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Neumática: Introducción

En estos apuntes consideramos la Neumática como la parte de la Física que trata del aire comprimido. No obstante, muchas de las aplicaciones que se mencionan pueden ser aplicadas a otros fluidos comprimibles. Ejemplos: Nitrógeno, Vapor, etc.

Como punto de partida, debemos tomar en cuenta el rango de presiones que se utilizan en los componentes neumáticos: la presión máxima empleada en neumática es de 12.5 bares y, que en aplicaciones normales, la presión oscila entre 4 y 6 bares. Asimismo, la presión de vacío máxima empleada es de -0.5 bar.

En nuestro país se emplean las siguientes unidades de presión; psi = libras por pulgada cuadrada y los bares o su equivalente aproximado, los kilogramos fuerza por centímetro cuadrado. Aunque el estándar métrico es el MegaPascal absoluto o MPa, en estos apuntes se encontrarán los bares por ser la unidad métrica de mayor difusión en el mundo.

Como referencia, 1.00 bar = 14.5037 psi = 0.9807 Kg/cm2 = 0.1 MPa

Sabía que una fuga de 1/8" de diámetro en una tubería a 100 psi, descarga al aire 26 pies cúbicos/min (SCFM) de aire?

En sistema métrico, una fuga por un orificio de 1 mm2 a 6 bares, desperdicia 1 litro por segundo!

1.0 COMPRESORES Y SOPLADORES

Todos los fluidos son comprimidos en su estado gaseoso y, para ello empleamos compresores o sopladores, dependiendo del rango de presiones requeridas.

Los compresores pueden ser de dos tipos:

* Compresores de Pistones. Comprimen el aire que entra a la cámara de un cilindro.

* Compresores de Tornillo o de cavidad variable. Comprimen el aire confinándolo en un pasaje cuyo volumen se reduce gradualmente.

Los sopladores generan presión neumática al poner al fluido en movimiento mediante una fuerza centrífuga elevada.

Un caso especial de soplador son los "ventiladores", en los cuales se establece una pequeña diferencia de presión por medio de las aspas movidas mecánicamente, para poner de ese modo al aire en movimiento. Es obvio que a mayor diferencia de presión, mayor volumen de aire y viceversa.

Ejemplos de uso de ventiladores para proveer de presión son los artículos inflables con fines publicitarios o de diversión que se encuentran en las ferias o eventos deportivos.   

En todos los casos, los datos importantes de compra de estos aparatos son el volumen y la presión a manejar.

1.1 GENERADORES DE VACIO.

Existen varios métodos para generar una presión de vacío. Los usuales son, por medio de aire comprimido y por medio mecánicos.

Es conocido el efecto de que al pasar un fluido por un venturi, en el tubo interior de éste se genera un vacío que puede ser empleado para levantar hojas de papel entre otras aplicaciones. Este generador de vacío como se le conoce, va acompañado invariablemente de unas ventosas a donde se adhiere el material por transportar.  

Por medios mecánicos, el vacío se logra por la succión de un compresor de tipo de pistón o de membrana o, mediante un soplador que puede ser de paletas, tipo "Roots" o centrífugo . Ejemplo de éstos últimos es una aspiradora casera.

1.2 UNIDADES DE PREPARACION DEL AIRE COMPRIMIDO

El aire comprimido como cualquier gas requiere ser conducido para que sea aprovechado. En las tuberías de conducción, el aire perderá parte de su presión por efecto de la fricción contra el tubo.

Es importante notar que la pérdida total de presión en las tuberías nunca debe ser mayor al 5% de la presión total del aire comprimido. Midiendo entre la salida del compresor y el punto de utilización.

Existen nomogramas para calcular los diámetros adecuados de tuberías de acuerdo con el volumen de aire a emplear.

Además, es muy raro encontrar una aplicación donde el aire se emplee tal como sale de la tubería. Por ejemplo, el agua corroe las tuberías, destruye el acabado de las pinturas y contamina la comida. Pero, algunas aplicaciones requieren aire más limpio que otras; por ejemplo, las industrias alimenticias requieren aire miles de veces más limpio que el que se emplea en herramientas.

Todos los gases obtenidos a partir del aire atmosférico, contienen un volumen de agua que depende de la humedad ambiente, la cual puede ser de 0.00385 g/l en lugares secos, hasta de unos 0.06 g/l en lugares húmedos, por lo que esos gases deben ser secados antes de utilizarse. El método más apropiado es aquel que reduce el punto de rocío a una temperatura que sea más baja que la más baja encontrada en el sistema. Refrigeración o el uso de desecadores químicos son los métodos más usuales. Siendo éste último el método que entrega el aire más seco.

Además que pueden contener un porcentaje de partículas sólidas, que también deben ser removidas. Por ejemplo, en una ciudad se pueden encontrar hasta 140 millones de partículas por metro cúbico de aire, de las cuales el 80% son menores de 2 micras y pueden pasar por el filtro de entrada del compresor. Existen filtros que no dejan pasar hasta 1 micra.

Con los compresores modernos de lubricación por aceite es inevitable que el aire comprimido contenga algo de aceite, lo cual depende enteramente del estado del compresor y de su separador.

Como ejemplo un compresor de tornillo con buen mantenimiento no permitirá más de unas 4 partes por millón. Con un buen filtro coalescente, éste contenido puede ser bajado a 0.01 partes por millón, y además del aceite no permite el paso a partículas sólidas.

Ejemplos de limpieza del aire de acuerdo con su aplicación:

APLICACION

Partículas Sólidas Aceite Agua

um mg/m3 mg/m3

* buceo. < 0.3 < 0.1 < 1

* cabina de pintado < 20 < 1 < 1

* herramientas neumáticas < 20 < 25 < 5

Además, los distintos componentes móviles utilizados en Neumática deben ser lubricados con aceite SAE 10 sin aditivos, para que puedan operar durante una larga vida, excepto donde pueda ser perjudicial al producto. Ejemplo: Industria Alimenticia.

Debe notarse que en los equipos operados por vacío, también son necesarios filtros para alargar la vida de las válvulas que lo controlan.

1.3 MANDOS

Los mandos de un sistema neumático pueden ser totalmente neumáticos y, consistir en botones pulsadores o selectores que actúan sobre una pequeña válvula piloto.

Físicamente, son idénticos a los botones pulsadores que se usan en sistemas eléctricos.

O, pueden ser los botones de acción eléctrica los que a su vez activen las solenoides de las electroválvulas.

1.4 VALVULAS

Las válvulas de control se catalogan por el número de puertos en su cuerpo y por el número de posiciones que tienen fijas.

Ejemplo: Una válvula 5/3 indica 5 puertos o conexiones en el cuerpo de la válvula y 3, que puede tener tres posiciones estables mediante sus actuadores.

Los puertos pueden ser de diferentes diámetros, que van relacionados con la cantidad de aire que pueden dejar pasar. A mayor diámetro, pasa más volumen de aire comprimido.

Específicamente, el dato de Cv o Qn de la válvula nos indica cuantitativamente la cantidad de aire que puede pasar con una pérdida de presión unitaria.

Qn es el caudal nominal normal y se entiende como el caudal de aire libre o normal en litros/min que atraviesa la válvula con una presión de entrada de 6 bar (7 bar absolutos) y una pérdida de carga de 1 bar a una temperatura de 20 C.

Cv textualmente quiere decir coeficiente de velocidad y, por definición es el caudal de agua a 15.5 °C en galones por minuto que pasa a través de la válvula, cuando la caída de presión en la misma es de 1 psi.

El factor de conversión entre ambos es de 1000 l/min (Qn) = 1.016 gal/min (Cv).

Las válvulas pueden ser actuadas mediante aire, electricidad y mecánicamente. A las primeras se les denomina "piloteadas", por emplear válvulas piloto de aire.

La representación esquemática de las válvulas es como sigue:

- Las posiciones de las válvulas se representan por medio de cuadros.

- La cantidad de cuadros indica la cantidad de posiciones.

- Las posiciones de cierre dentro de las casillas se representan mediante líneas transversales.

- La unión de tuberías se esquematiza mediante un punto de unión.

- Las conexiones de entrada y salida se representan mediante trazos unidos a la casilla que esquematiza la posición inicial.

- La o las otras posiciones se obtienen desplazando lateralmente los cuadros, hasta que las posiciones coincidan.

- Las conexiones de las válvulas se identifican por medio de letras mayúsculas

CONDUCTOS DE TRABAJO A, B, C

ENTRADA DE PRESION P

SALIDA O ESCAPE R, S, T

TUBERIAS DE PILOTAJE E, Y, X

1.5 CILINDROS

Los cilindros neumáticos son empleados donde se requiere de fuerza y de rapidez en efectuar dicha acción pero, no donde se requiera control exacto de la trayectoria del movimiento. Esto debido a que los gases son compresibles.

Existen diversos tipos de cilindros según su aplicación:

* Cilindros de un vástago

* Cilindros de dos vástagos

* Cilindros sin vástago

* Cilindro Tándem

* Cilindros Giratorios

* Cilindros de Membrana

* Cilindros de émbolos múltiples

Los cilindros sin vástago se emplean en posicionadores por su limpieza y el poco espacio que ocupan. De éstos hay dos tipos, los que se mueven mediante un acoplamiento magnético y los que tienen un accionamiento directo.

Los cilindros de Membrana, son parecidos a una cámara de neumático, que empujan al ser llenados de aire.

Los cilindros de émbolos múltiples sirven para obtener hasta cuatro veces (con cuatro émbolos) la fuerza que se pudiera obtener de un cilindro normal. Aunque la desventaja es que son bastantes veces más largos que aquellos últimos.

Todos los cilindros siguen la fórmula básica de presión, y con ella se pueden calcular los diámetros básicos. Aunque se debe considerar que la fricción estática de un cilindro poco lubricado puede ser muy elevada y, que se debe tomar en cuenta un margen de seguridad para que nunca falle el cilindro en la operación diseñada.

Ejemplo: Se requiere obtener una fuerza de 100 kg de empuje con un cilindro de 50 mm de diámetro. Qué presión es necesaria para lograr esta fuerza? Y cuál será la fuerza de retorno si el vástago tiene un diámetro de 13 mm?

R: a) P = F/A

P = 100 / (5 * 5 / 4 * 3.1416)

P = 5.09 Kg / cm2

b) F = P * (A - a)

F = 5.09 * (( 5 * 5 * 3.14 / 4 ) - ( 1.3 * 1.3 * 3.14 / 4 ))

F = 93.24 Kg

1.6 MOTORES.

En lugares de ambientes explosivos o donde se requiere de altas velocidades y de un riesgo mínimo al atascarse la herramienta, se emplean los motores neumáticos.

Todos estamos familiarizados con las herramientas de impacto de los talleres mecánicos, y con el taladro de los dentistas; todos ellos emplean motores de esta índole.

Es característico de estos equipos que sin carga tomen una velocidad muy alta y que consuman mucho aire, y que conforme toman carga, tanto la velocidad como el consumo bajen.

Por lo general, se emplean reductores de velocidad directamente acoplados a los motores neumáticos para obtener trabajo útil.

1.7 SECUENCIADORES

En máquinas completamente neumáticas, los mecanismos son programados al momento del diseño (no son posteriormente programables!) mediante una secuencia neumática.

Estos secuenciadores funcionan a base de comparadores lógicos que actúan sobre elementos de memoria neumáticos para lograr cualquier secuencia.

En las fábricas de calzado existen algunas aplicaciones de estas máquinas.

En realidad, son muy fáciles de entender y de arreglar cuando requieren servicio, ya que no son otra cosa que válvulas autopiloteadas.

Existe en el mercado muy buena información al respecto editada por la compañía Schrader Bellows - Parker.

1.8 APLICACIONES VARIAS

Entre las aplicaciones comunes están los Platos Divisores y las prensas de sujeción de los talleres mecánicos.

Además, en troqueladoras, se emplea el avance del material por medios neumáticos.

1.8A ENFRIAMIENTO.

Una aplicación del aire comprimido es la de enfriar un gabinete de control. Para ello se emplea lo que se llama un tubo "vortex" o tubo Hilsch, el cual funciona de la siguiente manera: el aire comprimido es pasado a través de unas toberas que son tangentes a un orificio interno. Estas toberas hacen que el aire forme un vórtice, de ahí el nombre. La corriente del aire girando pasa por encima de sí mismo y sale de un lado caliente y del otro frío. Hasta -40 C pueden obtenerse de esta manera.

1.8B CORTINA DE AIRE.

Una cortina de aire es una aplicación poco común pero muy eficiente para secar o limpiar partes en una banda móvil. La cortina de aire funciona imprimiendo gran velocidad al aire que escapa de una tobera lineal pero muy delgada, con lo que el aire circundante también se adhiere a la corriente formando literalmente una cortina.

 

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