Capítulo 1
Automatización neumática de bienes de equipo y maquinaria industrial
3. Parámetros y magnitudes fundamentales en los sistemas neumáticos
4. Principios y leyes básicas de los gases
5. Elementos de un sistema neumático
6. Elementos de mando neumático y electroneumático
7. Sistemas de control neumático y electroneumático. Funciones y características
8. Simbología y representación gráfica
9. Fallos en los sistemas neumáticos y electroneumáticos
La neumática, como concepto general, es la parte de la ingeniería que emplea el aire comprimido como modo de transmisión de la energía necesaria para mover y hacer funcionar mecanismos.
Podemos particularizar este concepto al ámbito de la automatización industrial, definiendo la automatización neumática como la parte de la ingeniería dedicada al estudio y aplicación del aire comprimido en la automatización de procesos industriales, para sustituir, en la medida de lo posible, el trabajo humano dentro de un proceso de fabricación.
Las aplicaciones del aire comprimido son muy extensas y prácticamente se puede encontrar en todas las industrias y sectores productivos, desde la agricultura hasta la industria aeronáutica, pasando por el sector de la construcción o la industria química; por citar algunos ejemplos de las múltiples áreas en las que se puede encontrar la neumática en nuestros días.
La materia puede presentarse en tres estados diferentes: sólido, líquido o gaseoso. Cuando la materia se presenta en estado gaseoso cumple las siguientes propiedades:
El aire es una mezcla de gases que constituye la atmósfera terrestre y que permanece alrededor de la superficie gracias a la acción de la gravedad. Esta mezcla de gases es indispensable para la vida en nuestro planeta.
El aire está compuesto en su mayoría por nitrógeno (78 %) y oxígeno (21 %). El 1 % restante está formado por otros gases como dióxido de carbono, ozono, hidrógeno y algunos gases nobles como el argón o el criptón.
Estos porcentajes son teóricos y en la práctica pueden sufrir pequeñas variaciones dependiendo de algunas variables, como por ejemplo la altura del aire con respecto a la superficie de la Tierra, ya que en las capas altas de la atmósfera la presencia de ozono, helio e hidrógeno se ve acentuada.
Sabía que...
Hasta el siglo XVIII no se descubrió que el aire estaba compuesto por una mezcla de gases, tras comenzar los primeros estudios científicos sobre la composición de la atmósfera.
Además de los compuestos gaseosos mencionados anteriormente, el aire suele contener pequeños porcentajes de agua, que pueden variar entre cantidades mínimas para el ‘aire seco’ y valores algo superiores para un ‘aire húmedo’.
Por último, en el aire también puede haber presencia de pequeñas partículas sólidas de polvo en suspensión que, junto con el agua, deben de ser eliminadas para poder usarlo en los sistemas de automatización neumática.
El aire comprimido, además de tener las propiedades indicadas anteriormente para los gases, tiene unas características muy interesantes que han hecho posible una gran expansión de la neumática como solución a problemas de automatización, de forma muy simple y económica. Entre estas propiedades destacan:
Depósitos de aire comprimido
Para delimitar el campo de utilización de la neumática es preciso conocer también las propiedades adversas o inconvenientes:
Unidad de preparación de aire comprimido
Ejercicio práctico
Realice una tabla resumen donde se incluyan las principales ventajas e inconvenientes del uso del aire comprimido en la automatización de bienes de equipo y maquinaria industrial.
SOLUCIÓN
| Propiedades del aire comprimido | |
| Ventajas | Inconvenientes |
| Fluido muy abundante | No resulta económico trabajar a grandes presiones |
| No es explosivo | Necesidad de preparación previa del aire |
| Trabajo muy limpio | Es un fluido compresible |
| Almacenable en depósitos | Presencia de ruido en los escapes |
| Transporte a largas distancias por tuberías | |
| No necesita tuberías de retorno | |
| Medio de trabajo muy rápido | |
En una instalación neumática es de vital importancia conocer las características que presenta el fluido para el correcto funcionamiento y mantenimiento de la instalación. Para ello, deben ser controlados los parámetros como presión, temperatura, volumen que ocupa la instalación, caudal e incluso la humedad que presenta el fluido neumático.
Se define como la fuerza (F) ejercida por una unidad superficie o área (S).
Unidades de presión
Según el Sistema Internacional (S.I) la unidad de presión es el Pascal [Pa]. 1 Pa equivale a 1 N/m2. No obstante, es frecuente encontrar equipos de medida o fichas de fabricantes en la que muestran las especificaciones técnicas de los equipos en unidades distintas del S.I. Por tanto, no solo nos debemos limitar a conocer el Pascal, como unidad de presión, sino que tendremos que conocer, al menos, las siguientes unidades y la equivalencia existente entre ellas:
Importante
A efectos prácticos se pueden aproximar:
Aplicación práctica
Un cilindro de simple efecto se mueve por la acción de aire comprimido. El diámetro del émbolo es de 75 mm y el diámetro del vástago es de 20 mm, la presión de trabajo del aire comprimido es de 0,5 MPa. Calcule:
SOLUCIÓN
Datos:
Despejamos la fuerza de la expresión general de la presión, con lo que obtenemos:
Por tanto, solo falta conocer el valor del área del vástago para poder obtener la fuerza pedida.
Por tanto, el valor de la fuerza en N se obtiene por aplicación de la fórmula y teniendo en cuenta introducir la presión en Pa y el área en m2.
F = 500.000 Pa × 0,0044m2 = 2.208 N
F´ = F - Fmuelle = 2.208 - 58 = 2.150 N
Tipos de presión
Existen fundamentalmente tres tipos de presión:
A continuación se define cada una de ellas y se establece la forma de pasar de una a otra con relativa sencillez.
Como hemos visto anteriormente la presión atmosférica es variable, por tanto resulta conveniente fijar un valor estándar de la presión atmosférica o presión normal, de valor 760 mmHg, que corresponde con la presión a nivel del mar y a 45º de latitud.
En la tabla se puede observar los valores de la presión normal medida en distintas unidades.
| Valores de la presión atmosférica en condiciones normales para distintas unidades (Patm) |
| 1 atm |
| 101325 Pa ≅ 0,1 MPa |
| 760 mmHg |
| 1,033 kp/cm2 |
| 1,013 bar |
Por tanto, si queremos pasar la presión absoluta a presión relativa dependiendo de las unidades en la que esté indicada esta, solo tendremos que restarle el valor de la presión atmosférica indicado en la tabla.
Por el contrario, si queremos obtener la presión absoluta a partir de la presión relativa solo tendremos que sumarle al valor de la presión relativa o manométrica el valor de la presión atmosférica.
Se dice que un sistema está en sobrepresión cuando la presión absoluta es superior a la presión atmosférica. El aparato empleado para su medición es un manómetro. Con la lectura de este aparato obtenemos el valor de la presión relativa o manométrica.
Manómetro analógico
Sin embargo, cuando la presión absoluta es inferior a la presión atmosférica decimos que existe una depresión o vacío. El aparato usado para medir depresiones es el vacuómetro.
Aplicación práctica
Un manómetro marca una presión relativa de 4 bar en un circuito neumático. Calcular los valores exactos de presión que se piden en los siguientes apartados, utilizando correctamente el cambio de unidades:
SOLUCIÓN
Datos:
Sabemos que 1 bar = 100000 Pa o lo que es lo mismo a 100 kPa, por tanto:
Sabemos que 1 bar = 100000 Pa y 1 mmHg = 133,32 Pa, por tanto:
Es una magnitud muy usual y que asociamos al concepto común de frío y calor. De hecho, comúnmente hablando decimos que un cuerpo está más caliente que otro si tiene mayor temperatura; en caso contrario si su temperatura es menor afirmamos que se encuentra más frío.
Si usamos una definición más técnica la temperatura la podemos definir como la magnitud física relacionada con la energía interna o energía del movimiento de las partículas de un sistema. Por tanto, en el caso de un gas, como puede ser el aire comprimido, cuanto mayor sea su temperatura mayor serán los movimientos a las que están sometidas las moléculas que lo constituyen.
La temperatura se puede medir en diferentes unidades como por ejemplo Kelvin, Celsius o Fahrenheit, entre otras. Nos vamos a centrar en las dos primeras por ser las más utilizadas en España.
Para obtener la temperatura absoluta en Kelvin, conocida la temperatura en grados Celsius, basta con aplicar la siguiente expresión:
El aparato usado para medir la temperatura es el termómetro. Se pueden encontrar muchas tipologías de estos instrumentos para medir temperaturas, como por ejemplo termómetros de mercurio, termómetros digitales o termómetros de resistencia eléctrica, entre otros muchos.
Es una magnitud que mide el espacio que ocupa un cuerpo en un lugar determinado. La unidad en el Sistema Internación es el m3. En el caso de los gases, el volumen que ocupan es el del recipiente en el que se encuentran confinados.
Se define como el volumen de aire que pasa por una sección transversal a la corriente en una unidad de tiempo.
Sabía que...
Si un gas recorre una distancia (e) en un tiempo (t) a velocidad constante, el valor de la velocidad se obtiene dividiendo los anteriores valores: v = e / t
El caudal también se puede expresar como el producto de la velocidad del aire por la sección transversal ‘S’ que está atravesando.
Por ejemplo, para obtener el caudal de aire que atraviesa una tubería basta con conocer la velocidad por la que circula y multiplicarla por la sección transversal de dicha tubería. Normalmente de una tubería conoceremos su diámetro, por tanto para obtener la sección hay que recurrir a la fórmula que relaciona el diámetro interior de la tubería con su sección.
Aplicación práctica
¿Qué caudal se necesita para que un cilindro de simple efecto de 30 mm de diámetro recorra una distancia de 250 mm en 0,6 s, con velocidad constante?
SOLUCIÓN
Datos:
El problema nos pide el cálculo del caudal de aire y nos está dando como dato indirectamente la sección del cilindro, ya que conocemos su diámetro; por tanto la fórmula del caudal a emplear es:
Calculamos la velocidad por medio de:
Por otro lado la sección del cilindro viene dada por:
Una vez conocidos los valores de sección y velocidad el caudal de aire se calcula por simple multiplicación de ambos valores, de la siguiente forma:
Representa la cantidad de vapor de agua que hay en el aire y es en función principalmente de la temperatura a la que se encuentra dicho aire. La humedad se puede expresar como:
El aparato usado para medir el grado de humedad en el aire es el higrómetro, existiendo tanto digitales como analógicos.
Higrómetro digital
Existe una gran cantidad de principios y leyes por los que se rige el comportamiento de los gases y en concreto el aire comprimido. En estas páginas nos limitaremos a estudiar aquellas que tienen aplicación en el desarrollo del trabajo cotidiano como montador y reparador de sistemas neumáticos.
Las leyes que se van a presentar a continuación son para gases ideales o lo que es lo mismo, gases hipotéticos formados por partículas puntuales, sin atracción ni repulsión entre ellas y cuyos choques son perfectamente elásticos. Los gases reales existentes en la naturaleza no son exactamente gases ideales, pero para ciertos gases o combinación de los mismos, como es el caso del aire, la aproximación a un gas ideal no es muy desacertada y por tanto se puede predecir su comportamiento usando estas ecuaciones sin temor a cometer grandes errores.
La ecuación general de los gases ideales nos indica que partiendo de una misma cantidad de gas, el producto de la presión absoluta (P) por el volumen que ocupa (V), partido la temperatura, medida en Kelvin, a la que se encuentra (T), se mantiene constante para diversas situaciones siempre que no cambie la cantidad de gas.
Por tanto, si analizamos dos situaciones, por ejemplo situación 1 y 2, la expresión anterior se transforma en la siguiente, donde quedan relacionados los parámetros de presión, volumen y temperatura de ambas situaciones.
A partir de la expresión anterior es fácil deducir alguno de los parámetros conociendo el resto de ellos, simplemente despejando en la ecuación resultante.
Se puede considerar como una particularización de la ecuación general de los gases ideales, cuando la temperatura se mantiene constante en las dos situaciones a analizar (proceso isotermo). Por tanto, al tener la misma temperatura dividiendo en los dos términos de la ecuación general, esta puede ser eliminada, obteniendo como resultado la siguiente expresión:
Igual que la ley de Boyle-Mariotte ha sido considerada como una particularización de la ecuación general de los gases ideales para la temperatura constante, en este caso quien permanece constante es el valor de la presión (proceso isóbaro), quedando relacionados los parámetros de volumen y temperatura por la ecuación:
Nota
Proceso isóbaro es cuando la presión se mantiene constante en dos situaciones.
En esta última ley la variable que permanece constante es el volumen (proceso isócoro), por tanto tras eliminar el volumen de la ecuación general de los gases ideales, la expresión resultante es la siguiente:
Aplicación práctica
Suponiendo que un depósito de aire comprimido se encuentra a una presión absoluta de 6 bar cuando está a una temperatura de 15º C., calcule el incremento de la presión si el depósito alcanza una temperatura de 40º C tras una larga exposición al sol.
SOLUCIÓN
Los datos de los que disponemos son:
Situación 1:
Situación 2:
Como el volumen del depósito se mantiene constante en las dos situaciones (V1= V2) nos encontramos ante un proceso isócoro y por tanto la fórmula de aplicación es la de Gay Lussac:
El incremento de presión que pide el ejercicio viene dado por:
Los diferentes elementos que componen un sistema neumático se pueden dividir en los siguientes:
Un compresor neumático es una máquina cuya finalidad es elevar la presión de un cierto volumen de aire, que es introducido a presión atmosférica hasta llegar a una determinada presión de trabajo indispensable para satisfacer las necesidades del sistema de aire comprimido.
A continuación vamos a definir brevemente los compresores más utilizados:
Compresores de pistón
También se les denomina compresores de émbolo, su uso está muy extendido dentro de la neumática, y se pueden encontrar tanto en unidades fijas como en móviles.
El principio de funcionamiento es la transformación de un movimiento de rotación por medio de un sistema de biela-manivela a un movimiento de vaivén en el pistón.
En este tipo de compresores el aire llega hasta la cámara de compresión por medio de las válvulas de admisión y, después de obtener una presión suficiente gracias a la compresión del aire por el movimiento del pistón, es expulsado hacia el sistema a través de las válvulas de descarga.
Compresor de pistón
El movimiento de rotación para el accionamiento del compresor puede ser obtenido directamente por un motor eléctrico o un motor de combustión interna.
Compresores de tornillo
En los compresores de tornillo dos rotores paralelos en contrarrotación, macho y hembra, de forma helicoidal, giran confinados en el interior de una cámara que los envuelve y comprimen el aire en sus lóbulos de manera continua.
Las ventajas más notables de los compresores rotativos son su marcha silenciosa y la continuidad en el suministro de aire, dado que no funciona con arreglo a un ciclo paso a paso, sino que se trata de un proceso estacionario.
Compresores de paletas
Los compresores de paletas están constituidos por un rotor excéntrico en el cual van colocadas las paletas.
Durante la rotación se crean unas cámaras de aire que van reduciendo su volumen cuando se produce el giro. Con ello se consigue una compresión del aire atrapado entre la parte fija del compresor, estator, la parte móvil, eje excéntrico y paletas.
Compresores centrífugos
Se basan en el principio de la compresión de aire por fuerza centrífuga, y constan de un rotor centrífugo que gira dentro de una cámara espiral, tomando aire en sentido axial y arrojándolo a gran velocidad en sentido radial. La fuerza centrifuga que actúa sobre el aire lo comprime contra la cámara de compresión.
Compresor centrífugo real
En todos los compresores es necesario evacuar el calor generado durante el proceso de combustión. Los compresores han de ser enfriados, siendo los dos métodos más comunes el enfriamiento por agua y el realizado por aire.
Los depósitos tienen por función el almacenamiento del aire procedente del compresor. Suelen tener forma cilíndrica con laterales en forma de sector esférico.
La presencia de depósitos en el sistema tiene las siguientes ventajas:
Depósitos de aire comprimido vertical y horizontal
Los principales elementos de los que debe estar dotado un depósito son los siguientes:
Definición
Presostato de un depósito
Elemento que manda una señal de funcionamiento o parada al compresor, dependiendo de la presión que se alcanza en el interior del depósito.
El aire comprimido puede presentar impurezas líquidas, restos de aceite del compresor o vapor de agua e impurezas sólidas, como polvo o pequeñas partículas de óxido provenientes de la instalación. Estas impurezas han de ser eliminadas si se quiere conseguir una vida prolongada y un funcionamiento regular de los componentes del circuito.
Los principales elementos que se encargan de acondicionamiento del aire son los filtros, secadores, reguladores de presión y lubricadores.
Filtros de aire
Son elementos que se emplean para eliminar las partículas sólidas del aire, que suelen ser de polvo o restos de óxido. Las partículas líquidas, como agua o aceite, normalmente no se consiguen eliminar con estos sistemas por lo que hay que recurrir a elementos como los secadores.
Secadores
Son elementos cuya misión dentro del sistema es la eliminación de la humedad presente en el aire, puesto que una vez el aire es introducido en el sistema debe llegar sin presencia de agua para evitar la corrosión de los elementos metálicos.
Reguladores de presión
Los reguladores de presión son válvulas cuyo objetivo es conseguir que la presión que se manda al sistema coincida con la presión para la que ha sido proyectada la instalación. Por otro lado, contribuyen a reducir las oscilaciones de presión que pudieran producirse a la salida del compresor.
Lubricadores
Como es conocido los sistemas neumáticos están constituidos por elementos que tienen movimientos relativos entre sus piezas, por lo que están sometidos a desgaste. Para minimizar estos efectos, así como las fuerzas de rozamiento, los elementos deben estar lubricados de forma adecuada a través del aire comprimido.
La lubricación del aire comprimido tiene lugar en los lubricadores, donde el aire es mezclado con una cantidad controlada de aceite lubricante.
Unidad de tratamiento (FRL)
La unidad de tratamiento es un conjunto de elementos de acondicionamiento constituido por un filtro (F), un regulador de presión (R) y un lubricador (L).
Unidad FRL
Son los elementos encargados de transformar la energía que proviene del aire comprimido en energía mecánica ya sea de rotación, como es el caso de los motores, o energía mecánica lineal, como ocurre en los cilindros.
Cilindros
Los cilindros están formados por una parte móvil, émbolo y vástago, y una parte fija. Pueden ser de doble o simple efecto.
En los cilindros de simple efecto el émbolo recibe el aire comprimido por una sola cámara. Estos cilindros solo pueden ejecutar el trabajo en un sentido. Este sentido se conoce como carrera de trabajo. El sentido contrario o de retorno puede tener lugar por la acción de un muelle incorporado o bien por otro tipo de fuerza externa.
Por el contrario, en los cilindros de doble efecto el émbolo recibe el aire comprimido alternativamente por ambos lados. Con esto se consigue que el cilindro pueda trabajar en ambos sentidos, tanto en la carrera de avance como en la de retroceso.
La aproximación a la tipología de válvulas existente así como el funcionamiento y campo de aplicación de las mismas se tratará en el siguiente apartado 6: ‘Elementos de mando neumático y electroneumático’.
Motores
Los motores de aire comprimido transforman la energía que contiene el aire comprimido en trabajo mecánico de rotación. Existen distintos tipos de motores, como son los rotativos de aletas o los de pistón.
En los sistemas neumáticos los elementos de mando son las válvulas cuyo uso resulta absolutamente necesario para poder controlar y dirigir el aire comprimido en la forma planificada, con objeto de conseguir el fin para el que se diseñó el sistema.
Las válvulas se pueden definir como los elementos que mandan o regulan la puesta en marcha, el paro y la dirección, así como la presión o el caudal del fluido enviado por el compresor o almacenado en un depósito.
Las principales funciones de las válvulas son: distribución del fluido, regulación del caudal y regulación de la presión.
| Funciones de las válvulas |
| 1. Distribución del fluido |
| 2. Regulación del caudal |
| 3. Regulación de la presión |
En los principios de la neumática y de la automatización, las válvulas empleadas eran de accionamiento manual o mecánico, aunque en la actualidad además de existir válvulas comandadas por la acción del hombre existen otras que actúan por la acción de la electricidad (válvulas electro-neumáticas) o por la acción del propio aire comprimido, que se denominan válvulas pilotadas.
El campo de aplicación de las válvulas y el criterio de selección de las mismas está muy ligado a la función que realiza cada una de ellas, utilizando en el sistema una válvula de un tipo u otro, según el objetivo que queramos conseguir.
Según su función, las válvulas se subdividen en 5 grupos:
Válvulas de vías o distribuidoras
Estas válvulas son los componentes que determinan el camino que ha de tomar la corriente de aire. Son válvulas que están formadas por varios orificios (vías), los cuales determinan el camino que debe seguir el aire comprimido, y tienen una serie de posiciones que son variables con las órdenes de entrada a la válvula.
Se denominan de la siguiente forma:
Donde:
Ejemplo:
Válvula distribuidora 3/2: es una válvula de 3 vías y 2 posiciones.
La válvula de la figura es una válvula de vías 3/2 N.C. (normalmente cerrada) de accionamiento manual y retorno por muelle.
Su funcionamiento es el siguiente: si no se activa el pulsador permanecerá cerrada; o lo que es lo mismo, el aire comprimido que llega a la vía 1 de entrada no se comunica con la vía 2 de salida, pero por el contrario el orificio 2 se encuentra comunicado con el escape 3, situado en la parte superior. En el caso de ser pulsada la válvula el resorte bajará, con lo que dejará libre el camino de circulación que conecta la vía de entrada 1 con la de salida 2 y se obstruirá el escape 3.
Válvulas de bloqueo
Las válvulas de bloqueo permiten la libre circulación del aire comprimido en un sentido y lo bloquean en otro. Dentro de estas válvulas se encuentran las válvulas de retención, con o sin resorte, las válvulas de escape rápido, las válvulas tipo ‘O’ o de selección de circuito, así como las válvulas tipo ‘Y’ o de simultaneidad.
Válvulas reguladoras de presión
La operación segura y eficiente de los componentes de los circuitos neumáticos requiere medios de controlar la presión. Hay muchos tipos de válvulas de control automáticas de presión. Unas proporcionan simplemente un escape para la presión que excede un ajuste de presión del sistema; otras reducen la presión a un sistema o subsistema de menor presión; y algunas mantienen la presión a un sistema dentro de una gama requerida.
Válvulas reguladoras de caudal
Estas válvulas influyen sobre la cantidad de flujo de aire comprimido que circula por el sistema. Encuentran su principal campo de aplicación en el control de la velocidad de los actuadores, así como en la temporalización de procesos.
Válvulas de cierre
Estas válvulas realizan un corte total de la circulación del fluido, por eso también se conocen como válvulas de aislamiento. El campo de aplicación de estas válvulas es el de abrir o cerrar el paso del aire comprimido a una parte del circuito.
Los sistemas de control se establecen fundamentalmente sobre los elementos de mando del sistema (válvulas). El control de las mismas se puede realizar por medio de diferentes accionamientos: manual, mecánico, neumático o eléctrico.
Control o accionamiento manual
Son accionadas por aplicación de una fuerza muscular del operario que se encarga de su manipulación. Son muy utilizadas como válvulas para paradas de emergencia.
Los principales tipos de accionamiento manual son: accionamiento por pulsador, palanca y pedal.
Válvula manual de pulsador
Control o accionamiento mecánico
Las válvulas son accionadas por un elemento móvil de una máquina. El gobierno de la válvula es conseguido a través de un contacto mecánico sobre el accionamiento, colocado estratégicamente a lo largo del movimiento de dicho elemento.
Los principales tipos de accionamiento mecánico son: accionamiento por leva, resorte, rodillo o gatillo.
Válvula mecánica de rodillo
Control o accionamiento neumático
Las válvulas equipadas con este tipo de mecanismo son accionadas por medio del aire comprimido, proveniente de una señal preparada por el propio circuito neumático.
Control o accionamiento eléctrico
El funcionamiento de las válvulas se realiza por la acción de señales eléctricas.
Son de gran aplicación cuando se quiere conseguir una gran velocidad en la señales de comando y también cuando las distancias son largas entre el emisor de la señal y la válvula receptora.
Los principales tipos de accionamiento eléctrico son: por solenoide, ya sea con una o dos bobinas, y por motor eléctrico.
Válvula eléctrica por solenoide
Como en otras ramas de la técnica, la simbología resulta fundamental, por ello los símbolos se encuentran tipificados dentro de diferentes normas internacionales.
Los símbolos en neumática se pueden agrupar de la siguiente forma:
Representan las conducciones por las que circula el aire comprimido. Cuando se representan con línea continua son líneas de alimentación y de potencia, mientras que si se aparecen con línea discontinua representan las líneas de pilotaje o escape.
| Líneas | |
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Líneas de alimentación o retorno de aire comprimido |
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Líneas de pilotaje de válvulas, líne de escape o drenaje |
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Tubo flexible |
Los cruces entre líneas, dependiendo de su forma de representación, indican la unión o no de tuberías de aire comprimido.
| Conexiones | ||
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Líneas con conexión: son nudos en los que las líneas de flujo se encuentran unidas físicamente | |
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Líneas sin conexión: son líneas que se cruzan en el esquema, pero que no se conectan físicamente | |
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Toma potencial de aire bloqueada | |
 |
Toma potencial de aire con conexión | |
En este conjunto se engloban los elementos que suministran aire comprimido al sistema: compresores, depósitos y fuente de presión sin definir
| Símbolos de alimentación | |
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Compresor de desplazamiento fijo |
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Acumulador, depósito de aire |
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Fuente de presión neumática sin definir |
Son los elementos encargados del acondicionamiento del aire para eliminar la contaminación del mismo y así evitar daños en el resto del sistema.
| Símbolos de elementos de tratamiento | |
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Separador de agua con drenaje manual |
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Separador de agua con drenaje automático |
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Filtro |
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Lubricador |
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Secador |
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Enfriador |
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Unidad de tratamiento (FRL): esta unidad está compuesta por filtro con drenaje manual, válvula reguladora de presión con manómetro y lubricador |
 |
Unidad de tratamiento (FRL): símbolo simplificado de la unidad de mantenimiento anterior |
Al igual que en otras ramas de la fabricación mecánica y de sistemas, es importante que el idioma esté normalizado, al igual que la representación de los elementos, de forma que cualquier operario sea capaz de interpretar la misma información. Para ello, se utiliza una simbología específica en la representación de válvulas, la cual será presentada en el presente apartado.
Válvulas de vías o distribuidoras
Estas válvulas son las encargadas de distribuir el aire comprimido a lo largo del circuito y están provistas de una serie de orificios también llamados vías que pueden estar conectados entre sí de diversas formas, dependiendo de la posición en la que se encuentre la válvula.
| Válvulas de vías | ||
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Válvula 2/2 N.C.: válvula distribuidora de 2 vías y 2 posiciones, normalmente cerrada | |
 |
Válvula 2/2 N.A.: válvula distribuidora de 2 vías y 2 posiciones, normalmente abierta | |
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Válvula 3/2 N.C.: válvula distribuidora de 3 vías y dos posiciones, normalmente cerrada | |
 |
Válvula 4/2.: válvula distribuidora de 4 vías y 2 posiciones Válvula 5/2.: válvula distribuidora de 5 vías y 2 posiciones | |
 |
Válvula 3/3 C.C.: válvula distribuidora de 3 vías y 3 posiciones, con centro cerrado | |
 |
Válvula 4/3 C.C.: válvula distribuidora de 4 vías y 3 posiciones, con centro cerrado | |
 |
Válvula 5/3: válvula distribuidora de 5 vías y 3 posiciones | |
Válvulas de bloqueo
Son válvulas que permiten la circulación del aire comprimido en un único sentido.
Nota
La válvulas con funciones lógicas reciben en ocasiones una denominación derivada del inglés: por ejemplo la válvula de selección es conocida como válvula OR y la válvula de simultaneidad como válvula AND.
| Válvulas de bloqueo | |
 |
Válvula de retención sin resorte: esta válvula no permite el flujo de izquierda a derecha y abre cuando la presión de entrada es superior a la de salida |
 |
Válvula de retención con resorte: la válvula permite la circulación de izquierda a derecha cuando la presión de entrada es supera la presión del muelle más la presión de salida |
 |
Válvula de selección (función lógica tipo ‘O’): en esta válvula hay salida de aire a presión si recibe aire comprimido por al menos una de las dos conexiones de entrada, ya sea derecha o izquierda. Si hay presión por las dos la de salida será la mayor |
 |
Válvula de simultaneidad (función lógica tipo ‘Y’): en esta válvula hay salida de aire a presión únicamente si recibe aire comprimido por las dos conexiones de entrada, tanto derecha como izquierda. Si las presiones son distintas, la presión de salida es la correspondiente a la presión más baja |
Válvulas reguladoras de presión
Son válvulas que controlan la presión de salida para dar valores de salida prácticamente constantes, independientemente de picos de presión que puedan producirse en la entrada.
| Válvulas reguladoras de presión | |
 |
Válvula reguladora de presión sin escape |
 |
Válvula reguladora de presión con escape |
Válvulas reguladoras de caudal
Son válvulas que controlan la cantidad de caudal de aire que pasa por el sistema, con lo que se consigue regular la velocidad de los actuadores y se pueden crear condiciones para la temporización del sistema.
| Válvulas de control de caudal | |
 |
Válvula de control de caudal fijo |
 |
Válvula de control de caudal variable |
 |
Válvula de control de caudal unidireccional. Permite la circulación y regulación de caudal en un sentido y el bloqueo en el opuesto |
Válvulas de cierre
Permiten o impiden totalmente el paso del aire comprimido a una parte del sistema.
| Válvulas de cierre | |
 |
Válvula de cierre o aislamiento |
Los actuadores son los elementos encargados de transformar la energía proveniente del fluido neumático comprimido en energía mecánica. En este apartado será abordada su representación de forma normalizada.
Cilindros
Son elementos actuadores que convierten la energía neumática en energía mecánica por medio de un movimiento rectilíneo.
| Cilindros | |
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Cilindro de simple efecto con retorno no especificado |
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Cilindro de simple efecto con retorno por resorte |
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Cilindro de doble efecto con vástago simple |
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Cilindro de doble efecto con vástago doble |
Motores neumáticos
Es un elemento transformador de la energía neumática en energía mecánica al igual que los cilindros. Se diferencian de estos en que para los motores la energía mecánica obtenida es de rotación y para los cilindros la energía mecánica es lineal.
| Motores neumáticos | |
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Motor neumático con desplazamiento fijo y una dirección de flujo |
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Motor neumático con desplazamiento fijo y dos direcciones de flujo |
 |
Motor neumático con desplazamiento variable y una dirección de flujo |
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Motor neumático oscilante |
Son símbolos que representan la forma de controlar las distintas válvulas por lo que se colocan junto con los símbolos de las válvulas que regulan.
| Accionamientos manuales | |
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Símbolo general de accionamiento manual sin especificar el tipo de accionamiento |
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Accionamiento por pulsador |
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Accionamiento por palanca |
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Accionamiento por pedal |
| Accionamientos mecánicos | |
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Accionamiento por leva o palpador |
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Accionamiento o retorno por resorte o muelle |
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Accionamiento por rodillo |
| Accionamientos eléctricos | |
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Accionamiento por solenoide con una bobina |
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Accionamiento por solenoide con dos bobinas |
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Accionamiento por motor eléctrico |
| Accionamientos neumáticos | |
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Accionamiento directo por aplicación de presión (pilotaje positivo) |
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Accionamiento por despresurización (pilotaje negativo) |
Aplicación práctica
Indique qué elementos están representados en el siguiente esquema neumático, la finalidad de cada uno de ellos dentro del circuito y el funcionamiento que tendrá el sistema.
SOLUCIÓN
Elemento 1:
Unidad FRL (símbolo simplificado): formada por filtro, válvula reguladora de presión y lubricador. Su finalidad es tratar el aire que se va a enviar al sistema para eliminar las partículas sólidas en suspensión a través del filtro, regular la presión de salida para evitar daños en el sistema por sobrepresión y lubricar el aire para conseguir un mejor funcionamiento de los elementos posteriores, evitando desgastes excesivos.
Elemento 2:
Válvula 3/2 N.C.: válvula distribuidora de 3 vías y dos posiciones, normalmente cerrada con accionamiento manual por pulsador y retorno por muelle.
Su finalidad es distribuir el aire desde unos orificios a otros dependiendo de la posición en que se encuentre.
Elemento 3:
Cilindro de simple efecto con retorno por muelle o resorte. Su finalidad es convertir la presión ejercida por el aire comprimido en trabajo mecánico lineal a través del vástago.
Funcionamiento del sistema:
El presente sistema neumático tiene dos posibles fases de trabajo:
Al pulsar la válvula sus posiciones se alternan y entra en funcionamiento la posición izquierda, en la cual se permite el paso de aire comprimido desde la fuente de presión situada a la izquierda de la unidad FRL hasta el cilindro.
El cilindro de simple efecto se desplaza hacia la derecha y comprime el muelle situado en su interior; además el aire que se encontraba en la cámara del muelle se expulsa hacia el exterior a través del escape.
En este caso, la válvula está en su posición normal, por tanto no se permite el paso del aire desde la fuente de presión y por el contrario se activa la vía de evacuación del aire desde la cámara izquierda del cilindro, debido a la presión ejercida por el muelle al cesar la compresión por parte del aire.
A la hora de realizar esquemas neumáticos, se debe seguir un orden lógico al colocar los distintos elementos. De este modo se mejora la comprensión de los mismos y se aumenta la rapidez de consulta. El orden habitual es el que se puede observar en el gráfico en forma de pirámide.
En la parte inferior se colocan los elementos de alimentación que intervienen en el aporte de aire comprimido al sistema. Normalmente son elementos como los compresores, los depósitos y las unidades de mantenimiento.
En un escalón superior se colocan los elementos de entrada destinados a proporcionar las señales para la puesta en marcha de la máquina o instalación. Ejemplos de estos elementos son las válvulas de vías con pulsador o las válvulas de vías accionadas mecánicamente por rodillo.
En el tercer nivel tienen su lugar los elementos de procesamiento de señales. Son los elementos condicionantes del funcionamiento que se desea en el sistema neumático. Aquí se colocan válvulas de vías, válvulas selectoras, válvulas de presión, etc.
En el cuarto nivel se introducen los elementos de maniobra que controlan a los actuadores neumáticos. Generalmente suelen ser válvulas de vías colocadas antes de los actuadores
Y por último, en el nivel superior se sitúan los actuadores neumáticos junto con los elementos de regulación de los mismos, como pueden ser los estranguladores de caudal con antirretorno incorporado, para regular velocidades.
Aplicación práctica
A partir del esquema neumático dado, identifi que los distintos niveles de los que está compuesto, los elementos por los que está formado cada nivel y explique el funcionamiento del mismo.
SOLUCIÓN
Niveles:
Funcionamiento:
En el presente sistema el avance del vástago del cilindro se consigue cuando la válvula distribuidora con pilotaje neumático es activada. Para ello tiene que existir salida de aire por la válvula de selección. Este hecho solo se consigue si están pulsadas a la vez las dos válvulas distribuidoras de entrada.
En el momento que al menos una de las dos válvulas de entrada esté sin pulsar, la válvula de selección no manda señal de pilotaje neumático y se obtiene como resultado la carrera de retroceso del cilindro, por la acción del muelle interno.
En primer lugar hemos de indicar que por lo general los fallos y las averías en los sistemas neumáticos no suelen ser muy frecuentes si el sistema se encuentra bien diseñado, con sistemas de filtrado, lubricación y deshumidificación de aire, y además sobre dicho sistema se realizan las adecuadas labores de mantenimiento.
No obstante, los principales daños en un sistema neumático suelen venir derivados de hacerlo funcionar con presiones y velocidades superiores a las de diseño, o por permitir una contaminación y calentamiento excesivo en el aire comprimido.
En la labor de reparadores de sistemas neumáticos, una vez se conoce que el sistema no funciona correctamente, se debe conocer si el origen de la avería responde a un fallo mecánico, neumático o eléctrico.
A continuación se indican los problemas más frecuentes que pueden tener lugar en los sistemas neumáticos.
En ocasiones se producen fallos o averías en los distintos elementos que componen un sistema neumático si se supera la presión de trabajo para la que el fabricante los ha proyectado. Este problema se denomina sobrepresión y se puede evitar con un diseño adecuado de la instalación y la colocación de una o más válvulas reguladoras de presión.
Normalmente suele instalarse al menos una en el sistema a la salida del compresor, formando parte de la unidad de mantenimiento junto con un filtro y un lubricador. También se debe colocar en aquella zona concreta del sistema que funcione a una presión de trabajo inferior a la de la salida máxima del compresor.
Si las válvulas reguladoras de presión son con escape, la salida de aire debe disponerse de tal forma que dirija el aire hacia una zona alejada del personal para evitar posibles accidentes.
La existencia de líquido en las líneas de trabajo del sistema neumático puede causar futuras averías. Entre las averías más destacables se encuentran problemas de corrosión y oxidación en elementos metálicos, pérdida de estanqueidad producida por la abrasión de pequeñas partículas de impurezas contenidas en el líquido e incluso la destrucción total por fricción de algunos componentes, debido a la pérdida de lubricante arrastrado por el líquido.
La solución para este tipo de problemas reside en eliminar el líquido del sistema neumático por medio de deshumidificadores, secadores e incluso decantadores para líquidos con carácter graso.
Existen diferentes circunstancias que nos pueden advertir de un posible fallo en el compresor, por ejemplo un ruido excesivo y anormal en los procesos de compresión, calentamiento excesivo del aire de salida o periodos de compresión superiores a lo normal.
Compresor neumático portátil
En el caso de ruido excesivo se puede deber a alguno de los siguientes motivos:
Un problema de temperatura excesiva en el aire de salida puede ser un síntoma de:
Si los periodos de trabajo del compresor son más largos de lo habitual se debe revisar si hay:
Si el compresor no entrega al circuito caudal o es insuficiente -sentido de giro invertido- puede ser porque haya un:
Pueden existir diversas causas:
Pueden dar lugar a determinados problemas:
Pueden aparecer por diversas causas:
Un cilindro puede dar problemas de funcionamiento porque el cuerpo del cilindro por el que se mueve el pistón está gastado o rayado o el embolo no está bien centrado o se desplaza de forma defectuosa.
La neumática es una tecnología muy empleada en los bienes de equipo y maquinaria industrial; en ella se emplea el aire comprimido como medio transmisor de energía para hacer funcionar mecanismos.
Resulta, por tanto, fundamental para un profesional dedicado al montaje y el mantenimiento de maquinaria industrial conocer los principios por los que se rige el comportamiento del aire comprimido, así como los elementos más empleados en los sistemas neumáticos.
Para poder realizar adecuadamente el montaje de sistemas neumáticos resulta imprescindible el conocimiento de la simbología, así como la forma de representar los elementos y las conexiones de los mismos en un plano de trabajo.
Por otra parte, para poder llevar a cabo labores de mantenimiento y reparación de elementos neumáticos dañados debemos tener claro su funcionamiento, ser conocedores de su aplicación dentro del sistema y estar habituados a reparar los fallos más frecuentes que se suelen presentar.
Ejercicios de repaso y autoevaluación
1. Complete las siguientes tablas:
| Componente | Proporción |
| 1. |
| 2. |
| 3. |
| 4. |
| 5. |
2. Conteste a las siguientes cuestiones, para cada una de las válvulas representadas:
3. Indique si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas.
4. Complete las siguientes frases:
5. En una industria alimentaria le suministran el siguiente esquema de montaje neumático:
