FUNDAMENTOS DE NEUMÁTICA 

1.1 DEFINICIÓN DE NEUMÁTICA

De los antiguos griegos procede la expresión "Pneuma", que designa la respiración, el viento y, en filosofía, también el alma. Como derivación de la palabra "Pneuma" se obtuvo, entre otras cosas el concepto Neumática que trata los movimientos y   procesos del aire.

Actualmente la neumática es la tecnología que usa el aire comprimido para ejercer fuerzas y movimientos, altamente utilizada en la industria manufacturera.

La neumática juega un papel  importante en la mecánica y cada vez más esta incluida en  el desarrollo de aplicaciones automatizadas.

En este sentido la neumática es utilizada para  la detección de estados mediante sensores, procesamiento de información  mediante procesadores,   el accionamiento  de actuadotes mediante elementos  de control y  ejecución  de trabajos  mediante actuadores.

 El control  de máquinas  y equipos  se logra  mediante la  concatenación lógica    de estados y conexiones, ello se logra con la actuación conjunta  de sensores, procesadores, elementos de accionamiento y actuadores.

El progreso experimentado  en materiales, métodos de montaje y fabricación  ha tenido como  consecuencia  una mejora  de la calidad y diversidad de elementos neumáticos,  contribuyendo esto a la mayor difusión de esta tecnología al campo de la automatización.

Los cilindros neumáticos   son utilizados  con frecuencia  como elementos de accionamiento lineal, porque se trata entre otras razones, de  unidades de bajo costo, de fácil montaje y están disponibles  en los tamaños más diversos.

La lista  que se incluye  a continuación  ofrece una noción general de datos característicos  de los cilindros neumáticos.

·         Diámetro                                  desde 6  hasta 320mm

·         Carrera                                    desde  1  hasta 2000mm

·         Fuerza                                        desde 2  hasta 50000N

·         Velocidad de émbolo               desde 0.02  hasta  1.5 m/s

Actividad: Observar el video en Youtube " FUNDAMENTOS DE NEUMÁTICA 1"   en el  enlace   https://youtu.be/pFFL4hs59Zc

Actividad: Observar el video   “Fundamentos de la neumática nivel básico 01/14”   en  el  enlace   https://www.youtube.com/watch?v=JrV4SSXipmk

Actividad: Observar el video  “Neumática 1”  en el enlace  

https://www.youtube.com/watch?v=MpA5sw41ubw

Actividad: Observar el video   “Aplicaciones de la Neumática en la Industria Alimenticia

Actividad: Observar el video PARKER  Introducción a la neumática  alimenticia”

 

1.2.1  VENTAJAS  DE LA NEUMÁTICA:

Cantidad: En prácticamente cualquier lugar se dispone de cantidades ilimitadas de air e. No es necesario sustituir ni reciclar.

Velocidad: El aire comprimido es un medio de trabajo rápido, puesto que permite obtener elevadas velocidades del movimiento del émbolo y los tiempos de conmutación son cortos. Siendo esta la principal ventaja de esta tecnología frente a las otras.

Transporte: Facilidad de transportar aire a grandes distancias a través de tuberías.

Almacenamiento: Posibilidad de almacenar aire comprimido en acumuladores  desde los que se puede abastecer el sistema. Además, el acumulador (botella) puede ser transportado.

Temperatura: El aire comprimido es prácticamente indiferente a oscilaciones de la temperatura. De este modo es posible  obtener un funcionamiento fiable, incluso bajo condiciones extremas.

Seguridad: El aire comprimido no alberga riesgos en relación con fuego o explosión.

Limpieza: El aire comprimido no lubricado no contamina el ambiente.

Composición y  costos: son más sencillos de fabricar y tienen un  menor coste económico que el mismo componente empleado en un circuito hidráulico.

Sobrecarga: Las herramientas y los elementos neumáticos pueden funcionar hasta que estén totalmente detenidos, por lo que no son sobrecargados.

 

1.2.2 DESVENTAJAS DE LA NEUMÁTICA

Para hacer uso de la neumática de forma correcta es necesario conocer las  desventajas del aire como fluido:

Acondicionamiento: El aire atmosférico para ser usado en un sistema neumático  ha de ser acondicionado, ya que  de lo contrario puede producirse un desgaste   rápido de los  elementos neumáticos  por efecto de las partículas  de suciedad y agua condensada.

Perdidas: En circuitos muy extensos se producen pérdidas de cargas considerables.

Precisión: Los circuitos neumáticos no son adecuados para realizar circuitos que  trabajen con mucha precisión en los desplazamientos.  Con aire comprimido  no es posible obtener velocidades uniformes y constantes.

Fuerza: Las presiones a las que trabajan normalmente, no permiten aplicar grandes fuerzas. El limite está entre 20000N  y 50000N  según la carrera y la velocidad  suponiendo  el uso de presiones comunes  que oscilan entre 6  y 8 bar (600 y 800Kpa).

Aire de escape: Altos niveles de ruido generados por la descarga del aire hacia la atmósfera, sin embargo este problema pueda minimizarse con el uso de silenciadores.

 

1.3 CAMPOS DE APLICACIÓN DE LA NEUMÁTICA

A continuación se ofrece una lista de algunas aplicaciones de la neumática:

Aplicaciones generales en la técnica de manipulación y sujeción de piezas

·         Desplazamiento de piezas

·         Posicionamiento de piezas

·         Orientación de piezas

·         Bifurcación del flujo de materiales

·         Estampar y prensar piezas

·         Embalar

·         Llenar

·         Dosificar

·         Bloquear

·         Accionar ejes

·         Abrir y cerrar puertas

·         Transportar materiales

·         Girar piezas

·         Separar piezas

·         Apilar piezas

·         Estampar y prensar piezas

La neumática es aplicada en las siguientes técnicas de fabricación:

·         Perforar

·         Tornear

·         Fresar

·         Cortar

·         Acabar

·         Deformar

 

Desvío de una cinta transportadora           

      

Cuchilla accionada neumáticamente

 

      

1.4  LA  NEUMÁTICA  FRENTE  OTRAS TECNOLOGÍAS

Antes de optar por el uso de sistemas neumáticos de mando y de trabajo es oportuno efectuar una comparación de la neumática con energías de otra índole. La evaluación correspondiente deberá referirse al sistema completo, empezando  por las señales de entrada (sensores), pasando por  la parte de  mando (procesadores) y llegando  hasta los órganos  de maniobra y actuadores.

Además deberán tenerse en cuenta los  siguientes factores:

·         Medios de control preferidos

·         Equipos ya instalados

·         Conocimientos técnicos disponibles

·         Sistemas ya instalados

Los medios de trabajo son los siguientes:

·         Electricidad

·         Hidráulica

·         Neumática

·         Combinación de estos medios

Criterios de selección y características de los sistemas, a tomar en cuenta al elegir los medios de trabajo:

·         Fuerza

·         Carrera

·         Tipo de movimiento (lineal, giratorio, rotativo)

·         Velocidad

·         Vida útil

·         Seguridad y fiabilidad

·         Costos de energía

·         Operabilidad

·         Capacidad de acumulación

Medios de control:

·         Mecánica

·         Electricidad

·         Electrónica

·         Neumática

·         Neumática de baja presión

·         Hidráulica

Criterios de selección y propiedades del sistema, a tomar en cuenta al elegir los medios de control:

·         Fiabilidad de los componentes

·         Sensibilidad frente a factores externos

·         Facilidad de mantenimiento y reparación

·         Tiempo de respuesta de los elementos

·         Velocidad de la transmisión de señales

·         Espacio necesario

·         Vida útil

·         Posibilidad de modificar el sistema

Actividad: LECTURA  RECOMENDADA                                                                                                                                                            Para complementar la comparación entre los diversos tipos de accionamientos se recomienda  hacer la lectura del cuadro  “Selection and comparition  of working and control media” ubicado en el anexo.

Actividad: Observar el video  PARKER  Empleo de Lógica neumática pura    “Neumática 9”        https://www.youtube.com/watch?v=v2s1Hy3Xz2o    

COMPARACIÓN DE LA NEUMÁTICA  FRENTE A OTRAS TÉCNOLOGÍAS

Actividad:   Revisar  On Line   “PNEUMATICS “                                                                      http://electronics.wisc-online.com/Category.aspx?ID=11

 

1.5 PRESIÓN

 Se define como la cantidad de  fuerza total ejercida sobre una superficie. Generalmente expresamos esta presión en Kgf/cm². Conociendo la presión y el número de cm² de la superficie sobre la cual se ejerce, se puede determinar fácilmente la fuerza total. (Fuerza en Kgf = presión en Kgf/cm² x superficie en cm²).

P = F/A

El esquema anterior se muestra dos cuerpos rectangulares que tienen la misma masa y por ende el mismo peso (Fuerza – F) y se encuentran apoyados sobre dos superficies A1 y A2.  Según la fórmula anterior se ejercerá mayor presión sobre la superficie A2  ya que en ella la fuerza se encuentra mas concentrada.

Las unidades más comunes para expresar la presión son:      Pa (N/m²), Kgf/cm²,

PSI (Lbf/pulg²), Atm , etc.

Para facilitar  el entendimiento de las leyes físicas se incluyen  a continuación una lista de factores de conversión  entre el Sistema Internacional (SI) y el Sistema Ingles.

 

Los factores de conversión de presión, fuerza, longitud y área mas usados son: 

PRESIÓN  1bar = 0,987 Atm = 1.03 Kgf/cm² = 100000 Pa (N/m²) = 14.504 PSI (Lbf/pulg²) = 760mm de Hg

FUERZA           1 Kgf = 9.8 N = 2.2 Lbf

TIEMPO            1 min = 60 s      1 h = 60 min = 3600s      1 día = 24 h     1 año = 365 días

LONGITUD       1 mt = 3.28 ft = 39.36 pulg = 1000 mm                               1 ft = 12 pulg

AREA               1 mt² = 10.76 ft² = 1550 pul²= 10000 cm²

 

 

 

USO DE FACTORES DE CONVERSIÒN

1.    )    50 Ton     Convertir    a    lb   

2.    )    5 días     Convertir    a    min                 

3.    )   5000 min convertir a días                      

4.    )   450 ft convertir a  m 

                              

5.    )   250  pulgadas  convertir a  ft                  

6.    )   350 Psi convertir a bares                     

7.    )  35 atm convertir a kgf/cm²

                    

8.    )  250 MPa convertir a bares

9.    )  2 m² convertir a ft²  

                               

10.  )  200 Kgf/cm² convertir a KPa 

                

11.  )  770 pulgadas² convertir a ft² 

         

12.  )  6000 KPa convertir  a bares 

                 

 

EJERCICIOS PROPUESTOS  -  Usar los factores de conversión de unidades  entre el Sistema Internacional y el Sistema Ingles

1.       5.5  Ton     Convertir    a    lbf             9)  1 MPa convertir a bares                   

2.       25  m² convertir a ft²                          10)     7  días     Convertir    a    segundos                          

3.      450  Kgf/cm² convertir a KPa              11).  4  lbm  Convertir    a    gr                       

4.       65  ft² convertir a   m²                         12.  7800  min convertir a días                     

5.      540 mt² convertir a ft²                          13)   45  ft convertir a m                                

6.      260  mt³ convertir a ft³                         14)  85  pulgadas  convertir a ft                  

7.      770 pulgadas² convertir a ft²                15)  120  mm convertir a pulgadas                  

8.     700  KPa convertir  a PSI                     16)  3000  PSI convertir a bares                       

 

Ejemplo resuelto: Si a  un cilindro cuya área de pistón es de  7.85 cm² se le aplican 100 bar de presión, ¿Cuanta es la fuerza máxima que se puede obtener en N?

P= 100 bar = 1000N/Cm²

A = 7.85 cm²

 

Ejemplo propuesto: Una plataforma elevadora debe levantar una carga de 15000N, si el sistema suministra una presión máxima de 75 bar. ¿Cuál debe ser el área  (cm²)  del pistón  para que pueda hacer este trabajo?

Ejemplo propuesto:   Si  un pistón es sometido a una presión de 750 PSI y ejerce una fuerza de 100000 N, ¿De que diámetro (mm) debe ser su pistón?

 

1.5.1  PRESIÓN ABSOLUTA Y PRESIÓN MANOMÉTRICA

La presión absoluta es aquella cuya referencia es el cero absoluto o el vacío completo, las medidas de presión en unidades absolutas siempre serán positivas, mientras que las presiones relativas o manométricas son tomadas con referencia a la presión atmosférica por tanto estas presiones pueden ser positivas (arriba de la presión atmosférica) o negativas (por debajo de la presión atmosférica).

Pabs = Pmanométrica + Patm

Una presión manométrica de 4bar equivale a una presión absoluta de 5 bar, una presión manométrica de – 0.3 bar equivale a una presión absoluta de  0.7 bar.

La  presión imperante en la superficie terrestre es denominada presión atmosférica (Pamb).  Esta presión también es  denominada presión de referencia.

La presión superior a esta presión de referencia es denominada sobrepresión (+pe), mientras que la presión inferior a ella se llama subpresión (-pe). 

La presión atmosférica no es constante. Su valor cambia según la ubicación  geográfica y las condiciones meteorológicas siendo en promedio  1 bar (100 Kpa)

La presión absoluta (Pabs) es el valor relacionado a la presión cero (en vacío): La presión absoluta es la suma de la presión atmosférica más la sobrepresión o subpresión. En la práctica suelen utilizarse sistemas de medición de la presión que solo indican el valor de la sobrepresión  (+pe). El valor de la presión absolu­ta más elevado.

 

1.5.2  NIVEL DE PRESIÓN EN LOS SISTEMAS NEUMÁTICOS

Los elementos de sistemas neumáticos suelen ser concebidos para presiones de servicio de 8 hasta 10 bar (800 hasta 1000 Kpa). No obstante, es recomen­dable que, por razones económicas, se trabaje en la práctica con presiones entre 6 y 8 bar (600 y 800 Kpa). El compresor debería suministrar una presión de 9 hasta 8,5 bar (900 hasta 850 Kpa) para poder compensar cualquier fuga en el sistema de distribución.

1.6  COMPOSICIÓN DEL AIRE

La neumática usa aire atmosférico el cual es una  mezcla de gases:

·      Aproximadamente  78 Vol.% de Nitrógeno

·      Aproximadamente  21 Vol.% de Oxígeno

 

El aire contiene, además  huellas de Dióxido de Carbono, Argón, Hidrógeno, Neón, Helio, Criptón,  Xenón  y  vapor de Agua.

 

 1.7 PROPIEDADES DEL AIRE

Por ser un gas, el aire, se caracteriza por  la falta de cohesión, es decir la ausencia de una fuerza entre las moléculas en circunstancias usuales en la neumática. El aire; al igual que todos los gases, no tiene una forma definida. Su forma cambia a la más mínima fuerza y, además, ocupa el volumen máximo disponible. El aire puede ser comprimido.

LA LEY DE BOYLE- MARIOTTE

 

Esta característica es descrita por la ley de Boyle-Mariotte: A temperatura constante los volúmenes de una misma masa gaseosa son inversamente proporcionales a las presiones a que se halla sometida. El producto de volumen y presión absoluta (Pabs) es constante para una determinada masa de gas.

p1 * V1 = p2* V2 = p3 *V3 = constante

 

 

EJEMPLO DE CÁLCULO

 

El aire expuesto a la presión atmosférica es comprimido a la séptima su volumen. ¿Cuál es la presión si la temperatura se mantiene constante?

 

                                            p1 * V1 = p2* V2

                                             p2 =  p1* V1/V2          Observación: V2 / V1 =1 / 7

                                             p1 = Pamb = 1 bar = 100 Kpa

                                             p2 = 1 * 7 = 7 bar = 700 Kpa absoluto

 

En consecuencia: P2e = Pabs - Pamb = (7-1)bar = 6 bar = 600 Kpa

Un  compresor  que genera una sobrepresión  de 6 bar (600Kpa) tiene una relación de compresión de 7:1.

 

Actividad: Observar el video   FESTO      “Fundamentos físicos DE LA NEUMÁTICA   02/14”          http://www.youtube.com/watch?v=nFtNyBta-zU

 

HUMEDAD DEL AIRE ATMOSFERICO

 

El aire no está seco, contiene agua en forma de vapor. La humedad relativa del aire es un parámetro que expresa el contenido de vapor de agua que contiene una cierta cantidad de aire, en función del máximo contenido de vapor de agua que puede tener sin llegar a condensar. Se da en tanto por ciento. Cuando decimos que el aire tiene una humedad relativa del 50% estamos diciendo que contiene la mitad del máximo vapor de agua que puede tener. Si la humedad relativa sobrepasa el valor de saturación del 100%, llueve  (se condensa). La siguiente gráfica muestra el contenido de vapor de agua en g/m³ que contiene el aire atmosférico a diferentes temperaturas y humedades relativas:

 

Supongamos que comprimimos cuatro metros cúbicos de aire atmosférico que está a 20ºC de temperatura y que tiene una humedad relativa del 50%. Esto quiere decir, si observamos la gráfica anterior, que cada metro cúbico contiene 8,7 g de vapor de agua.

Si los comprimimos hasta obtener un metro cúbico de aire comprimido, podemos

saber a qué presión estará el aire:
P · V = Cte.                                                        P1·V1 = P2·V2

La presión del aire atmosférico es de 1 bar, por tanto si P1 es 1 bar, V1 es 4 m³ y  V2 es  1 m³, la presión final P2 será de 4 bar de presión absoluta, esto es 3 bar de presión manométrica. 

Cuando el compresor comprima los 4 m³ en 1 m³, habrá cuatro veces 8,7 g, o sea 34,8 g de vapor de agua. Pero si observamos la gráfica de la humedad relativa, una humedad del 100% a 20 ºC  quiere decir que solo podemos tener 17,4 g de vapor de agua. Los otros 17,4 g de vapor condensan formando agua líquida

 

Cuando el compresor comprima los 4 m³ en 1 m³, habrá cuatro veces 8,7 g, o sea 34,8 g de vapor de agua. Pero si observamos la gráfica de la humedad relativa, una humedad del 100% a 20 ºC  quiere decir que solo podemos tener 17,4 g de vapor de agua. Los otros 17,4 g de vapor condensan formando agua líquida.

Por ejemplo, un compresor con una presión de trabajo de 7 bar y una capacidad de 200 l/s que aspira aire a 20°C con una humedad relativa del 80%, producirá 80 litros de agua condensada en la red de aire comprimido durante una jornada de trabajo de ocho horas.

Actividad:   Observa   el   video “  FUNDAMENTOS DE NEUMÁTICA 1     ”    en  el  enlace https://www.youtube.com/watch?v=pFFL4hs59Zc&t=23s

 Actividad: Observar el video en Youtube " FUNDAMENTOS DE NEUMÁTICA 2"   en el  enlace   https://youtu.be/imDsYKer7w8

Airflow Conversion

https://www.smcpneumatics.com/airflowunitconversion.html

Cylinder and Valve Sizing  https://www.smcpneumatics.com/v4c.html