UNIDAD 16. SISTEMAS NEUMÁTICOS I 1. GENERALIDADES... 310 2. PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS GASEOSOS... 312 3. LEYES DE LOS GASES IDEALES... 313 4. GENERADORES DE AIRE COMPRIMIDO... 313 5. ELEMENTOS DE TRATAMIENTO DEL AIRE COMPRIMIDO... 316 6. ELEMENTOS DE CONSUMO EN CIRCUITOS NEUMÁTICOS... 318 1
1. GENERALIDADES Neumática: gases (aire). Comprensible. Hasta 1,2 Tm. Rapidez Hidráulica: líquidos (aceites). Incomprensible. Grandes esfuerzos Elementos Generador de energía Neumática: Compresor Motor eléctrico o de combustión interna Hidráulica: Bomba Elementos de tratamiento de los fluidos Neumática: secado aire, filtrado y regulador de presión. Lubricación (disminución del rozamiento) Hidráulica: además de los elementos anteriores se incluye un depósito de aire Elementos de mando y control: conducen la energía comunicada al fluido hacia los actuadores (Válvulas) Elementos actuadores: transforman la energía del fluido en movimiento en trabajo útil (Cilindros y motores rotativos) 2. PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS GASEOSOS - PRESIÓN (p) p = F S PASCAL(Pa) F. Fuerza aplicada (N) 1 Pa = N/m 2 1 At =1,01325 10 5 P 1 Bar = 10 5 Pa 1 mm Hg = 133,32 Pa 1 Kp/cm 2 =0,98 Pa S. Sección (m 2 ) P ab =P at +P rel P atmosférica : Barómetro P relativa : Manómetro - CAUDAL (Q) Q = V t = s l t = s v (m3 /s) V.Volumen del fluido (m 3 ) t. Tiempo(s) v. Velocidad del fluido (m/s) - POTENCIA NEUMÁTICA (P) P = w t = F l t = F v = p S l t = p V t = p Q 3. LEYES DE LOS GASES IDEALES - Ley de los gases ideales p V = n R T - Ley de Boyle- Mariotte A Tª=cte p 1 V1 = p 2 V2 - Ley de Gay- Lusac A P=cte V=kT V 1 V 2 = T 1 T 2 - Ley de Charles A V=cte p T = cte P 1 T 1 = P 2 T 2 2
4. GENERADORES DE AIRE COMPRIMIDO Los compresores elevan la presión del aire hasta el valor adecuado de su utilización. Transforman la energía del exterior en energía de presión comunicada al sistema neumático Los compresores aprovechan diversas fuentes de energía (electricidad, energía de motores de combustión interna) para producir aire comprimido. Los compresores toman el aire del exterior a través de un conducto en cuyo interior se encuentra un filtro donde quedan atrapadas las impurezas que contenga el aire. Este aire se comprime en la cámara de compresión y se envía a un depósito. Éste lo almacena para suministrarlo a la instalación cuando es requerido. Se dispone de un preostato cuya misión es mantener la presión del depósito dentro de los márgenes adecuados, conectando o desconectando el compresor; es decir, cuando la presión en el depósito es inferior a la presión de trabajo, el compresor se pone en marcha. Una vez alcanzada la presión estipulada en el depósito, el compresor se para. Gracias a la existencia del depósito se evita que el compresor esté en permanente funcionamiento. El depósito dispone también de una válvula de seguridad que se abre en caso de sobrepresiones. 4.1. Compresores volumétricos (Basados en la ley de Boyle- Mariotte) A. Compresores alternativos Compresores alternativos o de pistón. Hasta 10 bar. Caudal de aire a pulsos. Transforman el movimiento circular de un eje movido por un motor eléctrico, en movimiento lineal alternativo mediante un mecanismo de biela y manivela. Consta de una válvula de admisión y otra de escape, de modo que al descender el émbolo la válvula de admisión se abre y se llena el cilindro de aire, mientras que al ascender se cierran ambas válvulas y finalmente se abre la de escape para que el aire comprimido pase al depósito acumulador. El pistón suele lelvar unas aletas exteriores de refrigeración para evacuar el calor generado en el interior del mismo. Compresores alternativos de dos etapas. 3
B. Compresores rotativos Caudal de aire continuo (más silencioso) Rotativos de paletas. Constan de un motor eléctrico provisto de unas paletas que giran en el interior de un cárter cilíndrico con un orificio de entrada y otro de salida. Al girar el rotor las paletas forman unas cámaras de volumen variable, que encierran el aire cada vez más comprimido hasta que lo expulsan por el orificio de salida. Rotativos de tornillo 4.2. Compresores dinámicos (Basados en el principio de Bernoulli) COMPRESOR AXIAL 4 ROTOR AXIAL
COMPRESOR RADIAL O CENTRÍFUGO 5
5. ELEMENTOS DE TRATAMIENTO DEL AIRE COMPRIMIDO El aire comprimido debe estar libre de impurezas, humedad, regulado a su presión y lubricado. Filtros. Tienen como misión depurar el aire comprimido. Impide que el polvo, vapor de agua, e incluso el aceite circulen por la instalación hasta los puntos de consumo. Reguladores de presión. Ajusta y mantiene la presión al valor deseado en le circuito. El funcionamiento se basa en bloquear o permitir el paso de aire comprimido a través de un obturador, cuya apertura o cierre se consigue por medio de un vástago accionado por una membrana. Lubricadores. Aporta aceite a los elementos móviles disminuyendo el rozamiento.(efecto Venturi) Unidad de mantenimiento. Es un montaje den bloque de filtro, regulador de presión con manómetro y un lubricador. 6
6. ELEMENTOS DE CONSUMO EN CIRCUITOS NEUMÁTICO (ACTUADORES) 6.1. Elementos alternativos o cilindros. Son actuadores lineales. Partes más importantes: - Camisa o cuerpo del cilindro - Culatas: tapas de cierre del cuerpo del cilindro. Alojan las conexiones del fluido, los sistemas de amortiguación y el sistema de guiado del vástago. - Vástago Es la barra que transmite al sistema de trabajo la fuerza que el fluido ejerce sobre el émbolo. - Émbolo o pistón. Es el elemento móvil que se desplaza en el interior del cuerpo del cilindro, separando las dos cámaras del mismo. Tipos de cilindros: Cilindros de simple efecto. El aire comprimido actúa sólo en una de las cámaras que delimita el émbolo en el interior del cilindro. En general, la carrera activa de un cilindro 7
de simple efecto es la de vástago saliente y la carrera de retorno se puede realizar po la acción de una fuerza interna (muelle) o por la acción de una fuerza externa (carga). Suelen ser de diámetros pequeños y carrera cortas. Aplicaciones: sujección, expulsión,etc. Cilindros de doble efecto. Disponen de dos tomas de aire comprimidp situadas a ambos lados del émbolo. Pueden realizar trabajo en ambos recorridos. Cilindros de doble vástago. a Este tipo de cilindros tiene un vástago corrido hacia ambos lados. Cilindros de doble efecto con amortiguación interna. En los accionamientos neumáticos que son ejecutados a velocidades importantes y la masa trasladada es representativa, se producen impactos del émbolo contra la camisa que liberan gran cantidad de energía que tiende a dañar el cilindro. En estos casos, es evidente que la regulación de velocidad alargaría la vida del componente pero al mismo tiempo restaría eficacia al sistema. Como solución, se presentan los actuadores con amortiguación interna. Estos disponen de unos casquillos de amortiguación concebidos para ser alojados en las propias culatas del cilindro CILINDROS FESTO 8
6.2. Elementos rotativos o motores. Los actuadores rotativos son los encargados de transformar la energía neumática en energía mecánica de rotación. Presentan algunas diferencias frente a los motores eléctricos: Los motores neumáticos permiten una rápida inversión del sentido de giro, se pueden sobrecargar hasta provocar su parada. Sin embargo, el consumo de aire suele ser elevado y presentan un rendimiento bajo. Su uso se destina principalmetne a casos en lso qaue resulte difícil el uso de motores eléctricos( ambientes deflagrantes, corrosivos, etc.) 9
Tipos de motores neumáticos: Según su forma constructiva: Motores rotativos de pistones. Están constituidos por un cierto número de CSE unidos por bielas a un eje principal en forma de cigüeñal: Mediante una válvula de distribución rotativa se introduce el aire comprimido de forma secuencial en los pistones garantizando así la rotación del eje principal. Motores de paletas: Su constitución interna es similar a la de los compresores de paletas, es decir, un rotor ranurado, en el cual se alojan una serie de paletas, que gira excéntricamente en el interior del estator. En estas ranuras se deslizan hacia el exterior las paletas o aletas por acción de la fuerza centrífuga cuando se aplica una corriente de aire a presión. Cilindro basculante: Están compuestos por una carcasa, en cuyo interior se encuentra una paleta que delimita las dos cámaras. Solidario a esta paleta, se encuentra el eje, que atraviesa la carcasa exterior. Es precisamente en este eje donde obtenemos el trabajo, en este caso en forma de movimiento angular limitado. Tal y como podemos apreciar en la figura, el funcionamiento es similar al de los actuadores lineales de doble efecto. Al aplicar aire comprimido a una de sus cámaras, la paleta tiende a girar sobre el eje, siempre y cuando exista diferencia de presión con respecto a la cámara contraria (generalmente comunicada con la atmósfera). Si la posición es inversa, se consigue un movimiento de giro en sentido contrario. 10
Motores de turbina. Se utilizan cuando se requieren altas velocidades de giro y pequeñas potencias. El aire comprimido actúa sobre unos álabes que provocan el giro del eje SIMBOLOGÍA 11