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
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: 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
