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BLOQUE A – NEUMÁTICA INTRODUCCIÓN 28 INTRODUCCIÓN Y CÁLCULOS MÁS NECESARIOS .................................... 29 1. CONCEPTO DE AUTOMATIZACIÓN ...................................................................................... 29 2. AUTOMATIZACIÓN NEUMÁTICA .......................................................................................... 30 3. MAGNITUDES MÁS UTILIZADAS Y OTROS CONCEPTOS FÍSICOS. ............................. 32 3.1. MAGNITUDES FUNDAMENTALES EN EL SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES ........................................................................................................................................... 32 3.2. PREFIJOS PARA MÚLTIPLOS Y DIVISORES (SIST. MÉTRICO) ................................... 33 3.3. MAGNITUDES UTILIZADAS EN NEUMÁTICA. .............................................................. 33 4. CÁLCULOS MÁS FRECUENTES EN NEUMÁTICA .............................................................. 36 4.1. CILINDROS DE SIMPLE EFECTO Y DE DOBLE EFECTO. ............................................. 36 4.2. CÁLCULO DEL CONSUMO DE AIRE DE UN CILINDRO ............................................... 37 4.3. CÁLCULO DE LA FUERZA QUE PUEDE REALIZAR UN CILINDRO ........................... 40 4.4. OBTENCIÓN DE LA FUERZA MIRANDO LOS DATOS DEL FABRICANTE................ 44 5. GLOSARIO ..................................................................................................................................... 45 UNIDAD 3 – ELEMENTOS DE UN CIRCUITO NEUMÁTICO VÁLVULAS 29 INTRODUCCIÓN Y CÁLCULOS MÁS NECESARIOS 14. CONCEPTO DE AUTOMATIZACIÓN Automatizar es realizar procesos o trabajos utilizando poco o nada la mano del hombre. Existen cada vez más procesos automáticos, de un tipo u otro, incluso algunos de ellos no lo parecen a simple vista, como un tostador de pan que es un sistema de control de lazo abierto es decir que no se modifica (normalmente) dependiendo del resultado obtenido. Normalmente en un circuito automatizado hay dos partes claramente diferenciadas: Fuerza: parte del circuito que realiza el trabajo, utilizando energía neumática, hidráulica, eléctrica, etc. Control o maniobra: parte del circuito que se encarga de decir el cuándo y cómo deben moverse los elementos de fuerza. Se pueden utilizar también muy variados tipos de tecnologías en esta parte del circuito: neumática, eléctrica, lógica, electrónica, autómatas programables. BLOQUE A – NEUMÁTICA INTRODUCCIÓN 30 15. AUTOMATIZACIÓN NEUMÁTICA Cuando se habla de neumática se quiere decir que tanto el circuito de fuerza como el circuito de maniobra utilizan esta tecnología, es decir utilizan el aire comprimido tanto en el circuito que se encargará de realizar el trabajo (cilindros y motores) como en el conjunto de elementos que decidirá cuándo y cómo se realizará el mismo (pulsadores, reguladores y otros elementos). DEFINICIÓN Se entiende por neumática la tecnología que emplea el aire comprimido para transmitir la energía obtenida en el compresor hasta un elemento de trabajo como puede ser un cilindro donde esa energía de compresión se convertirá de nuevo en energía mecánica de movimiento. PROPIEDADES DEL AIRE COMPRIMIDO En la siguiente tabla se comentan algunos de los aspectos más significativos, sin entrar en mucho detalle. ENTRE LO POSITIVO Abundante Disponible para su compresión en cualquier parte Transportable Se lleva fácilmente desde el compresor a la máquina (sin superar los 1000 m) y no necesita tuberías de regreso. Velocidad de transmisión hasta 40 m/s Almacenable Ya comprimido, en botellas o acumuladores Antideflagrante No conlleva riesgos de explosión ni incendio. Limpio Sus posibles escapes no producen problemas medioambientales. UNIDAD 3 – ELEMENTOS DE UN CIRCUITO NEUMÁTICO VÁLVULAS 31 Velocidad de trabajo Es rápido comparado con otras energías como la hidráulica. Aunque su límite está rondando 1,5 m/s Movimientos de salida Se obtienen sin dificultad movimientos lineales (cilindros) rotatorios (motores) y giratorios de un nº de grados (conjunto piñón y cremallera. ENTRE LO NEGATIVO Compresible Eso hace que no sea buen fluido para mantener pesos en situaciones de reposo. Proporciona baja rigidez. Medioambiente Únicamente la contaminación acústica por ruido de escapes. Fuerza Se alcanzan fuerzas elevadas, pero muy inferiores a las conseguidas con otras tecnologías como la hidráulica. Coste Si miramos únicamente la producción (ver gráfica) es una energía muy cara, no obstante este aspecto resulta compensado por el precio económico de los elementos y su mantenimiento. COSTE DE ENERGÍAS 0 2 4 6 8 10 Energía neumática Energía hidráulica Energía eléctrica BLOQUE A – NEUMÁTICA INTRODUCCIÓN 32 16. MAGNITUDES MÁS UTILIZADAS Y OTROS CONCEPTOS FÍSICOS. Magnitud es toda cualidad que tiene un objeto y que es susceptible de ser medida. Las magnitudes se agrupan en sistemas de unidades, siendo el más utilizado el sistema internacional, aunque en algunos ámbitos todavía se utiliza mucho el sistema técnico. Para no alargarse en estos conceptos, cada vez que aparezca una magnitud medida en uno u otro sistema se prestará atención a los posibles factores de conversión que deben utilizarse. No obstante, lo que es imprescindible es indicar al lado de cada medida, la unidad en que se ha medido. 16.1. MAGNITUDES FUNDAMENTALES EN EL SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES Los sistemas de unidades tienen unas magnitudes fundamentales, de tal manera que el resto de las magnitudes se definirán apoyándose en aquellas. En la tabla se pueden ver las magnitudes fundamentales y su unidad en el Sistema Internacional de unidades. MAGNITUD UNIDAD LONGITUD Metro MASA Kilogramo TIEMPO Segundo INTENSIDAD DE CORRIENTE ELÉCTRICA Amperio INTENSIDAD LUMINOSA Candela TEMPERATURA Kelvin CANTIDAD DE MATERIA Mol UNIDAD 3 – ELEMENTOS DE UN CIRCUITO NEUMÁTICO VÁLVULAS 33 16.2. PREFIJOS PARA MÚLTIPLOS Y DIVISORES (SIST. MÉTRICO) Además la mayoría de las magnitudes siguen el sistema métrico decimal en el que una unidad contiene a su divisor inmediato diez veces (o una potencia de diez) y es contenido en su múltiplo siguiente la misma cantidad. MÚLTIPLOS Veces que contiene a la unidad DIVISORES Veces que está contenido en la unidad Deca 101 deci 10-1 Hecto 102 centi 10-2 Kilo 103 mili 10-3 Mega 106 micro 10-6 Giga 109 nano 10-9 Tera 1012 pico 10-12 No todas las magnitudes fundamentales y que están en el cuadro se van a utilizar con alguna frecuencia a lo largo del curso, pero, a cambio, se utilizarán otras muchas que no se encuentran en él. 16.3. MAGNITUDES UTILIZADAS EN NEUMÁTICA. 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 Siempre medido en Newton x metro (JULIO) en el sistema internacional. ENERGÍA. Se define como la capacidad que tiene un cuerpo para realizar trabajo y por lo tanto también se medirá en julios. espacioFuerzaTrabajo ×= SuperficiepresiónFuerza ×= VolumenesiónTrabajo ×= Pr BLOQUE A – NEUMÁTICA INTRODUCCIÓN 34 FUERZA. Que aunque en el sistema internacional (Newton) no es magnitud fundamental, sí lo es en el técnico (Kilopondios o kilogramos fuerza). Es una magnitud que se utiliza tanto en un sistema como en el otro y generalmente sin mucho cuidado. A MODO DE COMENTARIO Al hablar de peso, que es una fuerza “famosa” se dice que algo pesa 10 kg, utilizando de manera no voluntaria el sistema técnico, ya que si 10 kg es el peso, nos referiremos a 10 kilogramos fuerza (unidad de fuerza en ese sistema) puesto que si estuviésemos hablando de kilogramos masa, sería un error, ya que eso sí es el sistemainternacional, pero no es fuerza. Aunque curioso si tiene de masa 10 kg (SI) pesa 10 kgf (ST). El párrafo anterior únicamente pretende reseñar uno de los errores más comunes en el lenguaje coloquial en este asunto de magnitudes y unidades, pero no es cuestión de darle vueltas ni complicarse la vida. La fuerza se puede medir en Newton (sistema internacional) y en Kilogramos fuerza (sistema técnico) y por lo tanto debe haber un factor de conversión entre esas unidades. CAUDAL Cantidad de volumen que atraviesa una determinada superficie en un tiempo determinado, en el sistema internacional se mide en m3/s, aunque es también muy empleada la unidad litros/s. Recordando que 1 litro es equivalente a 1 dm3 El caudal es también el producto de la velocidad por la superficie de paso. Si nos fijamos, las unidades serían las mismas. PRESIÓN Es una de las magnitudes más utilizadas en neumática. Es la fuerza que se ejerce en la unidad de superficie. En el sistema internacional se mide en N/m2 (pascal), aunque como la unidad es muy pequeña, suelen, en este caso, utilizarse otras. Seguramente es una de las magnitudes en las que más y más diversas unidades se utilizan. Los factores de conversión entre las unidades más utilizadas son: 1 atmósfera = 1,033 kgf/cm2 =101325 Pascal =1,013 bar Newtonkgf 8,91 = Superficie Fuerzaesión =Pr UNIDAD 3 – ELEMENTOS DE UN CIRCUITO NEUMÁTICO VÁLVULAS 35 Para este curso será suficiente recordar una aproximación de estos valores. Una atmósfera es aproximadamente igual al bar y al kgf/cm2 y que: 1 bar es aproximadamente 100.000 pascales. En ocasiones será necesario realizar cálculos para conocer la fuerza que es capaz de realizar un determinado vástago, o saber el volumen de aire que se consume en una instalación, no obstante, en muchos casos nos encontraremos con que disponemos de tablas o gráficas que nos permiten conocer esos datos sin necesidad de realizar los cálculos. Normalmente los datos así obtenidos son algo menos exactos, pero suficientes para las necesidades de este curso. Cuando se habla de presión en un circuito neumático, nos referimos a la presión que miden los manómetros. Ésta es la presión relativa, es decir lo que tiene el circuito de presión, sobre la presión atmosférica. Si deseamos el dato de presión absoluta, deberemos sumar la presión atmosférica que aproximadamente será de 1 bar. Por debajo de la presión atmosférica estamos hablando de depresiones o zona de vacío. ACTIVIDAD DE EJEMPLO Un manómetro está marcando una presión de 6 bar. Contesta a las siguientes preguntas: • ¿Cuál es la presión absoluta en atmósferas? • ¿Cuál es la presión absoluta en unidades del sistema internacional? PRESIÓN ATMOSFÉRICA 1 atmósfera VACÍO ABSOLUTO 0 atmósferas PRESIÓN EN UNA DETERMINADA SITUACIÓN EJEMPLO 7 atmósferas PRESIÓN ABSOLUTA 7 atmósferas PRESIÓN RELATIVA O MANOMÉTRICA 6 atmósferas VACÍO BLOQUE A – NEUMÁTICA INTRODUCCIÓN 36 CONTESTACIÓN • 6 + 1 = 7 atmósferas • 700.000 pascales. 17. CÁLCULOS MÁS FRECUENTES EN NEUMÁTICA 17.1. CILINDROS DE SIMPLE EFECTO Y DE DOBLE EFECTO. Aunque esto se tratará más adelante, antes de realizar los cálculos es necesario conocer que hay, básicamente, dos tipos de cilindros: CILINDROS DE SIMPLE EFECTO Son cilindros que tienen únicamente una conexión de aire, cuando llega presión, el pistón se desplaza hacia la derecha (sale) venciendo la tensión del muelle. Cuando por la conexión no llega aire a presión, la fuerza del muelle hace regresar al pistón a su posición inicial (entra). Estos cilindros únicamente consumen aire al salir y desarrollan fuerza en el mismo movimiento. CILINDROS DE DOBLE EFECTO Estos cilindros tienen dos cámaras de aire y dos conexiones, de tal manera que si por una de ellas llega aire a presión, por la otra se realiza el escape de la cámara opuesta. Consumen en sus dos movimientos y pueden realizar trabajo también en los dos. UNIDAD 3 – ELEMENTOS DE UN CIRCUITO NEUMÁTICO VÁLVULAS 37 No obstante hay que tener en cuenta que en la cámara principal (izquierda en el dibujo) cabe más aire, ya que en la cámara secundaria está el vástago. Por el mismo motivo, la superficie útil del la cámara delantera es mayor que la de la cámara secundaria, por lo que se realizará una fuerza mayor en la salida. 17.2. CÁLCULO DEL CONSUMO DE AIRE DE UN CILINDRO Este cálculo puede hacerse de manera teórica o utilizando un diagrama. Los datos necesarios para calcular el consumo de aire en un cilindro de forma teórica son: 1) Diámetro del pistón. 2) Diámetro del vástago (sólo para cilindros de doble efecto). 3) Carrera o desplazamiento entre las dos posiciones extremas. 4) Presión de trabajo. 5) Número de veces que se mueve el cilindro en 1 minuto. La relación de compresión es necesario aplicarla porque evidentemente un cilindro no consume igual a presión atmosférica que a 6 atmósferas. No tiene dimensiones. aatmosféricesión trabajodeesiónaatmosféricpresiónRc _Pr __Pr_ + = En esencia si se utiliza la atmósfera como unidad, hay que sumar 1 atm. a la presión de trabajo. ACTIVIDAD DE EJEMPLO VOLUMEN QUE CONSUME UN CILINDRO Calcula el aire que consume un cilindro de doble efecto con los siguientes datos: • Diámetro del pistón 32 mm. • Diámetro del vástago 12 mm. • Carrera 400 mm • Presión manométrica 6 atmósferas • El cilindro realiza su moviendo 10 veces cada minuto. ncompresióndelaciónCarreraSuperficieVolumen ×××= __Re BLOQUE A – NEUMÁTICA INTRODUCCIÓN 38 CÁLCULO DEL AIRE QUE CABE EN LA CARA DE SALIDA El volumen de un cilindro se calcula multiplicando su superficie por la carrera que se desplaza. 2 22 2,804 4 32 4 mmDSuperficiesalida = × = × = ππ 3699.3214002,804 mmCarreraSuperficieVolumen salidasalida =×=×= Esa cantidad es el aire que cabe a presión atmosférica en la cara principal (de salida) del cilindro. Como no hemos modificado las unidades y todo lo hemos puesto en milímetros el volumen consecuentemente estará expresado en mm3. CÁLCULO DEL AIRE QUE CABE EN LA CARA DE ENTRADA En la cámara secundaria el aire que cabe a presión atmosférica se calculará de igual manera, pero habrá que restar el volumen que ocupa el vástago. CarreraSuperficieVolumen vástagovástago ×= 3 2 239.45400 4 12 mmVolumenvástago =× × = π SUPERFICIE ÚTIL CUANDO EL PISTÓN SALE SUPERFICIE ÚTIL CUANDO EL PISTÓN REGRESA. UNIDAD 3 – ELEMENTOS DE UN CIRCUITO NEUMÁTICO VÁLVULAS 39 En la cámara de entrada cabría la misma cantidad de aire que en la cámara de salida si no hubiese un vástago. Al haberlo, lo que debemos hacer es quitarle al volumen de la cámara sin vástago (el calculado para la salida) el del vástago, obteniendo así el volumen de la cámara de entrada. 3460.276239.45699.321 mmVolumen entrada =−= El volumen total que consume el cilindro a presión atmosférica en un ciclo completo de entrada y salida es la suma del volumen de la cámara delantera y del de la cámara trasera. 3598159460.276699.321 mm=+ CORRECCIÓN POR PRESIÓN El consumo del cilindro será mayor si la presión de trabajo es mayor. Calcularemos la relación de compresión. aatmosféricesión trabajodeesiónaatmosféricpresiónRc _Pr __Pr_ + = • PONIENDO LOS DATOS EN LA FÓRMULA EN ATMÓSFERAS. 7 1 61 = + =cR • PONIENDO LOS DATOS EN LA FÓRMULA EN PASCALES. 7 000.100 000.600000.100 = + =cR Evidentemente el resultado obtenido es el mismo. Se multiplicará el volumen obtenido anteriormente por 7. 3113.187.4159.598_6____ mmRatmósferasaariedeConsumo c =×= Este resultado sería el volumen consumido por el cilindro al salir y entrar una vez (un ciclo completo). Como el cilindro realiza 10 ciclos en un minuto, multiplicaremos ese resultado por 10 para obtener el volumen consumidoen 1 minuto. 41.871.130 mm3/minuto vástagocámaraentrada VolumenVolumenVolumen −= BLOQUE A – NEUMÁTICA INTRODUCCIÓN 40 CONVERSIÓN DE UNIDADES La conversión de los mm3 a una unidad de volumen mayor puede hacerse en cualquier momento del ejercicio. En este ejemplo hemos decidido realizarla al final. Al ser unidades cúbicas cada unidad contiene a su inmediata inferior 1000 veces, así que si dividimos por 1000 obtendremos cm3 y si de nuevo por 1000 obtendremos dm3 o litros (son equivalentes). El resultado final del ejercicio sería entonces 41,87 dm3/minuto 17.3. CÁLCULO DE LA FUERZA QUE PUEDE REALIZAR UN CILINDRO La fuerza que puede desarrollar un cilindro depende de la presión de trabajo, de la superficie del pistón y de las pérdidas por rozamiento u otras. esiónSuperficieFuerza Pr⋅= Hay que tener cuidado con las unidades, deben ser homogéneas Superficie: m2 Presión: pascales Dará lugar a una fuerza expresada en Newton Aunque lo anterior es lo más normal por ser unidades del sistema internacional son muy utilizadas también por comodidad otras. Superficie: cm2 Presión: atmósferas, bar, kgf/cm2 Da lugar a la fuerza expresada en kgf. Será útil recordar que 1 kgf = 9,8 Nw (se puede utilizar 10 en los cálculos). PÉRDIDAS En un cilindro de doble efecto únicamente hay que tener en cuenta las pérdidas por rozamiento de las juntas, aunque este valor se puede encontrar en algunos catálogos de cilindros, lo más normal es aplicar un 10 % de la fuerza teórica. En los cilindros de simple efecto existe una pérdida debido a la fuerza que se emplea en comprimir el muelle recuperador, cuando no se dispone de datos se emplea un valor del 10% de la fuerza teórica, igual que en el caso anterior. Por lo tanto en estos cilindros las pérdidas ascenderán a un 20% de la fuerza teórica. ÍNDICE DA CARGA Un cilindro no puede trabajar en la instalación realizando la máxima fuerza que es capaz de realizar. UNIDAD 3 – ELEMENTOS DE UN CIRCUITO NEUMÁTICO VÁLVULAS 41 Por ese motivo aparece el concepto índice de carga cilindrounrealizardecapazesqueFuerza ninstalaciólaencilindroelrealizardeberáqueFuerzaacdeÍndice _______ ________arg__ = Se expresa en tanto por ciento y es algo así como un coeficiente de seguridad. Es decir, después de calcular la fuerza teórica, quitarle las pérdidas y aplicarle el índice de carga, obtendremos la fuerza que podrá realizar un cilindro en su trabajo en la instalación. En ocasiones se aplica un índice de carga mayor y no se calculan las pérdidas. NOTA En realidad el proceso es el inverso, se parte de la fuerza que debe realizar el cilindro en la instalación, para llegar al valor de la fuerza que deberá tener como mínimo el cilindro elegido. OTRAS CONSIDERACIONES SuperficieesiónFuerza ×= Pr Como la fuerza depende directamente de la superficie, hay que tener presente que en los cilindros de doble efecto la superficie activa en las dos carreras no es la misma ya que en el retroceso hay que descontar la superficie ocupada por el vástago en la que el aire no puede realizar fuerza de empuje. 2 2 _ 4 __ pistónradiopistóndiámetroavanceSuperficie ⋅=⋅= ππ 4 _ 4 __ 22 vástagodiámetropistóndiámetroretrocesoSuperficie ⋅−⋅= ππ Se obtendrá por lo tanto la fuerza multiplicando la presión (manométrica) por la superficie que corresponda, teniendo el único cuidado de que las unidades utilizadas sean uniformes tal y como se ha expuesto anteriormente. SUPERFICIE ÚTIL CUANDO EL PISTÓN SALE SUPERFICIE ÚTIL CUANDO EL PISTÓN REGRESA. BLOQUE A – NEUMÁTICA INTRODUCCIÓN 42 LONGITUD DE LA CARRERA. Los cilindros no deben tener más de 2 metros de carrera, el consumo de aire es demasiado grande además los esfuerzos que soporta el vástago y los cojinetes son muy elevados. VELOCIDAD DEL ÉMBOLO O PISTÓN La velocidad depende de algunas variables (presión, sección de tubería, fuerza antagonista, etc) no obstante suele ser inferior a 1,5 m/s, aunque con cilindros especiales puede llegar a 10 m/s. La velocidad del émbolo se regula con válvulas de estrangulación (mejor ponerlas en el escape) y escapes rápidos, se aprenderá a hacerlo más adelante. ACTIVIDAD DE EJEMPLO FUERZA QUE REALIZA UN CILINDRO Calcula la fuerza que es capaz de hacer el cilindro del ejercicio anterior en cada una de sus carreras de trabajo. • Diámetro del pistón 32 mm. • Diámetro del vástago 12 mm. • Presión manométrica 6 atmósferas FUERZA DE SALIDA La superficie de salida es: La presión de trabajo es 600.000 pascales, lo multiplicaremos por la superficie expresada en m2 (para lo que habrá que dividir entre 1000000 o lo que es lo mismo multiplicar por 10-6) La fuerza de salida será: NewtonsalidaFuerza 5,482102,804000.600_ 6 =××= − 2 2 2,804 4 32_ mmsalidaSuperficie =×= π UNIDAD 3 – ELEMENTOS DE UN CIRCUITO NEUMÁTICO VÁLVULAS 43 Es decir aproximadamente 48,25 kilos de fuerza. Es el momento de restar las pérdidas, en este caso al ser el cilindro de doble efecto no hay perdida por el esfuerzo de compresión del muelle recuperador pero sí un 10% por rozamientos. 482,5 x 0,9 = 434,3 Newton Si deseamos que el cilindro trabaje como mucho con un índice de carga del 75% 434,3 x 0,75 = 325,7 Nw Aproximadamente 32,57 kilogramos fuerza. No conviene que el cilindro realice en su avance más fuerza que esa. FUERZA DE ENTRADA Los cálculos son los mismos, pero utilizando la superficie útil de la cámara de regreso. Superficie ocupada por el vástago La superficie útil de empuje será 804,2 – 113 = 691,1 mm2 La fuerza será 600.000 x 691,1 x 10-6 = 414,66 Nw 414,66 x 0,9 x 0,75 =279,9 Nw Un poco inferior a la de salida 2 2 113 4 12_ mmsalidaSuperficie =×= π BLOQUE A – NEUMÁTICA INTRODUCCIÓN 44 17.4. OBTENCIÓN DE LA FUERZA MIRANDO LOS DATOS DEL FABRICANTE Los fabricantes proporcionan gráficas y tablas en las que se puede obtener el dato de la fuerza que puede realizar un cilindro sin necesidad de realizar los cálculos. Por ejemplo en las tablas siguientes pueden observarse los datos ofrecidos para un cilindro como el nuestro de 32 mm de diámetro. El dato de la fuerza obtenido puede tener ya descontado el rozamiento. Cada empresa descuenta el valor que ha obtenido en las experiencias realizadas y que aunque se aproxima no es el 10% aplicado en nuestro cálculo. Ese es el motivo de que los resultados, aunque sean similares no son iguales. A los valores de la tabla habrá que aplicar el índice de carga que se desee.
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