INTRODUCCIÓN NEUMÁTICA E HIDRÁULICA La fuerza que ejerce un fluido sobre las paredes del recipiente que lo contiene se define como F=P S, siendo P la presión y S la superficie sobre la que se ejerce la misma. Si ésta última es móvil, la fuerza provocará su desplazamiento, por lo que habremos obtenido un trabajo W=F d. Por lo tanto, podemos obtener trabajo a partir de un fluido jugando con alguna de las dos magnitudes que definen la fuerza: presión (en neumática) o superficie (en hidráulica). Neumática. Se utilizan fluidos gaseosos (principalmente aire), en los que se puede aumentar la presión, debido a que son fluidos compresibles. Hidráulica. Se usan fluidos líquidos (normalmente aceites), en los que se juega con la diferencia de superficies, al no poder aumentar su presión, ya que se tratan de fluidos incompresibles. NEUMÁTICA Como se ha mencionado antes, en los sistemas neumáticos se utiliza aire comprimido. A efectos prácticos, el aire se considera como un gas ideal a temperatura constante, con lo que cumplirá la ley de Boyle-Mariotte: P V=cte que nos dice que si obligamos a un gas a disminuir su volumen a la mitad, su presión se duplicará. De aquí se deduce que la compresión de un gas conlleva un inmediato aumento de su presión, por lo que eventualmente aumentaremos la fuerza que pueda ejercer sobre una pared móvil, que es lo que estamos buscando para obtener trabajo. Unidades En el Sistema Internacional (S.I.) la presión se mide en Pascales (Pa), definido como la que ejerce una fuerza de 1 Newton sobre una superficie de 1 m 2 : 1 Pa = 1 N/1 m 2 Sin embargo, es una unidad pequeña, que no se suele usar en sistemas neumáticos. En su lugar se usan los bares (bar) y las atmósferas (atm), siendo su equivalencia: Presión absoluta y presión relativa 1 atm 1 bar 1 = 10 5 Pa El movimiento en los actuadores de los sistemas neumáticos se produce porque el aire a presión que entra en una parte del sistema provoca una fuerza de empuje sobre una pared móvil (émbolo). El volumen al otro lado de dicho émbolo no está vacío, sino lleno de aire a presión atmosférica. Este aire ejerce una fuerza sobre el émbolo que se opone al desplazamiento. Por lo tanto, en el balance de fuerzas total tenemos que tener en cuenta tanto las fuerzas que favorecen el movimiento (de avance) como las que se oponen a él (de retroceso). F = F av F r = P S P atm S = (P - P atm ) S Donde se ve que, a efectos prácticos, no interesa tanto la presión del aire comprimido que introducimos en el actuador como la diferencia de presiones entre dicho aire y el aire que está al otro lado del émbolo y que se opone a su desplazamiento. 1 La equivalencia exacta es 1 atm = 1,01325 bar 1/8
De esta forma, podemos definir dos tipos de presiones para un gas: Presión absoluta. La que tiene el gas respecto al vacío. Es la que debe usarse en la ley de Boyle-Mariotte. Presión relativa. O de trabajo. Es la presión de nuestro gas respecto a la atmosférica: P r =P abs +P atm. Es la que se usa para hacer los cálculos en los circuitos neumáticos. Usando la presión relativa, se simplifican los cálculos, ya que podemos ignorar el efecto del aire que llena el otro lado del actuador y se opone al movimiento, y expresarlo todo en función de la presión relativa: F = F av F r = P S P atm S = (P P atm ) S = (P r + P atm P atm ) S = P r S COMPONENTES DE UN CIRCUITO NEUMÁTICO En una instalación neumática, los componentes que la forman se agrupan en tres grandes bloques: Producción y tratamiento del aire comprimido Actuadores Regulación y control Producción y tratamiento del aire comprimido Hemos visto que la ley de Boyle-Mariotte dice que para aumentar la presión de un gas necesitamos disminuir su volumen. A su vez, esto se puede lograr si obligamos al gas a pasar por un conducto de sección menor manteniendo constante el flujo. Para ello, usaremos compresores neumáticos, que a su vez se dividen en alternativos y rotatorios. Compresores alternativos En ellos se usa un sistema de pistón-biela-cigüeñal. Al ir girando el cigüeñal, el pistón realizará un movimiento alternativo de subida y bajada. Durante la bajada se abre la válvula de admisión en contacto con la atmósfera e introducimos aire a presión atmosférica. En la subida se cierra la válvula de admisión y se abre la de escape, forzando al aire a abandonar el cilindro por un orificio de diámetro menor al de entrada. Si la presión alcanzada en esta etapa no es suficiente, se puede realizar la compresión en dos etapas, haciendo pasar al aire comprimido por otro compresor similar. El principal inconveniente de estos compresores es que el suministro de aire puede no ser suficientemente continuo. Compresores rotatorios Los compresores rotatorios permiten obtener un flujo continuo de aire comprimido. Existe una gran variedad de ellos. El más común es el compresor de palas. En él las palas giran dentro de la cavidad, con su extremo siempre pegado a las paredes. De esta forma, el compresor se compartimenta en cavidades cuyo volumen se va reduciendo a medida que nos aproximamos al orificio de salida del aire comprimido. Cada compresor tiene su propio símbolo, pero aquí usaremos el genérico 2/8
El aire comprimido de esta manera no puede usarse directamente en un sistema neumático, sino que hay que someterlo previamente a una serie de tratamientos. Refrigerador Normalmente, la compresión de un gas no se realiza en realidad a temperatura constante, sino que sufre un calentamiento. Necesitamos un dispositivo para rebajar la temperatura a unos 25ºC. Además, esta refrigeración provocará una condensación de la mayoría del vapor de agua presente en el aire, que puede corroer los componentes metálicos de la instalación. Depósito En los momentos de mayor consumo, éste suele ser mayor que la capacidad de producción del compresor, por lo que necesitamos un elemento capaz de acumular aire comprimido. Secador Filtro Elimina el resto del vapor de agua presente en el aire comprimido, mediante el empleo de un filtro poroso que debe ser reemplazado periódicamente. Elimina las partículas sólidas suspendidas en el aire, que pueden provocar un desgaste excesivo de los componentes de la instalación neumática, así como la obturación de las tuberías. Se somete al aire a un proceso de centrifugado. Las partículas sólidas se proyectan contra las paredes y precipitan. Además, pueden tener un separador de agua. Lubricador Es el último elemento de tratamiento del aire. Dado que los sistemas neumáticos están formados por partes móviles, es necesario lubricarlos. Esto se realiza pulverizando aceite en el aire comprimido, en el lubricador. Regulador de presión Ajusta la presión relativa (o de trabajo) del circuito neumático. Se hace manualmente mediante un tornillo que permite mayor o menor paso de aire. Manómetro Es un indicador de la presión de trabajo que hay en cada momento en el sistema. Normalmente se trata de indicadores en los que una aguja se mueve sobre una escala calibrada en bares. Unidad de mantenimiento Dado que dibujar todos los componentes descritos hasta ahora ocuparía demasiado espacio en un esquema neumático, y que además suelen venir en un único componente físico, la unidad de mantenimiento, se suele simplificar todo lo anterior con un único símbolo. Además, cada válvula neumática tendrá que tener una vía de conexión al circuito de aire comprimido del sistema. Si el circuito es muy complejo, indicar con líneas la conexión de cada uno de estos elementos con la unidad de mantenimiento puede hacer el circuito ilegible. Para simplificar, se puede usar, en cada vía de entrada de aire a presión, el símbolo de toma de presión. 3/8
Actuadores Son los elementos que van a realizar trabajo. En función de qué tipo de movimiento realice, podemos tener cilindros o motores. Cilindros neumáticos Realizan un movimiento lineal. El aire a presión se introduce dentro del cilindro, y mueve un émbolo, que a su vez hace que salga (avance) o entre (retroceda) un vástago. Existe una gran variedad de cilindros neumáticos, pero sólo nos vamos a centrar en dos: Cilindros de simple efecto En ellos, sólo uno de los dos movimientos (en el caso de la imagen, el de avance) se realiza introduciendo aire a presión. El otro se produce de forma automática por la fuerza ejercida por el muelle. Para ello, también se necesita que la toma de aire se ponga en contacto con la atmósfera para dejar escapar el aire a presión. Cilindros de doble efecto. En ellos, tanto el avance como el retroceso del vástago se realiza con aire a presión. Para el avance, introducimos aire a presión por el conducto de la izquierda, y ponemos el de la derecha en contacto con la atmósfera. Para el retroceso, introducimos el aire a presión por el de la derecha, y el de la izquierda se pone en contacto con la atmósfera. Motores neumáticos Los motores neumáticos realizan un movimiento circular. Son muy usados en sitios en los que no sea conveniente usar un motor eléctrico, como por ejemplo en los tornos de los dentistas. Regulación y control Los elementos de regulación y control son los que dirigen el flujo de aire comprimido hacia los elementos actuadores. Estos elementos se denominan válvulas, que a su vez se clasifican en válvulas distribuidoras o de dirección y válvulas de control. Válvulas distribuidoras. Como su nombre indica, estas válvulas se encargan de dirigir el aire a presión hacia los diferentes componentes de la instalación, así como hacia el exterior, a través de los escapes. Las válvulas distribuidoras se caracterizan por el número de vías, o de orificios por los que puede circular el aire, y el número de posiciones, o de maneras en las que las vías pueden conectarse entre sí. De esta forma, podemos tener válvulas 3/2 (tres vías y dos posiciones), 4/2 (cuatro vías y dos posiciones), 4/3 (igual que la anterior, pero con tres posible maneras de conectar entre sí las cuatro vías), etc. Las válvulas deben tener una vía de presión, por la que entrará el aire comprimido, y que denominaremos como P. Podrán tener una o más vías de escape, en contacto con la atmósfera. Las vías de escape se nombran sucesivamente como R, S, T... El resto de vía se denominan vías de trabajo, y ponen en comunicación las vías de presión y escape con el resto del circuito. Se denominan con las letras A, B, C... Para su representación, emplearemos la siguiente simbología: Cada válvula se representará por un dibujo en el que haya tantos cuadrados como posiciones tenga la válvula. En cada uno de los 4/8
cuadrados se representará la manera en que se unen entre sí las vías en la posición correspondiente. Además, deberemos nombrar apropiadamente las vías. Esto último sólo se hace en uno de los cuadrados, el que indica las conexiones de las vías en reposo (es decir, cuando no se actúa sobre la válvula). Si la válvula es de 2 posiciones, la de reposo se dibuja en el cuadrado de la derecha. Si es de tres, en el central. En la parte inferior se dibujarán las vías de presión y escape y en la superior las de trabajo. Si además, tenemos válvulas de 2 o 3 vías debemos indicar si es normalmente cerrada (NC) o normalmente abierta (NA). NC significa que en la posición de reposo bloqueamos el paso de aire a presión por el interior de la válvula, ocurriendo lo contrario en las NA. Veamos algunos ejemplos: La válvula de la izquierda tiene tres vías y dos posiciones. Será por tanto, una válvula 3/2. Una de las vías es de presión (P), otra de escape (R) (ambas dibujadas en la parte inferior del símbolo) y la tercera es la vía de trabajo (A), en la parte superior. En la posición de reposo bloqueamos el paso de aire a presión y conectamos la vía de trabajo con el escape, dejando salir aire del circuito a la atmósfera. Por lo tanto, se trata de una válvula normalmente cerrada. La nomenclatura completa será pues válvula 3/2 NC. En la otra posible posición, se bloquea el escape e introducimos aire a presión al circuito neumático a través de la vía A. Evidentemente, podríamos tener una válvula 3/2 NA. En ese caso, indicaríamos claramente en el cuadrado de la derecha que la vía de presión se comunica con la de trabajo y que la de escape queda bloqueada. En válvulas de más de tres vías no tiene mucho sentido hablar de posiciones NA y NC. En caso de que haya alguna posición en la que no se deje pasar aire ni desde la alimentación ni hacia los escapes, hablaremos de posición de bloqueo. Ejercicio: Nombrar las siguientes válvulas: También es necesario especificar cómo hacemos que la válvula cambie de una posición a otra. Es decir, tenemos que indicar cuál es el accionamiento y el retorno de la válvula. Para las válvulas de dos posiciones. el accionamiento se dibuja al lado del cuadrado de la izquierda, indicando cómo se logra que las vías se comuniquen entre sí de la forma indicada por el dibujo. Los accionamientos se clasifican en varios tipos: Manuales Mecánicos Neumáticos Eléctricos 5/8
Accionamientos manuales Son los únicos manejados directamente por el usuario. Accionamientos mecánicos Son accionados por partes móviles del sistema. El accionamiento por muelle es el empleado en el caso de que una de las posiciones (la de reposo) sea la que adquiera la válvula automáticamente si no se actúa sobre ningún otro accionamiento. Accionamientos neumáticos La válvula cambia de posición por la presencia o ausencia de aire comprimido. Accionamientos eléctricos Se realizan mediante electroimanes (relés) Accionamientos con enclavamiento En las válvulas accionadas manualmente, se puede tener la opción de que el retorno no sea automático, sino que se produzca al actuar una segunda vez sobre el mando (al igual que lo que ocurre con un interruptor eléctrico). En ese caso, se dice que el mando es con enclavamiento. El símbolo es igual que el mando sin enclavar pero con una muesca, y sólo se dibuja a la izquierda de la válvula. Si la válvula tiene más de dos posiciones, el enclavamiento significa que la válvula irá adoptando cada una de las posiciones secuencialmente al actuar sobre el mando. 6/8
Ejercicio: Dibujar las siguientes válvulas. 3/2 NC, accionamiento por pulsador, retorno por muelle 3/2 NA, accionamiento por pedal enclavado 4/2, accionamiento y retorno por presión. 3/2 NC, accionamiento por final de carrera (rodillo), retorno por palanca Válvulas de control 5/3, accionamiento y retorno por presión, posición intermedia de bloqueo 2/2 NC, accionada por electroimán, retorno automático También llamadas de bloqueo, permiten una amplia variedad de control del paso del aire por el circuito. Las principales son: Válvulas antirretorno Las válvulas antirretorno permiten el paso libre del aire en un sentido (en el símbolo de la izquierda, hacia la derecha) pero lo bloquean totalmente en el otro (hacia la izquierda en la figura. Válvula estranguladora bidireccional Regulan el caudal de aire a presión que pasa por esa parte del circuito neumático. Se actúa sobre la anchura de la apertura del conducto, sin cambiar la presión. Válvula estranguladora unidireccional Hace lo mismo que la anterior, pero sólo en un sentido. En el otro, permiten el paso libre del aire. Es una combinación de estranguladora bidireccional y antirretorno. En la figura, se estrangula el aire que va de izquierda a derecha, ya que la antirretorno no permite el paso del aire en ese sentido. El único camino disponible es, por tanto, a través de la estranguladora. En sentido inverso (de derecha a izquierda) la antirretorno permite el paso libre del aire, por lo que no se produce la estrangulación. Estas válvulas se usan para amortiguar la velocidad de los actuadores. Válvula de escape rápido Válvula de simultaneidad (Y) Hacen exactamente lo contrario de las anteriores; esto es, acelerar la velocidad de los actuadores. Si el aire fluye desde la vía 1, pasa por la válvula y sale por la 2. Sin embargo, en sentido contrario el aire no fluye de la vía 2 a la 1, y desde allí al resto del circuito, sino que escapa directamente hacia la atmósfera. Las válvulas de simultaneidad actúan como una puerta AND en electrónica digital. Sólo proporcionan salida de aire si reciben aire a presión por sus dos vías de entrada. Se usan mucho en sistemas de seguridad, en los que se precise que el operario actúe simultáneamente sobre dos pulsadores, para mantener las manos alejadas de elementos móviles que pueden resultar peligrosos. 7/8
Válvula selectora (O) Temporizador Funcionan como una puerta OR. Proporcionan salida de aire si hay presión en cualquiera de sus dos entradas, o en ambas simultáneamente. Se usan si es necesario poder controlar algún componente desde varios lugares diferentes. Es un dispositivo que proporciona salida de aire después de que haya pasado cierto tiempo desde que se inicia la entrada del mismo. Combina una estranguladora unidireccional y un depósito. Hasta que el depósito no se haya llenado de aire, no habrá suficiente presión a la salida para accionar el elemento que esté a continuación. El tiempo que se tarda en llenar se controla estrangulando más o menos la entrada de aire. 8/8