Tema 6 Neumatica componentes de mando

6 Componentes de mando
6.1 Valvulas distribuidoras
Las válvulas distribuidoras son los elementos que permiten dirigir el aire comprimido a
diferentes vías, conexiones o conductos, en función de la señal de mando recibida y de
acuerdo con un programa establecido.

6.1.1 Categorias generales de valvulas
Las válvulas neumáticas se han dividido en este tema en distribuidoras, auxiliares y
proporcionales. Otras válvulas, como por ejemplo las válvulas de presión o las válvulas de
proceso, no se expondrán aquí. Las válvulas reductoras de presión, o simplemente
reguladores, ya se han tratado.
Las válvulas distribuidoras se catalogan según diferentes categorías, que incluyen el tipo, el
principio de diseño, el tipo de mando, la función, el tamaño y la aplicación.
Tipo
El tipo hace referencia al montaje de la válvula. Por ejemplo, una válvula puede conectarse
aislada, en subbase, en bloque modular, en línea o en isla de válvulas. El montaje afecta al
diseño.

1) Conexión directa. En estas válvulas los conductos se conectan directamente al cuerpo
de la válvula. En la figura se muestra una válvula de asiento 2/2.

2) Súbase
 Individual con conexiones laterales, salidas en la base o en el cuerpo de la válvula.

 Individual con conexiones inferiores, salidas en la base o en el cuerpo de la válvula.

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 Manifold de longitud fija con 1, 2, 4, 6, 8, 10 y 12 estaciones. Salidas en el cuerpo de la
válvula

3) Bloque Manifold. Subbase modular.
Se obtiene un bloque de válvulas cuando distintas válvulas se conectan en una misma
subbase. Todas las válvulas de un bloque modular comparten la presión de alimentación y el
escape.
Las salidas de la válvula se realizan por un lateral de la subbase o por el cuerpo de la
válvula. El pilotaje interno acostumbra a ir integrado en la subbase, la cual también tiene vías
practicadas para el pilotaje externo y la presión y escape comunes.

4) Isla de válvulas.
La isla de válvulas tiene todas las ventajas del sistema modular y utiliza además bobinas
precableadas a un conector multipolo.

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5) Bus de campo.
Cuando la isla de válvulas se conecta a un módulo de interfaz serie Fieldbus, o bus de
campo, se facilita el mando, control y monitorización remota del trabajo del grupo de válvulas
mediante ordenador. Los bus de campo pueden ser abiertos o cerrados.

El sistema bus de campo centraliza el control remoto y la diagnosis de los equipos, reduce la
cantidad y el trazado del cableado y supone una reducción de los costes de instalación y
mantenimiento.

Sistema convencional

Sistema Fieldbus

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Principio de diseño
El principio de diseño hace referencia al principio de operación bajo el cual se ha diseñado la
válvula. Por ejemplo, las válvulas pueden ser de corredera, de asiento plano, de asiento
giratorio, etc.
Las figuras que se muestran sirven de referencia de tipo. El diseño de cada modelo de
válvula puede incluir otras posiciones y número de vías aparte de los indicados.

Válvula de corredera
El diseño más popular y versátil. Disponible en varias funciones: 3/2, 5/2, 5/3, etc.
Totalmente equilibrada. Amplia gama de estilos, medidas, mandos y montajes. Aptas para
un amplio rango de aplicaciones.

Válvula de asiento
Las válvulas de asiento son de diseño simple y efectivo. Se utilizan principalmente con
función 2/2 y 3/2. Hacen buena estanqueidad y a menudo son una buena elección para
cortar la presión de suministro. El diseño de la junta favorece una rápida apertura.

Válvulas sensibles
Se actúa con una fuerza muy baja. En posición normal, la leva mantiene cerrado un orificio
de purga. El pistón diferencial recibe presión por el lado menor y por el mayor mediante una
restricción en el propio pistón. Una fuerza pequeña levantará el asiento, lo cual permitirá
purgar aire. El caudal a través del pistón es menor que el de purga, por lo que se pierde
presión y el pistón cambia de posición. Si se suelta la leva, el pistón retorna.

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Válvulas de asiento giratorio
No lleva juntas de goma sintética que se deslicen. El actuador rotativo –rojo– asienta plano
sobre la base. Si giramos parcialmente la palanca, controlaremos el caudal.

Tipo de mando
El mando es el mecanismo que acciona la válvula y causa el cambio de estado del sistema.
Los mandos se clasifican en manuales, mecánicos y eléctricos.
Pulsador Pulsador seta Botón giratorio

Pulsador de emergencia Retorno por llave Leva

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Rodillos, normal y escamoteable Pilotaje neumático Pilotaje eléctrico

Función
La función es la variedad de posiciones o estados en los que la válvula puede trabajar. Por
ejemplo, pueden ser 2/2, 3/2, 4/2, 5/2, 3/3, 4/3, 5/3, etc. El primer número es el número de
vías (puertos) principales: entradas, salidas y descargas, sin incluir las líneas dedicadas a
señales de pilotaje. El segundo valor es el número de posiciones (estados). Una válvula 3/2
tiene tres vías y dos posiciones: en reposo y actuada.
Se dice que la función de una válvula es monoestable cuando tiene una sola posición de
reposo estable. En cambio, se dice que es biestable si no tiene una posición de reposo
preferencial, de modo que permanece en cualquier posición hasta que se acciona algún
mando. Normalmente, la función monoestable se consigue mediante muelles de retorno.

2/2 3/2

4/2 5/2

3/3 4/3

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5/3

El tamaño de la conexión aumenta con el tamaño de la válvula y con el caudal máximo que
puede trasegar. Los puertos pueden ser M5, R1/8, R1/4, R3/8, R1/2, R3/4, R1, etc.,
siguiendo la misma progresión que los racores.

La válvula, según su función y la del circuito en que esté, tendrá una u otra aplicación. Las
aplicaciones de las válvulas neumáticas son múltiples, y van desde la más sencilla,
consistente en dar aire o cortar un único camino, hasta el control proporcional preciso de
presión y caudal.

Una válvula estándar puede tener diferentes aplicaciones, dependiendo de la función para la
que ha sido seleccionada en un sistema. Podemos hablar de válvulas de potencia, válvulas
con funciones lógicas, de control o de parada de emergencia. También hay válvulas con
funciones específicas, como la válvula de escape rápido, la de arranque progresivo/descarga
y la de monitorización.
Una válvula de 3 vías es la selección normal para controlar un cilindro de simple efecto, pues
proporciona vías de entrada, salida y escape. En el módulo dedicado a la neumática
proporcional se presentan más ejemplos de aplicaciones de las válvulas neumáticas.

En posición de reposo, producida por el muelle, la válvula está cerrada:

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En posición actuada, producida por el pulsador, la válvula está abierta. El pulsador se debe
mantener activado para que el cilindro llegue al final de su carrera.

6.1.2 Valvulas auxiliares
Las válvulas auxiliares tienen otras funciones que las descritas en la unidad anterior, pero
son muy utilizadas en los circuitos neumáticos para efectuar misiones especiales. Pueden
ser de distintos tipos:
 Válvula reguladora de caudal
 Válvula de apertura rápida
 Válvula de simultaneidad. Función lógica Y.
 Válvula selectora de circuito. Función lógica O.
 Válvula presostatos neumáticos.
 Vávula antiretorno.
 Válvula silenciador.

Válvula reguladora de caudal: Regulador de caudal unidireccional, montado en linea y
ajustable. Caudal libre en una dirección. Caudal estrangulado y regulable en la otra
dirección.

Válvula de apertura rápida: La via 2 se conecta directamente en la culata del cilindro. La via
1 recibe aire de la válvula de control direccional. El aire de la cámara del pistón se evacua
muy rápido, lo cual aumenta su velocidad. El aire pasa por la junta de labios hacia el cilindro.
Cuando la válvula de control cambia, la junta se desplaza a la derecha, de modo que permite
un escape directo al exterior.

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Válvula de simultaneidad. Función lógica Y: Una entrada de aire en cualquiera delas vias 1
hará que el pequeño pistón bloquee la señal. Si entra aire por las dos, una via se bloqueará
y la otra comunicará con 2. Si las presiones no son iguales, la via se bloqueará con menor
presión.

Válvula selectora de circuito. Función lógica O: Si entra la señal de presión neumática por
cualquiera de las vias 1, se tendrá salida de presión por 2. El disco de estanqueidad se
mueve a través de la válvula para cerrar posibles eacuaciones y prevenir perdidas de
presión.

Válvula presostatos neumáticos: La presión de alimentación actua en superficies anulares
diferentes y mantiene la corredera hacia la izquierda. Una débil señal de pilotaje enla via 12
de sólo el 50% de la presión de alimentación es suficiente para mover la corredera. La via 1,
entonces, se comunica con la via 2. Si deaparece la señal, la fuerza diferencial hace que la
corredera retorne.

Válvula antiretorno: Válvula 2/2 que impide la circulación del aire en un sentido. En la
figura caudal obstruido hacia la derecha.

Válvula silenciador: Dispositivo que reduce la intensidad sonora de la descarga del aire.

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6.1.3 Valvulas proporcionales
Durante los últimos años, la utilización de la neumática proporcional ha adquirido un interés
creciente debido a la incorporación de la electrónica en la cadena de mando. Los elementos
neumáticos proporcionales, ya sean válvulas de presión o de caudal, garantizan que la señal
neumática regulada -la presión o el caudal- es proporcional a una señal eléctrica débil que
se utiliza para el gobierno de la válvula en cuestión.
Son numerosas las aplicaciones donde la técnica proporcional se puede aplicar con buenos
resultados.
Las aplicaciones de la neumática proporcional incluyen el control continuo de la presión, o
de la fuerza, y el control del caudal, o del volumen y/o posición.
La neumática proporcional puede ser de presión o de caudal.

Neumática proporcional de presión
Algunas aplicaciones de la neumática proporcional de presión son las siguientes:
 El frenado neumático
 El conformado de piezas por presión
 Las pruebas de fugas de aire
 La soldadura por fricción y la eléctrica

Soldadura por fricción y a eléctrica

Neumática proporcional de caudal
Algunas aplicaciones de la neumática proporcional de caudal son:
 Los sistemas de pintado por pulverización
 Los sistemas de llenado de botellas
 El control de niveles en depósitos

Sistema de pintado por pulverización

Si se quisieran tener cuatro niveles de presión diferentes en un punto de una instalación, y
se optara para ello por la solución convencional, serían necesarias cuatro válvulas
reguladores de presión. En cambio, si usamos la técnica proporcional, es suficiente una sola
válvula y, además, la regulación no está sólo restringida a cuatro niveles de presión, sino a
casi un número ilimitado.

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Desde el momento en que la señal de salida del componente responde siguiendo una señal
de entrada electrónica, se abren infinitas posibilidades para la mejora del control de los
sistemas electroneumáticos. La regulación de los sistemas puede efectuarse mediante
técnicas en lazo abierto o en lazo cerrado. En estos últimos, la señal de mando se modifica
en función del estado del sistema, de forma que se aumenta su precisión y flexibilidad.

De igual modo, el comportamiento interno de la válvula puede ser en lazo abierto o en lazo
cerrado. En las primeras la linealidad de la válvula es responsabilidad exclusiva del
solenoide proporcional, mientras que en las segundas se usan sensores internos de presión
o desplazamiento para garantizar el comportamiento proporcional. En estas últimas, el uso
de sensores cierra el lazo de realimentación y hace que la válvula sea estable ante la
existencia de perturbaciones externas o cambios en el sistema. En cambio, las válvulas con
tecnología proporcional en lazo abierto son más económicas que aquellas con lazo interno
de realimentación y, como contrapartida, pueden resultar adecuadas en numerosas
aplicaciones donde las de lazo cerrado supondrían un coste prohibitivo.

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Respuesta de las válvulas de presión proporcionales

Válvulas de presión con control de lazo cerrado

La señal eléctrica de mando (consigna) puede ser una tensión de 0 a 10 V de corriente
continua, o bien una intensidad de 0 a 20 mA o de 4 a 20 mA. También están disponibles
válvulas proporcionales con tecnología digital. La señal de salida es una presión de rangos
diferentes -véase el eje de ordenadas.

6.2.1 Selección del tamaño de valvula
Para la selección del tamaño más adecuado de una válvula distribuidora, se deben tener en
cuenta las siguientes consideraciones:
 La presión de alimentación.
 La carga aplicada sobre el actuador que gobierna la válvula.
 El acoplamiento entre el actuador y la válvula, y el tipo de regulación de velocidad
usado.
En neumática se sabe que una misma válvula conducirá un caudal diferente en función del
sistema a que esté conectada. La longitud y diámetro de los tubos de conexión, así como el
número de racores usados, afectan mucho al valor del caudal efectivo. Por este motivo, es
necesario el acoplamiento entre el sistema -básicamente, la cámara del cilindro a una
carrera dada- y la válvula, regulador, etc. para definir el flujo de masa circulante.
La gráfica siguiente sirve de guía para relacionar el caudal con el paso de rosca más
adecuado. Los valores de caudal indicados deben servir sólo como referencia o punto de
partida en la selección de la válvula.

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6.2.2 Caudal masico en una valvula
El caudal que atraviesa una válvula no sólo depende de su tamaño, sino también de las
presiones a la entrada, p1, y a la salida, p2. Cuando se representa el caudal en función de la
presión de salida, se obtienen curvas como las siguientes, donde se observa que el caudal
crece cuando aumenta p1 para una misma p2, y que para una misma p1 el caudal alcanza
un valor máximo para un determinado p2 mínimo –línea continua a la izquierda del gráfico.

6.2.3 La norma ISO 6358
La norma ISO 6358 presenta un método de aplicación a todo tipo de componentes
neumáticos destinado a regular, medir, dirigir o conducir el flujo de aire en circuitos
neumáticos.
El método utiliza dos coeficientes, C y b, que deben determinarse experimentalmente para
cada válvula. Para una presión absoluta de entrada a la válvula p1:
El gasto másico es: G  C · p1 ·  T ·  N · 
El caudal normal es: QN  C · p1 ·  T · .
En estas expresiones:
   1 en el caso sónico (es decir, cuando p2/p1  b); y en el caso subsónico:

  T es el factor de corrección de la temperatura de remanso (( T  1).
 r es la relación entre la presión a la salida de la válvula y a la entrada p2/p1.
 b es la relación de presiones crítica.

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ISO 6358 1989 14 p, (G) Transmisiones neumáticas - Elementos atravesados por un fluido
compresible - Determinación de las características del caudal.
La relación entre el caudal volumétrico máximo en condiciones normales de ensayo y la
presión de entrada a la válvula recibe el nombre de conductividad o conductancia del
elemento neumático, C.
Una consecuencia inmediata del empleo de la conductancia es que el caudal máximo a
través de una válvula crece linealmente con la presión p1.
Se llama relación de presiones crítica (b) a la relación de presiones p2/p1 que hace que la
velocidad del aire a través de la válvula sea la del sonido.
Cuando p2/p1  b se dice que la válvula está obstruida o bloqueada, pues el caudal no puede
hacerse mayor aunque se disminuya p 2. En condiciones sónicas sí que aumenta el caudal
cuando lo hace p1.
Para analizar el caudal másico conducido por una válvula hay que tener en cuenta:

 Evolución del caudal en función de b
 Conductancia sónica (C)
 Relación de presiones crítica(b)

Evolución del caudal en función de b
En el gráfico se representa la evolución det caudal por medio tíe la válvula en función de la
relación p2/p1. La presión absoluta p1 es de 5,9 bar.

Conductancia sónica (C)
La conductancia sónica (C) para la válvula de la figura es

Relación de presiones crítica(b)
En la figura, en que la relación de presiones crítica(b) es aproximadamente 0,25, se puede
observar el efecto de válvula obstruida.

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6.2.4 Otros metodos de calculo
La conductancia C se puede relacionar con otros coeficientes que también se emplean en el
cálculo del caudal mediante válvulas. Uno de estos coeficientes es el kv, según el cual el
caudal que pasa a través de una válvula se define como:

En esta expresión medimos QN en Nm3/h, las presiones en bar absolutos y el k v en m3/h/
(kg/L/bar)1/2. El coeficiente kT continúa siendo cercano a la unidad en la mayoría de los
casos.
En condición sónica, el caudal a través de una válvula se define en función del k v como
sigue: QN = 14,3 · kv · p1

6.2.5 Otras consideraciones
Son varias las condiciones de trabajo en presión y temperatura en función de la aplicación.
También se requieren distintos puntos de filtración y lubricación.

Presión:
Las presiones de trabajo para las válvulas van, generalmente, desde vacio hasta 16 bar. La
mayoría de las aplicaciones no trabajan a más de 30 bar. Las electroválvulas de pilotaje
interno pueden trabajar hasta a 1,5 bares. Por debajo de este valor es necesario elegir
pilotaje externo, porque el pilotaje interno puede no funcionar de forma correcta.

Temperatura:
Normalmente, la temperatura de trabajo esté limitada por el material de las juntas. El rango
estándar oscila entre 5 y 60°C de temperatura ambiente.
Para las bobinas, debido a ta generación de calor, la temperatura ambiente máxima es de 50
ºC. Para aplicaciones a bajas temperaturas del orden de -20 ºC, hay que secar el aire hasta
este valor de punto de rocío, y asi se evitará la formación de hielo.

Filtración:
Las válvulas requieren aire limpio y seco, con o sin lubricación. Por norma general, un filtro
estándar de 40 u es suficiente para extraer gotas de agua y panículos sólidas.

Lubricación:
Las válvulas se engrasan cuando se montan. Esto garantiza una larga duración para las
juntas y el cuerpo de la válvula. La duración media de las válvulas será mayor si se usa un
lubricador micro fog. Si se seca el aire, es necesario lubricar a unA temperatura de rocio muy
baja. Es necesario lubricar para temperaturas de trabajo extremas, tanto muy altas como
muy bajas.

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6.3.1 Acoplamiento valvula cilindro
El acoplamiento válvula-cilindro viene condicionado por los siguientes aspectos:
 Las características de flujo de la válvula o válvulas conectadas.
 Las características de flujo y/o pérdidas de presión de los conductos y racores
utilizados.
 Las dimensiones básicas del actuador, diámetros, áreas y carrera total.
 Las condiciones de operación y trabajo del actuador.
El funcionamiento de un actuador neumático se puede determinar en una primera
aproximación con un análisis en régimen permanente basado en las características del
sistema equivalente válvula-conductos-actuador. Sin embargo, el movimiento de un cilindro
no es a velocidad constante durante toda la carrera, sino que se observan tres fases:
aceleración, régimen a velocidad constante y deceleración.
En la práctica ocurre que se trabaja a más presión de la mecánicamente necesaria con el
objetivo de reducir en lo posible el tiempo de ciclo efectivo del proceso, con tramos de
aceleración que abarcan la práctica totalidad de la carrera del cilindro. En estos casos, el
análisis en régimen permanente no resulta útil y se hace necesario plantear el estudio desde
un punto de vista dinámico, normalmente con ordenador.
De este modo, los sistemas neumáticos suelen estar sobredimensionados en presión para el
nivel de esfuerzos que hay que realizar. Esta circunstancia implica ineludiblemente un mayor
consumo de aire comprimido para el mismo volumen desplazado.

6.3.2 Regulacion de la velocidad
De entre los diferentes procedimientos de control de la velocidad en los sistemas neumáticos
destacan la regulación por estrangulación a la entrada y a la salida. La experiencia enseña
que la regulación a la entrada presenta problemas de regularidad a bajas presiones o con
pequeñas inercias como consecuencia del rozamiento que tiene lugar en los cilindros. Estos
problemas son molestos y han hecho que siempre se recomiende regular a la salida.
Aun así, en la práctica está más extendida la regulación a la salida para ambos sentidos del
movimiento, que se realiza con válvulas reguladoras de la velocidad, tal y como se muestra
en la figura.

Otras consideraciones hacen que varios centros de investigación estén estudiando el
sistema de regulación a la entrada. Es cierto que la regulación de velocidad con regulador a
la salida consigue tiempos de ciclo menores que cuando se hace a la entrada, y que la

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diferencia entre ambos procedimientos es mayor cuanto más corto es el cilindro y menor la
presión de alimentación. Sin embargo, sorprendentemente esta diferencia no es muy
significativa. Por otro lado, la regulación a la entrada puede ahorrar hasta un 30% en aire
comprimido. Además, si se tiene en cuenta que los problemas de regularidad en el
movimiento como consecuencia del rozamiento son cada vez menos frecuentes por la
mejora de los sistemas antifricción y del trabajo a altas cargas, no parece haber motivo para
excluir este tipo de regulación.

Por estrangulación en la salida
Cuando se regula en la salida, la antecámara del cilindro se presuriza rápidamente casi a lo
presión de alimentación, mientras que la presión en la camara del vastago aumenta por
encima de la alimentación como consecuencia de la estrangulación.
En este procedimiento el tramo de aceleración es largo porque el transitorio inicial es
notable. Esto nace que en cilindros cortos no se alcance la velocidad de régimen hasta casi
la totalidad del recorrido del cilindro.

Por estrangulación en la entrada
Cuando se regula en la entrada, las presiones p1 y p2 evolucionan de forma diferente a
como lo hacían en el caso anterior. La presión p2 cae rápidamente al cero relativo. mientras
que la presión p1 adopta el valor de rcgimen correspondiente a la carga aplicada, ( ,
aproximadamenle, puesto que también influye el rozamiento).

Las imagenes que se presentan aquí son resultados experimentales para ambos sistemas
de regulación sin carga. El tiempo de ciclo es común e igual a Tc = 2,5 segundos. Se
observa que la regulación en la entrada consume menos aire comprimido porque trabaja a
presiones más bajas que la regulación en la salida. La velocidad a más tiene una mayor
uniformidad en regulación en la entrada, y el retorno a menos es más rápido.

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