Circuitos neumáticos e hidráulicos.

Transcripción

1 Circuitos neumáticos e hidráulicos. 1. Magnitudes fundamentales. 2. Elementos de un circuito neumático. a. Compresor. b. Acondicionamiento del aire comprimido. c. Depósito. d. Distribución del aire comprimido. e. Actuadores. f. Válvulas. g. Sensores. 3. Circuitos neumáticos.

2 MAGNITUDES FUNDAMENTALES Presión La presión es la relación que existe entre la fuerza que se ejerce sobre un cuerpo y su superficie. P=F/S En el sistema internacional la unidad de presión es el Pascal (Pa) dado que la unidad de medida de la fuerza es el Newton (N); la de la 2 2 superficie el metro cuadrado (m ) 1 Pa es igual a 1 N/ m. No obstante la presión nos viene dada a menudo en atmósferas. Bares, kilopondios por centímetro cuadrado, etc. 5 1 bar = 1 atm = 10 Pa = 1 kp/cm 5 La presión atmosférica es la presión que ejerce el aire de la atmósfera sobre cualquier cuerpo. Su valor es de 10 Pa. La presión se mide con el manómetro que nos proporciona una medida de presión relativa. La relación existente entre la presión absoluta y la relativa viene dada por la fórmula: Presión absoluta = Presión relativa + Presión atmosférica Caudal El caudal expresa la cantidad de fluido que circula por una tubería por unidad de tiempo. q=v/t Donde: 3 q representa al caudal se expresa en m /s en el SI. 3 V al volumen expresado en m en el SI. t al tiempo en segundos. El caudal suele ser expresado en litros por segundo (l/s), aunque también lo podemos encontrar en litros por minuto (l/mim). metros 3 3 cúbicos por minuto (m /min) o metros cúbicos por hora (m /h) Trabajo (W) El trabajo suele definirse (trabajo mecánico) como el producto de la fuerza por la distancia, aunque hay otros tipos de trabajo que se medirán de otras maneras, desde el punto de vista neumático que es el que más nos interesa W= fuerza espacio= F e W= presión superficie espacio superficie espacio = Volumen W= P V 2/27

3 Fundamentos físicos para gases: Ley de los gases perfectos Las relaciones matemáticas utilizadas para presiones del aire inferiores a los 12 bares, son las correspondientes a las de los gases perfectos. La ley de los gases perfectos relaciona tres magnitudes, presión (P), volumen (V) y temperatura (T), mediante la siguiente fórmula: P V =m R T Donde : P = presión (N/m2). V = volumen especifico(m3/kg). m = masa (kg). R = constante del aire (R = 286,9 J/kg ºk). T = temperatura (ºk) Las tres magnitudes pueden variar, pero si mantenemos constante una de ellas podemos predecir el comportamiento de las otras. Veámoslo en unos ejemplos: 3/27

4 Un volumen de aire de 0,5 m3 a una temperatura de 25 ºC se calientan hasta una temperatura de 90 ºC. Determinar el volumen final de aire y lo que se ha incrementado. Si tenemos una jeringuilla que contiene 0,02 m 3 de aire comprimido a presión 1 atm. Cual será el volumen que ocupa dicho aire si sometemos la jeringuilla a una presión de 2 atm.? 4/27

5 Fundamentos físicos para líquidos: Principio de Pascal Cuando el fluido que utilizamos no es el aire, si no un líquido que no se puede comprimir, agua, aceite u otro. Los fundamentos físicos de los gases se cumplen considerando el volumen constante. Una consecuencia directa de estos fundamentos es el Principio de Pascal, que dice así: Cuando se aplica presión a un fluido encerrado en un recipiente, esta presión se transmite instantáneamente y por igual en todas direcciones del fluido. Como aplicación podemos ver como dos pistones unidos mediante un fluido encerrado, si le aplicamos una fuerza (F1) a uno de ellos, se transmite la presión hasta el otro, y produce una fuerza (F2) en el segundo. Las ecuaciones que rigen este principio son: P = F 1/ S 1 P=F2/S2 Donde: P = presión, F = fuerza, S = superficie. Igualando las presiones podemos poner : F1/S1=F2/S2 Nos dice que en un pistón de superficie pequeña cuando aplicamos fuerza, esta se transmite al pistón de superficie grande amplificada o a la inversa. 5/27

6 ELEMENTOS DE UN CIRCUITO NEUMÁTICO ESQUEMA BÁSICO DE UN CIRCUITO NEUMÁTICO 1. El compresor aspira aire atmosférico, aumentando su presión y generando aire comprimido. 2. Este aire alimenta el resto de la instalación a través de un conjunto de conducciones diseñadas para tal fin. 3. La circulación del aire comprimido se controla a través de un conjunto de válvulas. 4. Las válvulas regulan el funcionamiento de los actuadores, en los que se transforma la energía acumulada por el aire comprimido en energía mecánica. Ventajas y desventajas de los automatismos neumáticos: Ventajas Desventajas El aire abunda en la tierra. El aire no posee propiedades explosivas, por lo que no existen riesgos de chispas. En circuitos muy extensos se producen pérdidas de cargas considerables. Los actuadores pueden trabajar a velocidades razonablemente altas y fácilmente regulables. Requiere de instalaciones especiales para recuperar el aire previamente empleado. Las sobrecargas no constituyen situaciones peligrosas o que dañen los equipos en forma permanente. Las presiones a las que trabajan normalmente, no permiten aplicar grandes fuerzas. Altos niveles de ruido generados por la descarga del aire hacia la atmósfera. Los cambios de temperatura no afectan en forma significativa. Energía limpia. Veamos a continuación cada uno de los elementos de un circuito neumático con más detalle. Compresor Para producir aire comprimido se utilizan compresores que elevan la presión del aire al valor de trabajo deseado. El aire que se introduce en el compresor debe ser lo más puro posible por lo que antes de introducirse en el compresor será conveniente hacerlo pasar por un filtro de aire. Existen básicamente dos tipos de compresores: 6/27

7 Compresores alternativos: constan de una válvula de admisión y otra de escape. Al descender el émbolo (debido al movimiento circular del eje de un motor al que va conectado mediante una biela-manivela) se ábrela válvula de admisión y se absorbe el aire atmosférico; al ascender el émbolo se cierra la válvula de admisión y se abre la de escape permitiendo la salida de aire comprimido a alta temperatura. Alrededor del pistón se sitúan aletas de refrigeración para descender la temperatura del aire comprimido. Para conseguir aire a presión más elevada se utilizan compresores de varias fases, en los cuales el aire es comprimido en distintas fases y el aire comprimido, a la salida de una fase, se refrigera y se introduce en otra fase donde otro émbolo realizará una nueva. Compresores rotativos: el aire aspirado se comprime al ir aumentando su velocidad. En ellos el nivel de ruidos es inferior. Se utilizan para presiones de aire inferiores a las anteriores. Un ejemplo de este tipo de compresores es el compresor radial de paletas: un rotor excéntrico, dotado de paletas gira en un alojamiento cilíndrico. La estanqueidad en rotación se asegura por la fuerza centrífuga que comprime las paletas sobre la pared. La aspiración se realiza cuando el volumen de la cámara es grande y compresión se produce al disminuir el volumen progresivamente hacia la salida. Acondicionamiento del aire comprimido Los compresores aspiran aire húmedo y sus filtros de aspiración no pueden modificar esto, ni eliminar totalmente las partículas contenidas en el aire atmosférico del lugar donde esté situado el propio compresor. La durabilidad y seguridad de funcionamiento de una instalación neumática dependen en buena forma del acondicionamiento del aire comprimido: La suciedad del aire comprimido( óxidos, polvo, etc), las partículas líquidas contenidas en el aire, causan un gran deterioro en las instalaciones neumáticas y en todos sus componentes, provocando desgastes exagerados y prematuros en superficies deslizantes, ejes, vástagos, juntas, etc, reduciendo la duración de los distintos elementos de la instalación. Las conexiones y desconexiones del compresor o compresores, generan oscilaciones en la presión, que impiden un funcionamiento estable de la instalación, de los actuadores, etc. 7/27

8 Para evitar el primer problema, se instala a continuación del compresor de una unidad de mantenimiento, que es una combinación de filtro de aire comprimido, regulador de presión, y lubricador de aire comprimido. Para evitar el segundo problema, una vez obtenido el aire comprimido se instala un depósito que estabilice el suministro de aire comprimido: Distribución del aire comprimido El aire comprimido producido en el compresor se distribuye hacia el resto de los elementos que configuran el sistema a través de un conjunto de tuberías. Este conjunto de tuberías constituye una red o circuito de aire comprimido que comunica los distintos dispositivos del sistema neumático. Sus componentes se suelen fabricar de cobre, acero o plástico, y deben tener un diámetro adecuado para mantener el caudal y la presión idóneos en el circuito. Las redes utilizadas se diferencian en dos tipos: Red abierta. Se caracteriza por alimentar a los diferentes actuadores o consumos de forma simultánea desde la alimentación, estando en contacto las tuberías con la presión atmosférica. Suele usarse para la expulsión de aire a presión para limpieza y otros trabajos similares. Ejemplo de aplicación: equipos de pintura a base de pistolas automáticas en talleres automovilísticos. Red cerrada. Los circuitos de esta red están estancos, es decir, cerrados, manteniendo en su interior aire a presión sin estar en contacto con el ambiente. Estas redes se destinan a los procesos de control en actuadores como cilindros y motores neumáticos. 8/27

9 Actuadores Son los elementos neumáticos que nos permiten transforman la energía acumulada en el aire comprimido en trabajo, mediante un movimiento lineal (a través de cilindros) o de giro (a través de motores neumáticos). a) Cilindros: consisten en un cilindro hueco cerrado, dentro del cual se desplaza longitudinalmente un émbolo unido a un vástago que sobresale del cilindro a través de un orificio practicado en una de sus bases. En el cuerpo del cilindro se ubican los orificios de entrada y/o salida del aire. Los más utilizados son: Cilindros de efecto simple: disponen de una única entrada de aire, que produce el desplazamiento del émbolo en un único sentido. Cuando cesa la entrada de aire, el émbolo vuelve a su posición inicial (normalmente, mediante la acción recuperadora de un muelle). 9/27

10 Cilindros de doble efecto: disponen de dos entradas de aire, lo que permite el desplazamiento del émbolo en dos sentidos (avance y retroceso), al «empujar» el aire en cada una de las caras del émbolo. 10/27

11 La forma de actuar de un cilindro de doble efecto es la siguiente: Los movimientos del vástago de un cilindro de doble efecto serán debidos a la diferencia de presiones que exista en el interior del cilindro. Si la presión que se inyecta por la entrada de aire de la izquierda es mayor que la presión existente por la entrada de la derecha, entonces el vástago se moverá en sentido derecho. En caso contrario, se moverá a la izquierda. b) Motores neumáticos: Transforman la energía que contiene el aire comprimido en movimiento de giro mecánico. Existen varios tipos entre los que se encuentran motores de émbolo, de aletas, de engranajes y turbomotores. 11/27

12 Válvulas Las válvulas neumáticas son dispositivos que permiten controlar o regular el flujo del aire comprimido. Su función es análoga a la que realizan los interruptores y conmutadores en los circuitos eléctricos, de forma que permiten gobernar el estado de los actuadores neumáticos y controlar el funcionamiento del circuito. Por ejemplo en la siguiente imagen podemos ver un ejemplo de una válvula distribuidora regulando el funcionamiento de un cilindro de simple efecto Existen varios tipos de válvulas, que se pueden clasificar en función de la labor que realizan de la siguiente forma: 1. Válvulas distribuidoras. 2. Otros tipos de válvulas: antirretorno, reguladoras 1. Válvulas distribuidoras. Todas las válvulas distribuidoras se caracterizan por dos características fundamentales: Número de vías y número de posiciones. Se entiende por número de vías, el número de orificios de conexión externas que tiene la válvula, sin cortar los orificios de purga, ni los orificios de pilotaje de las válvulas gobernadas neumáticamente. Se entiende por número de posiciones, el número de combinaciones de conexión interna que entre las distintas vías de la válvula se puedan realizar. Así por ejemplo, la válvula de la Figura 6.2 tiene tres vías (orificios 1, 2 y 3) y dos posiciones, vía 1 obturada y la vía 2 unida con la 3; o vía 1 unida con la 2 y la vía 3 obturada. En los circuitos las válvulas se representan mediante símbolos, los cuales dependen del número de vías y posiciones de las válvulas, pero son independientes del sistema de construcción de las mismas. La representación simbólica de los distribuidores se realiza según las siguientes normas: 12/27

13 1º - El distribuidor está compuesto de tantos cuadrados unidos como posiciones pueda optar. Para una válvula de 2 posiciones: 2º - En cada posición (cuadrado) las vías que se encuentran conectadas se unen mediante una línea recta y una flecha que indica el sentido de circulación del aire. Las vías que se encuentran cerradas se representan mediante una línea transversal. Si entre dos vías el aire puede circular en ambos sentidos, se indican éstos mediante las flechas respectivas. 3º - Las líneas que representan las tuberías de conducción (conexiones externas) se representan en la posición de reposo de la válvula; en el caso de que ésta posición no exista se representa en la posición inicial. Por tanto, las conexiones nos indican la posición que ocupa la válvula en ese instante. Se entiende por posición de reposo lo que ocupa la válvula cuando no está montada en el circuito y por posición inicial, la que ocupa la válvula en la posición de reposo o arranque del circuito. 13/27

14 Las tuberías que se unen a las vías, sólo se representan en una de las posiciones indicadas, pues las vías de una válvula se encuentran en el cuerpo de la misma y son comunes a todas las posiciones. Tampoco pueden representarse unas conexiones en una posición y otras en otra, pues la válvula adopta una posición determinada y no parte de varias posiciones. INCORRECTO INCORRECTO 4º - Se representa la vía que se encuentra conectada con la red de aire comprimido, para lo que se emplea el siguiente símbolo ( ). No se dibujan todas las tuberías de la conexión a la red con el fin de simplificar el circuito. 5º - La vía por la que se produce el escape del aire comprimido a la atmósfera se señala mediante un triángulo, que si se dibuja adyacente al cuadrado indica que dicha vía no tiene rosca de conexión y si se encuentra separado mediante una línea india que la vía de escape tiene rosca de conexión. La rosca se necesita para el montaje de los silenciadores. Escape sin conexión de rosca Escape con rosca de conexión 6º - Las vías se designan mediante número (antiguamente por letras mayúsculas) que se disponen únicamente en la posición que esté ocupando la válvula. Los números utilizados para cada vía son los siguientes. 14/27

15 A, B, C P R, S, T X, Y, Z Designación antigua Vía o conexión De trabajo o utilización Presión Escape o descarga Pilotaje Designación moderna 2,4,6 1 3, 5, 7 12, 14 15/27

16 Válvula de 3 vías y 2 posiciones Por consiguiente, una válvula 3/2 dispone de tres orificios o vías y de dos posiciones de trabajo, que se representará de la siguiente forma: Mira la mitad inferior del símbolo, y no tengas en cuenta la mitad superior. Observa que el símbolo muestra la vía 1 bloqueada, pero las vías 2 y 3 están conectadas, como en la válvula real. Ahora no tengas en cuenta la mitad inferior del símbolo e imagina que cuando se pulsa el botón, la parte superior del símbolo se desliza por la mitad inferior, como se ve en el dibujo. Esto indica que los orificios de la válvula real están conectados cuando se pulsa el botón. La mitad inferior del símbolo indica las conexiones dentro de la válvula cuando no se pulsa el botón, y la superior cuando se pulsa. 16/27

17 2. Otros tipos de válvulas. Son válvulas que realizan otras funciones en los circuitos neumáticos. Las más importantes son: válvula antirretorno, válvula reguladora bidireccional, válvula reguladora unidireccional, válvula de simultaneidad o Y, válvula selectora de circuito o O y temporizador. En la siguiente tabla se resumen sus símbolos y características: Nombre Símbolo Descripción Antirretorno Permite la circulación del aire en un único sentido. Reguladora bidireccional Regula la cantidad de aire en ambos sentidos. Reguladora unidireccional Regula la cantidad de aire en un solo sentido. De simultaneidad (Y) AND Selectora de circuito (O) OR Temporizador a la conexión Temporizador a la desconexión Para que deje pasar el aire es necesario que este entre simultáneamente por ambos lados. Permite la circulación del aire usando una de las dos entradas que dispone de presión. La temporización se logra colocando una válvula reguladora unidireccional y un depósito. Cuanto mayor sea el depósito, mayor será el retardo. 17/27

18 EJEMPLOS DE AUTOMATISMOS NEUMÁTICOS Control de Cilindro de Simple Efecto con válvulas de 2/2 Un par de válvulas 2/2 pueden controlar un Para regular la entrada y salida del cilindro se CSE. La posición de reposo de estas válvulas pueden emplear reguladores de caudal: está forzada por el muelle. La posición de trabajo se establece al pulsar el pulsador. Una válvula admite aire y la otra está a escape. Control de un CSE con una válvula de 3/2 Una válvula de 3 vías es la ideal para Si ponemos dos reguladores de caudal con controlar la entrada y salida de un CSE. La antirretorno en sentido contrario podremos posición de reposo la fuerza el muelle. La regular tanto la entrada como la salida: posición de trabajo se establece por medio del pulsador. Pulsaremos hasta que el cilindro efectúe la carrera que deseemos. 18/27

19 Control manual de un Cilindro de Doble Efecto Empleando una válvula de 4/2. Mando directo. Al accionar el mando de la válvula 4/2 se producirá el avance del vástago. La forma de mando es similar a la de un cilindro de doble simple efecto, pero con la salvedad de que aquí el aire debe ser introducido hacia las dos cámaras del cilindro según el sentido de la marcha. Empleando dos válvulas 3/2. Aunque no suele ser habitual, un cilindro de doble efecto puede ser gobernado con 2 válvulas de 3 vías. Esta forma de accionamiento es poco recomendable, ya que puede existir simultaneidad en el mando si se accionan ambas válvulas al mismo tiempo. Empleando una válvula de 5/2. Mando directo. Para controlar un CDE hay que cambiar simultáneamente la vías de presión y escape. Cuando el pulsador es accionado la vía 1 se conecta a la 4 y la salida 2 a escape por la vía 3 haciendo que el cilindro salga. Cuando dejamos de pulsar la vía 1 se conecta a la vía 2 y la 4 a la 5 haciendo que el vástago entre. 19/27

20 Empleando una válvula de 5/2. Mando pilotado doble. Muchas veces no conviene o no puede gobernarse directamente el cilindro. Lo que se hace en estos casos es gobernar la válvula distribuidora a través de microválvulas que se pueden montar fácilmente en paneles de mando. Estas válvulas de pilotaje casi siempre son 3/2. Actividades: 1. Podrán funcionar correctamente los siguientes automatismos neumáticos?. Justifica tu respuesta. 2. La siguiente figura representa un cilindro de doble efecto accionado por un distribuidor de doble pilotaje neumático 5/2. Si dichos pilotajes son activados por válvulas de pulsador 3/2, completa el siguiente circuito para hacer avanzar y retroceder el vástago voluntariamente /27

21 Control semiautomático de un cilindro de doble efecto (CDE) Accionamiento manual y retorno automático de un CDE. El cilindro se identifica como A, el final de carreta como a1. Control completamente automático de un CDE Ciclo automatizado controlado por los finales de carrera de rodillos. Control manual de comienzo y parada de funcionamiento. 21/27

22 Funciones lógicas Válvula AND Lógica Válvula OR Lógica Para tener presión en Z, deben estar Cuando X o Y son accionados, existirá presión accionadas a la vez las válvulas X e Y. Si sólo en Z. es accionada una de ellas la presión no llegará a Z. Actividades: 1. En los siguientes esquemas se indican dos formas diferentes de pilotar una misma válvula. De qué forma se produce cada uno de los pilotajes?. 22/27

23 Ejercicios de consolidación: 1. Un recipiente que contiene 0,5 m3 de aire a 20oC se calienta hasta alcanzar los 75oC. Determina el volumen que ocupará y la proporción en la que aumenta la presión. 2. Tenemos un recipiente de 0,75 m3 a una presión de 200 N/m2 y una temperatura de 25oC, que calentamos hasta los 150oC. Determina la presión que alcanza en ese punto. 3. Si en el problema del caso anterior quisiéramos que la presión se mantuviera constante. Qué volumen debería de tener el recipiente? 4. Determina el trabajo que desarrolla un cilindro neumático que tiene de diámetro 25 cm. y una cámara de 350 cm3 que actúa sobre el una señal neumática de 35N. 5. Identifica los siguientes símbolos neumáticos: 6. Dibuja los símbolos correspondientes a los siguientes elementos de trabajo: 23/27

24 7. Simula en el ordenador los siguientes circuitos neumáticos y explica su funcionamiento: Circuito a Circuito b Circuito c 8. Circuito d Diseñar el esquema de un circuito neumático en el que se active un cilindro neumático de simple efecto de forma directa (mando directo) mediante una válvula 3/2, y al dejar de pulsar, el cilindro vuelva a la posición inicial. 9. Diseñar el esquema de un circuito neumático en el que se active un cilindro neumático de simple efecto de forma indirecta (mando indirecto) mediante una válvula distribuidora 5/2, y que se recoja cuando deje de estar pulsado. 10. Diseña un esquema que permita que un cilindro de doble efecto este activado siempre que el pulsador que lo activa este pulsado y que al dejar de hacerlo, el cilindro se recoja. 24/27

25 11. El siguiente circuito corresponde a una máquina estampadora manual. Funciona únicamente si mantienes pulsadas las dos válvulas (las dos manos ocupadas). Simula en el ordenador su funcionamiento (empleando válvulas sin retorno). 12. Simula en el ordenador el siguiente circuito y explica su funcionamiento: 13. Modifica el diseño de la estampadora del ejercicio 11 empleando una válvula lógica. 14. Diseñar un circuito neumático que permita activar un cilindro de doble efecto desde dos lugares distintos y se desactive cuando dejemos de pulsarlos. 15. Diseña un circuito neumático que permita activar un cilindro de doble efecto cuando tenemos dos pulsadores activados de forma simultanea y se desactive cuando al menos uno de los dos pulsadores deje de estar activado. 25/27

26 16. Diseña un circuito que permita activar un cilindro de doble efecto cuando tenemos dos pulsadores activados de forma simultánea y para desactivarlo podamos hacerlo indistintamente desde dos pulsadores distintos. 17. Diseña un circuito en el que se active y desactive con el mismo pulsador un cilindro de doble efecto, de forma que la primera vez que pulsemos, el cilindro se active y la segunda vez que lo hagamos, se desactive. 18. Simula en el ordenador la siguiente atracción de un parque temático y explica su funcionamiento: 19. El siguiente mecanismo corresponde a un taladro percutor neumático. funcionamiento: Simúlalo y explica su 26/27

27 20. Indicar en el siguiente circuito: 1. Qué válvulas están normalmente abiertas? 2. Que válvulas están normalmente cerradas? 3. Qué válvulas hay que accionar para que el cilindro salga? 4. Que válvulas hay que accionar para que el cilindro se recoja? 21. El eje de trabajo de una máquina neumática sale lentamente cuando se acciona su pulsador, permanece en esta posición mientras dura el accionamiento y retrocede lentamente al anularlo. Realiza el esquema neumático correspondiente. 22. Dibuja un circuito neumático que se pueda emplear para abrir y cerrar una puerta de un garaje al presionar un pulsador, tanto desde el exterior como desde el interior. 23. Dibuja un circuito neumático de mando indirecto utilizando un distribuidor 4/2 que permita regular la velocidad de salida y retroceso de la barra de un cilindro. Todas las salidas de aire a la atmósfera llevarán silenciador. 27/27