Tema 12. CIRCUITOS NEUMÁTICOS

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1 Tema 12. CIRCUITOS NEUMÁTICOS
Bloque II. Máquinas y sistemas técnicos (Jorge Gómez-García)

2 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: Ley de Hooke: La deformación de muelle es directamente proporcional a la fuerza aplicada sobre él: El rendimiento (): es la relación entre el trabajo útil que podemos obtener de dicha máquina y el trabajo motor desarrollado por ella.

3 Circuito eléctrico Circuito neumático
12-3 Circuito eléctrico Circuito neumático El generador suministra a los e-´s la ddp necesaria para que puedan circular por el circuito. El grupo compresor se encarga de suministrar la presión necesaria al aire para que pueda circular por el circuito. Los conductores permiten el paso de la corriente eléctrica a través de ellos Las tuberías canalizan el caudal de aire hasta los elementos de trabajo. Los receptores (motores, lámparas, resistencias, etc.) se encargan de transformar la energía eléctrica en otros tipos de energía Los actuadores neumáticos son los encargados de desarrollar el trabajo. Se denominan genéricamente cilindros. Los elementos de control (interruptores, conmutadores y pulsadores) permiten controlar el paso de corriente por el circuito o por alguno de los receptores. 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 protección (fusibles, magnetotérmicos y diferenciales) protegen de sobrecargas a los elementos y a los usuarios. Los elementos auxiliares desempeñan diversas funciones: protección, regulación, etc. Ej: los antirretorno y los reguladores de caudal.

4 Magnitudes Neumáticas Básicas
12-4 Magnitudes Neumáticas Básicas Presión: Fuerza que se ejerce por unidad de superficie. 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 Pa 1 atm = 1,013 bar = 1,013·105 Pa Presión máxima admisible (PMA): Máximo valor de presión efectiva aplicable a un elemento. Presión de entrada (Pe): Presión de aire comprimido a la entrada de un elemento. Presión de salida (Ps): Presión que posee el aire a la salida de un elemento. Presión diferencial (P): Diferencia entre la salida y la entrada. Otras defs.

5 Magnitudes Neumáticas Básicas
12-5 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. Q=Caudal (m3/s) V=Volumen (m3) t=tiempo de circulación (s) Relaciones

6 Grupo Compresor (I) El compresor El motor auxiliar: El refrigerador:
12-6 Grupo Compresor (I) 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. El compresor Elemento básico del grupo. Aumenta la presión del aire que aspira Suele ir provisto de un filtro para eliminar impurezas que aspira. 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.

7 La unidad de mantenimiento:
12-7 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.

8 Representación simbólica de los componentes del grupo compresor.
12-8 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

9 Tipos: Compresores de émbolo monofásico.
12-9 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.

10 Tipos: Compresores rotativos.
12-10 Tipos: Compresores rotativos. 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.

11 La red de distribución. Las tuberías.
12-11 La red de distribución. Las tuberías. 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. 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.

12 Actuadores Neumáticos
12-12 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. F = Fuerza ejercida por el vástago p = Presión de aire (Pa) D = Diámetro del émbolo (m)

13 Cilindro de Simple Efecto
12-13 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 () del cilindro.

14 Cilindro de Doble Efecto
12-14 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: En el retroceso, la fuerza efectiva es menor, hay que considerar al vástagomenor superficie. La expresión matemática será:

15 Actuadores Neumáticos
12-15 Actuadores Neumáticos Simbología y Aplicaciones

16 Elementos de Distribución o Válvulas.
12-16 Elementos de Distribución o Válvulas. Una VÁLVULA NEUMÁTICA es un dispositivo que dirige y regula el paso del aire comprimido. Tipo de válvula Viene dado por dos cifras: La primera indica el número vías para el aire. La segunda indica el número de posiciones. Sentido circulación del aire Se indica mediante flechas que se insertan en el interior de cada cuadro. Conexiones Vienen indicadas de forma diferente según se trate de una fuente de aire comprimido o una salida libre. Modos de mando y retorno Se representan a izquierda y derecha, respectivamente, y se simbolizan de diferentes modo según el tipo:

17 12-17 Válvula 2/2 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. 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 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 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.

18 12-18 Válvula 3/2 Este 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.

19 Elementos Auxiliares: Desempeñan funciones de regulación y control.
12-19 Elementos Auxiliares: Desempeñan funciones de regulación y control. Válvulas de doble efecto o selectores de circuito Válvulas reguladoras de caudal. Válvulas antirretorno

20 Válvulas antirretorno
12-20 Válvulas antirretorno 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. 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.

21 Válvulas de doble efecto o selectores de circuito
12-21 Válvulas de doble efecto o selectores de circuito 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. 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.

22 Válvulas reguladoras de caudal.
12-22 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.

23 Ejercicios: 1.- Calcula la fuerza de un cilindro de doble efecto que tiene las siguientes características: Diámetro del cilindro: 80mm Diámetro del vástago: 25mm Presión 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.