID "O -266 ID .2= Z -133 212 / © ITP·Paranin!o ~----~-------r--~ -700 -:: _t. ________ jt....¡::~-~ I -600 I I I ¡ . ~e.. ~. -500 - I ~'. . ' __l r ~~ ••, 50 I I ",v..' 0?-~" ¡ • I -400 I "" 1 ~ I -300 -- .¡... -- " ~ I -200 -100 , .' 25 -{!lo I .'1' : Caudal d~ succión § I 1 ~o I LREG~LACION...! ~~__~ . __~==~ I ~__~~ O Ü 0 1 2 3 4 5 6 Presión de alimentación (Kg/cm2 ) _ _ _ ._____..J Figura 8.69. Características de aspiración. © SIVC E Sf>ANA SA. DEFINICiÓN DE VAcío Un circuito típico de regulación de presión de alimentación del eyector para regular la presión de vacío, es el de la figura 8.70. La electroválvula 1 tiene la función de alimentación del transductor y de soplado para expulsión de la pieza. El transductor 2, regula la presión de alimentación del eyector 3, en fun- ción de una señal eléctrica de consigna. El vacuostato 4, controla la señal de nivel de vacío y realimenta a un PLC para establecer la confirmación y compa- ración con la señal de consigna. El funcionamiento del sistema completo, se muestra en el diagrama de bloques de la figura 8.7 L 2 (Transductor) 3 (Eyeclor) 4 (Vacuostato) Figura 8.70. ~ircuito típico de regulación. 0-10 v - [ TRANSDUCTOR i barN I I mmHg/bar , EYECTOR I U .J D. 1-5 V [ VACUOSTATO [ 0-660 mmHg Figura 8.71. Diagrama de bloques. © SIVCESPAÑA. SA. © ITP-Paranin!o / 213
- 115. DEFINICiÓN DE VAcío 8.8.4.REGULACiÓN PROPORCIONAL DE LA PRESiÓN DE VAcío CON GRANDES CAUDALES. Un sistema de regulación de la presión, fundamentado en el comentario ini- cial de este apartado, es el reflejado en la figura 8.72. Se trata, según el esque- ma, de regular la presión de vacío de un sistema, cuyo volumen a evacuar es importante y, por lo tanto, la succión se realiza con una bomba de gran caudal (Qb = 500 Nl/min.). Otra particularidad del sistema importante, es la banda de regulación exigida, entre -300 mmHg y -500 mmHg, así como el tiempo dispo- nible para su regulación (lO s.). 4 bar VEF 00------1 .-____--IVEA>------lL~~~~~J BOMBA SISTEMA Figura 8.72. Regulación proporcional de la presión de vacío con grandes caudales. Amplificador Válvula proporcional VEA VEF BOMBA SISTEMA TANQUE '-------1 VACUOSTATO Figura 8.73. Diagrama de bloques. 214 / © ITP·Paranin!o © 9VI: ESPANA. SA. DEFINICiÓN DE VAcío El diagrama de la figura 8.73 muestra la solución para esta aplicación: Una válvula proporcional reguladora de caudal alimentada con una presión de 4 bar, trabajando en anillo cerrado con la tarjeta de amplificación y un vacuostato analógico. Variando la señal de consigna, obtendremos diferentes valores de regulación. ~ 8.9. ELECTROVÁLVULAS UTILIZADAS PARA LA DISTRIBUCiÓN EN VAcío Cuando se necesitan, por razones de proceso, grandes caudales de succión y un alto nivel de vacío en la alimentación de sistemas con varios puntos separa- dos entre sí por grandes longitudes, se utilizan bombas de vacío. La distribu- ción de los caudales de succión a estos puntos se realiza, generalmente, mediante electroválvulas. Estas electroválvulas deben tener unas características y han de cumplir una serie de condiciones como: • Poder distribuir flujos con sentido inverso de circulación. • Permitir el paso de grandes caudales con diferenciales de presión muy pequeños. • Actuar con bajas presiones. • Ofrecer poca resistencia al flujo. Según la forma de ser accionadas, pueden dividirse en dos grupos: • Accionamiento directo. • Accionamiento servopilotado (pilotaje por presión externa). 8.9.1. ELECTROVÁLVULAS DE ACCIONAMIENTO DIRECTO Estas válvulas son accionadas por un electroimán directamente. En estado de reposo, el clapet 1, es empujado hacia arriba por la acción del resorte 2, la vía P se cierra en esta posición y se une la vía A con el escape R. Al activar la bobina 3, la armadura móvil 4 se retrae, y la varilla de presión empuja hacia abajo el clapet, cerrando la vía R, y uniendo la vía P con la utilización A. Este funcionamiento se muestra en la figura 8.74. © sw::ESPAÑA. SA. © ITP·Paranin!o / 215
- 116. DEFINICiÓN DE VAcío Figura8.74. Electroválvula de accionamiento directo. Se deduce de lo expuesto, que el electroimán debe ser capaz, para accionar la válvula, de vencer la fuerza del resorte 2, la originada por la presión sobre el área de cierre del clapet, y también las originadas por la circulación del flujo en la distribución. Por lo tanto, el uso de estas válvulas está previsto que sea para caudales de succión pequeños, para evitar que el tamaño y consumo de los electroimanes sea desproporcionado. Por otra parte, estas válvulas ofrecen la posibilidad de ser conexionadas a la fuente de vacío por cualquiera de sus vías, sin tener en cuenta la dirección del flujo inverso. 8.9.2. ELECTROVÁLVULAS DE ACCIONAMIENTO SERVO-PILOTADO En este caso, el accionamiento de la válvula es indirecto, es decir: por la acción de un pilotaje externo de presión. La electroválvula, situada en la parte superior del cuerpo principal, es de un tamaño reducido. Esta electroválvula es alimentada con una presión externa por el orificio adicional. Cuando se activa la bobina, el caudal de paso es solamente el necesario para pilotar neumáticamente el clapet de distribución de la válvula principal: por lo tanto, con una electrovál- vula piloto de dimensiones reducidas y consumo de potencia bajo, se pueden distribuir grandes caudales de succión. Al ser pilotada externamente por presión, tampoco importa, en este caso, la dirección de circulación del flujo. 216/ © ITP·Paraninfo © SVl:ESPAÑA.. $A. DEFINICiÓN DE VAcío Figura 8.75. Electroválvula de accionamiento servo-pilotado. 8.9.3. SELECCiÓN DE LAS ELECTROVÁLVULAS Para seleccionar la electroválvulas, a parte de tener en cuenta parámetros como tensión de alimentación, vías de distribución y posición de las mismas, si han de ser normalmente abiertas o cerradas, es necesario conocer a la perfec- ción una característica fundamental: La capacidad de paso que ha de tener la válvula. Una válvula con el área efectiva menor de la necesaria, creará proble- mas de pérdidas de carga y, no hay que olvidar que trabajando en técnicas de vacío, se trabaja siempre con presiones inferiores a la atmosférica y, por lo tanto, en esta situación, hemos de tener en cuenta la resistencia al flujo que ofrece la válvula. Con los cálculos siguientes, es posible calcular los casos más habituales que se dan en la distribución dentro de la técnica del vacío. 1.- Aplicaciones en régimen subsónico: Si, P2 +1,013 ,; P, +1,013 ,; 1,89(P2 + 1,013) © sva:ESPAÑA. $A. © ITP-Paraninfo /217
- 117. DEFINICiÓN DE VAcío Utilizando"S": Q=22,2S)/lP(P + 1,013) /273 Vm+e Utilizando "Cv": Q = 400 ,CV.~/lP(P2+1,013). /273 Vm+e 2.- Aplicaciones en régimen sónico: Si, P, + 1,013 ;o, 1,89(P2+ 1,013) Utilizando "S": Q = 11,1· S· (p, +1,013) /273 Vm+e Utilizando "Cv": Q = 200·Cv.(p, +1,013). /273 Vm+e En las anteriores expresiones, tendremos: Q =Caudal (NI/min.) PI =Presión atmosférica (O bar relativos) P1 = Presión de vacío generada por la bomba (bar) ilP=PI-Pz S = Sección equivalente (mm2) e=Temperatura de fluido (0 C) Cv =Factor Cv. 218/ © ITP-Pa,anin!o © SVCE~SA Ejemplo 1 (Caudal a través de la válvula): P1 I ___________~:-~~~P~2~=~-O~.9~b~a~'--~ obar r- Cv= 10,3 Pilotaje externo DEFINICiÓN DE VAcío Bomba de vacio Hallar el caudal máximo que puede pasar a través de una electroválvula dentro de las condiciones siguientes: PI = Obar relativos Pz =-0,9 bar Cv= 10,3 e=20 oC En nuestro caso, tendremos que: P,+1,013 ;o, 1,89(P2+ 1,013) => 0+1,013;0,1,89(- 0,9+1,013) 1,013 0,2135 Por lo tanto el flujo es sónico. Aplicando la fórmula correspondiente: Q = 200 ·Cv· (p, +1,013)· ~ 73 273+6 273 Q=200x10,3x1,013x = 2.014 NI/min. 273+20 Para una válvula con un coeficiente Cv = 10,3, el caudal máximo admisible será de Q =2.014 NI/min. © ITP-Pa,anin!o /219
- 118. DEFINICiÓN DE VAcío Ejemplo2 (Cálculos de selección en función de M> permitido): Q P2 • P3 Bomba de vado A veces, existen sistemas donde hay que calcular la válvula en función del L.P establecido. Este L.P, viene determinado por la presión de vacío que es capaz de conseguir la bomba y las necesidades de presión que el sistema requiere; considerando la diferencia como pérdida de presión admisible en la válvula. Analicemos el siguiente supuesto: Condiciones: • PI = 0,67 bar • P2 =0,7 bar . e=20°C Luego: Presión final de vacío Presión de vacío generado por la bomba L.P = P2 - PI = - 0,03 bar (L.P máx permitido en la válvula) Qn = 300 NI/min (caudal de succión) En nuestro caso, tendremos que: P,+1,013 < 1,89(P,+1,013) => - 0,67+1,013<1,89(-0,7 + 1,013) 0,34> 0,59 Por tanto, el flujo es subsónico. 220 / © ITP·Paraninfo © SIVCESPAÑA. $A. DEFINICiÓN DE VAclo Por la fórmula del factor "Cv": 0 0 = 400CV~dP{P, +1,013) í273 Vm+e 300 = 400· Cv· ~0,03. (- 0,7 +1,013). í273 Vm+e 300 = Cv .36,8 Cv necesario = 8,1 Ejemplo 3 (Cálculos de selección para baja presión): P1 Qn PA -_......_-_..__.._-_.......__......__..... Este no es propiamente un cálculo usado en la selección de válvulas para vacío, pero sí es interesante como comprobación de los anteriores, para estable- cer la diferencia entre sobrepresión y vacío. En el ejemplo siguiente, cambian la dirección del flujo, el régimen de circulación, etc. Analicemos el siguiente caso, en el que tenemos que realizar un soplado continuo (por ejemplo, para fluidificación de alúmina en una fundición) mante- niendo una presión P2 en la tobera de soplado. Condiciones: • PI = 0,65 bar • P2 =0,5 bar • Qn = 2.000 NI/min (necesario para soplado) • e = 20°C © svr::ESPANII. $A © ITP·Paraninfo / 221
- 119. DEFINICiÓN DE VAcío ¿Cuáldebe ser el factor de caudal, o la sección efectiva de la electroválvula? En nuestro caso, tendremos que: P, +1.013 < 1.89(P, +1.013) 1.663 < 1.89 x 1,513 Por tanto, el flujo es subsónico. Por la fórmula del factor "Cv": 0 , ;400 ·CV.~6P.(P,+1.013). {273 vm+ii 2.000; 400 ·Cv· ~0.15· (0.5+ 1.013). ~273 293 2.000 ; Cv ·183.94 Cv necesario; 10.8 Por la fórmula del área efectiva: O, ; 22.2S.~6P.(P, +1.013). {273 Vm+ii 2.000 ; 22.2· S ·~0.15 . (0.5+ 1.013). ~273 293 2.000 ; S ·10.21 S necesaria ; 195 mm' ~ 8.10. VACUOSTATOS Se usa el vacuostato para el control de nivel del vacío alcanzado. Para un determinado nivel de vacío preseleccionado, el elemento proporciona una señal eléctrica de salida, confirmando bien el alcance del nivel de vacío o el valor del mismo si la señal es analógica. Existen varios modelos, desde los de ejecución sencilla, hasta los que tienen posibilidad de programarse y visualizar su valor en un display de cristal líquido. También acostumbran a disponer de un progra- 222 I © ITP·Paraninfo DEFINICiÓN DE VAcio ma con función de autodiagnosis y detección de errores, así como la medición seleccionable entre varios sistemas de unidades. Así mismo disponen, además de una salida de contacto, de una salida analógica entre l y 5 V c.c. Pueden tra- bajar en modo de histéresis o bien en modo de ventana de comparación, según el gráfico de la figura 8.77. El vacuostato de la figura 8.76, es de estos últimos. Figura 8.76. Vacuostato. Modo de Vacuostato trabajo Salida positiva: P1 <P2 Presión (salida inversa : n1<n2) atmosférica ""............... :/ '" .¡¡; P2(n2): -0.5 bar i!! P1(n1): -0.75 bar ~ ...... ..... L ~.... .. ......' - 1 bar (Vado absolutO) I ON Salida positiva OFF ON Salida inversa OFF I Salida positiva: P1>P2 e (salida inversa : n1>n2) -o Presión '0 atmosférica ~.... / ni ~ ni P1(n1)= -0.5 bar a. E P2(n2)= -0.75 bar I . O ..........~....• o '" "C ni Salida positiva O~~ ........ r-, ··········· r e .Sl • e 1-- ~ ON I Salida inversa OFF Figura 8.77. Modos de funcionamiento de los vacuostatos. © ITP·Paraninfo I 223
- 120. DEFINICiÓN DE VAcío ~8.11. TANQUES DE RESERVA Y CONDUCCIONES En la manipulación por vacío los tanques son utilizados como reserva de energía. Esta reserva es necesaria cuando los sistemas requieren: • SEGURIDAD • RAPIDEZ EN LA RESPUESTA 8.11.1. RESERVA DE ENERGíA PARA LA SEGURIDAD Como ejemplo, en la manipulación de planchas de gran tamaño, metálicas, de hormigón, bloque de mármol, así como plásticos o materiales frágiles, vidrio y toda clase de elementos que se puedan sostener con ventosas y tengan que ser manipulados con absoluta seguridad (Figura 8.78), hay que tener en cuenta aspectos como, fallo del aire comprimido en la alimentación del o de los eyectores, o el fallo de corriente. En este caso y según el esquema de la figura 8.79, con una válvula de retención y un tanque de reserva se puede solucionar con ciertas garantías. Según el esquema, cuando el aire comprimido de la alimentación o la ten- sión de mando de la electroválvula l falla, el presostato de línea PS, activa el sistema acústico de alarma, avisando del funcionamiento incorrecto. Cuando esto sucede, el antirretorno 2 se cierra y el tanque de reserva mantiene la pre- sión de vacío y por consiguiente, la carga suspendida el tiempo necesario hasta tomar las debidas precauciones; dependiendo este tiempo de las condiciones del trabajo que estemos realizando, del tipo de ventosa, rugosidad del material, porosidad de la superficie a manipular y de la capacidad del tanque para resti- tuir estas fugas. Ejemplo: Sea un circuito con las condiciones siguientes: • Ll.Vf =Fugas localizadas en el circuito • PI = Presión máxima de vacío • P2 = Presión mínima de vacío • T = Tiempo de la maniobra 1 NI/min. 100 m.bar 200 m.bar 3 mino Cuando el volumen de aire a presión atmosférica entre en el sistema, el tan- que ha de tener un volumen que sea capaz de restituir las fugas. 224 / © ITP·Paraninfo DEFINICiÓN DE VAcío Anillo de elevación Central de yacio "" SujeCión móvil de ventosas - Pies de reposo Figura 8.78. Sistema de manipulación de planchas. , CENlAAl w.clo .. I-'----j-l H--'----i---{e IYRECOM~f,I,DO ",-- w.cuosrAro RESERV.... DE "...Clo Figura 8.79. Esquema de montaje de seguridad. Valor de las fugas = Ll.Vf. T = 1 x 3 = 3 NI/min. El volumen será, según el equilibrio de presiones: © ITP-Paraninfo / 225
- 121. DEFINICiÓN DE VAcío Siendo: Po= 1000 mbar presión atmosférica VT = Volumen tanque 3 x 1000 = VT X 100 3 x 1000 30 L. 100 Una vez que las fugas afecten en su totalidad al sistema, la presión resultan- te será: p = 3 x 1000 + 30 x 100 180 mbar. 33 33 Luego: 180 < 200 mbar (Presión de vacío mínima). 8.11.2. TANQUE DE RESERVA PARA RAPIDEZ DE RESPUESTA DEL SISTEMA L- --.J VA Po ~ Figura 8.80. Troquel 226 I © ITP-Paraninfo DEFINICiÓN DE VAcío En los accionamientos donde se requiere evacuar cantidades importantes de aire, con tiempos de respuesta muy rápidos y que disponen de un tiempo apre- ciable entre maniobras, tal el caso de la evacuación de aire en troqueles como el representado en la figura 8.80. En estos casos es muy útil usar circuitos como el de la figura 8.82. En este circuito, hay un tanque de reserva dispuesto entre la bomba de vacío y el sistema a evacuar. La bomba está funcionando constantemente de forma que en los tiempos muertos de ciclo, evacua el aire del tanque y lo tiene dispuesto para cuando el ciclo de evacuación de aire en el troquel lo requiera. Con este sistema se disminuye el tamaño de la bomba y, por supuesto, existe un ahorro importante de coste de instalación. Los cálculos para seleccionar el tamaño del tanque, serán: EQUILIBRIO DE PRESIONES Donde: PVF =Presión de vacío final en la pieza Va = Volumen de la pieza PVT =Presión de vacío en el tanque VT =Volumen del tanque CAUDAL DE SUCCIÓN DE LA BOMBA Q = V T .Ln(~) s T PVT T =Tiempo de vaciado del tanque Po =Presión atmosférica m.bar Litros m.bar Litros S m.bar Una vez puesto en comunicación el tanque con la presión existente en el volumen de la pieza, este tiene un vacío resultante que vendrá determinado por: Vp= Volumen total pieza + tanque L © ITP-Paraninfo I 227
- 122. DEFINICiÓN DE YAcía yla presión del vacío resultante, será: m.bar Veamos sendos ejemplos comparativos empleando bomba directa y depósito auxiliar. 8.11.2.1. Sistema con bomba directa TROQUEL Qs • Figura 8.81. Sistema con bomba directa. Sea el mismo troquel de inyección expuesto en la figura 8.81, cuyos datos son los siguientes: Vo = 36 L. Po = 1000 mbar PYF = 10 mbar T=IS Volumen del troquel Presión atmosférica Presión final de vacío Tiempo de vaciado Luego, con estos datos, la bomba ha de tener una capacidad de caudal según la fórmula: Os = Ve .Ln(~J T PVT Os = 36 .Ln 1000 = 166 LIS 1 10 228 I © ITP·Paraninfo DEFINICiÓN DE YAcía 8. 11.2.2. Sistema con bomba y depósito auxiliar Veamos qué sucede en la misma aplicación, pero en esta ocasión dispondre- mos de un tanque auxiliar para aprovechar los tiempos muertos. TROQUEL V2 V3 V1 Figura 8.82. Sistema con bomba y depósito auxiliar. DATOS REFERENTES AL TANQUE AUXILIAR PVT = 1,2 m.bar (Presión de la bomba) La condición de equilibrio de presiones, será: PyF ' Vo = PVT ' VT Donde, el volumen del tanque será: V T = PVF . Vo 10 x 36 = 300 L. PVT 1,2 Cuando actuemos la válvula 2 y pongamos en comunicación el tanque auxi- liar con el troquel, tendremos una presión resultante en el sistema, que será: © ITP·Paraninfo I 229
- 123. DEFINICiÓN DE VAcío P- 36 x 1000 1,2 x 300 - 108 b VA - 336 + 336 - m ar Si cerramos la válvula 2 y abrimos la 3, pondremos en comunicación el tro- quel con la bomba y separaremos el tanque auxiliar por medio de la válvula 1. En este caso, la bomba tendrá que evacuar el volumen de 36 L. pero dentro de un margen de presión de vacío desde 108 mbar hasta el vacío final de 10 mbar. Por lo tanto, el caudal de succión que se solicita a la bomba, será: Q = V T .Ln(~J s T P VT Q = 36 Ln( 108) s 1 10 Como existe un tiempo muerto de ciclo de 30 segundos, cerrando las válvu- las 2 y 3, Y abriendo la 1, evacuaremos el tanque auxiliar, dejándolo preparado para la siguiente maniobra. Verificación del tiempo de carga: Luego Te < que el tiempo muerto =30 S. La potencia de bomba instalada en ambos casos, será: P = 202Qs Ln( : ; J (KW) Si tenemos en cuenta que el caudal deberá expresarse en m3/S., tendremos que las potencias serán: P, = 2020,166 . Ln(0~0)= 154 KW P, = 202 ·0,166 ·Ln - - = 115 KW ( 1.000) 1,2 230 I © ITP·Paraninfo DEFINICiÓN DE VAcío 8.11.3. CÁLCULO DE TUBERíAS Para el cálculo de la sección efectiva de paso en las tuberías de conducción, hay que tener en cuenta los factores siguientes: • Resistencia al flujo (Pérdida de carga). • Reducción al mínimo de los volúmenes a evacuar. Evidentemente, estos dos factores presentan una cierta desavenencia, puesto que, una conducción amplia proporciona menor resistencia al fluJo, pero, srn embargo, aumenta el volumen a evacuar y, por consiguiente, el trempo de res- puesta o el tamaño del eyector. En resumen, hay que diseñar las conducciones con la sección efectiva ade- cuada para obtener resistencias al flujo admiSibles y la longitud menor pOSible para disminuir el volumen a evacuar. Gráfico sección efectiva Diámetro int~flor del tubo (mm) 60 9 ~ N E 50 - -+- .s ro 40 7,5 + ~ 30 .E! 6 Q) 20 c: -o _ 4 . '0 10 u Q) (J) O 0.02 0.05 0.1 0.2 0.5 1 2 5 10 Longitud del tubo (m) ._- ~ Figura 8.83. Gráfico de sección efectiva. La fórmula para hallar el área efectiva en la tubería es: S = (X ~ mm' Donde: a = 0,0844' Ct· dO ,155 Ct = 1,6 para tubo de acero. Ct = 2 para tubo de plástico, cobre, etc. © sw::ESPAÑA. SI. © ITP·Paraninfo I 231
- 124. DEFINICiÓN DE VAcio Pero,con ayuda de la figura 8.83, es posible fOnTIa raplda y sencilla: calcular el área efectiva de s = Qmá~ 11,1 Donde: mm' = Caudal máximo = Área efectiva = Longitud, interpolando en la tabla CAUDAL DE AIRE LIBRE EN LTS. POR MINUTO _.12 4 17 40 65 25 6 22 54 100 140 210 280 420 620 I 080 -- 50- - 85 13~ I 210 280 380 590, 790 1 3BO - ___ _ 8 34 68 120 200 300· 370 ,. 480 76 10 37 75 150 230 330 450 760 1 070 1 870 1---:;00- ¡ 590 930 1 160 2030 _~~25 ~: !:: :: ::~ ~~~ ::~ :!~ : 6 76 8 0 0 1080 1580 , 2760 150 14 51 1 220 1 760 3080 - --- - - 100 210 325 460 650 850 180 15 56 I 110 230 370 1 510 710 910 1300 ! 1920 3360 200 16 1 420 2040 3570 .- --_ 62 120 240 380 540 740 960 _____~3~__ _ 17 65 125 250 400 580 790 1490 2180 3810 ____2_5~_ __ 18 68 130 1 270 420 620 820 1020 1560 2320 4060 280 1 100 1 670 2430 4250 19 70 135 280 - -300·_- 20 ¡ 73 140 300 :~~ 665 70 0 860 1 140 1780 2550 4460 330 20 80 150 310 480 700 :~~ I 1 190 1840 2690 4700 355 21 82 155 320 500 1220 1920 2830 4950 - -3aj=~ 22 I 85 ¡ 160 330 720 -j 980 1 270 2000 2910 5090 _ = ~ lm,M0 2,003a5= ..- ..._ 23 88 165 340 540 760 1 050 430 24 90 170 ¡ 350 550 790 1370 2130 3080 5390 - ---'--- 1 070 1420 2200 3200 5600 ~~O_ 25 93 175 360 570 820 _____485_ 26 96 180 370 590 1 120 1 470 2270 3280 5740 850 1 150 1500 2350 3400 5950 500 530 635 27 27 40 660 45 - 685 - 50 710 735 232 I © ITP·Paraninfo 54 57 100 102 105 107 110 113 116 119 122 125 185 190 380 390 600 620 860 890 1190 1550 2 410 3480 6090 195 I 400 200 410 1 200 1590 2470 3560 6230 630 910 1230 1620 2520 3650 6380 650 930 1 260 1650 2580 3710 6490 420 600 950 I 1 290 1 700 2 630 3 800 6 650 430 660 ' 960 1 320 205 210 215 220 225 230 1 730 2 690 3 880 6 790 440 690 990 1 350 1 760 2 750 3 960 6 930 450 ¡ 710 1 020 1 360 1810 2800 4070 7120 460 470 720 1040 1410 1840 2890 4160 7280 740 1 060 1 440 1 900 2950 4250 7430 Figura 8.84. Caudal de aire libre en NI/min. DEFINICiÓN DE VAcio ~ 8.12. CIRCUITOS DE REGULACiÓN PROPORCIONAL DE LA PRESiÓN DE VAcío El esquema de la figura 8.85, muestra la regulación en un sistema de vacío. La regulación de la presión comprende un rango desde -0,8 a -0,3 bar de pre- sión, para un caudal de succión de 267 NVmin. de la bomba de vacío. Para ello se ha pensado en un sistema en anillo cerrado, entre un vacuostato y una tarjeta electrónica PID, para comandar una válvula proporcional reguladora de caudal. Esta válvula proporcional, está alimentada a 4 bar e introduce una cantidad de aire a presión, a voluntad en función de una señal de consigna, en un tanque dispuesto entre la bomba y la utilización de vacío. P" 4 bar (reguladil) ~ '., ....... , . .. .... Bomba de vilcfo s"l:alde mando OilSV Re"limentaco6n o iII 5 v ZSE4~1-25L 1 ~ 5 v. DIsplay ,------~ Convertidor c---'-'----1 ______ "-'-VEA2='52 de~~1O Oal A EVEF2l20-3~2 267N~in p" = ~ 65 bar o a 267 NUmon , . -08a~ 3bil' DEPóSITO Figura 8.85. Regulación proporcional de la presión de vacío. El sistema empleado en este caso, es el mismo que en el apartado anterior, pero la señal de consigna para establecer los valores de regulación, se realiza a través de un autómata. © SVC E~SA. © ITP-Paraninfo I 233
- 125. DEFINICiÓN DE VAcío .¡, AUTOMATAH ~E~ t'Jio .. BOTONERA I Sellal de mando Oa5 11. ZSE4-01_26L A1imetaciOn 2" Ver; Ta:¡:ta J ReaH menl8Ción Oa 5v. ---------: 1 ~ 5v. DiSj>lay m .'" Convertidor -------- ________ J ""~ p~" t.;¡r """" de VACIO (~uIada) = .~C?! I~~:," Oa 267 NV min • "" y~! ! I de caudal _ . _ . _ - _ . _ . ~ . _ . _ . _ . _ . EVEF2121)-3..Q2 ~ f-<J -06a-03baf H "- DEPÓSITO t;:: 267 NI/min Bomba de vaclo Pv - .(l.8S bar f--<l Figura 8.86. Circuito de regulación proporcional de la presión de vacío. 8.12.1. CÁLCULO DE LA VÁLVULA PROPORCIONAL Los cálculos para la selección de la válvula proporcional, se expresan a con- tinuación. Ejemplo de cálculo: Condiciones de trabajo: Q = 267 NVmin. de vacío p¡ =5 bar P2 = Obar (que en realidad será menor, por descarga sobre el depósito de vacío) Si hacemos las comprobaciones para conocer el tipo de flujo, tendremos: (5 + 1,013) > 1,89 (O + 1,013) 6,013 > 1,91 234 f © ITP·Paranin!o © SVC ESPAÑA SA. DEFINICiÓN DE VAcío Por lo tanto, vemos que el flujo'es sónico. Aplicando la fórmula correspon- diente: 0 = 11.1 ·S ·(p, +1.013). f273 V 273+9 0 = 11.1 .5.(5+1.013). 273 = 323,2 NI/mín 273 +20 La alimentación que necesita esta electroválvula (S = 5 mm2) para aprove- char al máximo su característica, será: 267 = 11,1 .5 .(p, + 1.013) .i_ .:c 2",7.:.3- 273+20 P, = 3.95 => P, = 4 bar Con una presión de alimentación de 4 bar, descargando a O bar y una sec- ción efectiva de 5 mm2, podemos regular el caudal que nos da la electroválvula proporcional entre Oy 267 NI/min. resultando unas presiones de vacío: Electrov. Prop. Q = Oa 267 NI/min. Preso de vacío Py = -0,85 a Obar Las condiciones actuales de trabajo, serán: Qy = 267 NVmin. PI = 4 bar P2 =Obar 8.12.2. CIRCUITO ECONOMIZADOR DE ENERGíA El circuito ha sido diseñado con el objetivo de economizar energía. Este cir- cuito actúa en un manipulador empleado para transferir componentes en la industria del automóvil. El ciclo de transferencia es rápido, pero luego hay un tiempo muerto en el sistema. En la transferencia actúan todos los eyectores y en el tiempo muerto se desconectan 6 de ellos, dejando solamente 2 para el mantenimiento de la presión y restitución de fugas. © 9Vl: E SI'Ñ>II;. SA. © ITP·Paranin!o f 235
- 126. DEFINICiÓN DE VAcío Electroválvula mantenimiento P:: 3 5 bar de 'lacio Sujección Pieza: Pieza Sujeta: EVl, EV2 conectadas EVl conectada EV2 desconectada a ", 120 NI/min a ::: 360 Nlfmin Electroválvula liberaciOn de pieza EV3 Figura 8.87. Circuito economizador de energía. PI ::: 600 mmHg P2 :: 400 mmHg Anlirrelornos estancos para vaclo 8.12.3. CIRCUITO PARA ELEVAR Y TRANSFERIR CHAPAS DE GRANDES DIMENSIONES El esquema de la figura 8.88, muestra un circuito de vacío para manipular chapas de grandes dimensiones. Se ha pensado un circuito separado entre sí, para evitar el riesgo de desprendimiento y poder transferir la chapa a velocida- des altas, sin temor a las aceleraciones y frenadas del transfer. Los vacuostatos PS 1, PS2, PS3 y PS4 nos confirman la sujeción individual de cada línea y al estar conexionados en serie, tendremos la confirmación total de sujeción. 236 I © ITP·Paranin!o ZL_112 legris 78800613 ? ' - , , , ~ ---_ . - -' '--'...: 0 - 300 NVmin :___-/r__0_~__ : : EVP542 EAS1OOO-F02 0,- 100 N~min .,.. 12 VENTOSAS POR UNf.' VENTOSAS 0 50 - 0 15 012-10 EVP542 a - 300 NI/m'" ,,,. ,. DEFINICiÓN DE VAcío ZSE4B~1-25 '50 .().7 bar '" .().1 bar '" '().1 bar es, .() 7 bar L~ .~'4::c..l.j:::~__L-_____L-~~¡,,"::'¡::"---<i)..... O "600N Vmln P " 6bar ." Figura 8.88. Circuito para elevar y transferir chapas de grandes dimensiones. TANQUE DE LIQUIDO r- --o ! AnlÍrretomo Hidraulico ------------,- . .' )( SPRAY Regulador Eyeclor ZL hidráulico de me~cla Figura 8.89. Spray. © 9VC ESMNA. SA. © ITP·Paranin!o I 237
- 127. DEFINICiÓN DE VAcío 8.12.4.SPRAY Un caso de aplicación típica del Efecto Vénturi, es el de la figura 8.89. El eyector es alimentado por el lado de aspiración con el líquido mezclador y, la riqueza de la mezcla depende, evidentemente, de los reguladores de caudal R2 que es el que regula el caudal de alimentación, y R1 que se encarga de la " regula- ción del líquido de mezcla. En función de estas regulaciones, se puede conse- guir expandir a través del orificio de evacuación del eyector, películas más o menos finas de mezcla. El uso de estos sistemas, es habitual en la industria del vidrio y también en los procesos de deformación en frio de chapas por prensado. 8.12.5. REGULACiÓN DE PRESiÓN Otro circuito típico de regulación de la presión de vacío en anillo cerrado, es el de la figura 8.90. Los vacuostatos PS l y PS2 a través de su salida analógica, confirman el valor de la señal consignada. La electroválvula EV2 se utiliza para la expulsión de la pieza. 0 . 120 NV min SEOAL , , , VEA VE' , , , "1Y'"" f" 'S1 : ' '..__ ____ _____• ____ _____S_'!.e!l~~~ _____: , , , 'S2 ____________________ __ ___~y!~t~s_____ i Figura 8.90. Ejemplo de regulación de presión de vacío. 238 I © ITP-Paraninfo DEFINICiÓN DE VAcío 8.12.6. SISTEMA DE TRANSPORTE NEUMÁTICO El transporte de polvo y granulados puede conseguirse en una distancia apreciable con sistemas de vacío, gozando éstos de completa fiabilidad, sin alterar el ambiente externo. Los cálculos que se emplean para dimensionar estos sistemas de transporte, son los siguientes: En primer lugar, se ha de considerar que la presión en un transporte neumá- tico, está directamente relacionada con la altura del sistema. 10,5 m.c.a = 1000 mbar Figura 8.91 . Sistema de transporte neumático. Volumen desplazado: V =0,816·m Siendo: V = Volumen del aire necesario (Nm3 /S) m = Masa a transportar (Kg/S) Velocidad del fluido en el tubo: Donde: e = Velocidad (miS) Po = Presión atmosférica (1000 mbar) © ~ ESPAW<.SA. © ITP-Paraninfo I 239
- 128. DEFINICiÓN DE VAcío v= Volumen del aire necesario (m3/S) D = Diámetro interno del tubo (m) P = Presión de entrada del tubo (bar) T = Temperatura de servicio (oC) To = temperatura estándar (20 OC) Desplazamiento en función del tubo y la presión de vacío: 2.233·D2 ·p·e v T Estimación de la potencia requerida para el transporte: p=165mLn[';) (KW) También podría ser: P= 202 VLn[';) (KW) 240 I © ITP-Paran;nfo Símbolo 9 1I~ r 91 II~r 91 II~r ~I IIXr ~I hl~ Ir © S'.I[; ESPAÑA. $A. Forma constructiva Función Aplicación Función de ca- Motores de aire A nexión 2/2 ON/OFF y sopladores ~1Itl sin escape. neumáticos. p A 3/2 Cilindros de sim- Normalmente cerra- pie efecto y se- ¿rOl nWi da. ñales neumáti- NC caso p R A 3/2 Cilindros de sim- Normalmente pie efecto y se- dI;;;! n~l abierta. ñales neumáti- NO cas inversas. R p 4/2 Cilindros de doble Conexión entre uti- efecto. lizaciones A y B con escape común. ! A 5/2 Cilindros de doble Conexión entre uti- efecto. ól::fm fIIWl lizaciones A y B con escapes separados. R2 ,p R1 © ITP-Paran;nfo I 241
- 129. I II VÁLVULAS DE CONTROLDIRECCIONAL Símbolo Forma constructiva B A B A Función 5/3 Centro abierto. Como 5/2, pero con utilizaciones A y B a escape en posi- ción central. 5/3 Centro cerrado. Como 5/2, pero con todas las vías ce- rradas en posición central. Aplicación Cilindro de doble efecto, con posi- bilidad de ser despresurizado. Cilindro de doble efecto, que se ha de detener en cualquier posi- ción. 5/3 Aplicaciones es- Centro presurizado. pedales. Como 5/2, pero con Cilindros con uni- presión en las vías dad de bloqueo. de utilización en po- sición central. ~ 9.1 FUNCIONES DE LA VÁLVULA Una válvula de control direccional determina el paso de aire entre sus vías abriendo, cerrando o cambiando sus conexiones internas. Las válvulas se definen en términos de número de vías, número de posicio- nes, su posición normal (no activada) y método de activación. Los primeros dos puntos se expresan normalmente con los términos 5/2, 3/2, 212, etc. La primera cifra indica el número de vías (excluidos los orificios del piloto) mientras que la segunda se refiere al número de posiciones. Las funciones principales y sus símbolos ISO son las que figuran en el cua- dro precedente. ~ 9.2 MONOESTABLE Y BIESTABLE Las válvulas de retorno por muelle son monoestables. Tienen una posición preferencial definida, a la cual vuelven automáticamente cuando desaparece la señalen sentido contrario. Una válvula biestable no tiene una posición preferencial y permanece en cualquier posición hasta que se activa una de las dos señales de impulso. 242 / © ITP·Paraninfo VÁLVULAS DE CONTROL DIRECCIONAL ~ 9.3 TIPOS DE VÁLVULA Los dos métodos principales de construcción son de asiento y de corredera, con juntas metálicas o elásticas. La figura 9.1 ilustra los distintos tipos de vál- vulas. Junta Valvulas de elastlca corredera Valvulas rotativas Valvulas de corredera plana Junta metalrca Figura 9.1. Varios tipos de válvulas y métodos de cierre hermético. 9.3.1. VÁLVULAS DE ASIENTO En una válvula de asiento, el fluido es controlado por un disco u obturador que se eleva en ángulo recto con respecto a su asiento, con una junta elástica. Las válvulas de vástago vertical pueden ser válvulas de dos o tres vías. Para válvulas de cuatro o cinco, sería necesario integrar dos o más válvulas de asiento en una sola válvula. a b c Figura 9.2. Principales tipos de válvulas de asiento. © sw::ESI'AÑA. SA © ITP·Paraninfo / 243
- 130. VÁLVULAS DE CONTROLDIRECCIONAL En a), la presión de entrada tiende a levantar la junta de su asiento y se requie- re una fuerza suficiente (resorte) para mantener cerrada la válvula. En b), la pre- sión de entrada ayuda al resorte que mantiene cerrada la válvula, pero la fuerza de accionamiento varía para presiones diferentes. Estos factores limitan estas configuraciones a válvulas con orificios de entrada de 118" o más pequeños. La figura 9.3 a) ilustra una válvula de asiento de 3/2 normalmente cerrada, que responde al principio de funcionamiento de la figura 9.2 b). En su posición en reposo 9.3 a), el aire de la utilización sale por el escape. Cuando se activa (b), el orificio de escape se cierra y el aire fluye desde la entrada de presión P a la vía de utilización A. p A p A a b Figura 9.3. Válvula de asiento accionada mecánicamente. La configuración 9.2 c) es una válvula de asiento equilibrada. La presión de entrada actúa sobre superficies iguales y contrarias del émbolo. Esta característica permite que las válvulas se conecten normalmente cerra- das (NC) o normalmente abiertas (NO). Las válvulas normalmente abiertas se pueden utilizar para bajar o hacer retroceder los actuadores presurizados, pero se utilizan más comúnmente en circuitos de seguridad o de secuencia. 9.3.2. VÁLVULAS DE CORREDERA Las válvulas de carrete, rotativas y de corredera plana, utilizan un mOVl- miento en sentido perpendicular al flujo, para abrir y cerrar las vías. Una corredera cilíndrica se desliza longitudinalmente en el cuerpo de la vál- vula, mientras que el aire fluye en ángulo recto según el movimiento de la 244 I © ITP·Paranin!o © SIVI:ESPAÑA SA. VÁLVULAS DE CONTROL DIRECCIONAL misma. Las correderas tienen superficies iguales de cierre hermético y están equilibradas en presión. A Figura 9.4 Válvula de asiento equilibrada de 3/2. En las figuras 9.5 y 9.6 se ilustran disposiciones de corredera y juntas. En la figura 9.5 las juntas tóricas están fijadas en las ranuras de la corredera y se mueven en un alojamiento metálico. R '" 1- 5 R 1- "'5 p p Figura 9.5 Válvula con juntas en la corredera. © svr:ESPAW.. SA. © ITP-Paraninfo /245
- 131. VÁLVULAS DE CONTROLDIRECCIONAL La válvula de la figura 9.6 tiene las juntas fijadas en el cuerpo de la válvula y mantienen su posición por medio de separadores. A '" B 1'" A 1'" R.a. 1'" p 1'" p ," S S R Figura 9.6 Válvula con juntas en el cuerpo. La figura 9.7 muestra una corredera con anillos ovalados. Ninguno de ellos tiene que cruzar frente a un mecanizado, sino solamente abrir o cerrar su pro- pio asiento. Esta configuración proporciona un cierre hermético sin fugas, con un rozantiento mínimo y por lo tanto una duración extremadamente larga. Figura 9.7. Válvula con corredera de anillo ovalado. Las válvulas de corredera metálica con superficies de contacto ajustadas y lapeadas, tienen una resistencia de rozamiento muy baja, un funcionamiento 246 I © ITP-Paraninfo © 9VI:E SPAÑA.. SA, VÁLVULAS DE CONTROL DIRECCIONAL cíclico rápido y una duración extremadamente larga. Sin embargo, incluso con un mínimo espacio de 0,003 mm., se producen pequeñas fugas de aproximada- mente 1 Vntin. 1'" 1'"-'- S R .... 1'"1'" '¡' S A P B A P B Figura 9.8. Principio de la válvula de tirador sin juntas. El flujo a través de las vías se controla por la posición de una corredera de metal, nylon u otro plástico. Un émbolo accionado por aire y provisto de junta elastómera hace mover la corredera. 9.3.3. Válvulas rotativas Un disco con soporte metálico se hace girar manualmente para interconectar las vías del cuerpo de la válvula. El efecto de presión se emplea para forzar el disco contra su superficie de contacto para minimizar la fuga. El suministro de presión está situado por encima del disco. Figura 9.9 Sección de una válvula rotativa de disco para función de 4/3 con centro cerrado. © SVl::: E~SA. © ITP-Paraninfo / 247
- 132. VÁLVULAS DE CONTROLDIRECCIONAL ~ 9.4. ACCIONAMIENTOS DE LAS VÁLVULAS 9.4.1. ACCIONAMIENTO MECÁNICO En máquinas automatizadas las válvulas de accionamiento mecánico pueden detectar las partes de la máquina que están en movimiento, para proporcionar señales al control automático del ciclo de trabajo. En la figura 9.10 se ilustran los accionamientos mecánicos principales. Figura 9.10. Principales accionamientos mecánicos (ejes, rodillos, levas). 9.4.1.1. Precauciones al utilizar rodillos de palanca Es necesario tener un cuidado especial a la hora de utilizar levas para accio- nar válvulas de rodillo de palanca. La figura 9.11 lo ilustra: la porción utilizada del recorrido total del rodillo no debe llegar hasta el final de recorrido. La pen- diente de la leva debe tener un ángulo de aproximadamente 30°. Mayores incli- naciones, producen fatiga mecánica sobre la palanca. PT OT TT JJet~ • OT: Sobre-recorrido • n RecorridoTotal O O CJ Recorrido del O O rodillo utilizable O O Figura 9.11. Cuidado con los rodillos de palanca y excéntricas. 9.4.2. ACCIONAMIENTO MANUAL El accionamiento manual se obtiene, generalmente, acoplando una cabeza de accionamiento idónea sobre una válvula de accionamiento mecánico. 248 I © ITP-Paranin!o VÁLVULAS DE CONTROL DIRECCIONAL Figura 9.12 Principales accionamientos manuales monoestables (por resorte). Las válvulas de accionamiento manual, monoestables (de retorno por resor- te) se utilizan generalmente para arrancar, detener y controlar una unidad de control neumático. En muchos casos, resulta más conveniente que la válvula mantenga su posi- ción. La figura 9.13 muestra los tipos de accionamientos manuales biestables. Figura 9.13. Accionamientos manuales biestables (por enclavamiento). 9.4.3. ACCIONAMIENTO POR PILOTAJE NEUMÁTICO Las válvulas principales (válvulas de control direccional) pueden colocarse cerca de un cilindro o de otro actuador y activarse por control remoto, por medio de señales procedentes de válvulas o interruptores. Una válvula monoestable pilotada por aire es accionada por la presión del aire que actúa sobre un émbolo, y retorna a su posición normal gracias a un retorno neumático, un resorte mecánico o una combinación de ambos, cuando se elimina la presión de señal. El retomo asistido por presión utiliza un resorte de aire además de un resor- te mecánico relativamente ligero, para una característica de fuerza más cons- tante y una mayor fiabilidad. En la figura 9.14 se muestra un resorte de aire proporcionado por un paso interno desde la entrada de presión para actuar sobre el émbolo de diámetro © ITP·Paranin!o I 249
- 133. VÁLVULAS DE CONTROLDIRECCIONAL más pequeño. La presión aplicada, por medio del orificio de pilotaje al émbolo de diámetro más grande, acciona la válvula. .... A r7------ -----r--~ Figura 9.14. Válvula de 3/2 de pilotaje neumático con retorno por muelle y presión. Este método de retomo se utiliza a menudo en diseños de válvulas miniatura dado que requiere un espacio muy reducido. PILOTAJE Figura 9.15. Válvula de 3/2 miniatura. Las válvulas de accionamiento neumático tratadas hasta ahora eran de tipo de pilotaje único o monoestable, sin embargo las válvulas accionadas neumáti- camente más comunes para el control del cilindro tienen pilotaje doble y están diseñadas para permanecer en cualquier posición (biestables). En la figura 9.16 se ha aplicado una breve señal de presión a la apertura del piloto "z", que hace deslizar la corredera a la izquierda y conecta la entrada de presión "P" a la vía de utilización "B". La vía "A" está a escape por "R". La válvula permanece en esta posición hasta que reciba una contraseñal; esto es lo que se denomina "función memoria". 250 1© ITP·Paranin!o VÁLVULAS DE CONTROL DIRECCIONAL p Figura 9.16. Válvula biestable de 5/2 (accionada por doble pilotaje neumático). Las válvulas biestables mantienen sus posiciones debido al rozamiento, pero deben de instalarse con la corredera horizontal, especialmente si la válvula está sujeta a vibraciones. En caso de construcción con junta metálica, las posiciones son bloqueadas por un retén. 9.4.3.1. Accionamiento directo e indirecto Un accionamiento directo se produce cuando una fuerza, aplicada a un pul- sador, rodillo o impulsor, hace mover el tirador o el vástago. Con el acciona- miento indirecto, se actúa primero sobre una pequeña válvula de pilotaje que a su vez activa neumáticamente la válvula principal. Figura 9.17. Accionamiento mecánico indirecto. © sva:E~SA. © ITP·Paranin!o 1251
- 134. VÁLVULAS DE CONTROLDIRECCIONAL La figura 9.17, ilustra una válvula de 5/2, con accionamiento indirecto o accionamiento mecánico "pilotado", en su posición normal. 9.4.4. ACCIONAMIENTO ELÉCTRICO (por solenoide) Los sistemas electroneumáticos y controlados electrónicamente, escapan al objetivo de este libro, será suficiente con considerar el accionamiento eléctrico de las válvulas de control direccional. El accionamiento eléctrico de una válvula neumática lo realiza por un sole- noide y un núcleo interno y, por tanto, las unidades se conocen generalmente como electroválvulas. Las electroválvulas de accionamiento directo emplean la fuerza electro- magnética de un solenoide para mover el vástago o el tirador. Para limitar el tamaño del solenoide, las válvulas más grandes están provis- tas de accionamiento indirecto por solenoide más pequeño y servo. Figura 9.18. Electroválvula de accionamiento indirecto. ~ 9.5. MONTAJE DE VÁLVULAS 9.5.1 . CONEXiÓN DIRECTA El método más común para conectar una válvula es roscar directamente los racores en los orificios roscados de la válvula. Este método requiere un racor 252 I © ITP·Paraninfo VÁLVULAS DE CONTROL DIRECCIONAL para cada entrada de cilindro, piloto, vía y entrada de presión y un silenciador por cada salida de escape. Todas las válvulas mostradas antenormente son de este tipo. 9.5.2. BLOaUES DE VÁLVULAS Los bloques de válvulas tienen vías de entrada de presión comunes para un cierto número de válvulas. Las salidas de utilización se conectan separadamen- te para cada válvula. La figura 9.19 muestra un bloque de válvulas con cuatro válvulas de funcio- nes diferentes: una de 5/3, una biestable y dos de tipO monoestable de la rrusma sene. Un bloque de válvulas debe pedirse para alojar el número deseado de válvu- las. No es posible la extensión posterior, pero las pOSICIOnes Sin ocupar se pue- den obturar utilizando un accesorio de cierre. Con cinco o más válvulas, se recomienda suministrar la presión y montar los silenciadores, en ambos extremos. P Figura 9.19. Bloque de válvulas. © ITP·Paraninfo I 253
- 135. VÁLVULAS DE CONTROLDIRECCIONAL 9.5.3. PLACAS BASES Las válvulas con todas sus vías en una cara están diseñadas para ser monta- das con juntas de estanqueidad sobre una placa base, a la que se realizan todas las conexiones externas. Ello pennite retirar y sustituir rápidamente una válvu- la sin trastocar todo el sistema. Generalmente, una válvula montada sobre una base tiene una capacidad de caudal ligeramente mejor que una válvula normal del mismo tipo. 9.5.4. PLACAS BASES MÚLTIPLES De forma análoga a los bloques de válvulas, las bases subordinadas múltiples proporcionan suministro y escape a cierto número de válvulas por vías comu- nes. También las salidas de utilización son obtenidas a partir de la placa base. Las placas bases múltiples se deben solicitar para el número de válvulas deseado y pueden obturarse de la misma manera que los bloques de válvulas introduciendo placas ciegas. ' Presión Figura 9.20. Placa base múltiple. 9.5.5. PLACAS BASE ACOPLADAS Las placas base acopladas son conjuntos de placas base individuales que permIten su Interconexión en una sola unidad. Este sistema presenta la ventaja 254 I © ITP·Paraninfo VÁLVULAS DE CONTROL DIRECCIONAL de permitir la extensión o reducción de la unidad según se altere el sistema, sin que los componentes existentes sean afectados. Si se requiere, existe también, la opción de obturar las posiciones no utilizadas. Figura 9.21. Placa base acoplada, con tres válvulas y una posición obturada. 9.5.6. BLOQUES DE ELECTROVÁLVULAS PROFIBUS El PROcess FIeld BUS (Bus de proceso de campo), abreviado PROFffiUS, es un bus de campo que puede utilizarse en una aplicación determinada, así como en áreas de proceso. En estas áreas de proceso, el autómata (PLC) puede comunicar con otros PLC's y con periféricos de entrada y/o salida, a través de la línea PROFffiUS. Los elementos que intervienen en este área, como actua- dores (válvulas, servomotores, ejes, ...) y sensores (detectores, finales de carre- ra, barreras, ...) pueden ser controlados a través de PROFffiUS desde un PLC. La transmisión se realiza por medio de un cable de 2 hilos trenzados y apanta- llados. La ventaja de utilizar este sistema es clara. Al conectar los bloques de elec- troválvulas al PLC, se evita el llevar dos hilos por cada una de las bobinas desde el mismo hasta el bloque. En su lugar, sólo se necesita I1evar dos hilos apantallados, para controlar hasta 16 bobinas por bloque (línea de control) y otros dos hilos de alimentación a 24 V. cc. Para las bobinas y el decodificador. © ITP·Paraninfo I 255 I
- 136. VÁLVULAS DE CONTROLDIRECCIONAL Los dos hilos de control que salen del PLC, van recorriendo todas las estacio- nes a controlar pasando de una en una hasta la más alejada. . Este método reduce el coste de instalación entre otras ventajas, por las sigUIentes razones: • Se evitan grandes mangueras de cables, que suponen una gran inversión en distancias largas. ' • No se precisan terminales o cajas de conexión intermedias. • Se evitan errores a la hora de cablear. • Facilita y reduce el mantenimiento. • Se reduce el número de tarjetas de E/S en el autómata. • Facilidad de ampliación. CABLEADO TRADICIONAL EN PARALELO de eleclrovalvulas 11--...... ¿ N o " ~ o Ü CABLEADO CON SISTEMA SERIAL Método 2 hilos (RS 485) PLC Bloque de electrovalvulas para Sistema Serial Alimentación I eléctrica Figura 9.22. Distintos sistemas de cableado. PROFIBUS es la primera norma alemana (DIN 19245) sobre la automatiza- ción en la industria. Esta norma fue concebida por las más importantes com- pañías Europeas productoras de materiales para la automatización. Cada com- 256 I © ITP-Paraninfo VÁLVULAS DE CONTROL DIRECCIONAL pañía puede introducir esta norma en sus productos. Anteriormente, el usuario sólo podía controlar elementos de un fabricante determinado, a través de un sistema de bus propio de esa compañía. Ahora se tiene la posibilidad de contro- lar los productos de diferentes fabricantes a través de un bus común, que se conoce como PROFlBUS. A esta línea PROFlBUS, se pueden conectar todos los PLC's de diferentes fabricantes que se realicen bajo esta norma, así como los diferentes periféricos de entrada y/o salida compatibles. Todas estas ventajas no serían de gran importancia si no hubiera un número apreciable de elementos compatibles. Las normas, son la teoría y su implemen- tación en los productos, algo que, la mayoría de las ocasiones, tiene lugar de forma lenta. Con PROFlBUS, son más de 1000 los diferentes productos y ser- vicios disponibles, y su número sigue incrementándose. La figura 9.22, muestra la comparación entre el sistema clásico de cableado y el empleo de PROFlBUS. ~ 9.6. CÁLCULO DEL TAMAÑO DE LA VÁLVULA El diagrama P/Q es un medio para determinar de forma simple y rápidamen- te el caudal de paso de un distribuidor. El diagrama está establecido para unas condiciones normales de fluido estandarizado a una temperatura de OoC y una presión atmosférica de 1,013 bar (760 mm Hg). • En abscisas se indican los valores de caudal en litros normales por minuto (NI/min.). • En ordenadas se indican, a un caudal cero, las presiones de utilización. • Las curvas representan la evolución de las presiones de utilización, desde el caudal cero hasta el máximo. El caudal obtenido en este diagrama es válido para un elemento (válvula, racor, tubería, etc.) con una sección equivalente "S" de 1 mm2 Velocidad crítica La zona sombreada que aparece en el gráfico por debajo de la línea que separa la parte en que las líneas de caudal dejan de ser curvas y se convierten © ITP-Paraninfo / 257
- 137. VÁLVULAS DE CONTROLDIRECCIONAL en rectas, corresponde a la velocidad de paso máxima de aire por lo que, en esta zona, el caudal no aumenta al incrementarse la caída de presión. En este caso, el caudal no depende más que de la presión de alimentación. P (bar) 1 Presión mlnima o 9 8 7 ~~ - i> ",~ Il: '"- 5 4 3 2 1 o 1 j-- - r-- ---j-- r--r-- ---h - . .- ---r-- .......... r-- r-. I ~ 1----t---- " ¡ r--t---- 1' N -- J,. íi" Ik 1 ¡ 20 40 l' 60 50 Nlh'nln iS5 NVmm Flujo subs6nico S-1mm ] -- --r------I r---r--.... ~ r--- "" 1' r-..... 1" 1 ¡....-"'" , 1 j,... l-" 1'" . , v.- , 80 100 120 Q (NI/min.) Figura 9.23. Diagrama P/Q. Esta situación simplifica la determinación de la capacidad de caudal de las válvulas porque sólo varía un parámetro. En algunas documentaciones técni- cas, este valor de paso a velocidad crítica, se da como caudal máximo, cuando en aplicaciones neumáticas normales nunca llegaremos a estos valores, salvo que hayamos elegido de forma incorrecta la válvula o nos encontremos en apli- caciones en las que se produce un soplado directo a la atmósfera, a no ser que se pretenda dar una idea falsa de la característica de caudal de una válvula. La velocidad crítica de paso se produce cuando la relación entre las presio- nes de entrada y salida en la válvula cumplen la siguiente ecuación: P, + 1,013 ;, 1,893 ,(P2 +1,013) Donde: PI =Presión de entrada P2 =Presión de salida 258 / © ITP·Paraninfo VÁLVULAS DE CONTROL DIRECCIONAL En todos los casos de aplicación de válvulas con cilindros, evitaremos esta zona del diagrama y no deberemos alcanzar velocidades críticas. El diagrama P/Q permite determinar sin ningún tipo de cálculo la relación existente entre caudal y presión. Responde, fundamentalmente, a las tres cues- tiones siguientes: • ¿Cuál es la presión de salida en un distribuidor, conociendo la presión de alimentación y el caudal necesario? • ¿Cuál es el caudal de paso en un distribuidor, cuando conocemos las pre- siones de entrada y de salida? • ¿Cuál debe ser la presión de alimentación de un distribuidor, conociendo el caudal y la presión de salida? Ejemplo 1: Datos: Sección: Caudal necesario: Presión de alimentación: Incógnita: Presión de utilización 20mm2 1300 NI/min. 7 bar. Definir el punto de intersección entre la línea vertical (abscisas) 1300120 NI/min. y la curva de presión de 7 bar. La presión de utilización vendrá reflejada en la recta de ordenadas: 5,8 bar. Ejemplo 2: Datos: Sección: Presión de alimentación: Presión de utilización: Incógnita: Caudal nominal. 20mm2 7 bar. 4,5 bar. © ITP·Paraninfo / 259
- 138. VÁLVULAS DE CDNTRDLDIRECCIDNAL Definir el puntD de intersección entre la línea horizontal (Drdenadas) par- tiendD de la presión de utilización 4,5 bar, hasta la curva de 7 bar. El caudal vendrá reflejadD en abscisas: 82,5 x 20 = 1650 NI/min, Ejemplo 3: Datos: Sección: Presión de utilización: 4,5 bar. Caudal necesario: 1450 NI/min. Incógnita: Presión de alimentación Definir el puntD de intersección entre la vertical 1450120 NI/min. correspDn- diente al caudal y la horizontal 4,5 bar cDrrespDndiente a la presión, desde este punto trazar una curva paralela a las otras del gráficD. La intersección de esta curva en Drdenadas nos da el valor buscado: 6,5 bar. CuandD el diagrama P/Q no está dispDnible Des insuficiente y hay que reali- zar los cálculDs de caudal en distribuidores, raCDres, tubos, etc. los cDeficientes siguientes, son de mucha utilidad: • Factor kv.- FactDr de referencia sin unidades, obtenido en mediciones con flujo de agua. El kv es igual a l cuandD, un litro (1 dm3) de agua por minuto pasa pDr el elementD con una pérdida de presión de 1 bar. • Factor Kv.- Idéntica definición pero utilizandD comD unidades SI, por tanto en vez de dm3/min. utiliza m3/s. • Factor Cv.- Utilizado en los países anglosajones, cuya definición coincide CDn la del factor kv, pero cambiando las unidades (US-Gallons a 60°F (15,6 OC) con una pérdida de carga de l PSI. • Factor f.- Idéntica definición que el factor Cv pero utilizando distinta uni- dad de vDlumen (el Imperial-Gallons). • Sección equivalente S (mm2).- Este factor, permite representar una válvu- la o un cDnjunto de elementos montados en serie, asimilándolo a un orifi- ciD en pared delgada situado en una conducción y que provoca la misma restricción en el fluido (caudal y pérdida de carga) que el conjunto de ele- mentos considerados. Esta magnitud, presenta la gran ventaja de utilizar 260 / © ITP-Paraninfo VÁLVULAS DE CONTROL DIRECCIDNAL valores referidos al aire comprimido y no al agua, lo cual permite calcular estas pérdidas de carga o los caudales resultantes con una buena precisión. Esta dimensión es expresada en mm2 Cv,--¡ s Figura 9.24. Relación entre factores de caudal. En aplicaciones neumáticas clásicas, es decir en aquellas ~n las que no se alcanza la velocidad crítica, las fórmulas empleadas para el calculo de caudal son las siguientes: /273 Q = 17,64 Kv · ~(P2 + 1,013) <,>P V m:;:8 /273 Q = 400 Cv· ~(P2 + 1,013) <,>P .Vm:;:8 /273 Q = 22,2· S· ~(P2 +1,013). <,>p. Vm:;:8 © ITP-Paraninfo / 261
- 139. VÁLVULAS DE CONTROLDIRECCIONAL Donde: • Cv = Coeficiente de caudal. • kv = Coeficiente de caudal. • S = Sección equivalente (mm2). • Q = Caudal unitario estándar (NI/min.). • P2 = Presión de salida necesaria. (bar). • ,1.P= Caída de presión pennisible (bar). •e= Temperatura del aire (0 C). La figura 9.24 muestra la relación entre las distintas unidades empleadas en los cálculos anteriores. ~ 9.7. VÁLVULAS AUXILIARES 9.7.1. VÁLVULAS ANTI-RETORNO Una válvula anti-retomo pennite que el aire libre fluya en un sentido y cie- rre herméticamente en el otro. Estas válvulas se llaman también válvulas de retención. Las válvulas anti-retorno están incorporadas en los reguladores de velocidad, en los sistemas de bloqueo, etc. Figura 9.25. Válvula anti-retorno. 262 I © ITP-Paraninfo VÁLVULAS DE CONTROL DIRECCIONAL 9.7.2. REGULADORES DE VELOCIDAD Un regulador de velocidad consiste en una válvula de retención y una estrangulación variable en un alojamiento. La figura 9.26 ilustra un ejemplo típico con la indicación del flujo. .':: ~ ~ • _JI ...:.....- 1-' y líl JJ J~ ¡----] )"--' ~ i l Figura 9.26. Regulador de velocidad. 9.7.3. VÁLVULA SELECTORA DE CIRCUITO (Función "O") Se trata de una válvula con tres orificios, dos entradas de señal de presión y una salida. La salida se producirá cuando exista señal en cualquiera de las dos entradas. Si solamente hay señal en una de las entradas, el émbolo interno, impi- de que la presión de la señal salga a escape por el lado opuesto (figura 9.27). 9.7.4. VÁLVULA DE ESCAPE RÁPIDO Este componente pennite una máxima velocidad de carrera del émbolo, rea- lizando el escape del cilindro directamente desde su orificio, con una gran capacidad de caudal, en lugar de hacerlo por el tubo y la válvula. © svr:E5I'AÑA. SA. © ITP-Paraninfo I 263
- 140. VÁLVULAS DE CONTROLDIRECCIONAL El disco degoma cierra el orificio de escape (en la parte inferior) mientras ue el rure de SUmInIstro fluye al cilindro. Cuando la válvula de control direccio~al conectada al onficlO de entrada (en la parte superior) se invierte, la tubería d~ SUlruruStro es evacuada y la preSIón del cilindro eleva el disco. Se cierra entonces el onficlO de entrada y se abre automáticamente el orificio de escape. t t Figura 9.27. Válvula selectora. Figura 9.28. Válvula de escape rápido. .ILa aplicación de esta válvula guarda connotaciones interesantes pues puede UtI Izarse tanto para aumentar la velocidad normal de un actuador como para obtener un chorro de aire con suficiente energía para realizar expulsiones lim- piezas, etc. ' 264 / © ITP-Paraninfo Neumática p ~ 10.1 INTRODUCCiÓN La utilización de la neumática proporcional en la industria data de hace bas- tantes años. Las aplicaciones de elementos y de técnicas neumáticas analógi- cas, se utilizan en el sector de procesos continuos, industria química, petroquí- mica, farmacéutica, etc., a partir de los años cincuenta. Favorece para ello un ambiente particularmente receptivo de la neumática, por parte de los usuarios, necesitados de una tecnología intrínsecamente segura y fiable, para trabajar en ambientes difíciles y peligrosos, atmósferas explosi- vas, deflagrantes, etc., con un coste bajo, comparado con otras soluciones del momento. Durante los años sesenta y setenta se comienza con estudios de dispositivos f1uídicos y actuadores proporcionales. Muchos de estos dispositivos, en su fun- damento básico, utilizan métodos y técnicas válidas casi veinte años después y aún en los momentos actuales. Basta solamente pensar en los posicionadores puramente neumáticos. Ante la evolución del mercado industrial, pasando de exigencias modestas a exigencias de elevadas prestaciones, la industria neumática, en estrecha colabo- ración con la electrónica, ha replanteado sus elementos diseñando interfaces capaces de satisfacer las necesidades actuales, tanto en la industria del proceso continuo, como en la industria en general. La transformación de una señal eléctrica a través de un interface neumático, en una presión o caudal proporcional, abre una serie de nuevas perspectivas en el campo de la energía neumática. La palabra mágica en este contexto es: Neumática proporcional. © ITP-Paraninfo / 265
- 141. NEUMÁTICA PROPORCIONAL ~ 10.2CONTROL DE LA PRESiÓN En primer lugar, es necesario distinguir dos tipos de válvulas proporcionales para el control de la presión. Unas que actúan según un principio fluídico de paleta-tobera, con cierre de asiento y realimentación eléctrica, del valor de la vanable controlada, y otras, las compuestas por correderas de distribución con cierre metal-metal y sistemas de retroacción de las correderas mecánicas o báricas y posibilidad de establecer lazos cerrados de control de la variable con reguladores electrónicos adecuados a cada caso. ' 10.2.1. SISTEMA FLUíDICO TOBERA-PALETA El funcionamiento de esta válvula se explica según la figura 10.1 Figura 10.1, Regulador proporcional de presión. 266 I © ITP·Paraninfo © SVl: E~SA. NEUMÁTICA PROPORCIONAL Funcionamiento Cuando se incrementa la señal de mando, el piezoeléctrico de la aleta 1, pro- duce una flexión sobre esta y cierra la tobera 2. Esta, hace aumentar la presión en la cámara de la tobera 3, la cual actúa sobre la superficie superior del dia- fragma 4, que fuerza la válvula 5 a bajar. Al descender, ella misma se cierra contra la válvula principal 6 que es presionada hacia abajo, abriendo la entrada 7. La presión de alimentación pasará a través de la válvula principal dando lugar a una presión en la salida. Esta presión es captada y convertida en señal eléctrica por el sensor de presión 8, el cual realiza una realimentación al circui- to controlador 9. El controlador realizará un balance entre la señal de mando y la presión de salida, asegurando que esta última permanezca proporcional a la señal de mando. Todo lo expuesto, se indica en el diagrama de bloques de la figura 10.2. Senal de Mando + Diagrama de Bloques Cootrol Sensor Presión Presión de Alimentación Figura 10.2. Diagrama de bloques. Presión de Salida El controlador, en este caso, establecerá un balance entre la señal de mando y la presión real en la vía secundaria, asegurando que esta última permanezca proporcional a la señal de mano, independiente de las oscilaciones de presión producidas por la carga. 10.2.2. SISTEMA CON CORREDERA DE DISTRIBUCiÓN Y CIERRE METAL-METAL Para el segundo tipo de válvulas proporcionales, según figura 10.3, el elec- troimán proporcional está unido al extremo de una corredera sin empaquetadu- ras ni guarnición, es decir, con sellado del cierre metal contra metal, para redu- cir al máximo las fuerzas originadas por el rozamiento. © ITP·Paraninfo I 267
- 142. NEUMÁTICA PROPORCIONAL Figura 10.3.Electroválvula con corredera de cierre metal-metal. A pesar de la alta precisión de ajuste de esta corredera de distribución, han de satisfacerse las más refinadas exigencias de linealidad, para lo cual, es pre- ciso producir una pequeña oscilación continua (DITHER) con el único fin de eliminar el retardo de respuesta o la histéresis. Se ha demostrado, convenientemente, que una frecuencia superpuesta a la corriente y ajustable a 125 Hz., ofrece los mejores resultados. Todo esto supone, evidentemente, desarrollar electroimanes proporcionales y módulos de amplificación con tensiones o corrientes de mando variables, con o sin entrada para una señal de acoplamiento regenerativo o de realimentación. Los módulos de amplificación, son amplificadores PID (Proporcional, Integral, Derivada). Estos módulos se basan en la idea de restituir más gradual- mente la señal de control, al variar la respuesta y, experimentalmente, se obser- va que la respuesta de los sistemas con control PID, resultan estables, mientras que el control puramente proporcional, determina la aparición de una oscila- ción permanente. La retroacción de la corredera, según figura 10.4 (a), es por mediación de un circuito bárico, tanto en las válvulas 3/2 como en las de 512 vías. En la figura 10.4 (b), las fuerzas Fl y F2 dejan en equilibrio la corredera, pasando a situaciones distintas y proporcionales según sea la fuerza del elec- troimán proporcional a la originada por la presión (PA) del circuito de retroac- ción. Figuras 10.4 (a) y 10.4 (e). 268 I © ITP·Paranin!o NEUMÁTICA PROPORCIONAL F1< F2 Figura 10.4. Comportamiento de la corredera. ~ 10.3 CONTROL DE CAUDAL Las válvulas proporcionales para control de caudal, se utilizan, generalmen- te, en aplicaciones que requieren un control de velocidad. Estas válvulas son de corredera, de cierre metal contra metal, similares en su construcción a las de presión, figura 10.3, pero con una configuración geométrica de la corredera estudiada para satisfacer una regulación continua del caudal necesaria en el control de la velocidad. La construcción de estas correderas'se hace con recubrimiento cero, o con recubrimientos muy reduci- dos, con el fin de aliviar, en lo posible, el salto en la posición central entre la vía de presión, la utilización y el escape. El gráfico de la figura 10.5, nos muestra este comportamiento de la correde- ra. Está dividido en dos secciones; la parte superior, se refiere al área de caudal entre la entrada y la vía de utilización, la parte inferior, da los valores de caudal desde la utilización a la vía de escape, siendo el punto central del gráfico, un valor nulo de caudal para ambas vías. El gráfico, da unos valores de área efectiva de paso, en mm2 , en función de la intensidad del electroimán. © ITP·Paranin!o I 269
- 143. NEUMÁTICA PROPORCIONAL Figura 10.5.Gráfico de caudal sección. ~ 10.4 TARJETAS ELECTRÓNICAS DE MANDO Para el accionamiento de las válvulas proporcionales, existen varios mode- los de tarjetas, que cubren con amplitud las necesidades de control en' diversos sectores industriales. Unas, que son simplemente amplificadores proporcionales en función de una señal de mando, y otras que, independientemente de esa función básica, también son capaces de recibir una señal de realimentación y controlar su ganancia, acción integral y acción derivada, para poder establecer, en el proce- so, lazos cerrados de control. Acostumbran a incluir, asimismo, una salida de test para detectar fallos en la tarjeta (cortocircuitos), o bien en el cable de conexión con la válvula pro- porcional. Las señales de mando, para estas tarjetas, pueden ser analógicas de O- 5 V. o digitales, con entrada de 8 bits en forma binaria, siendo la salida de acciona- 270 / © ITP-Paraninfo © SVC ESPAÑA.. SA. NEUMÁTICA PROPORCIONAL miento del electroimán, en forma de corriente proporcional, con un rango de 0- 1 A. Acostumbran a disponer de ajustes para el CERO, SPAN y la frecuencia del DITHER, a través de potenciómetros. El primero de ellos, es capaz de ajustar la salida de corriente a un valor comprendido entre O y 500 mA., cuando la señal es de O v., mientras que el correspondiente a la ganancia, realiza el ajuste de la salida entre 500 mA. Y l A., cuando la señal de entrada, se corresponde con el máximo valor de 5V., en las tarjetas analógicas, o bien el valor 11111111 (255 en binario) para las de entrada digital. Con los potenciómetros de CERO y SPAN, es posible variar la función de salida de la tarjeta, manteniendo un rango de entrada de O- 5 v., para las analó- gicas, o de O- 255, en binario, para las digitales. ! ! • • ~ ;g • 00 • ji ~ • • < < § ~ u a b e Figura 10.6. Ajustes de CERO, SPAN y DITHER. © ITP-Paraninfo / 271
- 144. NEUMÁTICA PROPORCIONAL En lafigura 10.6 (al, (bl, se puede observar el campo de actuación que podemos obtener variando cada uno de los potenciómetros por separado, o los dos conjuntamente, como indica la figura 10.6 (cl. La frecuencia DITHER, produce una pequeña vibración de reducida ampli- tud sobre las partes móviles de la válvula proporcional. Esto tiene como conse- cuencia un mantenimiento de la corredera de distribución en constante movi- miento alrededor del punto seleccionado para la tensión de entrada. Así, de este modo, los tiempos de respuesta, al variar dicha entrada, se reducen considera- blemente ya que, los rozamientos estáticos iniciales quedan vencidos. Debido a dicho efecto, producido por este sistema, tiene lugar una supresión de la histéresis, mejorando, substancialmente, el funcionamiento de la válvula. La frecuencia del DITHER, generalmente se ajusta a 140 Hz., pudiéndose variar entre 120 y 180 Hz., con el potenciómetro correspondiente. ~ 10.5. APLICACIONES 10.5.1. REGULACiÓN DE LA TENSiÓN POR TRACCiÓN La figura 10.7, muestra un principio característico de control de tensión muy utilizado en máquinas bobinadoras de papel, cinta, películas, etc., o en aplicaciones similares. Un PLC o un ordenador, envía a la válvula proporcional de presión, una señal analógica. Controlador " Ordenador Figura 10.7. Regulación de tensión por tracción. Esta señal, tiene su origen en un sensor de medición de tensión que está en contacto directo con el producto y compara contantemente el valor establecido. 272/ © ITP-Paranin!o NEUMÁTICA PROPORCIONAL La válvula proporcional transforma, linealmente, en presión, la señal de mando y corrige el par de frenado del carrete bobinador. En este caso, como la tensión varía constantemente, se requieren volúmenes de caudal extremadamente pequeños, sin embargo, tiene gran importancia que las correcciones de presión, sean muy precisas. 10.5.2. CONTROL DE PULVERIZACiÓN DE COLA O PINTURA Un ejemplo típico de estas aplicaciones, es pulverizar cierta cantidad de cola en cajas de cartón para embalar. Esta operación es continua y tiene, gene- ralmente, lugar sobre transportadores de rodillos. La velocidad del transportador depende del tamaño de la caja a encolar, que puede ser muy variado. La cantidad de cola que se pulveriza cada vez, es con- trolada por la variación de presión en el tanque. Antes de Introductr en este tlpO de aplicaciones las válvulas proporcionales, la presión era ajustada para cada tipo de caja, alcanzando un buen ajuste final, tras muchas pruebas y errores, lo que suponía un coste, ya que muchos productos eran desechados cada vez que empezaba la producción de un nuevo modelo. En la figura 10.8 se ilustra el funcionamiento de esta aplicación. Una dína- mo tacométrica, envía una señal en corriente continua proporcional a la veloci- dad del transportador. Esta señal actúa corno señal de mando en una tarjeta amplificadora, y la válvula proporcional, la convierte linealmente en presión, controlando la cantidad de cola que tiene que aportar el pulverizador, en fun- ción de la variación de presión en el tanque. itt: ",,,r;,,,,, Eleclrovélvula automático control de pulverización ." Caja .. : Cola: • • • ----- ------- -n-- -------', 1- r.=il ' ::11 ~ ltJJ.i: Tanque de cola bajo presión Valv~la proporcional con amplifICador VEA Panel a pulverizar con tolva / / tJ.7 laoo ge~' Figura 10.8. Control de pulverización de cola o pintura. © ITP-Paranin!o / 273
- 145. NEUMÁTICA PROPORCIONAL 10.5.3. CONTROLDE VELOCIDAD El control de velocidad de un motor neumático, figura 10.9, puede resolverse de forma sencilla, utilizando válvulas proporcionales para el control de caudal. La válvula proporcional se alimenta por una tarjeta electrónica con circuito de realimentación. Una dínamo tacométrica, unida mecánicamente al motor, genera una señal proporcional al número de revoluciones. De este modo, se establece un lazo cerrado de regulación cuya consecuencia tiene por objeto per- mitir una comparación continua de las revoluciones del motor neumático, en función de la consigna establecida en la señal de mando. Retroalimentación /' ~ Dinamo tacomélrica Molor neumático ~ VáIVUla proporcional VEF-2120 REO Figura 10.9. Control de velocidad. 10.5.4. CONTROL DE LA POSICiÓN CONTROL Para exigencias más severas que las encontradas en la industria del proceso contmuo, manipulación, ensamblaje, etc., se emplean posicionadores electro- neumáticos, figura 10.10. Estos posicionadores se componen de un circuito neumático con válvulas proporcionales para el control de la velocidad. 274 I © ITP·Paranin!o NEUMÁTICA PROPORCIONAL Estas válvulas se encargan de realizar una transición suave y flexible desde la velocidad máxima seleccionada a una marcha lenta, según va acercándose a la posición nominal, y a continuación, a una marcha lentísima para la consecu- ción de la posición exacta. Esto significa una mayor velocidad de aproxima- ción y exactitud del punto de posición. Para evitar los rebotes, que pueden originarse por la elasticidad del fluido, se conectan repetidamente las cámaras a presión o a escape y, de esta forma, es posible obtener una exactitud y suavidad del posicionado. El problema de man- tener esta posición, una vez lograda, queda resuelto, incorporando al cilindro, una unidad de frenado para bloquear mecánicamente el vástago. Unidad de bloqueo del vástago ~ :0 1"'5<' Carrera Medición de rs;¡¡ -lila carrera J Válvula proporcional I I/.lT ~ P lIT I Control I I eléctronico Señal de referencia Figura 10.10. Control de la posición. © SlVCESP.Oi.iA.SA. © ITP·Paranin!o I 275
- 146. Circuitos b ~ 11.1INTRODUCCiÓN Los circuitos básicos son conexiones de válvulas que realizan ciertas fun- ciones. Existe un número limitado de funciones elementales de las que se com- ponen incluso los circuitos más sofisticados. Estas funciones tienen la capacidad de: • Controlar un cilindro. • Accionar otra válvula. - para control remoto desde un panel. - para cambiar por otra la función de una válvula. - para enclavamientos de seguridad, etc. Este último tipo de función se denomina también una "función lógica". Existen cuatro funciones lógicas básicas: • Identidad ("SI") • Negación o inversión ("NO") • AND o función suma • OR o función producto No se tratará aquí de los métodos lógicos de conexión, pero se utilizarán los términos, puesto que describen claramente las funciones con una sola palabra. © SlVCEsPANtI. SIl. © ITP·Paraninfo / 277
- 147. CIRCUITOS BÁSICOS ~ 11.2FUNCIONES ELEMENTALES 11.2.1. AMPLIFICACiÓN DEL CAUDAL Un cilindro grande necesita un caudal de aire grande. Se puede evitar tener .que accionar manualmente una válvula grande con capacidad de caudal sufi- ciente, utilizando una válvula grande de accionamiento neumático pilotándola con una válvula más pequeña de accionantiento manual. Esta función se deno- mina "amplificación del caudal". Se combina a menudo con el control remoto: la válvula grande está cerca del cilindro, pero la pequeña puede encontrarse en un panel, para poder acceder fácilmente a ella. ------- - -1 , , , , , , , , , , , , , , , Figura 11.1. Amplificación del caudal o control indirecto de una válvula. 11.2.2. INVERSiÓN DE LA SEÑAL El método indicado en la figura 11.1. se puede utilizar también para cambiar la función de una válvula desde su posición normalmente abierta a normalmen- te cerrada o viceversa. Si la válvula 1 en la figura 11.2. está activada, la presión sobre la salida de la válvula 2 desaparece y reaparece cuando se desactiva la válvula l . 278 / © ITP·Paranin!o © svt:::ESPI'ÑA. SA. CIRCUITOS BÁSICOS Figura 11.2. Inversión de la señal. 11.2.3. SELECCiÓN La selección se alcanza convirtiendo una función de 3/2 a 5/2 - -- ---- --1 , , , Figura 11.3. Selección entre dos circuitos. La válvula de mando 1 es una pequeña válvula de 3/2 accionada manual- mente; la válvula 2, accionada indirectamente, es una válvula de 5/2 con una © SVl:ESf'I'i.IA..SA. © ITP·Paranin!o / 279
- 148. CIRCUITOS BÁSICOS capacidad decaudal suficiente para accionar un cilindro de doble efecto. En esta función, se realiza también la amplificación del caudal. Una posición del interruptor de palanca presuriza el punto indicado como verde mientras que la otra presuriza el rojo. La misma función se utiliza también para realizar la selección entre dos cir- cuitos: una de las vías de utilización de la válvula de 5/2 suministra por ejem- plo, aire a un circuito automático, mientras que la otra suministra las válvulas para el control manual. Esto asegura que no puede tener lugar un accionamien- to automático durante el accionamiento manual ni a la inversa. 11.2.4. FUNCiÓN DE MEMORIA Una función muy común es perpetuar el accionamiento momentáneo de una válvula manteniendo la posición alcanzada hasta que otra señal momentánea la desconecte permanentemente. t- - --- -- ------- , , , , , , , , , , , , ~ -- - -- -- --1 , , , , , , Figura 11.4 Accionamiento memorizado. ~ 11.3. FUNCIONES DE TIEMPO Una temporización neumática se basa en el tiempo necesario para cambiar la presión de un volumen fijo, mediante el paso de un caudal de aire por un orificio. 280 / © ITP-Paraninfo CIRCUITOS BÁSICOS Si, con un volumen y orificio determinados, se alcanza la curva característi- ca presión/tiempo a de la figura 11.5, un mayor volumen a llenar, o un onficlO de paso más estrecho, la cambia a b. En el caso de la característica a, la temporización para accionar una válvula con una presión de pilotaje Ps será ti' con b se incrementará a t2• En la práctica, el volumen a presurizar está conectado con la entrada de pilotaje de una válvula de retomo muelle y se utiliza un "controlador de velocI- dad" (restrictor de caudal más válvula anti-retomo) para vanar el onficlO de paso; su válvula anti-retomo permite un caudal ilimitado en sentido contrano y por lo tanto un tiempo de reinicialización breve. 5 p (bar) ......................... p, ;' Figura 11.5. Relación presión/tiempo del aire comprimido que fluye por un orificio. Existen cuatro funciones distintas de tiempo: • l. Temporización a la CONEXION de una señal de presión. • 2. Temporización a la DESCONEXION de una señal de presión. • 3. Un impulso de presión a la conexión. • 4. Un impulso de presión a la desconexión. 11.3.1. TEMPORIZACiÓN A LA CONEXiÓN La figura 11.7 ilustra cómo se puede retrasar una señal de presión. La señal en el orificio de salida (A) de la válvula 2 aparece un tiempo determmado des- pués del accionamiento de la válvula l. Esto es debido a la válvula de restnc- ción de caudal. © ITP-Paraninfo / 281
- 149. CIRCUITOS BÁSICOS Figura 11.7.Temporización a la conexión. 11.3.2. TEMPORIZACiÓN A LA DESCONEXiÓN El retraso en la vuelta a la posición normal de una válvula se obtiene como se ha descrito anteriormente, pero en vez de limitar el flujo de aire hacia el ori- ficio piloto de la válvula b, se restringe su escape. Figura 11.8. Temporizador a la desconexión. 282 / © ITP·Paraninfo CIRCUITOS BÁSICOS La figura 11.8 muestra una temporización a la desconexión de una señal. Tras el accionamiento de la válvula 1, se enciende inmediatamente el indica- dor, pero tras soltar la válvula, el indicador se queda encendido durante un período de tiempo regulable. 11.3.3. IMPULSO DE PRESiÓN A LA CONEXiÓN Si una señal desde una válvula pasa por una válvula normalmente abierta pero pilotada por la misma señal, no habrá presión a la salida de la última vál- vula. Sin embargo, si se retrasa su pilotaje, la señal puede pasar hasta que el pilotaje se produzca después de la temporización. La consecuencia es una señal de presión de duración regulable en la salida de una válvula normalmente abierta. En la figura 11.9 aparece una señal de duración regulable en la salida de la válvula normalmente abierta 2, cuando la válvula 1 está accionada. Figura 11 .9. Impulso de conexión. 11.3.4. IMPULSO A LA DESCONEXiÓN DE UNA VÁLVULA Cuando la señal temporizada de presión debe aparecer después de que la señal inicial se haya desconectado, la presión para producirlo debe proceder de © ITP-Paraninfo / 283
- 150. CIRCUITOS BÁSICOS otra fuente.El método que se utiliza es accionar al mismo tiempo una válvula 2 normalmente abierta de 3/2 y presurizar un volumen 3 con la señal inicial. Cuando se descarga la válvula 1, la válvula 2 alcanza su posición normal, conectando el volumen con su salida. La señal de presión desde el volumen desaparece tras un breve período regulable por medio de un controlador de velocidad. Figura 11.10. Impulso de presión al desaparecer una señal. ~ 11.4. CONTROL DEL CILINDRO 11.4.1. CONTROL MANUAL 11.4.1.1. Cilindro de simple efecto Accionamiento directo y control de velocidad Si un cilindro de simple efecto está conectado a una válvula de 3/2 de accionamiento manual, éste sale cuando se acciona la válvula y retorna cuan- do la válvula se libera. Este es el llamado "control directo". En el caso de un cilindro grande, se aplica la amplificación del caudal como se ha indicado en la figura Il.ll. 284 / © ITP-Paraninfo © 9IC ESPAÑA. $A CIRCUITOS BÁSICOS La única forma de regular la velocidad de la carrera de ida del émbolo de un cilindro de simple efecto es reducir el caudal de entrada en el mismo. La velo- cidad de la carrera de retorno, por medio del resorte, es raramente limitada en la práctica. Figura 11.11. Control directo de un cilindro de simple efecto. Control desde dos puntos: Función OR Un cilindro o una válvula pueden accionarse de dos maneras distintas: manualmente o por medio de una señal del circuito automático. Si las salidas Figura 11.12. Accionamiento de un cilindro de simple efecto desde dos puntos. © svt:ESPANA. SA © ITP·Pa,anin!o / 285
- 151. CIRCUITOS BÁSICOS de dosválvulas de 3/2 están interconectadas con un empalme en T, el aire pro- cedente de una de las válvulas sale por el escape de la otra. La utilización de una válvula selectora de circuito evita el problema. Enclavamiento: Función AND CY) En algunos casos, para permitir una operación determinada, es necesario que se cumplan dos condiciones. Un ejemplo típico podría ser el de una prensa neumática que se puede accionar sólo si está cerrada una puerta de seguridad y si se acciona la válvula manual. Para controlar la puerta de seguridad, se usa una válvula de 3/2 accionada mecánicamente. La entrada de la válvula de accionamiento manual está conectada con su salida, así que solamente tendre- mos señal cuando ambas válvulas estén accionadas simultáneamente. En el caso de que las señales procedentes de cada una de las dos válvulas tengan también otro uso, como se muestra en el esquema "b" de la figura gra- cias a los dos indicadores de color se puede realizar la función AND (Y) mediante una válvula de 3/2 de accionamiento neumático: Una de las señales la alimenta y la otra la pilota. Figura 11.13. Enclavamiento de seguridad, función AND (V). Operación inversa: Función NOT (NO) Enclavamientos mecánicos, topes para productos sobre transportadores y situaciones similares pueden requerir el accionamiento de un cilindro para el 286 I © ITP-Paraninfo © sva::::ESPAÑA. SAo. CIRCUITOS BÁSICOS blocaje. El desbloqueo se produce mediante el accionamiento de una válvula. Para este tipo de aplicación, se pueden usar válvulas normalmente abiertas. Si se requiere que la misma señal que provoca el desbloqueo debe también dar señal a cualquier otro dispositivo, simbolizado por el indicador 3 en la figura. 11.14, tiene que usarse una señal de inversión procedente de otra válvula inde- pendiente, de accionamiento neumático y normalmente abierta (válvula 2), que es accionada por la válvula normalmente cerrada 1. r--h--n 2 Figura 11.14. Inversión de señal. 11.4.1.2. Cilindro de doble efecto Control directo La única diferencia entre el accionamiento de un cilindro de doble efecto y uno de simple efecto es que se ha de usar una válvula de 5/2 en lugar de la de 3/2. En su posición normal, la utilización B, está conectada con la entrada de presión P. Esta vía de utilización ha de estar conectada a la cámara delantera del cilin- dro si queremos que éste, en su posición normal, esté dentro. © ITP-Paraninfo I 287
- 152. CIRCUITOS BÁSICOS Para uncontrol independiente de la velocidad en ambas direcciones, hay acoplados "controladores de velocidad" (restrictor de caudal y válvula anti- retomo) en ambas conexiones del cilindro. Su orientación es la opuesta a la de los cilindros de simple efecto ya que es el escape de aire el que es restringido. Esto proporciona un movimiento más estable y positivo que la restricción del aire de entrada. En lugar de suministrar solamente la energía necesaria para mover el émbolo, se añade una carga adicional mediante una contra-presión en la cámara que se vacía; esta contrapresión aumentará si aumenta la velocidad, compensando las variaciones en la carga. Figura 11.15. Control directo de un cilindro de doble efecto. Mantenimiento de las posiciones finales En la mayoría de los casos, un cilindro tiene que mantener su posición incluso después de que la señal de mando haya desaparecido. Esto requiere la función "memoria" de la figura llA. Una válvula biestable mantendrá su posi- ción hasta que aparezca la señal de pilotaje contraria. En la figura 11.16, la carrera de salida de un cilindro de doble efecto se ini- cia con la válvula 1, Yla de retomo con la válvula 2. La válvula 3 mantiene su posición y por tanto también la del cilindro. La válvula 3 sólo será accionada cuando una de las dos válvulas manuales no tenga salida de presión. Si ambas vías de pilotaje reciben señal al mismo tiempo, la corredera mantiene su posición anterior ya que presiones iguales actuando sobre áreas iguales no pueden anular la anterior señal. 288 / © ITP·Paraninfo © SVl:E sPAÑo'.. SA CIRCUITOS BÁSICOS Este fenómeno se conoce como "señales permanentes" y es uno de los mayores problemas en el diseño de circuitos. Figura 11 .16. Mantenimiento de las posiciones de un cilindro de doble efecto. ~ 11.5. DETECCiÓN DE LA POSICiÓN DE LOS CILINDROS 11.5.1. RETORNO AUTOMÁTICO La válvula 2 en el circuito de la figura 11.16 puede ser sustituida por una válvula de accionamiento por rodillo de palanca, situada en el punto final de la carrera de salida del cilindro (carrera positiva). El cilindro entonces, conmuta él mismo la válvula 3 y así retrocede automáticamente, siempre que, según hemos explicado, no estemos accionando la válvula l. Aparecerá un problema si la válvula 1 no está desactivada cuando el cilin- dro alcanza el final de su carrera; el cilindro no retrocedería. La válvula 2 es © ITP·Paraninfo / 289
- 153. CIRCUITOS BÁSICOS incapaz deconmutar la válvula 3 mientras permanezca la señal opuesta proce- dente de la válvula 1. Una válvula biestable sólo puede ser conmutada median- te una señal de pilotaje, cuando ha desaparecido la señal de pilotaje opuesta. Figura l' .17. Retorno automático de un cilindro. Figura 11.18. Retorno automático de un cilindro incluso con una señal permanente. 290 1© ITP·Paraninfo © SVI::ESPAÑA SA CIRCUITOS BÁSICOS Si el cilindro debe retroceder incondicionalmente tan pronto como alcance el punto final de la carrera, una solución simple sería transformar la señal de la válvula manual en un impulso (señal momentánea). Esto sería una combina- ción de las dos funciones elementales de las figuras 11.9 y 11.17. 11.5.2. CARRERAS REPETITIVAS (REPETICiÓN INDEFINIDA DE LA CARRERA) Mediante la detección en ambos extremos de la carrera mediante válvulas accionadas por rodillo de palanca y. usándolas para conmutar la válvula princi- pal 2, el cilindro será "recíproco" (el mismo produce las señales para su propio control de movimiento). Con una válvula biestable de accionamiento manual conectada en serie con la válvula accionada por rodillo de palanca 4 (un final de carrera), el cilindro parará de realizar ciclos repetitivos si desactivamos en 1, pero lo hará después de volver siempre a su posición de vástago dentro (posición negativa o posición O). ,---,--,--------, @ • Figura 11.19. Repetición de carrera de forma cíclica. © ITP·Paraninfo 1291
- 154. CIRCUITOS BÁSICOS ~ 11.6.CONTROL DE SECUENCIAS 11.6.1. CÓMO DESCRIBIR UNA SECUENCIA Unas pocas reglas nos ayudarán para la descripción de un ciclo de movi- mientos de una forma extremadamente breve pero precisa. A cada actuador se le asigna una letra mayúscula. Si su posición al inicio de ciclo, a partir de las cuales se dibuja el diagrama de circuito, es la de dentro o posición negativa, se dice que éste está en "menos"; si su posición al inicio es la de fuerza o posición positiva, decimos que está en posición "más" Las seña- les de presión para conmutar las válvulas de control direccional son llamados "comandos" para distinguirlos de otras señales. Un comando para mover el cilindro "A", su código será un simple "A+". Evidentemente, "A-" es el comando para hacer retroceder al cilindro A. 11.6.2. SECUENCIA DE DOS CILINDROS Con estos códigos, nosotros podemos escribir una secuencia de dos cilin- dros, por ejemplo con: A+, B+, A-, B- No puede haber dudas acerca de la secuencia de movimientos. Ahora llega la cuestión de ver, de dónde salen estos comandos. La respuesta es bastante simple: de las válvulas de rodillos de palanca que detectan los pun- tos finales de la carrera. Ellos también necesitan un código; éste estará confec- cionado de una forma bastante lógica. Como la posición inicial "menos" es llamada "cero". Es obvio codificar con "ao" la válvula que detecta la posición inicial del cilindro "A"; la posición opuesta es entonces llamada "a,". Para mayor claridad, las señales son siempre codificadas con letras minúsculas. Las posiciones de detección son designadas mediante un índice. Oe todo ello, resulta obvio que la finalización de un comando (...+) estará señalizado por la señal de presión que nosotros "convertiremos" como código "aI ", etc. Con estos códigos podemos escribir la solución para la secuencia mencionada con anterioridad tal y como sigue: A+ a" S+ b" A- ao' S- bo' 292 I © IT?-?araninfo CIRCUITOS BÁSICOS También necesitamos una válvula de accionamiento manual para arrancar y finalizar la secuencia. Está situada en la línea prioritaria para el primer coman- do A+. Cuando la secuencia necesile continuar, entonces la válvula de puesta en marcha deberá permanecer abierta, pero si el circuito es desactivado a mitad de ciclo, éste continuará hasta que todos los movimientos de la secuencia hayan sido completados y el ciclo vuelva a su posición inicial. Esto significa que la última señal, bo' ha aparecido, pero es incapaz de pasar a través de la válvula de puesta en marcha. Esta es otra aplicación de la función elemental "ANO" (Y) de la figura 1l.l3. El comando A+ necesita ambas seña- les: "bo" y "st" (start). Esto se escribe en álgebra: "st . ba" . Nos podremos referir a esto como un "circuito cerrado". La secuencia de señales y comandos es como sigue: Señales bo Comandos Figura 11.20. Representación esquemática de señales y comandos. La misma secuencia de este diagrama de bloques está dibujada como circui- lo neumático en la figura 11.21, con símbolos ISO. Como tenemos ahora codi- ficadas las válvulas de finales de carrera de acuerdo con su posición, no es necesario dibujar el circuito como un mapa, con éstas mostradas en sus empla- zamientos físicos reales, cerca de los cilindros, o indicándolas con números como en las figuras 1l.l7 y 11.19. La norma es dibujar todos los cilindros en la parte superior; directamente debajo de ellos, sus correspondientes válvulas principales de mando y debajo de ellas, las válvulas que proporcionan las señales de final de carrera. En cir- cuitos más sofisticados, podrá haber válvulas adicionales en un nivel intenne- dio entre las válvulas principales y las de señal. Este es el caso de la figura 11.21 con la válvula de puesta en marcha "st". © IT?-Paraninfo I 293
- 155. CIRCUITOS BÁSICOS 11.6.3. CICLOÚNICO, CICLO CONTINUO Este tipo de válvula usada para poner en marcha una secuencia es lo que determina la diferencia entre los 2 ciclos: si es una válvula monoestable y nosotros la accionamos, se realizará un ciclo único. En el caso de una válvula biestable, el ciclo se repetirá continuamente hasta que desconectemos la válvu- la. No importa cuando lo hagamos, el circuito siempre completaría el ciclo y entonces pararía. '. Figura 1'.21, Circuito para la secuencia A+, B+. A-, B- ~ 11.7. COMANDOS OPUESTOS 11.7.1. ELIMINACiÓN CON UNA SEÑAL DE CORTA DURACiÓN ", ", Los cilindros de simple efecto de carrera corta se utilizan a menudo para sujeción. Si bien casi todos ellos pueden llevar incorporados detectores para control eléctrico, esto no da suficiente seguridad. La parte que debe ser meca- nizada ¿está suficientemente amarrada para aguantar las fuerzas ejercidas sobre ella durante el mecanizado? La única señal fiable es la que nos indica que hay suficiente presión detrás del émbolo. Para esto se emplean las válvulas secuen- 294 I © ITP· Paran;n!o © SVI:ESI'AÑA. SA, CIRCUITOS BÁSICOS ciales. Estas permiten al operador, ajustar la presión mínima requerida para un amarre seguro. La presión que han de detectar es la presión de amarrado del cilindro, por eso la entrada de pilotaje debe ser conectada con una "T" a la vía de alimenta- ción del cilindro; la señal de salida pondrá en marcha la operación de mecani- zado (cilindro "B"). El cilindro tiene que retroceder inmediatamente después de que la operación haya finalizado, por ejemplo, el final de carrera, válvula bl , proporciona esta información. Aquí nos encontramos un problema: B es incapaz de retroceder mientras el cilindro de amarre "A" esté presurizado pero, por otro lado, éste no debe retro- ceder y soltar el amarre antes de que el dispositivo de mecanizado haya vuelto a su posición inicial. Podemos, de nuevo, utilizar el circuito básico de la figura 11.9 para resolver este problema transformando la señal permanente de la vál- vula secuencial en una señal de corta duración. El ciclo es arrancado manual- mente, pero en la práctica el operador insertará un componente para ser meca- nizado y entonces mantendrá el pulsador accionado hasta que el trabajo esté completado. b1 s - B" Figura 11.22. Circuito para amarrado y mecanizado. 11.7.2. SISTEMA DE CASCADA Debemos admitir que la forma en que hemos eliminado las señales perma- nentes en el ejemplo anterior no puede ser el mejor método. Debe de haber una solución más simple y fiable. © sva:E SPAÑA. SA © ITP·Paranin!o I 295
- 156. CIRCUITOS BÁSICOS La verdaderasolución es poner a escape todas las señales permanentes que se puedan "solapar". No mediante montajes temporizados sino con el acciona- miento de una válvula de selección como en el circuito de la figura 11.23. El problema es conocer dónde ha de estar puesta cada válvula y cómo debe ser conmutada y conectada. Existe un procedimiento simple para el diseño de circuitos secuenciales lla- mado "Sistema Cascada". El ciclo es dividido en dos o más grupos. Para poste- riores explicaciones supondremos que hay sólo dos grupos. Cada uno tiene una línea de suministro procedente de la válvula de selección. La división de los grupos, por ejemplo del ciclo "A+,B+,B-,A-", se realiza de la siguiente manera: Observando cada comando, de izquierda a derecha, podemos subdividir los comandos en grupos; la regla será que en cada grupo sólo se podrá incluir un comando de cada actuador, bien sea + o -. En nuestro caso sería: A+,B+ Grupo 1 B-, A- Grupo U Este principio es igualmente aplicable para ciclos más largos. Cuando se tiene tres o más grupos no es necesario arrancar el ciclo con un nuevo grupo: el fin-de-ciclo puede estar en medio de un grupo. La válvula de puesta en marcha y parada está, simplemente, colocada en línea con el primer comando del ciclo. Algunas veces tiene que trasladarse par encontrar el menor número de grupos. Las demás reglas se explicarán en el siguiente diagrama de bloques. ® Línea del grupo I Línea del grupo 1I Figura 11.23. Esquema de funcionamiento de una conexión "cascada", 296 I © ITP·Paraninfo © SI«::ESPAÑA. $A CIRCUITOS BÁSICOS o l Primera válvula principal que debe ser accionada por el grupo 1. o 2 Todas las válvulas de fin de carrera del grupo 1, excepto la que detecta que el último movimiento del grupo ha finalizado. o 3 Todos los comandos de las válvulas principales del grupo 1 son alimen- tados desde la "línea de grupo 1". o 4 El detector del final de la última carrera del grupo 1 conmuta la válvula de selección; la "línea de grupo 1" se pone a escape y la del grupo U es ali- mentada con presión. o 5 Válvula principal del cilindro que realiza la primera carrera del grupo U. o 6 Todas las válvulas de fin de carrera que proporcionan los comandos del grupo U, excepto la última. o 7 Todos los comandos del grupo n, proporcionados por las válvulas de fin de carrera están alimentados desde la "línea de grupo U". o 8 El detector de la última carrera del grupo U vuelve a conmutar la válvula de selección a su posición anterior. Los pasos del circuito son ahora bastante fáciles. El interruptor de puesta en marcha y parada está siempre insertado en línea con el primer comando del ciclo. En el ejemplo anterior, el ciclo termina al finalizar un grupo. b, A· Inicio Gru I GnJPO 11 Figura 11.24. Sistema de cascada para dos cilindros. © svr:;EsPAÑA. $A © ITP-Paraninfo I 297
- 157. CIRCUITOS BÁSICOS ~ 11.8.DESARROLLO DE AUTOMATISMOS NEUMÁTICOS 11.8.1. PLANTEAMIENTO DE UN AUTOMATISMO NEUMÁTICO En los apartados anteriores vimos distintos métodos que pueden ser emplea- dos para solucionar problemas habituales en los circuitos neumáticos. Estos problemas son siempre causados por la existencia de las llamadas señales per- manentes, que son aquellas que inciden en una misma memoria, de forma simultánea, y evitan que esta cambie de posición en el momento que sea nece- sano. Si fuera posible conocer, antes de decidir qué método de automatización uti- lizar, la existencia de las señales permanentes que pueden aparecer en un cir- cuito y si, además, pudiéramos identificarlas, sería mucho más sencillo tomar decisiones al respecto. Esto es posible y puede conseguirse utilizando el dia- grama espacio-fase. Una vez localizadas estas señales, deberemos analizarlas para poder tomar una decisión correcta y aplicar la mejor solución de entre las posibles. 11.8.2. LOCALIZACIÓN DE SEÑALES PERMANENTES. DIAGRAMA ESPACIO-FASE. Hasta ahora, cuando hemos planteado una aplicación con más de un cilin- dro, el funcionamiento de estos, ha sido expresado a través de una secuencia. Se puede expresar también el funcionamiento de varios cilindros de forma grá- fica mediante el diagrama espacio-fase. Si, además, en el mismo diagrama, somos capaces de representar las señales que actúan sobre una misma memoria, podremos compararlas entre sí, y sabre- mos si molestan la entrada de la señal opuesta, causando los problemas típicos de los automatismos neumáticos secuenciales. Veamos todo lo expuesto anteriormente en un supuesto real de automatiza- ción: Tenemos un cilindro A que utilizaremos para alimentar y sujetar una pieza que ha de mecanizarse mediante un útil que moverá el cilindro B. Para que esta 298 1© ITP·Paraninfo © svt: ESPAÑA. SA. CIRCUITOS BÁSICOS máquina pueda funcionar en ciclo continuo, dispondremos de otro cilindro e que será el encargado de expulsar la pieza, una vez mecanizada, y pennitir la alimentación de otra nueva. Todo lo expuesto, queda reflejado en la siguiente secuencia de funcionamiento: A+ B+ B- A- C+ C- La representación gráfica de esta secuencia, nos da lugar al diagrama espa- cio fase, representado en la figura 11.25 1 A o 1 B O 1 C O 1 2 / / 3 4 5 6 7=1 I~ I~ / ~ Figura 11.25. Diagrama espacio-fase para la secuencia A+, B+. B-, A-, C+. CA. Ahora debemos localizar, en la secuencia, las señales que inciden sobre una misma memoria y añadirlas, también de forma gráfica, al diagrama anterior: • Memoria A: Señales Co y bo • Memoria B: Señales al y bl • Memoria C: Señales aoy cl Una vez representadas las señales en el diagrama debemos observar, con especial atención, el momento en que cada una de ellas aparece en el mismo. Si en ese momento, la señal antagonista no está presente, no habrá problemas. Por el contrario, cuando una señal aparece, si está presente la que incide sobre la misma memoria, habrá problemas y estos serán generados por la que está pre- sente y no deja actuar a la que acaba de aparecer. En nuestra secuencia podemos observar que, las dos señales que inciden sobre la memoria de A, son permanentes entre sí, puesto que cuando aparece Co © SICESPAÑA.. Sol.. © ITP-Paraninfo 1299
- 158. CIRCUITOS BÁSICOS está presentebo y cuando aparece bo también está presente co' En la memoria del cilindro B, no tenemos problemas con la señal al' que puede entrar libre- mente, sin embargo cuando trata de actuar la señal bl no puede conseguirlo puesto que está presente al' Por lo tanto, en esta memoria sólo tenemos una señal permanente. En el mismo caso estamos al analizar la memoria del cilin- dro e, vemos que ao puede entrar libremente, sin embargo, cuando quiere hacerlo el' no puede puesto que está presente ao' 1 A O 1 B O 1 e O c, " " c, 2 / / 3 4 5 6 7=1 I~ .~ / ~ I Figura 11.26. Diagrama espacio-fase con señales de finales de carrera. Por tanto, para que esta secuencia funcione de forma correcta, hemos de solucionar el problema que nos presentan las cuatro señales permanentes que acabamos de localizar. 300 1© ITP·Paraninfo CIRCUITOS BÁSICOS 11.8.3. ANULACiÓN DE SEÑALES PERMANENTES Para anular las señales permanentes, que pueden aparecer en una secuencia podremos aplicar dos métodos: ' • Métodos intuitivos. • Métodos sistemáticos. 11.8.4. MÉTODOS INTUITIVOS DE ANULACiÓN DE SEÑALES Para anular señales permanentes, por métodos intuitivos, contamos, básica- mente, con dos elementos: • Rodillo escamoteable. • Temporizador. Rodillo escamoteable Para anular una señal permanente, sólo tenemos que evitar que el final de carrera, que nos genera dicha señal, esté accionado. Esto lo conseguimos des- plazándolo un poco de su posición. Esta solución, siendo muy sencilla, nos genera un nuevo problema, que es la aparición de una doble señal ya que, el cilindro pisará el final de carrera, ahora fuera de su posición, tanto en el movi- miento de salida como en el de retroceso del vástago. El rodillo escamoteable es un accionamiento que solamente actuará sobre el final de carrera cuando es accionado en una sola dirección. De esta fomla habremos eliminado el proble- ma y habremos anulado la señal pemlanente. No todos los casos de señales permanentes podrán ser solucionados con el empleo de este método, ya que nos presentará problemas de precisión por tener que mover el final de carrera de su posición teórica de detección. También nos podrá presentar problemas en movimientos rápidos, porque puede ser acciona- do por un corto espacio de tiempo y no ser suficiente para conmutar la válvula sobre la que ha de actuar. Temporizador Si, como vimos con anterioridad en el párrafo 11.3.3, empleamos un tempo- rizador para hacer que una señal tenga una corta duración, conseguiremos que © ITP·P.r.ninfo 1301
- 159. CIRCUITOS BÁSICOS una señalque pretendemos anular sea efectiva para conmutar la válvula en el momento apropiado, pero conseguiremos también que no esté presente cuando aparezca su señal antagonista. 11.8.5. MÉTODOS SISTEMÁTICOS DE ANULACiÓN DE SEÑALES Los métodos sistemáticos de anulación de señales permanentes se basan en un principio muy simple: Los finales de carrera, estarán alimentados de presión en el momento en que son necesarios para el funcionamiento de la secuencia. Cuando no sean necesarios, no tendrán alimentación de presión, por lo que será imposible que puedan molestar la entrada de las señales que incidan sobre la misma memoria y, por lo tanto, no habrá problemas de señales permanentes. El método sistemático más utilizado es: • Introducción sistemática de memorias (conexión en cascada). 11.8.6. ELECCiÓN DEL MÉTODO DE ANULACiÓN DE SEÑALES PERMANENTES Si volvemos a nuestra secuencia, y queremos resolverla utilizando métodos intuitivos, podremos utilizar rodillo escamoteable en tres de los cuatro casos. No obstante, la señal al puede presentar problemas de precisión, puesto que nos debe detectar la posición en que la pieza está sujeta y lista para ser meca- nizada; si esto no fuera así, corremos el riesgo de que haya rotura de herra- mienta e incluso accidente laboral, por lo tanto deberemos utilizar, como anu- lador de señal, un temporizador. El esquema resultante, es el que se muestra en la figura 11.27. Si consideramos que nuestra máquina ha de realizar altas producciones, esto será posible con movimientos rápidos de los cilindros. Recordemos que al tra- bajar con velocidades altas, los rodillos escamoteables pueden presentar pro- blemas, por la corta duración de la señal. Este problema no se presentará si uti- lizarnos métodos sistemáticos. La solución de esta secuencia, empleando cone- xión de memorias en cascada, es la que se muestra en la figura 11.28. 302 / © ITP·Paraninfo © SVCeSI'AAA. SAo. CIRCUITOS BÁSICOS '" ~ ." + '" c;;J: Figura 11.27 Solución de circuito secuencial por método intuitivo. © SVC E SPAÑA. $A.. © ITP·Paraninfo / 303
- 160. CIRCUITOS BÁSICOS ó ,; ú .. D • '" @ ,; '" .. o" Figura 11.28.Solución de circuito secuencial por método sistemático. 304 I © ITP-Pa,aninfo Simbo componentes neu Resumen de los símbolos empleados en neumática según DIN 24300. Símbolos básicos: SíMBOLO DESCRIPCiÓN 0- Origen de la presión. <J Conexión de escape a la atmósfera. Línea de trabajo. - - - - Línea de mando. ----- - - Línea de escape. ~ Línea flexible. --L + Empalme de líneas. © ITP-Pa,anin!o I 305
- 161. ANEXO ANEXO SíMBOLO DESCRIPCiÓNSíMBOLO DESCRIPCiÓN REFERENCIA SMC + Cruce de líneas. Representación simplificada -1: <9 ~ de una unidad de mantenimiento F-R. rhl Enclavamiento. ~ Unidad de mantenimiento, , " formada por filtro, regulador EAC , L~ , de presión y lubricador. VV Muelle. l ______ _ J Representación simplificada de 1: (S) I~ una unidad de mantenimiento F-R-L. -O- Purga automática. EAD Tratamiento de aire: SíMBOLO DESCRIPCiÓN REFERENCIA SMC --v- Separador de agua. EAMG ciJ,~IL~ Válvula 3/2 de mando manual, EVHS con enclavamiento de seguridad. .~ I . ! I Válvula de arranque progresivo. EAV I I L ___ ---1 ~ , , Válvula de secuencia. EVEX ~ Transductor proporcional EIT, EVEP de presión. -V- Filtro. EAF, EAFF -4- Filtro fino (micrónico). EAFM, EAM, EAMD, EAME -W- Filtro con válvula de purga - manual. --V Filtro con válvula de purga automática. ~ , /', Regulador de presión (con manó- EAR , , metro). L.....'c..J_1 -1 ~~ o Presostato. EIS,ISE2 --<>- Lubricador. EAL -ó Presostato digital. ISE4, GS40 ~ , / , Unidad de mantenimiento, , , , , , formada por filtro y regulador EAW , L ~ , de presión. L _____ ...J 306 / © ITP-Paraninfo © SVCEsPAÑA. SA. © sva:ESPMlA. SA © ITP-Paraninfo / 307
- 162. ANEXO ANEXO SíMBOLO DESCRIPCiÓN REFERENCIASMC SíMBOLO DESCRIPCiÓN REFERENCIA SMC + Multiplicador de presión EVBA regulable. 1 11111 1 Cilindros multiposicionales. C92, C95, C02... , ~ 111 111 I Cilindros tandem. C92, C95, C02... , 1I , Cilindros: =D= ECDRO, MSO, Actuadores de giro ECDRA,MSUB, (piñón-cremallera, paleta). ECDRBl SíMBOLO DESCRIPCiÓN REFERENCIA SMC II~ H i' ~ Cilindro de simple efecto. C75, C85, C02, 2222 CM2... I 111 I Cilindro de doble efecto. C65, C75, C85, C95, C92, C02... I I Válvulas distribuidoras: SíMBOLO DESCRIPCiÓN I 11 I Cilindro de doble vástago. C75, C85, C92, C02, I I C95, CX2 I~ I Cilindro con amortiguación C65, C75, C85, C95, neumática regulable. C92, C02... I 63- ~ C65, C75, C85, C95, 1111 I Cilindro con detección magnética. C92, COl... I I 1II ?= Cilindro con vástago antigiro. C92, C95, C02... I el Cilindro sin vástago de arrastre ID 1 CY1B magnético. I I b Cilindro sin vástago de arrastre MY1B, MY1M, mecánico. MY1B-GPP 1II ~~ Cilindro con bloqueo del vástago. C92, CM2, CJ2 I I ~ Cilindro de vástagos paralelos. CXS un Válvula 2/2, normalmente cerrada. cm Válvula 2/ 2, normalmente abierta. cm Válvula 2/2, normalmente abierta. Caudal de doble sentido. ~ Válvula 3/2, normalmente cerrada. DIZl Válvula 3/ 2, normalmente abierta. ITllXJ Válvula 4/2. 1111~~IZI Válvula 4/3, centros cerrados. II ¡IJI~ I Válvula 4/3, posición central a escape. '" 308 ! © ITP-Paraninfo © ITP-Paraninfo! 309
- 163. ANEXO ANEXO SíMBOLO DESCRIPCiÓN SíMBOLODESCRIPCiÓN L~rl1ll Válvula 5/2. Y Rodillo. ISII:I~llll Válvula 5/3 de centros cerrados. y Rodillo escamoteable. LII¡I¡llll Válvula 5/3 con posición central a escape. =r Muelle. !rIISII¿1 Válvula 5/3 con posición central a presión. Accionamiento neumático J " Pilotaje a presión. Tipos de accionamiento: J " Pilotaje a depresión. SíMBOLO DESCRIPCiÓN , Accionamiento manual ..0 p.-- Pilotaje diferencial. y Símbolo general. Jo Pulsador. y Palanca. Accionamiento eléctrico y Por bobina. J Por bobina y servoválvula piloto. ~ Pedal. Combinaciones de válvulas y accionamientos: SíMBOLO DESCRIPCiÓN Accionamiento mecánico y Leva. 91I~r Electroválvula 2/2 monoestable. 9LISr Electroválvula 3/2 monoestable. 310 I© ITP·Paraninfo © ITP·Paraninfo I 311
- 164. ANEXO r ANEXO SíMBOLODESCRIPCiÓN SíMBOLO DESCRIPCiÓN REFERENCIA SMC ;lIIZF Electrová lvula 3/2 monoestable, servoasistida. ~J Válvula de escape rápido. EAO, ASV,AO J~llllb Electroválvula 5/2 biestable. Accesorios: JSII~J¡l~ Electroválvula 5/3 de centros cerrados, centrada por muelles. SíMBOLO DESCRIPCiÓN REFERENCIA SMC ;lllZr-- Válvula 3/2 monoestable de accionamiento neumático. ----M- Válvula de cierre. -'1Ill~ Ir-- Válvula 5/2 biestable de accionamiento neumático. 4 I I I ~ Silenciador. AN, ANA, ANB, AMC cbcjlIIZ~ Válvula 3/2 de accionamiento manual, con enclavamiento. 9 Manómetro. K4, Ka, G27... +--;; j Detector magnético. O-A93, O·A53, O-C73, O·F9NL... Válvulas reguladoras de caudal y bloqueo: . SíMBOLO DESCRIPCiÓN REFERENCIA SMC -( )- Acumulador. ~ Regulador de caudal fijo. r-- kVGW~1 Amortiguador hidráulico. RB, RBO ~ Regulador de caudal ajustable. ASN2 Pinzas neumáticas: G , Regulador de caudal unidireccio- AS nal ajustable. SíMBOLO DESCRIPCiÓN REFERENCIA SMC --9-- Válvula antirretorno. EAK ~ Pinzas neumáticas de apertura MH02, MHOG2, paralela. MHOJ2, MHl. .. e Válvula selectora. EAK ~ Pinzas neumáticas de apertura MHC2, EMHT... angular. 312 / © ITP·Paraninfo © ITP·Paraninfo / 313
- 165. ANEXO SiMBOLO DESCRIPCiÓN REFERENCIASMC t2r Pinzas neumáticas de acciona~ MHR2, MHR3 miento rotativo. Componentes para manipulación por vacio: SIMBOLO DESCRIPCiÓN REFERENCIA SMC -iT Eyector de vacío. EZH... A Ventosa. ZPT 1 Ventosa tipo telescópica. ZPTK -k3~ Vacuostato. ZSE1, ZSE4B €E> €E> ~dl: I ~ Cilindro para manipulación por ZCDUKC vacío. , 314 I © ITP-Paranin!o