Ppios maquinas i circuitos_neumaticos

CIRCUITOS NEUMÁTICOS

Tema 12. CIRCUITOS NEUMÁTICOS

Bloque II.

Máquinas y sistemas técnicos

(Jorge Gómez-García)

CIRCUITOS NEUMÁTICOS 12-2

Preparación del tema 12:

Fuerza: toda causa capaz de producir o modificar el estado de reposo o de movimiento de un cuerpo o de provocarle una deformación.

Trabajo: Es la cantidad de energía consumida al desplazarse un cuerpo (∆r) debido a una fuerza F: rFW ∆= ·

Ley de Hooke: La deformación de muelle es directamente proporcional a la fuerza aplicada sobre él: rKF ∆= ·

El rendimiento (η): es la relación entre el trabajo útil que podemos obtener de dicha máquina y el trabajo motor desarrollado por ella.


Los elementos auxiliares desempeñan diversas funciones: protección, regulación, etc. Ej: los antirretorno y los reguladores de caudal.

Los elementos de protección (fusibles, magnetotérmicos y diferenciales) protegen de sobrecargas a los elementos y a los usuarios.

Los elementos de distribución permiten o impiden el paso de aire y, de este modo, lo suministran a los distintos elementos de trabajo. Son las válvulas.

Los elementos de control (interruptores, conmutadores y pulsadores) permiten controlar el paso de corriente por el circuito o por alguno de los receptores.

Los actuadores neumáticos son los encargados de desarrollar el trabajo. Se denominan genéricamente cilindros.

Los receptores (motores, lámparas, resistencias, etc.) se encargan de transformar la energía eléctrica en otros tipos de energía

Las tuberías canalizan el caudal de aire hasta los elementos de trabajo.

Los conductores permiten el paso de la corriente eléctrica a través de ellos

El grupo compresor se encarga de suministrar la presión necesaria al aire para que pueda circular por el circuito.

El generador suministra a los e-´s la ddp necesaria para que puedan circular por el circuito.

Circuito neumático Circuito eléctrico


Magnitudes Neumáticas Básicas

Presión: Fuerza que se ejerce por unidad de superficie.

;S

Fp =

p=Presión (Pa)

F=Fuerza (N)S=Superficie (m2)

Un Pascal (1Pa) es la presión ejercida por una fuerza de un Newton (1N) cuando se aplica perpendicularmente a una superficie de 1 m2.

Otras unidades 1 bar = 105 Pa1 atm = 1,013 bar = 1,013·105 Pa

Presión máxima admisible (PMA): Máximo valor de presión efectiva aplicable a un elemento.

Presión de entrada (P e): Presión de aire comprimido a la entrada de un elemento.

Presión de salida (P s): Presión que posee el aire a la salida de un elemento.

Presión diferencial (∆P): Diferencia entre la salida y la entrada.

12-4


Magnitudes Neumáticas Básicas

Caudal de un fluido: es el volumen que fluye a través de una sección de un conductor en la unidad de tiempo.

;t

VQ

∆=

Q=Caudal (m3/s)V=Volumen (m3)∆t=tiempo de circulación (s)

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sm

36001

s3600hora

·horam

1horam

1

sm

601

s60min

·minm

1minm

1

sm10

L

m10·

s

L1

s

L1

sm10·

6

1

s60

min

L

m10·

min

L1

min

L1

333

333

3333

3233

==

==

==

==

−−

−−


El aire que rodea la Tierra se encuentra sometido a una presión entorno a 1atm y para utilizarlo en un circuito neumático es necesario aumentar su presión. Esto se consigue por medio del grupo compresor.

Grupo Compresor (I)

El compresor Elemento básico del grupo. • Aumenta la presión del aire que aspira• Suele ir provisto de un filtro para eliminar impurezas que aspira.

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El motor auxiliar: •Encargado de comunicar el movimiento de rotación al eje del compresor. •Puede ser un motor eléctrico o de combustión.

El refrigerador:Desde del compresor, el aire puede alcanzar hasta 150ºC. El refrigerador disminuye esta temperatura hasta 25ºC y elimina hasta un 80% del agua que lleva. •Se hace circular agua fría por un serpentín y el aire se enfría. •Si el caudal de aire es muy grande, se procede de forma contraria: el aire circula por un serpentín que está sumergido en agua fría.


Grupo Compresor (II)

El depósito:• Si la instalación lo requiere, hay un depósito a la salida del refrigerador, donde se amacena el aire comprimido.• Los depósitos llevan dispositivos de seguridad (manómetros, termómetros y válvulas de escape)

La unidad de mantenimiento:La calidad del aire es esencial para el buen funcionamiento y la duración de las instalaciones neumáticas.La Unidad de mantenimiento (FRL) se ocupa de conseguir una buena calidad sometiéndolo a tres operaciones: •Filtración: El Filtro somete al aire a un proceso de centrifugado, proyectando las impurezas contra las paredes del filtro y caen por gravedad. Después pasa por un cartucho filtrante para completar su limpieza. •Regulación: El Regulador asegura una presión estable de aire.•Lubricación: El Lubricador añade aceite nebulizado al aire comprimido para evitar la oxidación de los componentes y asegurar un buen deslizamiento de las partes móviles.

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Grupo Compresor (III)

Representación simbólica de los componentes del grupo compresor. (La colocación puede ser totalmente distinta).

Proceso Completo:• Atmósfera• Filtro Previo• Compresor movido por el motor (combustión o eléctrico)• Refrigerador• Depósito• Unidad de mantenimiento (FRL)• Red de distribución

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Tipos: Compresores de émbolo monofásico.

•Es el más sencillo, donde el giro del eje motor se transforma en movimiento alternativo del émbolo mediante un mecanismo biela-manivela. Salida entre 6 y 7bar.• Suelen utilizar más de una etapa, en cada etapa hay un aumento de presión.• Suelen refrigerarse con agua o aceite (que circula alrededor de la camisa del compresor) o con aletas (que es un método que busca el aumento de la superficie de refrigeración con pequeñas superficies muy delgadas), que se sitúan alrededor de la cámara de compresión.

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El aire se aspira cuando el rotor gira en un determinado sentido y se comprime dentro de la cámara de compresión. ∃muchos tipos, los más importantes:

• de paletas: una serie de paletas radiales sobre el rotor presionan las paredes de la cámara de compresión cuando giran por la Fcentrífuga. Entre cada dos

paletas se crea una pequeña cámara de compresión. Muy silenciosos y con un caudal cte.

• de tornillo: Relativamente nuevos y caros, aunque debido a su bajo desgaste, a largo plazo son ventajosos. Son silenciosos y dan un caudal <8m3/min,

con una presión entre 7 y 14 bar. El funcionamiento se basa en el giro de dos tornillos helicoidales que comprimen el aire que ha entrado por el orificio de aspiración, y lo expulsan hacia el orificio de salida.

Tipos: Compresores rotativos.

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La red de distribución. Las tuberías.

Las tuberías suelen ser de acero o de latón, unidas por soldadura (pero existe oxidación) y por racores biconos o de anillo. También se utilizan otras tuberías de plástico o caucho para pequeños tramos y con bajas presiones, aunque su precio sea elevado.

Se instalan de forma que presenten una ligera inclinación (1,5º) para facilitar que el vapor de agua condensado se deslice y no se acumulen en un lugar indeseado.

Se representan simbólicamente mediante líneas continuas que unen los distintos elementos del circuito neumático.

El diámetro de la tubería es función de:•La velocidad de circulación del aire.•La pérdida de presión.•La presión de trabajo.•La longitud de la conducción.•Estrangulaciones (originadas por los codos o derivaciones).

Estos factores están relacionados, por ejemplo, cuando la velocidad aumenta, la caída de presión también aumenta.

La velocidad que suele alcanzar el aire está entre 6 y 10 m/s y la caída de presión nunca debe ser mayor de 1bar.

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Actuadores Neumáticos

Su función transformar la energía acumulada en el aire comprimido en energía mecánica mediante el movimiento rectilíneo o alternativo. Se denominan cilindros. Un cilindro es un tubo de sección circular constante, cerrado por sus extremos, en cuyo interior se desliza un émbolo solidario con un vástago que atraviesa uno de los fondos. El émbolo divide al cilindro en dos volúmenes llamados cámaras. Dispone de aberturas en las cámaras por las que penetra y sale

el aire. La capacidad de W viene dada por la carrera y el diámetro:• La carrera (L) es el desplazamiento que efectúa el émbolo en el interior del cilindro. De ella depende la longitud de desplazamiento del vástago.• El diámetro (D) determina la superficie del émbolo.

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4

··

2··

22DpD

pSpFππ =

==

F = Fuerza ejercida por el vástagop = Presión de aire (Pa)D = Diámetro del émbolo (m)


Cilindro de Simple Efecto•El desplazamiento por acción del aire comprimido tiene lugar en el sentido de la carrera de avance. El retroceso se debe a otra fuerza interna (muelle) o externa (aire comprimido, electromagnética). El W solo se efectúa en el avance.• Para calcular la fuerza efectiva de un cilindro de simple efecto, además de la presión (p) y el diámetro (D) del émbolo, hay que considerar la resistencia (E) que opone el resorte y el rendimiento (η) del cilindro.

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−

= E

DpFe

2

2·· πη

muelledelaresistenciE

diámetroD

Paairedelpresiónp

ientoren

NefectivafuerzaFe

=====

)(

dim

)(

η


Cilindro de Doble Efecto

El desplazamiento del émbolo se lleva a cabo en la carrera de avance y en la de retroceso. Por lo tanto, hay dos vías que llenan dos cámaras.El cilindro de doble efecto realiza trabajo en el avance y en el retroceso

En el avance, no hay que vencer a ningún muelle la fuerza efectiva viene dada por la expresión:

−

=

=

22

2

22··

2··

dDpF

DpF

er

ea

πη

πη

En el retroceso, la fuerza efectiva es menor, hay que considerar al vástagomenor superficie. La expresión matemática será:

)(

)(

)(

dim

)(

mvástagodeldiámterod

mémbolodeldiámetroD

Paairedelpresiónp

ientoren

NretrocesofuerzaFe

=====

η

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Actuadores Neumáticos

Simbologíay

Aplicaciones

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Elementos de Distribución o Válvulas.

Una VÁLVULA NEUMÁTICA es un dispositivo que dirige y regula el paso del aire comprimido.

Se representan a izquierda y derecha, respectivamente, y se simbolizan de

diferentes modo según el tipo:

Modos de mando y retorno

Vienen indicadas de forma diferente según se trate de una fuente de aire comprimido o una salida libre.

Conexiones

Se indica mediante flechas que se insertan en el interior de cada cuadro.

Sentido circulación

del aire

Viene dado por dos cifras:

•La primera indica el número vías para el aire.

•La segunda indica el número de posiciones.

Tipo de válvula


Es la válvula más elemental. Dispone de dos vías para el aire y dos posiciones de control o trabajo.Ej: Vamos a analizar el funcionamiento de una válvula 2/2 NC del tipo corredera con mando manual y retorno neumático.

En la reposo o en la posición inicial, la entrada del aire por la vía 1 está bloqueada. La válvula impide el paso del aire.

Al presionar el vástago de forma manual, se conectan las vías 1 y 2, por lo que el aire a presión puede circular a través de la válvula

Al cesar la presión sobre el vástago, el aire que penetra por el mando de retorno obliga a ascender al vástago y la válvula queda cerrada.

Válvula 2/2

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Válvula 3/2Este tipo de válvula dispone de tres vías para el aire y dos posiciones de control o trabajo.Ej: Funcionamiento de una válvula 3/2 NC con mando manual y retorno por resorte.

En reposo, la vía 1 está bloqueada mientras las vías 2 y 3 quedan comunicadas para el escape o la descarga de aire.

Al presionar el vástago, la vía 1 queda comunicada con la 2 y el aire a presión pasa a través de la válvula. La vía de salida 3 queda bloqueada.

Al cesar la presión el muelle obliga a ascender hasta su inicio. Se bloquea la entrada de aire a presión y se permite la salida por la vía 3.

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Elementos Auxiliares: Desempeñan funciones de regulación y control.

Válvulas antirretorno

Válvulas de doble efecto o selectores de circuito

Válvulas reguladoras de caudal.

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Válvulas antirretorno

•En posición de reposo, el paso del aire a través de la conducción está bloqueado.

•Cuando el aire pretende circular en el sentido permitido, la presión vence la resistencia del resorte y se abre la conducción.

•Se clasifican según su diámetro y el caudal máximo que permiten.

•Permiten la circulación del aire por las tuberías de un determinado sentido y la impiden en sentido contrario. Para ello, disponen de un resorte unido a una pieza de cierre.

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Válvulas de doble efecto o selectores de circuito

•Por el contrario, si el aire penetra por la vía 3, el desplazamiento del pistón se produce en sentido contrario y se bloquea la vía 1. La salida del aire tendrá lugar también por la vía 2.

• Tienen forma de T y suelen instalarse en las ramificaciones del circuito para seleccionar la fuente de alimentación.

• Disponen de tres vías de entrada de aire y de un pequeño pistón P puede desplazarse por el interior para bloquear alternativamente una u otra entrada.

•Si el aire entra por la vía 1, la presión obliga al pistón a desplazarse de tal modo que bloquea la vía 3. El aire sale entonces por la vía 2.

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Válvulas reguladoras de caudal.

• Se trata de válvulas que disponen de un tornillo mediante el cual se aumenta o disminuye la sección del conducto, lo que permite la regulación del caudal de aire que circula.

• Suelen instalarse a la salida de las cámaras de los cilindros, De este modo, puede regularse la velocidad de desplazamiento del émbolo en su movimiento de avance.

• Las características técnicas de estas válvulas vienen indicadas por el número de vueltas del tornillo y por el caudal máximo de admisión.

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Ejercicios:

1.- Calcula la fuerza de un cilindro de doble efecto que tiene las siguientes características:Diámetro del cilindro: 80mmDiámetro del vástago: 25mmPresión de trabajo: 6kp/cm2

2.- Tenemos el mismo cilindro del ejercicio anterior. Supongamos ahora que el cilindro tiene una carrera de 700mm y efectúa 5 ciclos por minuto. ¿Cuál es el consumo de aire de dicho cilindro?

3.- ¿Qué ventajas crees que tiene el cilindro de doble efecto?

4.- Queremos diseñar un cilindro de simple efecto que utilice en su funcionamiento un volumen de aire de 800cm3, cuya presión de trabajo sea 12,3kp/cm2 y cuya longitud sea 29 cm.a) halla el diámetro de este cilindro.b) Calcula las fuerzas de este cilindro.

5.- Un cilindro de doble efecto tiene un diámetro de émbolo de 80 mm y un diámetro de vástago 25 mm. La presión de trabajo es de 6 bar. .- ¿Cuál es la fuerza teórica que el cilindro entrega en su carrera de avance y retroceso?

6.- Un cilindro de doble efecto se mueve con aire comprimido, el diámetro del vástago mide 20 mm, la presión de trabjo es de 6 bar, la carrera de 500mm. Se quiere conocer el volumen de aire, en condiciones normales y temperatura constante, que se necesita para este cilindro. Actividades:

1.- Diseña un mando directo de un cilindro de simple efecto. Material necesario: 1 cilindro de simple efecto y 1 distribuidor 3/2.

2.- Traza dos circuitos capaces de mandar desde distintos puntos a un cilindro de simple efecto. Material necesario: 2 cilindros de simple efecto, 4 distribuidores 3/2 y 2 válvulas de corredera.

3.- Diseña dos circuitos capaces de mandar de forma condicional a un cilindro de simple efecto. Material necesario: 2 cilindros de simple efecto, 4 distribuidores 3/2 y 2 válvulas Y.

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