Introducción
La neumática se basa en el estado de aire comprimido como elemento de trabajo. Su utilización esta sometida a ciertas limitaciones de fuerza y velocidad, es decir, con ella se obtiene grandes velocidades para fuerzas pequeños.
Una de las fuentes de energía más utilizadas es el aire comprimido, sobre todo en aquellas máquinas en las que es necesaria una energía gradual y segura, y en las que exista el peligro de frecuentes accidentes derivados de contactos involuntarios con las líneas de alimentación eléctrica.
En la instalación de aire comprimido hay que considerar tres elementos básicos:
El generador del aire comprimido (compresor)
La instalación de conducción
El elemento que emplea la energía acumulada en forma de aire comprimido (martillos, cabrestantes, motores, etc.)
CAPITULO I
Sistema neumático
1.1. Neumática. La neumática se basa en el estado de aire comprimido como elemento de trabajo. Su utilización esta sometida a ciertas limitaciones de fuerza y velocidad, es decir, con ella se obtiene grandes velocidades para fuerzas pequeños Fig. 01.
Fig. 01
1.1.1. Fundamento físico. Para una mayor economía del empleo del aire comprimido, es preciso conocer previamente los fundamentos físicos de esta técnica, razón por la cual vamos hacer una serie de consideraciones teóricas.
Ciclos isotérmicos y adiabáticos
Leyes de los gases
Comparación entre los diversos tipos de compresión y expansión
Trabajo realizado en los ciclos de compresión monofásica
Trabajo de lo ciclos polifásicos, adiabáticos.
Trabajo mínimo de una compresión polifásica
1.2 Ventajas del neumático:
a) Utilización del aire comprimido como elemento de trabajo, ya que es muy fácil de conseguir.
b) Se puede aplicar en casi todas ramas de la producción industrial, como es la minería y otras ramas afines.
Desventajas:
a) Escape produce ruido. Este problema es fácil de resolver utilizando materiales insonorizantes Fig.2.
Fig. 2
b) Para fuerzas muy elevadas el aire comprimido resulta caro, en este caso recurrir a hidráulica Fig.3 y Fig.4.
Fig. 3
Fig. 4
Fundamento básico de mecánica de fluidos.
a) Presión absoluta (pa). Es la relación del peso con el aire Fig. 5.
Pa = F / A
Fig. 5
b) Presión Atmosférica (pat). La presión es debida al peso del aire y suele considerarse constante. A nivel del mar la presión es 1 bar Fig. 6.
p = w / A
Fig. 6
c) Presión relativa o manométrica (pm). Es la presión en el interior de cualquier cuerpo entre absoluta y la atmosférica Fig.7 y diagrama de presión.
pm = pa – pat
Fig. 7
Diagrama de presión
1.5. Potencia neumático (P). Es igual producto de la fuerza por la velocidad. En este caso de potencia neumática será la fuerza que ejerce aire comprimido sobre el émbolo del cilindro por la velocidad que obtiene el émbolo Fig. 8. y Fig. 9
P = F. v
Fig. 8
Fig.9
Propiedades de aire.
Es la compresibilidad una de las propiedades Fig. 10.
Fig. 10
En neumática el fluido de trabajo es el aire
En todo los neumáticos se utiliza aire comprimido como fluido
El aire, como todo los gases, adopta la forma del recipiente que la contiene
La Ley que rige este fenómeno es la Ley de Boyle. Por todo ello permite ser comprimido.
Ley de Boyle.- A temperatura constante el producto de presión por el volumen de un gas es constante Fig. 11.
P1 . V1 = P2 . V2 = Constante
Fig. 11
Trabajo realiza se expresa de la siguiente forma
W = (k / k-1).P1 . V1 ((P2/ P1)k-1/k- 1) para monofásica
1.7. Propiedades del aire comprimido.
La neumática es una de las maneras más simples y económicas de solucionar algunas problemas, de automatización. Esto es debido a las propiedades del aire comprimido. Y se tienen las siguientes propiedades:
a) Abundancia. Esta disponible para su compresión en todo el mundo en cantidades ilimitadas Fig.12.
Fig. 12
b) Almacenaje. El Aire comprimido puede almacenarse en un depósito. El compresor no tiene por que permanecer continuamente en servicio Fig. 13..
c) Temperatura. Las propiedades químicas del aire comprimido no varían con la temperatura.
d) Transporte. El aire comprimido puede transportarse cómodamente mediante tuberías, cañería, mangueras de alta presión Fig. 14.
Fig.14
e) Limpio, El aire comprimido es limpio y siempre que no se produzca estanqueidad en las tuberías o elementos, no produce ningún ensuciamiento Fig.15.
Fig. 15
f) Antideflagrantes. Al no existir riesgo de explosión, ni encendió, no es necesario disponer de costosas instalaciones antideflagrantes Fig.16.
Fig.16
g) Velocidad. La velocidad que se obtiene en el aire comprimido es muy elevada.
h) Construcción de los elementos. Los elementos de trabajo son simples y de económicos Fig.17
.
Fig. 17
i) Sobrecargas. En los elementos neumáticos no hay riesgo de sobrecarga Fig.18.
Fig.18
j) Preparación. Para la utilización de aire comprimido es necesario eliminar impurezas y humedad Fig.19.
Fig.19
1. Filtro Primario
2. Manómetro
3. Filtro secundario
k) Compresible. Con aire comprimido no se puede obtener velocidades uniformes y constantes en los cilindros.
1.8. Producción de aire comprimido.
Para la producción de aire comprimido se utilizan compresores, la función principal de un compresor es la de aspirar a una presión atmosférica y elevada. Es de gran importancia que el aire sea lo más puro posible para que el compresor tenga una larga duración o larga vida útil Fig.20.
Fig.20
Compresor de aire.
Los compresores para uso general suelen ser volumétricos. Tienen su fundamento en la disminución de volumen y, con ello, el aumento de presión.
Tipos de compresores.
Según las exigencias referentes a la presión de trabajo y al caudal de suministro, se pueden emplear diversos tipos de construcción.
Se distinguen dos tipos básicos de compresores:
A) El primero trabaja según el principio de desplazamiento. La compresión se obtiene por la admisión del aire en un recinto hermético, donde se reduce luego el volumen. Se utiliza en el compresor de émbolo (oscilante o rotativo).
B) El otro trabaja según el principio de la dinámica de los fluidos. El aire es aspirado por un lado y comprimido como consecuencia de la aceleración de la masa (turbina).
Otra forma de tipos de compresores
A) Compresores rotativos
1.- Compresor rotativo multicelular.-Un rotor excéntrico gira en el interior de un cárter cilíndrico provisto de ranuras de entrada y de salida. Las ventajas de este compresor residen en sus dimensiones reducidas, su funcionamiento silencioso y su caudal prácticamente uniforme y sin sacudidas.
El rotor está provisto de un cierto número de aletas que se deslizan en el interior de las ranuras y forman las células con la pared del cárter. Cuando el rotor gira, las aletas son oprimidas por la fuerza centrífuga contra la pared del cárter, y debido a la excentricidad el volumen de las células varía constantemente.
Tiene la ventaja de generar grandes cantidades de aire pero con vestigios de aceite, por lo que en aquellas empresas en que no es indispensable la esterilidad presta un gran servicio, al mismo tiempo el aceite pulverizado en el aire lubrica las válvulas y elementos de control y potencia.
2.- Compresor de tornillo helicoidal, de dos ejes.- La relación de compresión en estos tipos de compresores esa fijo. Las superficies helicoidales de los tornillos necesitan ser lubricadas, introduciendo aceite len las cámaras de aspiración.
A la salida de la etapa de compresión el aire sale mezclado con el aceite que es recuperada e inyectado a la cámara de aspiración Fig. 21 y Fig.22.
Fig.21
Fig. 22
Dos tornillos helicoidales que engranan con sus perfiles cóncavo y convexo impulsan hacia el otro lado el aire aspirado axialmente. Los tornillos del tipo helicoidal engranan con sus perfiles y de ese modo se logra reducir el espacio de que dispone el aire. Esta situación genera un aumento de la presión interna del aire y además por la rotación y el sentido de las hélices es impulsado hacia el extremo opuesto.
Los ciclos se traslapan, con lo cual se logra un flujo continuo. A fin de evitar el desgaste de los tornillos, estos no se tocan entre si, ni tampoco con la carcasa, lo cual obliga a utilizar un mecanismo de transmisión externo que permita sincronizar el movimiento de ambos elementos.
Entrega caudales y presiones medios altos (600 a 40000m³/h y 25 bar) pero menos presencia de aceite que el de paletas. Ampliamente utilizado en la industria de la madera, por su limpieza y capacidad.
3.- Compresor Roots.-En estos compresores, el aire es llevado de un lado a otro sin que el volumen sea modificado. En el lado de impulsión, la estanqueidad se asegura mediante los bordes de los émbolos rotativos.
Como ventaja presenta el hecho que puede proporcionar un gran caudal, lo que lo hace especial para empresas que requieren soplar, mover gran cantidad de aire, su uso es muy limitado.
El accionamiento también se asegura exteriormente, ya que por la forma de los elementos y la acción del roce no es conveniente que los émbolos entren en contacto como en la figura siguiente.
B) Compresores alternativos.
1.-Compresores de émbolo o pistón. Este tipo de compresores son los más utilizado0s actualmente. Son muy apropiados, para comprimir a baja, media o alta presión Fig.23. Compresor de émbolo oscilante. Este es el tipo de compresor más difundido actualmente. Es apropiado para comprimir a baja, media o alta presión. Su campo de trabajo se extiende desde unos 1 .100 kPa (1 bar) a varios miles de kPa (bar).
Los compresores de émbolo oscilante pueden refrigerarse por aire o por agua, y según las prescripciones de trabajo las etapas que se precisan son:
Fig.23
La relación de compresión no es fija esto es, se puede comprimir todo el aire que introduzcamos en el compresor. Estos compresores pueden ser:
1. Monocilindricas
Vertical
Horizontales
2. bicilindricas
Verticales
Horizontales o opuestos
En V
3. Tricilindricas
En W
Funcionamiento. Al descender el émbolo, el aire entra en la cámara por si solo. Cuando la presión exterior es mayor que la interior, la válvula de entrada (admisión) se abrirá dejando pasar el aire. Una vez dentro, el émbolo sube, aumentando la presión interior. La válvula de salida (escape) se abre y el aire sale
Este compresor funciona en base a un mecanismo de excéntrica que controla el movimiento alternativo de los émbolos en el cilindro. Cuando el émbolo hace la carrera de retroceso aumenta el volumen de la cámara por lo que aumenta el volumen de la cámara, por lo que disminuye la presión interna, esto a su vez provoca la apertura de la válvula de admisión permitiendo la entrada de aire al cilindro.
Una vez que el émbolo ha llegado al punto muerto inferior inicia su carrera ascendente, cerrándose la válvula de aspiración y disminuyendo el volumen disponible para el aire, esta situación origina un aumento de presión que finalmente abre la válvula de descarga permitiendo la salida del aire comprimido ya sea a una segunda etapa o bien al acumulador.
Después el émbolo baja descendiendo a presión del interior abriéndose de nuevo la válvula de entrada (admisión).
Esquema básico del funcionamiento de un compresor de émbolo Fig. 24.
Fig.24
2,-Compresor de dos etapas. Para obtener presiones muy altas, se necesitan varias etapas de compresión. Durante la compresión se genera una cantidad de calor que se evacua con un sistema de refrigeración. En estos casos se utiliza un compresor de dos etapas con refrigeración intermedia Fig.25. y el silenciador es para que haga ruido Fig.26.
Fig.25
Fig.26
Estos compresores tienen dos ventajas fundamentales:
Consume menos potencia
Las temperatura son muy bajas
3.- Compresor de Diafragma (Membrana)
Este tipo forma parte del grupo de compresores de émbolo. Una membrana separa el émbolo de la cámara de trabajo; el aire no entra en contacto con las piezas móviles. Por tanto, en todo caso, el aire comprimido estará exento de aceite Fig. 26.a.
El movimiento obtenido del motor, acciona una excéntrica y por su intermedio el conjunto biela – émbolo. Esta acción somete a la membrana a un vaivén de desplazamientos cortos e intermitentes que desarrolla el principio de aspiración y compresión. Debido a que el aire no entra en contacto con elementos lubricados, el aire comprimido resulta de una mayor pureza, por lo que lo hace especialmente aplicable en industrias alimenticias, farmacéuticas, químicas y hospitales
Fig. 26.a
C. Turbocompresores (compresores dinámicos)
Trabajan según el principio de la dinámica de los fluidos, y son muy apropiados para grandes caudales. Se fabrican de tipo axial y radial. El aire se pone en circulación por medio de una o varias ruedas de turbina. Esta energía cinética se convierte en una energía elástica de compresión.
1.- Compresor Axial.- El proceso de obtener un aumento de la energía de presión a la salida del compresor se logra de la siguiente manera.
La rotación acelera el fluido en el sentido axial comunicándole de esta forma una gran cantidad de energía cinética a la salida del compresor, y por la forma constructiva, se le ofrece al aire un mayor espacio de modo que obligan a una reducción de la velocidad.
Esta reducción se traduce en una disminución de la energía cinética, lo que se justifica por haberse transformado en energía de presión.
Con este tipo de compresor se pueden lograr grandes caudales (200.000 a 500.000 m³/h) con flujo uniforme pero a presiones relativamente bajas (5 bar).
La rotación de los alabes acelera el aire en sentido axial de flujo.
2.-Compresor Radial.-En este caso, el aumento de presión del aire se obtiene utilizando el mismo principio anterior, con la diferencia de que en este caso el fluido es impulsado una o más veces en el sentido radial.
Por efecto de la rotación, los alabes comunican energía cinética y lo dirigen radialmente hacia fuera, hasta encontrarse con la pared o carcasa que lo retorna al centro, cambiando su dirección.
En esta parte del proceso el aire dispone de un mayor espacio disminuyendo por tanto la velocidad y la energía cinética, lo que se traduce en la transformación de presión. Este proceso se realiza tres veces en el caso de la figura, por lo cual el compresor es de tres etapas. Se logran grandes caudales pero a presiones también bajas. El flujo obtenido es uniforme.
Aceleración progresiva de cámara a cámara en sentido radial hacia afuera; el aire en circulación regresa de nuevo al eje. Desde aquí se vuelve a acelerar hacia afuera.
D) Otros compresores.
Existen también los compresores de paletas deslizantes y el compresor roots. Los compresores de paletas o aletas deslizantes rara vez se fabrican para presiones de salida superiores a los 6 Kg. /cm2 a un que hay fabricantes de renombre que los fabrican para las presiones unificada de 7 Kg./cm2 equivalente a 100 PSI.
El rendimiento de estas compresoras es inferior al de lo compresores rotativos y alternativos.
Sistema de refrigeración.
Pueden ser refrigerados por agua y aceite
Mecanismo neumático.
En este caso se verá el funcionamiento básico de un mecanismo neumático. Este consta del grupo de producción de aire comprimido (compresor, depósito, filtro, reguladores, válvulas de compuertas, manómetro, actuadores y elementos de control de mando, etc.) Fig. 27.
Fig.27
Con neumática la fuerza y la velocidad que se obtienen son limitadas si comparamos con la hidráulica la fuerza que se obtiene es mucho menor pero por el contrario la velocidad de ejecución será mayor Fig.28.
Fig.28
Elección de un compresor.
a) Caudal. La cantidad de aire comprimido por unidad de tiempo, que solo del compresor.
b) Presión.
Presión de servicio
Presión de trabajo Fig. 29.
Fig.29
c) Accionamiento del compresor
Motor eléctrico (baja presión)
Motor a gasolina ( mediana presión)
Motor Diesel ( altas presiones)
d) Lugar de emplazamiento.
El lugar de emplazamiento de un compresor debe ser un local cerrado e insonorizado y el aire que aspira el compresor debe ser lo más limpio, fresco y seco posible.
El depósito y elementos de grupo de producción se pueden colocar tanto dentro o fuera del local donde se encuentra el compresor Fig.30.
Fig.30
Vació. Es la ausencia de toda materia y es una presión inferior a la atmosferita y se expresa generalmente en milímetro de mercurio fig.31.
Fig.31
Componentes principales del cilindro de simple efecto Fig.32..
Fig.32
1. Camisa del cilindro
2. Culata anterior y posterior
3. Émbolo con vástago o biela
4. Muelle de recuperación o resorte
5. Juntas de estanqueidad (empaquetadoras)
6. Cojinetes (rodamientos)
7. Orificio de salida (escape)
Fig. 33
Simple efecto
Estanqueidad.- Es el elemento que se coloca en un componente neumático para evitar fugas.
Componentes principales del cilindro de doble efecto Fig.34 y fig.35
Fig.34
1. Camisa del cilindro
2. Émbolo con vástago o biela
3. Culata posterior
4. Culata superior
5. Juntas de estanqueidad (empaquetadoras)
Fig. 35
1.8.7.1. Fuerza.-La fuerza se realiza sobre el émbolo y depende de la presión de aire y del diámetro del émbolo Fig.36.
F = p . A
Fig.36
1.8.7.2. Fuerza de rozamiento (Fr).- En la práctica hay que tener encuenta los rozamientos que se producen entre el émbolo y la camisa del cilindro. Normalmente se puede considerar que las fuerzas de rozamiento son de un 3 a 20 % de la fuerza teórica Fig.37.
Fig.37
A) Fuerza normal simple efecto Fig.38..
Fig.38
Donde: Fn = Fuerza normal
Fn = Ft – (Fr – Fm) Ft = Fuerza teórica
Fr = fuerza de rozamiento
Fm = Fuerza motriz
B) Fuerza normal de doble efecto (fuerza efectiva o real)Fig.39
Fig.39
Fn = A . p – Fr Donde: A = Área
p = presión
C) Fuerza efectiva de retorno Fig.40.
Fig.40
Fn = A`. p – Fr donde: A` = II/ 4(D2 – d2)
Ejemplos:
1.-Se tiene como datos de la partida las características técnicas del cilindro de doble efecto.
D = 40 mm. de cilindro
d = 10 mm. de biela
Fr = 10 % valor medio
P = 6 bar = 6×105 Pa Presión de trabajo.
Solución:
A = 1,25×10-3 m2
A` = 1,17×10-3 m2
Fuerza real de empuje del émbolo en avance.
Fn = A.p – Fr Ft = 1,25×10-3 m2 x 6×105 Pa = 750 N
Fn = 750 – 750x 0,10 = 675 N
Fuerza real de empuje en el retorno:
Fn = A`.p – Fr Ft = 1,17×10-3 m2 x6x105 N/m2 = 702 N
Fn = 702 – 702×0,10 = 632 N.
En la industria automatización neumática Fig.41 y 42
Existen ejecuciones que los cilindros normales no pueden realizar. En estos casos se utilizan cilindros especiales y se tienen tales como:
a) Cilindro tandem
b) Cilindros sin vástago
c) Cilindro de doble vástago
Fig.41
Fig.42
a) Cilindro tandem.-Este tipos se utiliza cuando no es posible obtener la fuerza requerida con la presión máxima disponible en el sistema o con un cilindro de diámetro mayor.
Están constituidas por dos de doble efecto montados uno detrás de otro con vástago compartido Fig.43 y 44.
Fig.43
Fig.44
b) Cilindro sin vástago.-El cilindro neumático sin vástago es un elemento conocido desde hace pocos años Fig.45. Comparándolo con los cilindros neumáticos normales, cuentan con varias ventajas importantes como son:
Requieren poco espacio para su montaje
Obtienen de largas carreras
No, requieren de guías, ni soportes externos para el vástago.
Fig.45.
c) Cilindro de doble vástago.-En este tipo de cilindros, se utilizan cuando es necesario acoplar una carga a ambos lados del vástago, o cuando se necesario que la velocidad y fuerza en los dos sentidos sea la misma Fig.46.
Fig.46
Motores de aire comprimido
Estos elementos transforman la energía neumática en energía mecánica de rotación. Se emplean principalmente:
1. Motores de paletas
2. Motores de émbolos
Sus características son:
Son capachos y ligeros
El arranque y parada es rápido
Pueden trabajar en velocidades variables
Motores de paletas. Son los motores que más se utilizan en la automatización neumática Fig.47. Estos se emplean también en herramientas neumáticos tales como taladros, atornilladores, perforaciones, etc.
Fig.47
Componentes principales:
Rotor
Segmentos (anillos)
Paletas
Excentricidad
Motores de émbolos Fig.48. Se tienen dos tipos:
1.-Motores de émbolos radiales
2.-Motores de émbolos axiales.
Fig.48
1. Motores de émbolos radiales.-Los émbolos están colocadas radialmente dentro de un bloque cilíndrico. Este está accionado por el eje del motor y gira dentro de un segmento (anillo) circular. El bloque cilíndrico envuelve un pivote que tiene dos aberturas la de entrada y la de salida Fig.49
Fig.49
2. Motores de émbolos axiales. Este tipo de motor, el eje y el bloque de émbolos están alineados. Su funcionamiento de este tipo de motor es idéntico al de émbolos radiales Fig.50.
Fig.50
Componentes básicos:
2. Válvulas
3. Válvula de distribución
4. Vías y de posición
5. Válvula correderas
6. Válvula dos vías
7. válvula de tres vías
8. Válvula 3/3
9. Válvula de 4 vías
10. Válvula de 4/3
11. Válvula de 5 vías
12. Válvula de 5/3
13. Palanca o pedal
Accionamiento mecánico
Accionamiento neumático
Accionamiento eléctrico
14. Válvula de ante retornó
15. Válvula de escape rápido
16. Válvula de regulación de presión
17. Válvula limitadora
18. Válvula de caudal
1.10.-Aplicaciones:
1.-Se tiene como datos de la partida las características técnicas del cilindro de doble efecto.
D = 50 mm. de cilindro
d = 20 mm. de biela
Fr = 15 % valor medio
P = 7 bar
Calcules: a) El área de ida y retorno b) fuerza de empuje c) fuerza de empuje en el retorno.
Fuerza real de empuje del émbolo en avance.
2.- Se hade llenar con aire un depósito de 10 m3 en 40 min. a una velocidad de corriente de aire de 3,5 m/s. Calcule el diámetro de la cañería de alimentación en mm.
3.- La velocidad en una cañería de ancho nominal de 60 mm. es de 4 m/s. ¿Cuál es la velocidad en la parte de cañería escalonada a un tamaño de ancho nominal de 50 mm.?
Autor:
Ing. Dionicio Gutierrez Quispe
Docente
UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN ANTONIO ABAD DEL CUSCO
DEPARTAMENTO ACADEMICO DE MINAS
CUSCO – PERÚ
2011