Tutorial Neumatica

www.ZonaEMEC.tk

• Nombre del Plantel: Conalep Tehuacán 150

• Nombre del módulo:

Mantenimiento de Sistemas de Transmisión de Potencia

Tutorial: Sistemas Neumáticos

• Nombre del docente:

Ing. Jonathan Quiroga Tinoco

• Grupo: 608

• Carrera:

P.T.B. en Electromecánica Industrial

• Ciclo Escolar: Febrero – Julio 2014

Tutorial sobre Neumática – Ing. Jonathan Quiroga Tinoco - ZonaEMEC

Ing. Jonathan Quiroga – www.quiroga-racing.mx.vg 1

CAPITULO I

EL AIRE COMPRIMIDO

INTRODUCCION. I.1 LA EVOLUCION EN LA TECNICA DEL AIRE COMPRIMIDO. El aire comprimido es una de las formas de energía más antigua que conoce el hombre y aprovecha para reforzar sus recursos físicos. El primero que se ocupó de la Neumática, que utilizó el aire comprimido como elemento de trabajo, fue el griego KTESIBIOS. Hace más de dos mil años construyó una catapulta impulsada con aire comprimido y uno de los primeros libros acerca del empleo del aire comprimido como energía procede del siglo I de nuestra era, describe mecanismos accionados por medio de aire caliente. Los términos neumático y Neumática provienen de la palabra griega “Pneuma”, que significa aliento o soplo. Inicialmente la neumática se ocupaba de la dinámica del aire y los fenómenos gaseosos, pero la técnica ha creado de ella un concepto propio, pues en la Neumática sólo se trata la aplicación de la sobrepresión o de la depresión (vacío). La Neumática moderna se inició en Alemania a partir de 1950 como una técnica aplicada en los procesos de fabricación industriales, ya que con anterioridad existían algunas aplicaciones y ramos de explotación: en la minería, industria de la construcción y en los frenos de aire de ferrocarriles. Una irrupción verdadera y generalizada de la Neumática en la industria sólo se inició hasta que se presentaron las exigencias de una automatización y racionalización en los procesos de trabajo. A pesar de que esta técnica fue rechazada en un principio, debido en la mayoría de los casos a falta de conocimiento y formación, fueron ampliándose los diversos sectores de aplicación y en la actualidad no se concibe una explotación industrial moderna sin el aire comprimido. I.2 PROPIEDADES DEL AIRE COMPRIMIDO Causará asombro el hecho de que la Neumática se haya podido expandir en tan corto tiempo y con gran rapidez, esto se debe a que entre otras cosas en la solución de algunos problemas de automatización no puede disponerse de otro medio que sea simple y económico. Propiedades del aire comprimido que han contribuido a su popularidad: Abundante: Está disponible para su compresión en todo el mundo. Transporte: Puede ser transportado fácilmente por tuberías, incluso a grandes distancias, y no es

necesario disponer de tuberías de retorno. Almacenamiento: El aire comprimido puede almacenarse en depósitos y tomarse de estos, impidiendo

que un compresor permanezca continuamente en servicio. Temperatura: El aire comprimido es insensible a los cambios de temperatura; garantiza un trabajo

seguro incluso a temperaturas extremas. Antideflagrante: No es un explosivo ni se puede incendiar; por lo tanto no es necesario disponer de

instalaciones antideflagrantes.

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Velocidad: Es un medio de trabajo muy rápido, y por eso permite obtener velocidades de trabajo

elevadas. A prueba de Las herramientas y elementos de trabajo neumáticos pueden utilizarse hasta su sobrecargas: parada completa sin riesgo alguno de sobrecarga. No todas las propiedades del aire comprimido son ventajosas; existen propiedades que son adversas y que delimitan el campo de utilización de la Neumática. Preparación: El aire comprimido debe ser preparado antes de su utilización. Es preciso eliminar

impurezas y humedad con el objeto de evitar un desgaste prematuro de los componentes.

Compresibilidad: Con aire comprimido no es posible obtener para los émbolos velocidades uniformes y

constantes. Fuerza: El aire comprimido es económico sólo hasta cierta presión, condicionado por la

presión de servicio normalmente usual de 700 KPa (7 bar), el límite también en función de la carrera y la velocidad es de 20,000 a 30,000 N (2000 a 3000 Kp).

Escape: El escape de aire produce ruido, sin embargo este problema ya se ha resuelto en gran

parte mediante el desarrollo de materiales insonorizantes. Costo: El aire comprimido es una fuente de energía relativamente cara, sin embargo, este

costo elevado se compensa en su mayor parte por los elementos de precio económico y buen rendimiento.

Presión. Además de las unidades indicadas en la relación (atm en el sistema técnico). Así como bar y Pa en el Sistema Internacional de Unidades SI, se utilizan a menudo otras designaciones como las siguientes: 1.- Atmósfera, at (Presión absoluta en el Sistema Técnico de Medidas) 1 at = 1 Kp/**************************************************************************************************************************************************

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FIG 1.1

La presión del aire no siempre es la misma y cambia según la situación geográfica y el tiempo. En la figura anterior la presión de referencia o atmosférica está representada por la línea punteada, las desviaciones hacia arriba son consideradas como sobrepresiones (+Pe) y las desviaciones hacia abajo hasta el cero absoluto son consideradas como depresiones (-Pe), la presión absoluta Pabs consiste en la suma de las presiones -Pe y +Pe. En la práctica se utilizan manómetros que solamente indican sobrepresión. I .2 COMPRESIBILIDAD DEL AIRE Como todos los gases, el aire no tiene una forma determinada, toma la forma del recipiente que lo contiene o la de su ambiente. Permite ser comprimido y tiende a dilatarse por efecto de la temperatura. La ley que rige estos fenómenos es la Ley de Boyle-Mariotte; a temperatura constante, el volumen de un gas contenido en un recipiente es inversamente proporcional a la presión absoluta, o sea, el producto de la presión absoluta y el volumen es constante para una determinada cantidad de gas.

p1V1 = p2V2 = p3V3 = constante

Esta ley se demuestra mediante el siguiente ejemplo:

FIG. 1.2

Ejemplo: Si el volumen V1 = 1 m3 que está a la presión atmosférica p = 100 KPa (1 bar) es comprimido con una fuerza F2 hasta V2 = 0.5 m3 permaneciendo la temperatura constante se obtiene:



Si el volumen se comprime con la fuerza F3 aún más hasta lograr un volumen V3 = 0.05 m3 la presión que se alcanza es:

I .4 VARIACION DEL VOLUMEN DEL AIRE EN FUNCION DE LA TEMPERATURA Si la presión permanece constante y la temperatura se eleva, el aire tiende a expandirse, esto quiere decir que aumenta su volumen. Esto lo demuestra la Ley de Gay-Lussac.

V1 = Volumen a la temperatura T1 V2 = Volumen a la temperatura T2 De donde:

La variación de volumen ΔV es:

Lo mismo es válido para para V2

Las ecuaciones anteriores son válidas solamente cuando se utilizan temperaturas absolutas (grados Kelvin °K), en donde: °K = °C + 273 °C - Grados Centígrados

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FIG 1.3 Ejemplo: 0.8 m3 de aire a la temperatura T1 = 293°K (20°C) se calienta hasta una temperatura T2 = 344°K (71°C). ¿Cuál será su volumen final?

El aire se ha dilatado de 0.8 m3 a 0.94 m3

En Neumática se suele referir todas las indicaciones de la cantidad de aire a su estado normal. El estado normal según normas, es un estado de una sustancia sólida, líquida o gaseosa fijada por la temperatura y la presión normales. El estado normal técnico está definido como: - Temperatura normal Tn = 293.15°K; tn = 20°C - Presión normal pn = 98.0665 Pa = 98.0665 N/m2 = 0.980 665 bar El estado normal físico está definido como: - Temperatura normal Tn = 273.15°K; tn = 0°C - Presión normal pn = 101.325 Pa = 101.325 N/m2 = 1.01325 bar Ejemplo: En un depósito de 2m3 de capacidad hay aire a una presión de 700 KPa (7 bar) y a una temperatura de 298 °K (25°C). Determinar la cantidad de aire que se encuentra en el depósito. Según la ley de Boyle-Mariotte.



p1V1 = p2V2 V1 = Volumen a la presión p1 p1 = 100 KPa (1 bar) presión normal V2 = 2 m3 p2 = 700 KPa (7 bar) presión absoluta

Conversión a una temperatura de 273°K (0°C) La dilatación vale:

Si la temperatura T1 es mayor que T2, V2 será menor que V1 ; por lo tanto, si la temperatura disminuye.

Si T2 = 273°K (0°C) en vez de T2 se puede poner sólo To y en lugar de V2 sólo Vo, la ecuación queda:

El depósito contiene 12.83 m3 de aire (referido a 0°C y una presión de 100 KPa, 1 bar). Existe una ecuación para todos los gases, la ecuación general de los gases. P1 V1 P2 V2

= = constante T1 T2

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CAPITULO II

PRODUCCION DEL AIRE COMPRIMIDO ll.1 GENERADORES Para producir aire comprimido se utilizan compresores que elevan la presión del aire hasta un valor de trabajo deseado. Los mecanismos y mandos neumáticos se alimentan desde una estación central a través de un sistema de tuberías diseñado e instalado con ese fin. Los compresores móviles se utilizan en el ramo de la construcción o en máquinas que son desplazadas frecuentemente. Es importante en el momento de la planificación prever un tamaño superior de la red, con el fin de poder alimentar aparatos neumáticos nuevos que sean adquiridos en un futuro. Por esto es necesario sobredimensionar la instalación, con objeto de que el compresor no resulte insuficiente más tarde y provoque gastos considerables con una ampliación del equipo neumático. Los compresores se valoran por el caudal suministrado en ℓ/min. (para compresores pequeños) o en m3/min. Los caudales suministrados pueden ser desde pocos ℓ/min. hasta varios miles de m3/min, según el tipo de compresor. Los sistemas neumáticos de mando trabajan normalmente con aire comprimido.



Los equipos generadores de aire comprimido deben instalarse en un lugar adecuado, siendo muy importante que el aire aspirado por los compresores sea lo más fresco posible, seco y excento de polvo con lo cual se alarga la vida del compresor. La aspiración de aire caliente y húmedo conduce a una mayor producción de condensados después de la compresión del aire. II.2 TIPOS DE COMPRESORES Según las exigencias de los sistemas neumáticos referentes a la presión de trabajo y al caudal suministrado, se pueden emplear diversos tipos de compresores, de los cuales se distinguen dos tipos básicos: • El primero trabaja según el principio de desplazamiento, en el cual la compresión se obtiene por la

admisión del aire en un recinto, donde luego se reduce su volumen, esto se realiza en un compresor de émbolo (oscilante o rotativo).

• El segundo trabaja según el principio de la dinámica de los fluidos, en donde el aire es aspirado por

un lado y comprimido como consecuencia de la aceleración del mismo mediante una turbina.

COMPRESOR DEPISTON

COMPRESOR DEMEMBRANA

DE EMBOLOOSCILANTE

DE EMBOLOROTATIVO

COMPRESORRADIAL

TURBOCOMPRESOR

AXIAL

TURBOCOMPRESOR

TIPOS DECOMPRESORES

COMPRESORROTATIVOCELULAR

COMPRESORHELICOIDALBICELULAR

COMPRESOR ROOTS

FIG. 2.1

COMPRESORES DE EMBOLO OSCILANTE Es el compresor más frecuentemente empleado, puede emplearse como unidad estacionaria o móvil y es apropiado para comprimir a baja, media o alta presión, entregando caudales superiores a los 500 m3/min. con presiones hasta de varios miles de KPa. Los compresores de émbolo de un paso comprimen el aire hasta la presión final de 6 Kg/cm2 y en algunos casos hasta 10 Kg/cm2, los compresores de dos pasos llegan normalmente hasta 15 Kg/cm2 pudiendo conseguir presiones de hasta 250 Kg/cm2 con compresores de alta presión de 3 ó 4 pasos. En Neumática, los más adecuados son los de uno y dos pasos, con preferencia para el de dos pasos cuando la presión de trabajo excede los 6 Kg/cm2, porque se proporciona una potencia equivalente con costo de accionamiento más bajo.

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FIG. 2.2 COMPRESOR DE EMBOLO OSCILANTE COMPRESOR DE MEMBRANA Este tipo forma parte del grupo de compresores de émbolo, en donde una membrana separa el émbolo de la cámara de trabajo; el aire no entra en contacto con las piezas móviles, y por lo tanto el aire no está en contacto con las piezas móviles, quedando el aire comprimido libre de aceite.Estos compresores se emplean con preferencia en las industrias farmacéutica y química. (FIG. 2.4) COMPRESOR DE EMBOLO ROTATIVO Este compresor consta de un émbolo que está animado de un movimiento rotatorio, y el aire es comprimido por la continua reducción del volúmen en un espacio cerrado. (FIG. 2.3).

FIG. 2.3 COMPRESOR DE EMBOLO ROTATIVO FIG. 2.4 COMPRESOR DE MENBRANA

COMPRESOR ROTATIVO MULTICELULAR En estos compresores un rotor excéntrico gira en el interior de un cárter cilíndrico con ranuras de entrada

y de salida. Las ventajas de este compresor están en sus dimensiones reducidas, su funcionamiento silencioso y su caudal prácticamente uniforme sin vibraciones.

El rotor está provisto de un cierto número de aletas que se deslizan en el interior de las ranuras y forman

las células con la pared del cárter. Cuando el rotor gira, las aletas son oprimidas por la fuerza centrífuga.



contra la pared del cárter y debido a la excentricidad el volúmen de las células varía constantemente. (FIG. 2.5).

FIG. 2.5 COMPRESOR ROTATIVO MULTICELULAR FIG. 2.6 COMPRESOR DE TONILLO HELICOIDAL COMPRESOR DE TORNILLO HELICOIDAL Dos tornillos helicoidales que engranan con sus perfiles cóncavo y convexo impulsan hacia el otro lado el aire aspirado axialmente. (FIG. 2.6). COMPRESOR ROOTS En estos compresores, el aire es llevado de un lado a otro sin que el volumen sea modificado, en el lado de impulsión la retención del aire se asegura mediante los bordes de los émbolos rotativos.

FIG. 2.7 COPRESOR ROOTS TURBOCOMPRESORES Funcionan según el principio de la dinámica de los fluídos, y son apropiados para grandes caudales. El aire se pone en circulación por medio de una o varias ruedas con aletas (turbinas), en donde esta energía de movimiento se convierte en energía de presión a la salida.

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FIG. 2.8 COMPRESOR AXIAL FIG. 2.9 COMPRESOR RADIAL En el siguiente diagrama se indican las zonas de cantidades de aire aspirado y las presiones de trabajo para cada tipo de compresor.

100###500##1000#####5000#10000##50000#100000

1000800600400300200

1008060504030

20

10865432

1.00.80.6

0.40.30.2

0.1

COMPRESOR#DE#EMBOLO

TURBOCOMPRESOR

AXIAL

COMPRESOR#DE#TONILLO#HELICOIDAL

TURBOCOMPRE<SOR#RADIAL

COMPRESOR#ROTATIVO

CAUDAL M#/h

PRESION

10#KPa

(bar)

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FIG. 2.10 DIAGRAMA DE CAUDAL



ELECCION DEL COMPRESOR CAUDAL Por caudal se entiende la cantidad de aire que suministra el compresor; existen dos conceptos: a) El caudal teórico b) El caudal efectivo o real.. En el compresor de émbolo oscilante, el caudal teórico es igual al producto de la cilindrada por la velocidad de rotación. El caudal efectivo depende de la construcción del compresor y de la presión, en este caso el rendimiento volumétrico es muy importante, siendo este únicamente el que acciona y regula los elementos neumáticos. Son numerosos los fabricantes que solamente indican el caudal teórico, y este es expresado en m3/h ó m3/min.

FIG. 2.11

PRESION La presión de servicio es la suministrada por el compresor o acumulador y existe en las tuberías que alimentan a los consumidores. La presión de trabajo, es la requerida en los puestos de trabajo, en la mayoría de los casos es de 600 KPa (6 bar), por eso los datos de servicio de los elementos refieren esta presión. Para garantizar un funcionamiento fiable y preciso es necesario que la presión tenga un valor constante, ya que de esto depende; la velocidad, las fuerzas y el desarrollo secuencial de las fases de los elementos de trabajo.

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FIG. 12

ACCIONAMIENTO Los compresores accionan según las exigencias, por medio de un motor eléctrico o un motor de combustión interna. En la industria, la mayoría de los casos el compresor es activado por un motor eléctrico. Si el compresor es móvil por lo general se acciona por un motor de combustión interna. REFRIGERACION Por efecto de la compresión del aire se genera calor que debe ser desalojado por medio de sistemas de refrigeración apropiados a la cantidad de calor generada. En compresores pequeños, las aletas de refrigeración disipan el calor generado, los compresores mayores van dotados de un ventilador adicional que ayuda a la disipación del calor.

FIG.2.13 Cuando se trata de una estación de compresión de más de 30 KW de potencia, no es suficiente la refrigeración por aire, los compresores están equipados con un sistema de refrigeración por circulación



de agua, algunas veces son utilizadas torres de enfriamiento. Una buena refrigeración prolonga la duración del compresor y proporciona aire más fresco y en mejores condiciones, y en ciertas circunstancias permite ahorrar un enfriamiento posterior del aire u operar con menor potencia. LUGAR DE EMPLAZAMIENTO La estación de compresión debe situarse en un espacio cerrado y aislado, el lugar debe estar bien ventilado y el aire aspirado debe ser lo más fresco, limpio de polvo y seco posible. ACUMULADOR DE AIRE COMPRIMIDO Los acumuladores cumplen varias funciones, pero en general sirven para compensar las fluctuaciones de la presión en todo el sistema de tuberías a medida que se consume el aire comprimido. Debido a que tienen una gran superficie, el aire se refrigera adicionalmente permitiendo que se desprenda una parte de la humedad del aire en forma de agua. El tamaño del acumulador está en función del consumo de aire comprimido y la potencia del compresor. Sin embargo, existen otros factores que debe cumplir este componente, tales como: regular el funcionamiento del compresor y su frecuencia de conexión máxima, siendo los más importantes la acumulación y el consumo proporcionalmente continuo de aire comprimido.

FIG. 2.14

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CAPITULO III

DISTRIBUCION DEL AIRE COMPRIMIDO La distribución del aire comprimido desde el equipo productor hasta los lugares de consumo es muy importante tomarla en cuenta. En el diseño de la instalación se pueden tener economías mediante la restricción de pérdidas por fugas y mediante la selección de aparatos y materiales adecuados. Debido a la automatización de los dispositivos de fabricación, las empresas requieren continuamente una mayor cantidad de aire. Cada máquina y mecanismo necesita una determinada cantidad de aire, que debe ser abastecido por un compresor a través de una red de tuberías. El diámetro de las tuberías debe seleccionarse de manera que si el consumo aumenta, la pérdida de presión entre el acumulador y el consumidor no sobrepase los 10 KPa (0.1 bar). Si la caída de presión excede este valor, la rentabilidad del sistema estará amenazada y el rendimiento disminuirá considerablemente. En el diseño e instalación del sistema de distribución, deben considerarse ampliaciones futuras que demandarán un mayor consumo de aire, esto se logra dimensionando generosamente las tuberías. lll.1 DIMENSIONAMIENTO Para el transporte del aire comprimido desde el acumulador principal hasta los lugares de utilización, se utiliza una red de tuberías dentro de las cuales existen tres tipos; tubería principal, secundaria y de servicio. La tubería principal, es la línea de aire que sale del acumulador y conduce la totalidad del caudal de aire. Debe tener la mayor sección posible y prever un margen de seguridad en cuanto a futuras ampliaciones en instalaciones neumáticas. La velocidad máxima del aire debe ser de 8 m/seg. Las tuberías secundarias toman el aire de la tubería principal, distribuyéndose por las áreas de trabajo, de las cuales salen las tuberías de servicio, y es conveniente prever alguna ampliación futura al calcular su diámetro. Las tuberías de servicio son las que alimentan a los equipos neumáticos, llevan las conexiones rápidas y las mangueras de aire. La velocidad máxima del aire es de 15 m/seg. El diámetro de las tuberías se debe calcular de acuerdo con las características y requerimientos del sistema, como las siguientes. • El caudal • La longitud de las tuberías • La pérdida de presión admisible • La presión de servicio • La cantidad de estrangulamiento en la red. En la práctica se utilizan los valores reunidos con la experiencia. Un nomograma ayuda a encontrar el diámetro de la tubería de una forma rápida y sencilla.


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A B C D E F G

10

20

50100

200

500

1000

2000

5000

10000

5000

20001000

500

200

100

500

400

300250

200

150

100

70

50

40

302520

23

57

101520

0.03

0.04

0.07

0.1

0.150.2

0.30.40.5

0.7

1

1.5

0.05

LONGITUD6DETUBERIA6(m)

CAUDAL6(m6/h)

EJE61

DIAMETRO6NOMINAL(mm)

1066KPa(bar)

EJE62

PERDIDA6DE6PRESION61066KPa6(bar)

3

2

2

FIG. 3.1 NOMOGRAMA (DIAMETRO DE TUBERIA)

CALCULO DE TUBERIAS Cuando es transportado un fluido a través de una tubería, se produce inevitablemente, una pérdida de presión que se traduce en un consumo de energía. La disminución de presión se produce por el rozamiento en los tubos rectos, resistencias debidas a los cambios de dirección en los tubos y las restricciones instaladas en estos. Ejemplo: El consumo de aire en una industria es de 4m3/min (240 m3/hr), en 3 años aumentará un 300% lo que representa 12m3/min (720m3/hr). El consumo total asciende a 18m3/min (990 m3/hr). La red de

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distribución tiene una longitud de 280 m; comprende 6 piezas en T, 5 codos normales, 1 válvula de cierre, la pérdida de presión admisible es de 10 KPa (0.1 bar), y la presión de servicio es de 800 KPa ( 8 bar ) ¿Determinar el diámetro de la tubería requerido? Solución: Utilizando el nomograma de la fig. 3.1, con los datos, se determina el diámetro provisional de las tuberías. En la linea A del nomograma se busca la longitud del tubo ( 280 m ), en la linea B se determina la cantidad de aire utilizado (990 m3/h). Se unen estos dos puntos y se prolonga la linea hasta el eje 1 C, en la línea E se busca la presión de trabajo 800 KPa ( 8 bar ) y se une con pérdida de presión admisible ( 0.1 bar ) localizada en la linea G. La intersección de esta línea con el eje 2 se une con la intersección del eje 1, la línea de unión cruza la línea D que nos determina el diámetro nominal de la tubería 90 mm. Este diámetro considera que la tubería es recta y que no cuenta con ningún accesorio, para determinar el díametro deseado se consideran los elementos estranguladores (válvulas de cierre, válvulas esquineras, conexiones T, compuertas y codos) indicándolos en longitudes supletorias. Se entiende por longitudes supletorias, la longitud de una tuberia recta que ofrece la misma resistencia al flujo que el elemento estrangulador o el punto de estrangulación. La sección de paso en la tubería de longitud supletoria es la misma que la tubería, y se determinan rapidamente estas longitudes supletorias mediante el nomograma de la fig. 3.2 Longitudes supletorias 6 uniones en T (90 mm)= 6 x 10.5 = 63.0 m 1 válvula de cierre (90 mm)= 32.0 m 5 codos normales (90 mm= 5 x 1= 5.0 m Longitud de la tuberia: 280 m Longitud supletoria 100 m Longitud total de la tuberia 380 m Con esta longitud total de tubería de 380 m, el consumo de aire 990 m3/h, la pérdida de presión admisible 0.1 bar y la presión de servicio 8 bar, se realiza el procedimieno anterior y se obtiene que el diámetro es de 95 mm. - PERDIDA DE PRESION EN ACCESORIOS En una instalación de tuberías normalmente se tienen codos, curvas, variaciones en el diámetro, válvulas y otros accesorios que obstaculizan el flujo del aire produciendo una pérdida de presión suplementaria. Para obtener esta pérdida de presión debido a los accesorios, se determinan las longitudes equivalentes de cada uno de los accesorios mediante el nomograma de la fig. 3.2



FIG. 3.2 NOMOGRAMA (ACCESORIOS)

II. MATERIAL DE TUBERIAS

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- TUBERIAS PRINCIPALES Las tuberias de aire comprimido de instalación fija deben ser accesibles, por lo que debe evitarse su colocación empotrada en paredes, o en galerias para tubos demasiado estrechas. Esto ayuda a una mejor revisión y manteniemiento de la tubería. Las tuberías de alimentación horizontales deben colocarse con una pendiente de 1-2° en el sentido de la circulación. Las derivaciones verticales descendentes no deben terminar directamente en la toma para el consumidor, sino que deben prolongarse un poco más con el fin de que el agua de condensación producida no pase al aparato consumidor, y que se acumule en el punto más bajo de esta derivación para su posterior evacuación, y en los puntos más bajos de la red de tuberías se deben colocar dispositivos para acumular y evacuar el agua de condensación producida. Las tuberias que parten de la tubería principal deben derivarse siempre dirigiendolas hacia arriba y la curvatura interior ha de tener un radio mínimo r = 2D

COMPRESOR

DEPOSITO

PENDIENTE,1.2,%

ACUMULADOR,DE,AIRE,COPRIMIDO

EN,UN,EQUIPO,NEUMATICO

UNIDAD,DE,MANTENIMIENTO

ACUMULADOR,INTERMEDIOPARA,VARIOS,CONSUMIDORES

RECIPIENTE,COLECTOR,DE,CONDENSACION,

LLAVE,DE,PURGA

FIG. 3.3 Una derivación para varios aparatos consumidores con una gran demanda de aire, debe efectuarse tal como se muestra en la siguiente figura:



FIG. 3.4 La red de tuberías se instala preferentemente con tubos de acero y uniones soldadas, una desventaja que se tiene es que durante la soldadura se producen escamas de oxido y que el cordón de soldadura tiende rápidamente a la oxidación. La ventaja es que las uniones soldadas permiten menos fugas y su precio es económico. También es posible unir las tuberías con conectores de filo cortante (bicono) o con conectores de anillo opresor, empleandose para estas uniones tubos de acero estirados de paredes delgadas sin costura, de este modo es más facil cambiar la colocación de algunas partes de la red de tuberías, teniéndose la posibilidad de fugas en este tipo de uniones. En la actualidad solo se emplean tubos de plástico para la red en casos especiales, pudiéndose unir mediante conectores o soldadura, el costo de estas instalaciones es mayor que con los tubos de acero. La red de aire comprimido debe subdividirse en secciones mediante válvulas de bloqueo, con el fin de que en los trabajos de mantenimiento y reparaciones no se pierda aire y quede evacuada la red en su totalidad.

ANILLO&CORTANTEa

ANILLO&OPRESORb

FIG. 3.5

- DERIVACIONES HACIA LOS RECEPTORES

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Los tubos de goma flexibles solamente han de emplearse en aquellos casos en que se exija una flexibilidad en la tuberia y no sea posible instalar tuberías de plástico por los esfuerzos mecánicos existentes, son mas caros y no son tan manipulables como las tuberias de plástico. Las tuberías de polietileno y poliamida se utilizan cada vez más en la actualidad para unir equipos de maquinaria. La selección del material para los conductos, está determinado por las influencias del medio ambiente (agua, polvo, temperatura, vapores corrosivos, etc.,) por la carga (esfuerzos mecánicos) y tambien por la frecuencia de maniobra del aire comprimido debido a las salidas y purgas de la tubería en periodos cortos de tiempo. IV. UNIONES - CONECTORES PARA TUBOS Estos son aplicables para tubos de acero y cobre.

FIG. 3.6 CONECTOR DE ANILLO CORTANTE FIG. 3.7 CONECTOR CON ANILLO DE SUJECION PARA TUBOS DE Ac Y Cu, CON ANILLO INTERIOR ESPECIAL

FIG. 3.8 CONECTOR CON BORDE RECALCADO FIG. 3.9 CONECTADOR ESPECIAL CON REBORDE (PARA TUBO DE Cu CON COLLARIN) - ACOPLAMIENTOS



FIG. 3.10 BASE DE ENCHUFE RAPIDO FIG. 3.11 ACOPLAMIENTO DE ENCHUFE RAPIDO - CONECTORES PARA TUBOS FLEXIBLES Los conectores para los conductos de plástico, se emplean cada vez más y se ofrecen en un amplio surtido, obteniedose conexiones rápidas y sencillas sin necesidad del uso de herramientas.

FIG. 3.12 BOQUILLA CON TUERCA DE CONECTOR FIG. 3.13 BOQUILLA FIG. 3.14 CONECTORES RAPIDOS PARA TUBOS FLEXIBLES DE PLASTICO

FIG. 14a FIG. 14b

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CAPITULO IV

FIG. 14d

FIG. 14c



PREPARACION DEL AIRE COMPRIMIDO IV.1 LIMPIEZA DEL AIRE COMPRIMIDO - IMPUREZAS En la práctica se presentan frecuentemente los casos en que la calidad del aire comprimido desempeña un papel primordial. Las impurezas en forma de párticulas de suciedad u oxido, residuos de aceite lubricante y humedad dan origen a problemas en las instalaciones neumáticas y a la destrucción de sus elementos, tales como: a) Corrosión en las tuberias metálicas b) Entorpecimiento en los accionamientos neumáticos c) Errores de medición en los equipos de control d) Mayor pérdida de presión en el sistema e) Degradación del poder lubricante de los aceites de engrase f) Oxidación de los organos internos en los equipos receptores g) Aparición de escarcha en los escapes de las herramientas neumáticas h) En general, bajo rendimiento de toda la instalación - FILTROS DE AIRE CON REGULADOR DE PRESION El filtro de aire tiene la misión de liberar el aire comprimido circulante de todas las impurezas y del agua en suspención. Al entrar el aire compirmido en la carcaza del filtro (2), a través de las ranuras guía (1) es puesto en rotación elevando la velocidad de circulación, siendo proyectadas las partículas de agua existentes, por el enfriamiento y el efecto centrífugo. El condensado y las partículas de suciedad se depositan en la parte inferior de la carcaza (2) del filtro para después ser evacuadas por el sistema de purga (4). Las partículas sólidas mayores que los poros del cartucho del filtro (3) son retenidas por éste, y debe ser sustituido o limpiado periódicamente, según el grado de ensuciamiento del aire comprimido. La abertura de los poros del cartucho filtrante deben estar comprendidos entre 0.02 y 0.05 mm.

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3

2

1

4

6

5

Orificio-de-purga

FIG. 4.1 FILTRO DE AIRE COMPRIMIDO FIG. 4.2 REGULADOR DE PRESION Existe otro tipo de filtro de aire, muy fino, que se emplea en aquellos ramos en que se necesita un aire comprimido muy limpio, por ejemplo en las industrias alimenticias, químicas y farmaceuticas. En este el aire es filtrado casi hasta un 99.99% eliminando las partículas de agua y aceite. Este filtro se diferencía del filtro normal en el hecho de que el aire comprimido atraviesa el cartucho filtrante de adentro hacia afuera. El aire comprimido entra en el filtro por (1), atraviesa por el elemento filtrante (2) (fibra de vidrio borsilicato) de dentro hacia fuera, y el aire comprimido pasa por la salida (5) a los consumidores. La separación de partículas finas de hasta 0.001 mm es posible debido a la finura del tejido filtrante. Las partículas separadas se eliminan del recipiente del filtro por el tornillo de purga (4).



3

2

1

5

4

FIG. 4.3 FILTRO FINISIMO DE AIRE COMPRIMIDO - REGULADORES DE PRESION El regulador es una válvula de presión que tiene como finalidad mantener constante el consumo de aire y la presión de trabajo, independientemente de las variaciones de presión que sufra la red principal. La válvula de presión regula la presión de trabajo, mediante una membrana (1), una de las caras de la membrana es impulsada por la presión de trabajo, y en la otra parte está colocado un resorte (2), cuya fuerza es regulable por un tornillo de ajuste (3), de esta manera se puede regular la presión de trabajo. A medida que la presión de trabajo aumenta, la membrana actúa contra la fuerza del resorte y la sección de paso en el asiento de válvula (4) disminuye hasta que la válvula cierra el paso por completo, al utilizar el aire comprimido la presión de trabajo disminuye y el resorte abre la válvula. La regulación de la presión de trabajo ajustada, consiste en la apertura y cierre de la válvula, con objeto de evitar oscilaciones encima del platillo de la válvula (6) está colocado un amortiguador neumático o de muelle (5). Cuando la presión de trabajo aumenta demasiado, la membrana es empujada contra el resorte, entonces el orificio de escape en la parte central de la membrana se abre y el aire sale a la atmósfera por los orificios de escape existentes en la caja. En el mercado existen válvulas de regulación de presión sin orificios de escape, y con esta válvula no es posible evacuar el aire comprimido que se encuentra en la tubería.

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3

2

1

4

6

5

Orificio-de-purga

57

2

8

3

1

6

4

FIG. 4.4 REGULADOR DE PRESION CON ORIFICIO FIG. 4.5 REGULADOR DE PRESION SIN DE ESCAPE ORIFICIO DE ESCAPE - LUBRICADOR DE AIRE COMPRIMIDO El lubricador, tiene la función de suministrar a los aparatos neumáticos el lubricante necesario para prevenir un desgaste prematuro de las piezas móviles, reduce el rozamiento y protege los elementos contra la corrosión. Los lubricadores trabajan generalmente según el principio de Venturi. La diferencia de presión ΔP existente entre las distintas secciones de la tubería provoca que el lubricante sea aspirado del depósito de alimentación y pulverizado al entrar en contacto con la corriente de aire, siendo el funcionamiento de la siguiente manera; el aire comprimido pasa por el lubricador desde la entrada (1) hasta la salida (2). Por el estrechamiento de la sección en la válvula (5) se produce una caida de presión, en el canal (8) y en la cámara de goteo (7) se produce una depresión (efecto de succión) y a través del canal (6) y del tubo elevador (4) se aspiran gotas de aceite a travès de la camara de goteo (7) y del canal (8) hasta el aire comprimido que fluye hacia la salida (2). La cantidad de aceite varía según la cantidad de aire que pasa y la diferencia de presión existente, pudiéndose variar también mediante un tornillo colocado en la parte superior del tubo elevador (4).



6

8

52

3

4

1

7

FIG. 4.6 LUBRICADOR DE AIRE COMPRIMIDO - UNIDAD DE MANTENIMIENTO Con el fin de conseguir una unidad de mantenimiento completa, el filtro de aire, el regulador de presión y el lubricador de aire comprimido se agrupan en un sòlo conjunto. Para la selección de una unidad de mantenimiento se deben tomar en cuenta los siguientes puntos: 1. Los valores dados por el fabricante para el caudal de aire en m3/h, que es decisivo para la elección

del tamaño de la unidad. Si el caudal es demasiado grande se produce una caida de presión grande.

2. La presión de trabajo no debe sobrepasar el valor estipulado en la unidad, y la temperatura no

deberá ser superior a 50o C (valores máximos para recipientes de plástico)

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FIG. 4.7 UNIDAD DE MANTENIMIENTO La unidad de mantenimiento no debe estar instalada a una distancia superior a los 5 m del último consumidor. En las tuberías largas la niebla de aceite puede precipitarse antes de llegar a los consumidores de aire comprimido, las bifurcaciones y curvaturas de la tubería aceleran el proceso de precipitación de la niebla de aceite. Para mantener una unidad de mantenimiento en buenas condiciones de operación se deben realizar las siguientes acciones: a) El filtro de aire comprimido debe revisarse periódicamente para desalojar el agua condensada, de lo

contrario si el agua es demasiada podría ser arrastrada hasta la tubería por el aire comprimido, asimismo el cartucho filtrante debe ser limpiado o reemplazado si es necesario.

b) El regulador de presión si está precedido por un filtro, no requiere ningún mantenimiento. c) Verificar el nivel de aceite del lubricador de aire comprimido y mantenerlo al nivel con aceite mineral

recomendado, los filtros de plástico y los recipientes de los lubricadores no deben limpiarse con tricloroetileno.



Caudal en las unidades de mantenimiento; todos los aparatos poseen una resistencia interior, por lo que se produce una caida de presión hasta que el aire llega a la salida. Esta caida de presión depende del caudal de paso y de la presión de alimentación correspondiente, en el diagrama siguiente están representadas varias curvas: para presiones de entrada p, en la unidad de 100 KPa (1 bar), 200 KPa (2 bar), 400 KPa (4 bar) y 600 KPa (6 bar). En el eje horizontal está indicada la pérdida de presión Δp. Esta es la diferencia entre la presión presente en el regulador de presión (p1) y la presión de salida de la unidad (p2). En el eje vertical está representado m3/h para una unidad de mantenimiento R 1/8”. Las unidades de mantenimiento tienen un margen de utilización en función de los diámetros de las conexiones, según se muestra en la tabla siguiente:

FIG.4.8

Conexión R”

Margen de potencia caudal l/min

Contenido del depósito de aceite

cm3

Margen de presión Kp/cm2

1/8 1/4 3/8 1/2

50-80 50-400

100-1000 150-2000

16 42

137 137

0-7 0-10 0-10 0-1

FIG. 4.9

IV.2 DESHUMIDIFICACION DEL AIRE COMPRIMIDO

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En los procesos de compresión, el aire atmosférico aspirado por el compresor con su estado higrométrico correspondiente, pasará totalmente a través del ciclo de compresión e irá a condensarse, por enfriamiento ambiental en los conductos y puestos de utilización, esto se debe a que la compresión del aire tiene un aumento importante de su temperatura debido a la compresión. El aire atmosférico que va a ser comprimido no podrá saturarse en las cámaras de compresión por estar a altas temperaturas y como consecuencia no habrá condensación durante el proceso de compresión. Como el aire comprimido, una vez que sale del compresor recorre un camino hasta su utilización con temperaturas que oscilan entre 125 y 180o C para compresores de pistón y de unos 70 a 80o C para compresores rotativos, existe un cambio continuo de calorías con el medio ambiente y por lo tanto, la temperatura del aire comprimido puede descender hasta un valor próximo a la temperatura ambiente, y es aquí, al enfriarse, donde la humedad contenida en el aire se condensa formando gotas de agua que son arrastradas por el flujo del aire hacia los puntos de utilización. Para el secado o deshumidificación del aire comprimido, en la industria se dispone de diversos métodos que dependen del empleo de cada uno de ellos y de la calidad que se desea lograr en el aire comprimido siendo los más utilizados. - Secado por absorción - Secado por adsorción - Secado por enfriamiento Secado por Absorción Es un proceso puramente químico. El aire comprimido pasa a través de un lecho de sustancias secantes y en cuanto el agua o vapor entran en contacto con estas substancias, se combinan quimicamente desprendiendose como una mezcla de agua y sustancias secantes, lo cual tiene que ser eliminada constantemente del absorvedor, manual o automáticamente. Con el tiempo la sustancia secante se consume, y debe ser repuesta con intervalos regulares de 2 a 4 veces por año. En el secado por absorción se separan vapores y partículas de aceite, sin embargo, si la cantidad de aceite es grande influye en el funcionamiento del secador, por esto es conveniente montar un filtro fino delante de éste. El proceso por absorción tiene las características de que es de fácil instalación, no tiene piezas móviles y no requiere energía para su funcionamiento.

FIG. 4.10 El precio de estos secadores es econónomico, pero la calidad del aire está limitada, siendo su aplicación principal la de eliminar los riesgos de condensaciones en las tuberías, esto como un factor de protección más que como secador en sí. - Secado por Adsorción



Este secador se basa en el proceso físico de adsorber (depósito de sustancias sobre las superficies de cuerpos sólidos). El material de secado es granulado con cantos vivos o en forma de perlas, se compone de casi un 100% de dióxido de silicio, el cual recibe el nombre de “Gel”. La función del gel consiste en adsorber el vapor de agua del aire comprimido que se hace pasar a través del gel. La capacidad adsorbente de esta sustancia es limitada, ya que llega a saturarse de agua y es necesario someterla a una regeneración, que consiste en hacer pasar aire caliente a través del secador para que absorba la humedad del material de secado. El calor necesario para la regeneración puede ser aplicado también por una corriente eléctrica. Un arreglo de dos secadores en paralelo puede emplearse en una instalación, pudiéndose emplear una para el secado del aire mientras el otro se regenera soplándolo con aire caliente, como se muestra en la siguiente figura.

FIG. 4.11 - Secado por Enfriamiento Este tipo de secadores se basan en el principio de una disminución de la temperatura del punto de rocío. La temperatura del punto de rocío es aquella a la que hay que enfriar un gas, con objeto de que el vapor de agua contenido en él se condense. El aire que entra en el secador se enfría mediante aire seco y frío que proviene del intercambiador de calor a través del separador. El aire preenfriado pasa por el grupo frigorífico (vaporizador) y se enfría más hasta una temperatura de unos 274.7°K (1.7°C), mediante este proceso se elimina una vez más agua y aceite condensados. Después se hace pasar el aire comprimido a través de un filtro fino con objeto de eliminar partículas de suciedad.

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MAQUINA'FRIGORIFICA

SEPARADOR

SALIDA'DE'AIRE

ENTRADA'DE'AIRE

AIRE'COMPRIMIDOSECO

GRUPO'FRIGORIFICO

SEPARADOR

INTERCAMBIADOR'DE'CALORDE'AIRE4AIRE

AGENTE'FRIGORIFICO

FIG. 4.12 Este proceso es el más usual en una instalación para disminuir el contenido de humedad del aire comprimido, y condensa entre el 50 y 80% de la humedad que aspira el compresor IV.3 HUMEDAD DEL AIRE El aire atmosférico es una mezcla de gases, que cuando está seco tiene la siguiente composición: Nitrógeno 78.03; oxígeno 20.99; argón 0.94; bióxido de carbono 0.03; hidrógeno, xenón, kriptón y otros gases 0.01. Para el aire cercano a ciudades y zonas industriales, estas proporciones varían ligeramente. En la mayoría de los cálculos, se puede considerar que aproximadamente el aire seco está constituido en volúmen por 79% de nitrógeno y 21% de oxígeno, y los correspondientes porcentajes en peso son de 77% de nitrógeno y 23% de oxígeno respectivamente. Otro componente importante del aire es el vapor de agua, que generalmente se tiene como vapor sobrecalentado (gas invisible), sin embargo, cuando el aire es enfriado a cierta temperatura (punto de



rocío) el vapor de agua contenido en el aire empieza a condensarse y ser visible como neblina o llovizna, como cuando se tiene condensación en una superficie fría. La cantidad de vapor de agua que contiene la atmósfera, se incrementa grandemente cuando la temperatura aumenta. A cualquier temperatura dada, la cantidad de vapor de agua puede variar prácticamente desde cero hasta la cantidad máxima que corresponda dicha temperatura, sin llegar al punto de saturación. En los sistemas de aire comprimido, el aire aspirado por el compresor entra a la presión y temperatura ambiente, con una cierta humedad relativa. Al comprimirse este aire a una presión mayor aumenta la temperatura calentándose el aire a tal grado que toda la humedad contenida en el mismo pasará por el compresor al ser aspirado. El agua (humedad) que llega al interior de la red con el aire aspirado por el compresor, depende de la humedad relativa que a su vez depende de la temperatura del aire y las condiciones climatológicas. - Humedad absoluta (hab) La humedad absoluta se refiere a la cantidad de vapor de agua contenida en una determinada cantidad de aire seco, y está dada por:

hab = 0.625 Pa/(P - Pa) donde: hab - Humedad absoluta en Kg de vapor de agua por Kg de aire seco pa - Presión parcial del vapor de agua P - Presión total del sistema Pb - Presión parcial del aire seco - Humedad de saturación (hs) La humedad de saturación se define como la máxima cantidad de vapor de agua que puede estar contenida en una cierta cantidad de aire. Depende de la presión y de la temperatura, su valor se calcula tomando la ecuación anterior en la que se sustituye la humedad absoluta por la de saturación y la presión parcial del vapor de agua por la presión del vapor de la misma a la temperatura y presión consideradas.

hs = 0.625 Pa /(P-Pa) donde: hs - Humedad de saturación en Kg de vapor de agua por Kg de aire seco Pa - Presión del vapor de agua a la temperatura considerada, ( en tablas) P - Presión total del sistema En la práctica, las unidades para la humedad absoluta o de saturación, son normalmente en gr/m3 en lugar de Kg/m3, a la presión considerada Ejemplo: Calcular la humedad de saturación del aire a 7 atm efectivas y 30°C. Solución:

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Empleando la ecuación anterior y buscando en la tabla de presiones de vapor (APENDICE 7), para una temperatura de 30°C se tiene:

Pa = 38.1 mm Hg. Por otro lado, la presión del sistema es de 7 atm efectivas que corresponden a 8 atm absolutas, con lo que:

8 * 760 mm Hg = 6080 mm Hg

31.8

hS=0.625 = 0.00328 Kg (6080 - 38.1)

Se tienen 3.28 gr de vapor de agua por cada Kg de aire seco. - Humedad Relativa (hr) La humedad relativa se define como la relación que existe entre la humedad absoluta existente hab, y el máximo valor de la humedad que el aire puede contener a la misma temperatura, cuando este aire está saturado hs.

hr = 100 hab/hs

Una humedad relativa del 100% indica que se trata de un ambiente saturado, es decir hab = hs. Y una humedad relativa del 0% indica que el aire está completamente libre de humedad. - Punto de Rocío El punto de rocío se define, como la temperatura a la cual el vapor de agua asociado con una cierta cantidad de aire seco, es la adecuada para saturar dicha cantidad de aire sin que se tenga ninguna condensación. En otras palabras cuando un ambiente de aire atmosférico o de aire comprimido seco, se somete a un proceso de enfriamiento, la humedad de saturación va disminuyendo. Como la humedad absoluta permanece constante, la humedad relativa aumentará hasta que la misma alcance el 100% y la temperatura en ese momento corresponderá con el valor del punto de rocío. La principal utilización del concepto de punto de rocío está en el campo del aire seco, en donde es el parámetro para indicar la mayor o menor sequedad del mismo. Puntos de rocío muy bajos reflejan aire muy seco de gran calidad, puntos de rocío elevados suponen aire con altas humedades relativas. El punto de rocío puede calcularse a partir de datos psicrométricos, tales como: a) Humedad relativa y temperatura ambiente b) Humedad relativa y humedad de saturación c) Humedad absoluta Puesto que, en el punto de rocío, la humedad absoluta hab se convierte en humedad de saturación hab=hs, de la fórmula anterior de humedad de saturación se despeja Pa y sustituyendo hs por el valor hab calculado, se tiene Pa=hab*P/(0.625+hab)



Finalmente, en la tabla de presiones de vapor de agua, se busca la temperatura correspondiente al valor calculado para Pa; dicha temperatura es el valor del punto de rocío deseado, ejemplo: Calcular el punto de rocío de un aire ambiente a 25°C y 70% de humedad relativa a la presión atmosférica. Siguiendo el proceso que se acaba de exponer, dado que la presión del vapor de agua a 25°C es de 23.756 mm Hg, tenemos:

hs=0.625(23.756/(760-23.756))= 0.0202

20.2 gr de vapor de agua por kilo de aire seco.

hab=(70*0.0202/100)=0.01414 Kg 14.14 gr de agua por kilo de aire seco.

Pa=(0.1414*760/(0.625+0.01414)) = 16.81 mm Hg En la tabla de presiones de vapor de agua se encuentra que la temperatura que proporciona una presión de vapor de 16.81 mm Hg está comprendida entre 19 y 20°C, por lo que se puede concluir que el punto de rocío buscado es de 19.5°C. - Diagramas Psicrométricos La representación gráfica de los datos de tablas de humedades de saturación en gr/Kg, supone el trazado de una familia de líneas que pueden expresar temperaturas o presiones. Existen diagramas en los que representándose humedades en ordenadas y presiones en abscisas presentan temperaturas como parámetro, también pueden representarse temperaturas en ordenadas, humedades en abscisas y presiones como parámetro. La utilización de estos diagramas es más sencilla y proporcionan datos de gran confiabilidad. Puesto que el gráfico se refiere siempre a ambientes saturados, y no permiten obtener datos de humedades relativas. Ejemplo: Calcular el condensado producido en un refrigerador, utilizando el diagrama y partiendo de: Temperatura ambiente 20°C Humedad relativa 80% Presión de trabajo 7 bars efectivos Temperatura de salida del refrigerador 30°C Compresor de 1 etapa. Para una presión atmosférica y 20°C en el diagrama psicrométrico la humedad relativa hs = 15 gr/Kg. tenemos que el aire contiene 12 gr/Kg y queda determinado el punto 1. El punto 2 se localiza en la intersección de la vertical de presión a 7 bar y la línea de 30°C, en donde: hs= 3.2 gr/Kg El líquido condensado será pues la diferencia entre 12 gr/Kg - 3.2 gr/Kg. = 8.8. gr/Kg

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Para la determinación del punto de rocío a presión atmosférica del aire a la salida del refrigerador, se traza una línea horizontal hacia la izquierda y se lee la temperatura que pasa por la vertical a 0 bar, en este caso -2°C. Ejemplo: Determinar el proceso existente en un frigorífico utilizando la figura. Datos Presión de trabajo 10 bar Temperatura de entrada 30°C Punto de rocío 2°C Temperatura de salida 20°C Las condiciones de entrada pueden representarse en el punto 1, situado sobre la presión de 10 bar y temperatura de 30°C. Se puede seguir el enfriamiento hasta 2°C, a la misma presión, trazando una vertical hasta 2°C. El punto 2 indica que la humedad es de 0.4 gr/Kg, si hay un calentamiento posterior del aire hasta una temperatura de 20°C esto se representará trazando una vertical superpuesta a la primera hasta que se corte la línea de 20°C. En este punto 3 se lee que la humedad de saturación es de 1.2 gr/Kg, y puesto que la humedad absoluta es de 0.4 gr/Kg (punto 2), se puede calcular que la humedad relativa será:

Los puntos 1 y 2 representan aire saturado; el punto 3 es aire con vapor recalentado. Ejemplo: CALCULO DE DATOS PSICROMETRICOS EN UNA INSTALACION DE AIRE COMPRIMIDO En este ejemplo práctico para una instalación de aire comprimido se determinan los diferentes datos psicrométricos existentes en cada punto. Se utilizarán para este ejercicio las tablas de humedades de saturación hs, expresadas en gr(H20)/Kg. aire seco. Concepto y cálculo de condensados, separados y arrastre de liquidos; Condensados C; Se refiere a la formación de fase liquida generada en un proceso completo. Estos condensados son originados por enfriamiento del aire en el refrigerador y enfriador frigorífico. Separados L; Son condensados que se eliminan hacia el exterior del sistema de aire comprimido por la purga. Arrastres; Es la porción de condensados que no es expulsada hacia el exterior y en consecuencia es transportada en fase líquida, niebla o microgotas con el aire comprimido. Es claro que: Condensados= Separados + Arrastres, o



C = L + A - - - - - - - - - - - - - - (1)

El caudal de condensados C en litros/hora puede determinarse a partir de la fórmula

C=7.2*10-4*6*X(hi-hf) --------( 2 )

Donde C- Caudal de condensados formados en l / hr G- Caudal nominal de aire comprimido en m3/hr producida por el compresor X- Porcentaje de trabajo en carga del compresor, % hi- Humedad inicial gr/Kg hf- Humedad final gr/Kg Los condensados pueden tambíen expresarse en gr/Kg siendo en este caso

C´= hi- hf ------------------ (3)

El caudal de condensados que realmente se elimina, es decir, los separados L pueden determinarse a partir de:

Cuando se producen condensaciones, o de:

En caso de no producirse condensaciones Expresando los condensados y arrastres en gr/Kg, se tendrá:

Donde:

L y L’ - Caudal de separados en l / hr o gr/Kg, respectivamente

C y C’ - Caudal de condensados en l / hr o gr/Kg, respectivamente

A y A’ - Arrastre en l / hr o gr/Kg, respectivamente

E - Eficacia de separación del separador en %

Los arrastres se pueden enumerar desde la consideración de si existe condensación (refrigeradores, secadores, frigorificos).

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A= C - L (l / hr) - - - - - - - - (8)

A’= C’ - L’ (gr/hr) - - - - - - - -(9)

Si no existe condensación (depositos, separadores)

As= (Ae* E/100)( l / hr ) --------( 10 )

As’= (Ae’* E/100)(gr/Kg) -------( 11 )

Donde:

AS Y Ae - Arrastres a la entrada y salida

Instalación de aire comprimido a estudiar; la instalación constará de los siguientes equipos en serie y en el siguiente orden, según la figura.

A - Compresor

B - Refrigerador

C - Deposito

D - Separador

E - Secador frigorífico

Los datos a considerar son:

Condiciones del aire atmosférico aspirado:

Humedad relativa; 80%

Temperatura; 20°C

A. Compresor

Caudal de aire producido 1m3/min

Temperatura del aire a la salida del compresor; 140°C

Compresor de una etapa o sin condensación en etapa intermedia

Régimen de servicio en carga; 85%

B: Refrigerador



Temperatura de salida del aire; 30°C

Eficacia de separación; 80%

C. Depósito


D. Separador

Eficacia de separación, 100%

E. Secador Frigorifico

Temperatura de salida del aire comprimido; 25°C

Punto de rocío a presión, 2°C


Se supondrá que:

• La presión sea de 7 bar a lo largo de toda la instalación (se desprecia la pérdida de carga)

• La temperatura de salida del aire comprimido del refrigerador se mantiene constante hasta la entrada al secador frigorífico.

Los datos psicrométricos que se calcularán en cada uno de los puntos serán:

Para la linea de aire:

Humedad absoluta Hab , en gr/Kg

Humedad de saturación hs, en gr/Kg

Humedad relativa hr, en %

Punto de rocío a presión de trabajo, Tr°C

Arrastre de líquido a’, en gr/Kg

Arrastre de líquido A, en l / hr

Porcentaje de humedad sobre la inicial de aspiración W, %

Porcentaje de arrastres líquidos sobre la humedad inicial de aspiración a, %

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Para los condensados que se eliminen:

Cantidad de separados L, en gr/Kg

Caudal de separados L, en l / hr

Porcentaje de condensados separados respecto a la humedad inicial de aspiración l, en%

Cálculo

Punto 1. Condiciones de aspiración

hs1= 14.71 gr/Kg (tabla a 20°C 1 ATA)

h1 = 0.8 14.71 = 11.76 gr/Kg

Tr1 = 16.5°C (tabla de 1 ATA localizando la temperatura en que los 11.76 gr/Kg saturan el ambiente)

Tro1 = 16.5°C (idéntica)

W1 = 100%

Punto 2. Salida de compresor-entrada refrigerador

hs2= 501 gr/Kg (tabla a 140°C y 8 ATA)

hab2= 11.76 gr/Kg (la misma que a la aspiración)

hr2= (11.76/501)*100= 2.34%

Tr2 = 54°C (tabla de 8 ATA, localizando la temperatura en que los 11.76 gr/Kg saturan el ambiente

Tro2 = 16.5°C (tabla de 1 ATA. Mismo valor que en el punto 1)

W2 = 100 %

Punto 3. Salida de condensados del refrigerador

Previamente se calcularán los condensados producidos por la refrigeración de:

hab4=3.27 gr/Kg (tabla de 8 ATA y 30°C)

C3 =7.2 10-4 1 85 (11.76 - 3.27) = 0.519 l/hr (de 2)

C´3 = 11.76 - 3.27 = 8.49 gr/Kg (de 3)

Se tendrá:

(de 4)



(de 4)

Punto 4. Salida del refrigerador y entrada al depósito

hs4 = 3.27 gr/Kg (tabla de 8 ATA a 30°C)

hab4= 3.27 gr/Kg

hr4 = 100%

A4 = 0.519 - 0.415 = 0.104 l/hr (de 8)

A4 = 8.49 - 6.79 = 1.70 gr/Kg (de 9)

Tr4 = 37.50C

de hab4+ A´4 3.27 + 1.70 = 4.97 gr/Kg se localiza en la tabla de 8 ATA a la temperatura en que 4.97 gr/Kg satura el ambiente)

Tro4 = 4°C (localizada en la tabla 1 ATA, la temperatura en que los 4.97 gr/Kg saturan el ambiente).

Punto 5. Salida de condensados del depósito

Punto 6. Salida del depósito y entrada al separador

hs6= 3.27gr/Kg (misma humedad que el punto 4)

hr6= 100 %

A6= (0.104*50/100) = 0.052 l / hr ( de (10) y del punto 4 )

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A’6 = (1.70*50/100) = 0.85 gr/Kg ( de (11) y del punto 4 )

W6 = (3.27/11.76)(100)= 27.8%

∂6 = (0.85/11.76)(100) = 7.2%

Tr6 = 34ºC ( de hab6 + A’6 = 3.27 + 0.85 = 4.12 gr/Kg. Se localiza en la tabla de 8 ATA a la

temperatura en que 4.12 gr7Kg satura el ambiente ).

Tro6 = 1.2ºC ( se localiza en la tabla 1 ATA a la temperatura en que

Punto 7. Salida de condensados del separador.

Punto 8. Salida del separador y entrada al secador

hab8=3.27gr/Kg (igual que en los puntos 4 y 6)

hs8 = 3.27 gr/Kg (igual que en los puntos 4 y 6)

hr8 = 100%

A8 = 0 (La eficacia del separador es del 100%, por lo que no hay arrastre)

A´8 = 0

3.27

W8 = (100)=27.8% (como en los puntos 4 y 6)

11.76

a8 = 0% (no existen arrastres)

tr8 = 30ºC (localizado en la tabla 8 ATA a la temperatura con que los 3.27 gr/Kg

satura el ambiente. Coincide con la temperatura del aire comprimido.)

Tro8 = 1.5ºC (localizada en la tabla 1 ATA la temperatura en que los 3.27 gr/Kg saturan

el ambiente.)

Punto 9. Salida de condensados del secador frigorífico



Previamente se calcularán los condensados producidos por la refrigeración de hab10 = 0.543 gr/Kg (tabla de 8 ATA a 2°C), en donde:

Punto 10. Salida de aire comprimido del secador frigorífico

hab10 = 2.44 gr/Kg (localizado en la tabla de 8 ATA la humedad al punto de rocio 2ºC)

hs10 = 2.44 gr/Kg

hr10 = ( 0.543/2.44)(100) = 22.2 %

A10 = 0 ( no hay arrastres por ser aire seco )

A’10 = 0

W10 = (0.543/11.76)(100) = 4.62 %

a10 = 0 % ( por ser aire seco )

Tr10 = -21.5ºC (localizado en la tabla de 1 ATA la temperatura en que los 0.543 gr/Kg

saturan el aire ambiental )

Resumen.

La tabla siguiente permitirá observar fácilmente las variaciones de las distintas magnitudes consideradas, y en consecuencia, la utilidad y objeto de cada equipo de tratamiento. Los resultados aquí obtenidos son extensivos para toda instalación similar, teniendo en cuenta que se ha partido de los supuestos:

• Compresor al 85% de carga sin condensación intermedia

• Caudal 1 m3/min

• Presión 7 bar

Conalep Tehuacán


• Eficiencia de separación de refrigeración, depósito, separador y secador 50%, 100% y 100%, respectivamente.

Observaciones finales

La suma de todos los condensados eliminados más la humedad de salida del secador, debe ser igual a la humedad de entrada, es decir:

ΣL’ + hab = hab1

Sustituyendo

11.22 + 0.54 = 11.76 gr/Kg

que es igual a la humedad de entrada hab1

Puede verificarse que en la instalación estudiada, casi un 60% de la humedad la elimina el refrigerador, un 15% entre el depósito y el separador, y casi el 25% el secador frigorífico. El aire comprimido de salida del secador, con una humedad relativa del 22%, no formará condensados si no entra en la red de aire comprimido por debajo de los 2°C

TABLA

CONDICIONES DEL SISTEMA EN CADA UNO DE LOS PUNTOS

Puntos hab

gr/Kg

hs

gr/Kg

hr

%

T

ºC

Tr

ºC

Tra

ºC

A

ℓ/hr

A’

gr/Kg

W

%

a

%

L

ℓ/hr

L’

gr/Kg

ℓ

%

1)Aspiración 11.76 14.71 80 20 16.5 16.5 - - 100 0 - - -

2)Salida compresor

11.76 501 2.34 140 54 16.5 - - 100 0 - - -

3)Purga refrigerador

- - - - - - - - - - -0.415 6.79 57.7

4)Salida 3.27 3.27 30 30 37.5 4 0.104 1.7 27.8 14.4 - - -



refrigerador

5)Purga depósito - - - - - - - - - - 0.052 0.85 7.2

6)Salida depósito 3.27 3.27 30 34 34 1.2 0.052 0.85 27.8 7.2 - - -

7)Purga separador - - - - - - - - - - 0.052 0.85 7.2

8)Salida separador 3.27 3.27 30 30 30 -15 - - 27.8 0 - - -

9)Purga secador - - - - - - - - - - 0.167 2.727 23.2

10)Salida secador 0.543 2.44 22.2 25 2 -21.5 - - 4.62 0 - - -

TOTAL - - - - - - - - - - 0.686 11.22 95.3

Ing. Jonathan Quiroga – www.zonaEMEC.tk

CAPITULO V

ELEMENTOS NEUMATICOS

IV.1 ELEMENTOS NEUMATICOS DE TRABAJO El diseño de un sistema neumático, toma en cuenta el conocimiento de la estructura en función de los componentes que intervienen en un equipo. Para el técnico en Neumática, un punto importante lo constituye la función de un elemento de mando o de trabajo. La energía del aire comprimido es transformada por medio de elementos neumáticos de trabajo (cilindros, motores neumáticos) en un movimiento lineal de vaivén (cilindros) o en un movimiento giratorio mediante motores neumáticos. - CILINDROS NEUMATICOS El cilindro de aire comprimido es un elemento productor de trabajo en un equipo neumático, y también puede realizar funciones de regulación y mando simultáneamente según sea su aplicación. Las definiciones características de un cilindro de aire comprimido, sus componentes y demás designaciones están normalizadas, en la siguiente figura se representan estas definiciones y denominaciones básicas.

FIG. 5.1

1. Conexión para la salida (toma de aire comprimido en la tapa posterior) 2. Conexión para la entrada (toma de aire comprimido en la tapa anterior) 3. Cara del fondo 4. Cara de la cubierta 5. Area del émbolo 6. Area anular 7. Area del vástago 8. Fondo 9. Cubierta CILINDROS DE SIMPLE EFECTO El cilindro de aire comprimido de simple efecto sólo puede producir trabajo en una sola dirección de movimiento, tienen una sola conexión de aire, y el vástago retrocede por la acción de un resorte incorporado o por la acción de una fuerza externa. El resorte instalado se


calcula de modo que haga regresar el émbolo a su posición incial a una velocidad adecuada, 10-15% de la fuerza del émbolo. En este tipo de cilindros de simple efecto con retroceso por resorte la carrera está limitada y no sobrepasan de unos 100 mm, y sólo necesitan la mitad del aire que sería necesario si el cilindro fuese de doble efecto. Se utilizan principalmente para sujetar, expulsar, apretar, levantar, alimentar, etc.

FIG. 5.2 CILINDRO DE SIMPLE EFECTO CILINDROS DE MEMBRANA En este tipo de cilindros se tensa una membrana de goma dura, de plástico o de metal entre dos láminas metálicas abombadas, el vástago del émbolo está fijo al centro de esta. Con los cilindros de membrana sólo pueden conseguirse carreras cortas, desde algunos milímetros hasta un máximo de 50 mm.

P P

FIG. 5.3 CILINDRO CON MENBRANA CON FIG. 5.4 CILINDRO DE MENBRANA, CON CARRERA DE MUELLE RECUPERADOR POR TENSION INTERNA DE LA MENBRANA


CILINDROS DE MEMBRANA ARROLLABLE Este tipo de cilindros emplea una membrana que al entrar aire comprimido se desliza hacia la cara interior del cilindro y empuja el vástago hacia el exterior. Pueden obtenerse carreras mayores que con los cilindros de membrana normales. 50-80 mm aprox.

2.00 Carrera((mm)

P=toma(de

(aire

(com

prim

ido

Membrana

Vastago(=(superf.de(sujecion

FIG. 5.5 CILINDRO DE MENBRANA ARROLLABLE CILINDROS DE DOBLE EFECTO Los cilindros de doble efecto puede producir trabajo en los dos sentidos del movimiento, cuando actúa la fuerza ejercida por el aire comprimido. Los cilindros de doble efecto se emplean especialmente en los casos en que el émbolo tiene que realizar un trabajo también en su carrera de retorno a su posición inicial. La carrera de estos cilindros no está limitada, pero hay que tener en cuenta el pandeo y doblado que puede sufrir el vástago cuando está afuera.

FIG. 5.6 CILINDRO DE DOBLE EFECTO

CILINDROS DE AMORTIGUACION INTERNA Cuando las masas que se van a mover y frenar con el cilindro son grandes, con objeto de evitar choques bruscos y daños al cilindro, se utiliza un sistema de amortiguación que entra en función antes de que el vástago alcance el final de la carrera. Un émbolo amortiguador interrumpe la salida directa del aire al exterior, enviándolo a una sección de escape muy pequeña que a menudo es ajustable.


El aire comprimido se comprime más en la última parte de la cámara del cilindro. La sobrepresión producida disminuye con el escape de aire a través de las válvulas antirretorno y de estrangulación montadas (sección de escape pequeños). El émbolo avanza lentamente hasta su posición final. En el cambio de dirección del émbolo, el aire entra sin obstáculos en la cámara del cilindro por la válvula antirretorno.

11

2P 1

3

P

9 8 1011 6

5

4

7

FIG. 5.7 1.- Tubo del cilindro. 2.- Tapa de fondo. 3.- Tapa de cubierta. 4.- Vástago. 5.- Junta obturadora. 6.- Cojinete. 7.- Junta de rascador. 8.- Embolo. 9.- Pistón de amortiguación. 10.- Volumen de amortiguación. 11.- Válvula de estrangulación ajustable. CILINDRO DE DOBLE VASTAGO Este tipo de cilindros tiene un vástago corrido hacia ambos lados, y está montado sobre cojinetes permaneciendo constante la distancia entre estos. Este cilindro puede absorver pequeñas cargas laterales, y la fuerza es igual en ambos sentidos (áreas iguales).


FIG. 5.8 CILINDRO DE DOBLE VASTAGO

CILINDRO TANDEM Está constituido por dos cilindros de doble efecto, que forman una unidad. Gracias a esta disposición al aplicar presión sobre los dos émbolos se obtiene en el vástago una fuerza de casi el doble de la de un cilindro normal del mismo diámetro. Se utiliza cuando se necesitan fuerzas considerables y se dispone de un espacio reducido y no es posible utilizar cilindros de un diámetro mayor.

FIG. 5.9 CILINDRO TANDEM CILINDRO ROTATORIO En este tipo de cilindros el movimiento de vaivén rectilíneo del émbolo se transmite a una rueda dentada a través de una cremallera situada en el vástago del émbolo, provocándole un movimiento de rotación. La máxima rotación puede llegar a ser de 360°, pero generalmente es menor, 180o ó 290°, en todos los cilindros rotatorios se indica el ángulo de rotación además de las características neumáticas.


FIG. 5.10 CILINDRO ROTATORIO

FIJACIONES El tipo de fijación depende del modo en que los cilindros se coloquen en los sistemas neumáticos. Si el tipo de fijación es definitivo, el cilindro puede ir equipado con los accesorios de montaje necesarios. De otro modo, estos accesorios se fabrican según el sistema de piezas estandarizadas, que después puede efectuarse la transformación de un tipo de fijación a otro. Este sistema de montaje facilita el almacenamiento en empresas que utilizan a menudo el aire comprimido, puesto que basta combinar el mismo cilindro con los correspondientes elementos.

Fijacion(por(pies

Brida(anterior

Brida(anterior(oscilante

Brida(posterior(oscilante

Fijacion(por(rosca

Brida(posterior

Brida(central(oscilante

FIG. 5.11 TIPOS DE FIJACIONES CONSTITUCION DE LOS CILINDROS El cilindro de émbolo se compone de los siguientes elementos: tubo, tapa posterior (fondo) y tapa anterior con cojinete (manguito doble capa), vástago, casquillo de cojinete y aro rascador: además de piezas de unión y juntas. El tubo del cilindro, se fabrica por lo general a base de tubo de acero estirado sin costura, que en casos particulares puede ser de aluminio, latón o bronce especial. Para evitar una abrasión excesiva del émbolo elástico, a la superficie deslizante del tubo del cilindro se le da un acabado de presición, rectificado o bruñido y para aplicaciones especiales recibe un cromado duro complementario. El fondo y la cubierta, son piezas de fundición (de metal ligero o maleable), y la fijación de éstas al tubo del cilindro puede realizarse mediante varillas tirantes, roscas o bridas, dependiendo del tamaño del cilindro. Casquillo del cojinete, sirve como guía del vástago y tiene montado un anillo exterior de barrido con el fin de evitar que penetre suciedad en el interior del cilindro. El vástago, se fabrica preferentemente de acero bonificado, este acero contiene un determinado porcentaje de cromo que lo protege de la corrosión. El émbolo se somete a un tratamiento de temple, y su superficie se comprime en un proceso de rodado entre discos planos.


La rugosidad del vástago es de 1 µm, y las roscas se laminan con el objeto de prevenir el riesgo de roturas. Para hermetizar el vástago se monta en la tapa anterior una junta obturada. El manguito de doble copa (émbolo), hermetiza la cámara del cilindro y puede estar fabricado del siguiente material: Perbunán para temperaturas entre -20°C y +80°C Vitón para temperaturas entre -20° y +190°C Teflón para temperaturas entre -80°C y +200°C Las juntas toricas o anillos toroidales , se emplean para la obturación estática, porque deben pretensarse, y esto causa elevadas pérdidas por fricción en aplicaciones dinámicas.

Junta&torica&(anillo&toroidal)

Junta&cuadrada

Manguito&de&copa

Manguito&doble&de&copa

Junta&en&L

Junta&preformada

Collarines&obturadores&en&ambos&lados

Collarin&reforzado

collarines&obturadores&con&apoyo&y&anillo&de&deslizamiento

FIG. 5.12 TIPOS DE JUNTAS CALCULO DE CILINDROS FUERZA DEL CILINDRO La fuerza generada por el cilindro está en función del diámetro (área) del émbolo, de la presión del aire comprimido (presión de trabajo) y de la resistencia o rozamiento (fricción). La fuerza de presión del cilindro puede calcularse por la siguiente fórmula: Fuerza de presión = Area del émbolo ∗ Presión

F = A ∗ p (cm2 ⋅ Kg/cm2)

En la práctica es necesario conocer la fuerza real, y para determinarla hay que tener en cuenta los rozamientos que en condiciones normales de servicio (presiones de 400 a 800 KPa(4 a 8 bar) se puede suponer que la fuerza de rozamiento representa de un 3 a un 10% de la fuerza calculada. Para un cilindro de simple efecto π D2

F = ( r - f ) 4 Para un cilindro de doble efecto π D2

F = r 4


π D2

F = (D2 - d2) 4 Donde D = Diámetro del émbolo, cm d = Diámetro del vástago, cm A = Area del émbolo cm2 f = Fuerza del resorte, N F = Fuerza de presión, N ρ = Presión de trabajo, KPa, 105 N/m2, bar Los cilindros neumáticos son seguros ante las sobrecargas, pudiendo ser cargados hasta su máxima potencia, y en el caso de sobrecargas simplemente se detienen. Ejemplo. Determinar las fuerzas teórica y real del siguiente cilindro: D = 50 mm d = 12 mm ρ = 6 bar Rozamiento 10% (valor medio) Solución. Area del émbolo π D2 π (5)2

A = = = 19.634 cm2 ( en el avance ) 4 4 π (D2 -d2) π (52 - 1.22)

A = = = 18.504 cm2 ( en el retroceso ) 4 4 Fuerza teórica de empuje en el avance Fteo = A * ρ = 19.634 (10-4 m2) * 6 (105 N/m2) = 1178.04 N Fuerza de rozamiento = 1178.04 * 10% = 117.804 Fuerza real de empuje en el avance F= Fteórica - Rozamiento = 1178.04 - 117.804 = 1060.236 N Fueza teórica en el retorno Fteo = 18.504 (10-4 m2) * 6(105 N/m2) = 1110.24 N Fuerza de rozamiento = 1110.24 * 10% = 111.024 N Fuerza real en el retorno F= Fteo - Rozamiento = 1110.24 - 111.024 = 999.216 N CONSUMO DE AIRE La energía del aire comprimido que alimenta los cilindros se consume transformándose en trabajo, y después liberada a la atmósfera por los escapes. Es importante conocer el consumo de la instalación para disponer de aire y conocer el gasto de energía. Para una presión de trabajo, un diámetro de cilindro y una carrera de émbolo determinados, el consumo de aire se calcula de la siguiente manera:

Relación de compresión ∗ Area del émbolo ∗ Carrera


La relación de compresión pe2 : pe1 referido a la presión al nivel del mar se calcula de la siguiente forma:

Con ayuda del diagrama de la figura 5.52, se pueden establecer los datos del consumo de aire de una manera sencilla y rápida. Los valores están expresados por cm de carrera para los diámetros más comunes de cilindros y para presiones de 200 a 1500 KPa (2 - 15 bar) El consumo de aire se expresa en litros de aire aspirado para obtener valores uniformes referidos a la potencia del compresor, y se calcula mediante las siguientes fórmulas. Cilindro de simple efecto. π D2 Q = s * n * * Relación de compresión (ℓ/min) 4 Cilindros de doble efecto π D2 π ( D2 - d2) Q = [ s * + s + ] * n * Relación de compresión (ℓ/min) 4 4 Donde: Q = Consumo total de aire l/min s = Carrera del cilindro, cm n = Ciclos por minuto Ejemplo: Calcular el consumo de aire de un cilindro de doble efecto de ∅ 50 mm, diámetro de vástago 12 mm y 100 mm de longitud de carrera. El cilindro trabaja a 10 ciclos por minuto, y la presión de trabajo es de 600 KPa (6 bar). Solución. Relación de compresión 101.3 + presión de trabajo 101.3 KPa + 600 KPa 701.3 KPa = = = 6.9 101.3 101.3 KPa 101.3 KPa Consumo de aire π D2 π ( D2 - d2) Q = [ s * + s + ] * n * Relación de compresión (ℓ/min) 4 4 π (25) π (25 - 1.44) Q = [ 10 * + 10 + ] * 10 * 6.9 4 4 Q= ( 1996.34 cm3 + 185.04 cm3 ) * 10 min * 6.9


Q = 26315.2 cm3/min Q = 26.315 ℓ/min Las fórmulas para calcular el consumo de aire utilizando el diagrama de la figura es la siguiente: Cilindro de simple efecto Q = s ∗ n ∗ q (ℓ/min) Cilindro de doble efecto Q = 2 (s ∗ n ∗ q) (l/min) Donde: q = Consumo de aire por cm de carrera (l/cm; diagrama) En caso de emplear el diagrama de consumo de aire para el ejemplo anterior, se obtiene: Q = 2 (s ∗ n ∗ q) Q = 2 (10 cm ∗ 10 c/min ∗ 0.134 l/cm) Q = 2 (1.34) l/min Q = 26.8 l/min En el cálculo del consumo de aire se debe tener en cuenta el llenado de las cámaras secundarias que se rellenan en cada carrera, estos valores difieren en los cilindros de acuerdo a cada fabricante. Enseguida se muestran algunos valores reunidos para cilindros Festo.

Diámetro de émbolo

mm

Lado anterior (tapa) en cm3

Lado posterior (fondo) en cm3

Diámetro de émbolo

mm

Lado anterior

(tapa) en cm3

Lado posterior

(fondo) en cm3

12 1 0.5 70 27 31 16 1 1.2 100 80 88 25 5 6 140 128 150 35 10 13 200 425 448 50 16 19 250 2,005 2,337

Los espacios muertos de un cilindro son, por ejemplo, las tuberías de alimentación del aire comprimido al propio cilindro y los espacios en las posiciones finales del émbolo. Estos espacios pueden alcanzar hasta un 20% del consumo de aire de trabajo. LONGITUD DE CARRERA La longitud de cilindros neumáticos no debe exceder a los 2000 mm, ya que con émbolos de gran tamaño y carrera larga, el sistema neumático no resulta económico por el elevado consumo de aire. Cuando la carrera es muy larga, el esfuerzo mecánico del vástago y de los cojinetes guía es demasiado grande. Para evitar el riesgo de pandeo, si las carreras son grandes deben adaptarse vástagos de diámetro superior a lo normal o tratar de que la carga del cilindro se encuentre apoyada sobre guías. VELOCIDAD DEL EMBOLO


La velocidad del émbolo en cilindros neumáticos depende de la fuerza antagonista, de la presión del aire, de las secciones de las tuberías, de la longitud de las tuberías entre la válvula de mando y el cilindro y también del diámetro nominal de la válvula de mando. Además la velocidad del émbolo también puede ser afectada por válvulas de estrangulación o válvulas de escape rápido. La velocidad media del émbolo en los cilindros estándar está comprendida entre 0.1 y 1.5 m/seg. (6.0 a 90 m/min), y con cilindros especiales de impacto hasta 10 m/seg. ELEMENTOS NEUMATICOS CON MOVIMIENTO GIRATORIO El motor de aire comprimido transforma la energía neumática en trabajo mecánico giratorio. En neumática se emplean principalmente motores de aire comprimido del tipo émbolo, de aletas y de rueda dentada. Motores de émbolo, este tipo se subdivide además en motores de émbolo axial y de émbolo radial, se limitan principalmente a máquinas de gran potencia. Por medio de cilindros alternativos, el aire comprimido acciona a través de una biela el cigüeñal del motor, necesitándose varios cilindros con objeto de asegurar una marcha suave. La potencia de estos motores depende de la presión de entrada, del número de émbolos, del área de émbolos y la velocidad de estos. El funcionamiento del motor de émbolos axiales es idéntico al de émbolos radiales. En cinco cilindros dispuestos axialmente generan, el movimiento de rotación mediante un disco oscilante, dos cilindros reciben cada vez aire comprimido simultáneamente con objeto de equilibrar el par y obtener un movimiento suave. Estos motores de aire comprimido se encuentran para giro a la derecha y giro a la izquierda, con una velocidad máxima de unas 5000 rpm, y la potencia a presión normal varía entre 1.5 y 19 Kw (2-25 CV).

FIG. 5.13 MOTOR RADIAL

Motores de aletas, por su construcción sencilla y peso reducido, los motores de aletas asemejan en principio al proceso inverso del compresor multicelular. En este motor, un rotor excéntrico dotado de ranuras gira en una cámara cilíndrica, y en las ranuras se deslizan aletas que son empujadas contra la pared interior del cilindro por efecto de la fuerza centrífuga, lográndose así la estanqueidad de las diversas cámaras. Pequeñas cantidades de aire son


suficientes para empujar las aletas contra la pared interior del cilindro, antes de ponerse en marcha el motor. En otros tipos de motores las aletas son empujadas por la fuerza de resortes. Por regla general estos motores tienen de 3 a 10 aletas que forman las cámaras en el interior del motor, en dichas cámaras actua el aire en función de la superficie de ataque de las aletas. El aire entra en la cámara más pequeña y se expande a medida que el volumen de la cámara aumenta. La velocidad de estos motores varia entre 3000 y 8500 rpm, hay unidades con giro a derechas y con giro a izquierdas, así como de potencias conmutables de 0.1 a 17 KW (0.1 a 24 CV)

Giro%a%la%izquierda Giro%a%la%derecha

FIG. 5.14 Motor de engranajes, en estos motores el par de rotación es engendrado por la presión que ejerce el aire sobre los flancos de los dientes de piñones engranados, uno de los piñones esta unido con el eje del motor. Se fabrican preferentemente para grandes potencias hasta 44 KW (60 CV), y pueder ser con sentido de giro a la derecha o a la izquierda. Se montan directamente en las máquinas principalmente para la mineria, el par de giro permanece practicamente constante en toda la gama de revoluciones. Turbomotores, se utilizan cuando se requieren potencias pequeñas y un elevado número de revoluciones, en estos se aprovecha la energía cinética del aire comprimido y la potencia se obtiene mediante el aprovechamiento de la velocidad de circulación. Pueden alcanzar hasta 350,000 rpm, se emplean muy raramente, un ejemplo típico de aplicación es el turbotaladro de los dentistas. Las principales características de los motores de aire comprimido son: • Regulación sin escalones de la velocidad de rotación y del par motor • Gran selección de velocidades de rotación • Pequeñas dimensiones (y reducido peso) • Gran fiabilidad, seguros contra sobrecargas • Insensibilidad al polvo, agua, calor y frio • Ningún peligro de explosión • Reducido mantenimiento • Sentido de rotación facilmente reversible. VALVULAS NEUMATICAS Las válvulas son dispositivos para controlar o regular el arranque, paro y dirección así como la presión o el flujo del medio de presión, provocado por una bomba hidraúlica, un compresor,


una bomba de vacio o acumulado en un deposito. El significado de válvula abarca todas las formas de construcción tales como válvulas de compuerta, válvulas de bola, de corredera, de asiento, grifos, etc., (Según la Norma DIN 24300) En un equipo neumático lo más importante que se debe conocer de una válvula es: la función que puede obtenerse de ella, su accionamiento y el tamaño de la rosca de conexión, con esto último queda determinado el paso correspondiente. De acuerdo con la función que realizan, las válvula neumáticas se clasifican en los siguientes grupos principales. • Válvulas distribuidoras • Válvulas antirretorno o de bloqueo • Válvulas reguladoras de presión • Válvulas reguladoras de flujo o de velocidad • Válvulas de cierre VALVULAS DISTRIBUIDORAS Estas válvulas influyen en la circulación del aire, determinando principalmente el arranque, paro y dirección del flujo. Para representar las válvulas distribuidoras en los esquemas de circuito se utilizan simbolos, pero estos no proporcionan ninguna orientación sobre la construcción de la válvula y solamente indican su función. Las posiciones de las válvulas distribuidoras se representan por medio de cuadrados y la cantidad de cuadrados indican la cantidad de posiciones de la válvula.

El funcionamiento se representa esquematicamente en el interior de los cuadrados, las líneas representan tuberías o conductos, y las flechas el sentido de circulación del fluido. Las posiciones de cierre dentro de las casillas se representan mediante líneas transversales y la unión de conductos o tuberias se representan mediante un punto.

Las conexiones de entrada y salida se representan por medio de lineas unidas a la casilla que esquematiza la posición de reposo o inicial. Las otras posiciones se obtienen desplazando lateralmente los cuadrados hasta que las conexiones coincidan.

Las posiciones pueden distinguirse por medio de a, b, c... y o


a o b

a b

Algunas válvulas tienen una posición de reposo, por lo cual se entiende que poseen un dispositivo de reposición, por ejemplo, un resorte que mantiene a la válvula en una sola posición cuando esta no está accionada. Los conductos de escape que van directamente a la atmosfera, se representan con un triangulo directamente junto al símbolo. Y los conductos de escape que van hacia un punto común, se representan con un tríangulo ligeramente separado del símbolo.

Para evitar errores durante el montaje, las conexiones de las válvulas distribuidoras se identifican por medio de letras mayusculas, de la siguiente manera: • La alimentación del aire comprimido se designa con la letra P • Las conexiones de trabajo con las letras A, B, C... • Las salidas de escape se designan con las letras R,S,T... • Las conexiones de accionamiento o pilotaje se designan con Z, Y, X... Debido a que en el mercado de la Neumática se emplean tanto las letras como las cifras por la designación de las conexiones, existe una identificación que es según la norma ISO 5599, es la siguiente:

ISO 5599 Designación por letras 1 P 2 A 3 R 4 B 5 S

(10) (Z) 12 Z 14 Y

La designación de una válvula distribuidora depende de la cantidad de conexiones (entradas y salidas) y de las posiciones de trabajo. La primera cifra indica la cantidad de conexiones, y la segunda nos indica la cantidad de posiciones.

RESUMEN DE LAS VALVULAS DSITRIBUIDORAS DESIGNACION POSICION DE REPOSO SIMBOLO


ACCIONAMIENTOS DE LA VALVULAS Una característica importante de las válvulas es su clase de accionamiento, y de acuerdo con esto dentro de un equipo neumático se le podrá emplear como elemento emisor de señal, de control o de regulación. Según su utilización, las válvulas distribuidoras pueden accionarse de diferentes modos, los símbolos de los elementos de accionamiento se colocan horizontalmente a los lados de los cuadrados.

Válvula distribuidora 2/2 cerrada Válvula distribuidora 2/2 abierta Válvula dsitribuidora 3/2 cerrada Válvual distribuidora 3/2 abierta Válvula dsitribuidora 3/3 cerrada Válvula distribuidora 4/2 1 conducto bajo presión 1 conducto en escape Válvula distribuidora 4/3 posición O cerrada Válvula dsitribuidora 4/3 A y B en escape posición de ajuste Válvula distribuidora 5/2 2 escapes Válvula distribuidora 6/3 3 posiciones de paso


1.- ACCIONAMIENTOS MUSCULARES General Pulsador Palanca Pedal 2.- ACCIONAMIENTOS MECANICOS Leva Muelle Rodillo Rodillo escamoteable 3.- ACCIONAMIENTOS ELECTRICOS Electroimán con un solo arrollamiento Electroimán con dos arrollamientos de acción en el mismo sentido Electroimán con dos arrollamientos de acción recíproca

4.- ACCIONAMIENTOS NEUMATICOS ACCIONAMIENTOS DIRECTOS Por depresión Por presión Por presión diferencial ACCIONAMIENTOS INDIRECTOS (SERVOPILOTAJE)


Según el tiempo, los accionamientos se distinguen entre: 1.- Accionamiento permanente, señal continua; en este accionamiento la válvula es accionada manualmente o por medios mecánicos, neumáticos o eléctricos durante todo el tiempo hasta que tiene lugar el reposicionamiento y este puede ser manual o mecánico por medio de un resorte. 2.- Accionamiento momentáneo, impulso; la válvula es accionada por una señal breve (impulso) y permanece indefinidamente en esa posición hasta que otra señal la coloca en su posición inicial.


CONSTRUCCION DE VALVULAS DISTRIBUIDORAS Las características de construcción de las válvulas determinan su duración, fuerza de accionamiento y tamaño. Según su construcción, se distinguen los tipos siguientes: Válvulas de asiento: Esférico, disco plano Válvulas de corredera: Embolo, émbolo y cursor, disco giratorio Válvulas de asiento En este tipo de válvulas, los conductos se abren y cierran por medio de bolas, discos, placas o conos. El sellado se asegura generalmente por juntas elásticas, los elementos de desgaste son pocos y por lo tanto estas válvulas tienen una gran duración, son robustas e insensibles a la suciedad. La fuerza de accionamiento es relativamente elevada, ya que es necesario vencer la fuerza del resorte de reposicionamiento incorporado y la presión del aire. Válvulas de asiento esférico Son de dimensiones pequeñas y de construcción simple, y por lo tanto económicas. En estas válvulas un resorte mantiene la bola contra el asiento, y el aire comprimido no puede fluir de la conexión P hacia A hasta que es accionado el pulsador separando la bola de su asiento. Es necesario vencer la resistencia del resorte de reposicionamiento y la presión del aire comprimido. Estas válvulas son distribuidoras 2/2, porque tienen dos posiciones, (abierta y cerrada) y dos conexiones activas (P y A). Se utilizan también como válvulas distribuidoras 3/2 y el accionamiento puede ser manual o mecánico.

P

A

R

P

A

FIG. 5.15 VALVULA DISTRIBUIDORA FIG. 5.16 VALVULA DISTRIBUIDORA Válvulas de asiento plano Estas válvulas tiene una junta simple que asegura el sellado necesario, el tiempo de respuesta es pequeño, ya que un desplazamiento corto permite el paso de un gran caudal. Son insensibles a la suciedad y tienen una larga duración. Al accionar el pulsador, en un corto período de tiempo se unen los tres conductos P,A y R, como consecuencia de un movimiento lento una cantidad grande de aire comprimido escapa de P hacia R, sin haber realizado el trabajo.


P

AR

FIG. 5.17 VALVULA DISTRIBUIDORA 3/2 FIG. 5.18 VALVULA DISTRIBUIDORA 3/2 ABIERTA CERRADA Las válvulas que son construidas según el principio del disco individual tiene un escape en el cual no se pierde aire cuando la conmutación se lleva a cabo de una forma lenta. Al accionar el pulsador, se cierra primeramente el conducto de escape de A hacia R, porque el pulsador asienta sobre el disco y al seguir apretando, el disco se separa de su asiento y el aire puede circular de P hacia A. El reposicionamiento se realiza mediante un resorte. Estas válvulas distribuidoras 3/2 se utilizan en mandos con cilindros de simple efecto o para el pilotaje de servoelementos. En el caso de una válvula normalmente abierta (abierta de P hacia A), al accionar el pulsador se cierra con un disco el paso de P hacia A, al seguir apretando otro disco se levanta de su asiento y el aire puede circular de A hacia R. Al soltar el pulsador los muelles de reposicionamiento devuelven el émbolo con los discos de sellado a su posición inicial. Estas válvulas pueden accionarse manualmente o por medio de elementos mecánicos, eléctricos o neumáticos.

P

A

R R

A

P

FIG. 5.19 VALVULA DISTRIBUIDORA 3/2 (CERRADA EN POSICION DE REPOSO)


FIG. 5.20 VALVULA DISTRIBUIDORA 3/2 (ABIERTA EN POSICION DE REPOSO) Una válvula 4/2 que trabaja según este principio es una combinación de dos válvulas 3/2, en la cual una de ellas es normalmente cerrada y la otra normalmente abierta. En esta válvula los conductos de P hacia B y de A hacia R están abiertos, al accionar simultáneamente los dos pulsadores se cierra el paso de P hacia B y de A hacia R y al seguir presionando los pulsadores contra los discos venciendo la fuerza de los resortes de resposicionamiento, se abre el paso de P hacia A y de B hacia R. Esta válvula regresa a su posición inicial por medio de los resortes y es empleada para mandos de cilindros de doble efecto.

FIG. 5.21 VALVULA DISTRIBUIDORA 4/2 FIG. 5.22 VALVULA DISTRIBUIDORA DE ACCIONAMIENTO NEUMATICO 3/2 Al aplicar aire comprimido al émbolo de mando a través del empalme Z, este se desplaza venciendo la fuerza del resorte de reposicionamiento y se comunican los conductos P y A. Cuando no existe presión en el conducto de mando Z, el émbolo regresa a su posición inicial por efecto del resorte montado, y el disco cierra el paso de P hacia A y el aire de escape del conducto de trabajo A puede salir por R.


P

R R

A

P

A

z

z

FIG. 5.23 VALVULA DISTRIBUIDORA 3/2 (DE ACCIONAMIENTO NEUMATICO)

La siguiente figura muestra otra válvula 3/2 que trabaja según el principio de asiento plano, el aire comprimido que entra por la conexión Z actua sobre una membrana. El émbolo que está unido a ésta cierra el paso con sus juntas y abre sucesivamente los diversos empalmes, cambiando las conexiones P y R se puede disponer esta válvula normalmente cerrada o abierta. La presión de accionamiento es de 600 KPa (6 bar) y el margen de la presión de trabajo se encuentra entre 120-800 KPa (1.2-8 bar) y el caudal nominal es de 100 l/min.

Z

P A R Z P A

R

FIG. 5.24 VALVLA DISTRIBUIDORA 3/2, SEGUN EL PRINCIPIO DE JUNTA PLANA DE DISCO La figura nos muestra una válvula distribuidora 5/2 que trabaja con el principio de las válvulas de disco flotante, en las cuales el disco se invierte alternativamente por efecto del aire comprimido y permanece en la posición correspondiente hasta que recibe un impulso inverso. Al recibir presión el émbolo de mando, como una corredera longitudinal se desplaza y en el centro de dicho émbolo se encuentra un disco con una junta que une los conductos de trabajo A o B con el conducto de presión P, o los separa de este realizándose el escape a través de R o S. Una placa de montaje universal sobre la cual se fijan las válvulas, garantiza una intercambiabilidad rápida de las diversas válvulas.


B A

Y RP SZY R PS Z

B A

FIG. 5.27 VALVULA DISTRIBUIDORA 5/2 (PRINCIPIO DE DISCO FLOTANTE)

ELECTROVALVULAS Estas válvulas se utilizan cuando la señal proviene de un temporizador eléctrico, un final de carrera eléctrico, presostato o mandos electrónicos. Se selecciona el accionamiento eléctrico para mandos con distancias largas y tiempos de conexión cortos. Las electroválvulas o válvulas electromagnéticas se clasifican en válvulas de mando directo o indirecto, las de mando directo solo son utilizadas en válvulas con émbolos de diametro pequeño, ya que para émbolos de diametro mayor las bobinas requeridas resultarian demasiado grandes.

R

AP P A

R

P R

A

FIG. 5.28 VALVULA DISTRIBUIDORA 3/2 (DE MANDO ELECTROMAGNETICO)

VALVULA DISTRIBUIDORA 3/2 SERVOPILOTADA En este tipo de válvulas de accionamiento mecánico, la fuerza de accionamiento requerida es pequeña debido a que están equipadas con válvulas de servopilotaje. Para el funcionamiento de estas, la válvula de servopilotaje está comunicada con la conexión de presión (P) por medio de un agujero pequeño, cuando se acciona el rodillo la válvula de servopilotaje se abre y el aire comprimido pasa hacia la membrana y hace descender el disco de la válvula. La inversión se realiza en dos fases, en primer lugar se cierra el conducto de A hacia R y luego se abre el conducto P hacia A. La válvula regresa a su posición original al soltar el rodillo, se cierra el paso del conducto de presión hacia la membrana donde el aire restante es purgado y el resorte hace regresar el émbolo de mando de la válvula principal a su posición inicial.


Esta válvula puede emplearse como válvula normalmente cerrada o abierta, con solo intercambiar las conexiones P y R e invertir el cabezal de accionamiento 180°

FIG. 5.29 VALVULA DISTRIBUIDORA 3/2 (CERRADA EN POSICION DE REPOSO)

FIG. 5.30 VALVULA DISTRIBUIDORA 3/2 (ABIERTA EN POSICION DE REPOSO)

En esta válvula distribuidora 4/2 servopilotada, a través de la válvula de servopilotaje reciben aire comprimido dos membranas y dos émbolos de mando unen las diversas conexiones. La fuerza de accionamiento requerida es pequeña.


P

A

R

B

P

A

R

B

FIG. 5.31 VALVULA DISTRIBUIDORA 4/2 (SERVOPILOTEADA)

VALVULA DE CORREDERA LONGITUDINAL En estas válvulas el elemento de mando es un émbolo que realiza un desplazamiento longitudinal que abre o cierra al mismo tiempo los conductos correspondientes, la fuerza de accionamiento es reducida porque no hay que vencer resistencias de presión de aire o de resortes. (como en el principio de bola o de junta de disco). Las válvulas de corredera longitudinal pueden accionarse manualmente o mediante medios mecánicos, eléctricos o neumáticos, estos tipos de accionamiento también pueden emplearse para regresar la válvula a su posición inicial.

A B

Y Z

R P

S

A B

Y Z

R

P S

FIG. 5.32 VALVULA DISTRIBUIDORA 5/2 (PRINCIPIO DE CORREDERA LONGITUDINAL)

Un problema que se presenta en este tipo de válvulas es el sellado, el ensamble metal contra metal utilizado en hidráulica exige un ajuste perfecto de la corredera en el interior del cilindro. Para reducir fugas al minimo, en naumática el juego entre la corredera y el cilindro no debe sobrepasar 0.002 a 0.004 mm, para que los costos de fabricación no sean exesivos se utilizan sobre el émbolo juntas (anillos toroidales o de doble copa, o juntas fijas en el cuerpo con objeto de evitar que los elementos de sellados se dañen.


A B

Y Z

R P

S

Y

PRS

A B

Z

PS

Z

BA

Y

FIG. 5.33 DIFERENTES METODOS DE ESTANQUEIZACION ENTRE EL EMBOLO Y EL CUERPO

Otro tipo de válvula de corredera longitudinal manual es la siguiente, al deslizar el casquillo se unen los conductos P hacia A y de A hacia R. Esta válvula de construcción simple se emplea como válvula de cierre (Válvula principal) en la alimentación de los equipos neumáticos.

R

R

PA A P

FIG. 5.34 VALVULA DE CORREDERA LONGITUDINAL MANUAL (VALVULA DISTRIBUIDORA 3/2) VALVULA DE CORREDERA Y CURSO LATERAL. En esta válvula cuando se cierre la conexión de mando Y, se forma presión del aire en esta cámara y el émbolo de mando permanece en la posición en que se encuentra hasta que se abre la conexión Z y tiene lugar un cambio en la posición del émbolo en el otro sentido. La conexión de trabajo A se une con el conducto de presión P y B con R. La construcción de un mando con estas válvulas es sencilla y económica, pero el mando no es seguro ya que en caso de rotura de una tubería la válvula se inverte automáticamente y no pueden resolverse los mandos y los requerimientos adicionales. Si las longitudes de tubería de mando (volumen) son muy variadas, en el momento de conectar la presión puede producirse una inversión automática. Y para garantizar una inversión correcta es necesario que el volumen de aire de las dos camaras sea lo más pequeño posible.


A R B

Y P

Z

A R B

Y

P Z

FIG. 5.35 VALVULA DE CORREDERA Y CURSOR LATERAL (VALVULA DISTRIBUIDORA 4/2) MANDO POR DEPRESION

VALVULAS DE BLOQUEO Son elementos neumáticos que bloquean el paso del aire comprimido en un sentido y permiten su flujo unicamente en el otro sentido, la presión del lado de salida actúa sobre el elemento de sellado y apoya el efecto de cierre hermético de la válvula, estas válvulas se dividen en: • Válvula antirretorno • Válvula selectora de circuito • Válvula antirretorno y de estrangulación • Válvula de escape rápido • Expulsor neumático • Válvula de simultaneidad VALVULA ANTIRRETORNO Estas válvulas impiden el paso del aire comprimido completamente en un sentido, y en la dirección contraria fluye con una pérdida de presión mínima, el sellado en un sentido puede obtenerse mediante un cono, una bola, un disco o una membrana que pueden ser actuadas por efecto de una fuerza que actúa sobre la parte a bloquear o por contrapresión de un muelle que cierra cuando la presión de salida es mayor o igual que la de entrada.


FIG. 5.36 VALVULA ANTIRRETORNO

VALVULA SELECTORA DE CIRCUITO También es llamada válvula antirretorno de doble mando o antirretorno doble, tiene dos entradas X e Y y una salida A. Cuando el aire comprimido entra por la conexión X la bola cierra la entrada Y y el aire circula de X hacia A. Inversamente el aire pasa de Y hacia A cuando la entrada X está cerrada. Esta válvula se denomina también “ Elemento O (OR)” aisla las señales emitidas por válvulas de señalización desde distintos lugares e impide que el aire escape por una segunda válvula de señalización. Se utiliza cuando se desea mandar un cilindro o una válvula de mando desde dos o más puntos.

X

A

Y X

A

Y

X

A

Y

FIG. 5.37 VALVULA SELECTORA DE CIRCUITO Ejemplos:


FIG. 5.38 MANDO DE UN DE SIMPLE EFECTO FIG. 5.39 MANDO DE UN CILINDRO DE DOBLE EFECTO VALVULA ANTIRRETORNO Y DE ESTRANGULACION También recibe el nombre de regulador de velocidad o regulador unidireccional, esta válvula estrangula el flujo de aire en un solo sentido, mediante una válvula antirretorno pasando solamente por la sección regulada, y en el sentido contrario, el aire circula libremente a través de la válvula antirretorno abierta. Estas válvulas son utilizadas para regular la velocidad de cilindros neumáticos, en cilindros de doble efecto pueden utilizarse válvulas con estrangulación a la entrada o estrangulación a la salida, y deben montarse lo más cerca posible de los cilindros.

FIG. 5.40 REGULADOR UNIDIRECCIONAL

En la siguiente figura de la válvula antirretorno se tiene otro principio de construcción, en donde el flujo del aire comprimido no se estrangula mediante una membrana, se realiza mediante una espiga con cabeza redondeada. Estas válvulas se montan directamente en el cilindro y pueden emplearse para limitar el caudal de escape o de entrada.


FIG.5.41 REGULADOR UNIDIRECCIONAL En la estrangulación del caudal de entrada, las válvulas antirretorno y de estrangulación se instalan de modo que restringen el aire que va al cilindro y el aire de escape puede fluir libremente por la válvula antirretorno. En este arreglo la más mínima variación de la carga produce una variación en la velocidad de avance del cilindro y es por eso que esta limitación del caudal se utiliza unicamente en cilindros de simple efecto y de volumen pequeño.

FIG. 5.42 VALVULA DE ESCAPE RAPIDO Esta válvula permite elevar la velocidad de los émbolos de cilindros ahorrando tiempo en las carreras de retorno, especialmente en cilindros de simple efecto. La válvula tiene una conexión bloqueable P, un escape bloqueable R y una salida A, cuando se aplica presión en la conexión P la junta se desliza y sella el conducto de escape R, el aire comprimido circula hacia A. Se


deja de aplicar aire comprimido a P el aire que retorna de A empuja la junta hacia el conducto P cerrando este, y puede escapar por R sin tener que recorrer conductos largos hasta la válvula de mando en un tiempo mayor. Es recomendable montar esta válvula directamente sobre el cilindro o lo más cerca posible a este.

RP

A

FIG. 5.43 VALVULA DE ESCAPE RAPIDO VALVULA DE SIMULTANEIDAD Esta válvula tiene dos entradas X e Y y una salida A, el aire comprimido puede pasar unicamente cuando hay presión en ambas entradas. Una señal X o Y interrumpe el caudal debido al desequilibrio de las fuerzas que actuán sobre el elemento movil. Cuando las señales están desplazadas cronológicamente, la última es la que llega a la salida A, y si las señales de entrada son de una presión distinta la mayor cierra la válvula y la menor se dirige principalmente en mando de enclavamientos, funciones de control y operaciones lógicos.

A

YX X

A

Y

FIG. 5.44 VALVULA DE SIMULTANEIDAD REGULADORES DE PRESION Estas válvulas tienen influencia principalmente sobre la presión del aire comprimido, o estan acondicionadas al valor que tome la presión y se distinguen 3 tipos: • Válvula de regulación de presión • Válvula de limitación de presión • Válvulas de secuencia VALVULA LIMITADORA DE PRESION


Estas válvulas se utilizan como válvulas de seguridad que impide que la presión se eleve por encima de la presión máxima admisible en un sistema. Al sobrepasarse la presión máxima admisible en la entrada de la válvula, esta abre el sistema hacia la atmosfera y el aire escapa hasta que se alcanza la presión a la cual fue ajustada y un resorte incorporado cierra la válvula. VALVULA DE SECUENCIA Su funcionamiento es similar al de la válvula limitadora de presión, abre el paso cuando se alcanza una presión superior a la ajustada mediante un resorte. El aire circula de P hacia la salida A y esta no se abre hasta que en el conducto de mando Z se tiene una presión ajustada y un émbolo de mando abre el paso de P hacia A. Estas válvulas se montan en mandos neumáticos que actuan cuando se precisa una presión fija para un fenómeno de conmutación (mandos en función de la presión), y la señal solo se transmite después de sobrepasar la presión de sujeción establecida.

R

R

A A

P

Z

FIG. 5.45 VALVULA DE SECUENCIA

Ejemplo; el vastago del cilindro 1.0 no entra hasta que en la válvula de secuencia 1.5 la presión de mando Z vence la presión del resorte ajustable.


FIG. 5.46 VALVULAS DE CAUDAL Estas válvulas influyen en la cantidad de aire comprimido que circula, y puede ser regulado en ambos sentidos del flujo.

FIG. 5.47 VALVULA DE ESTRANGULACION TEMPORIZADOR (MANDO NEUMATICO DE INVERSION RETARDADA) Estas válvulas se componen de una válvula distribuidora 3/2 de accionamiento neumático, un regulador unidireccional (Válvula antirretorno y de estrangulación) y un depósito pequeño de aire.


Z

P

R

A

P

Z

A

R

FIG. 5.48 TEMPORIZADOR (CERRADO EN POSICION DE REPOSO)

Z

P

A

P

Z

A

RR

FIG. 5.49 TEMPORIZADOR (ABIERTO EN POSICION DE REPOSO)

En esta válvula se tiene una combinación de elementos entre los cuales una válvula distribuidora 3/2 puede estar normalmente abierta o cerrada en posición de reposo. El aire de mando entra por la conexión Z y cuando se ha formado la presión de mando necesario en el depósito se pilotea la válvula 3/2, cerrando o abriendo el paso de P hacia A, el tiempo de retardo corresponde al tiempo en que tarda en formarse la presión en el acumulador. Cuando se evacua el aire de la conexion Z la válvula 3/2 adopta su posición inicial, en ambos tipos de temporizadores el tiempo de retardo normal es de 0 a 30 segundos y este tiempo puede prolongarse con un dispositivo adicional obteniéndose una temporización exacta si el aire es limpio y la presión constante.


P R

RP

A B

A

P R

AA

P R

1.31.0

1.1

Z

Y

1.4

1.3

0.1

1.2

FIG. 5.50

FIG. 5. 51

V.3 SIMBOLOGIA NEUMATICA DIN/ISO 1219 y símbolos no normalizados

TRANSFORMACION DE ENERGIA Compresor Bomba de vacio



Cilindro de doble efecto, de vastago simple Cilindro de doble efecto, de vástago doble Cilindro diferencial, de vástago simple Cilindro de doble efecto, con amortiguación regulable en los finales de carrera Cilindro telescópico de simple efecto, retorno por fuerza externa Cilindro telescópico de doble efecto Amplificador, multiplicador de presión para el mismo medio Amplificador, multiplicador de presión para aire y líquido Convertidor de presión p. ej. neumático-hidráulico


X

A

Y

P

X

A

R

A

Y

A

P

R

P

VALVULAS DE BLOQUEO Válvula antirretorno, sin muelle Válvula antirretorno, con muelle Válvula antirretorno, piloteada por aire Válvula selectora de circuito Válvula de escape rápido Válvula de simultaniedad (no está normalizada) VALVULA DE PRESION Válvula limitadora de presión, ajustable Válvula de secuencia, ajustable

Válvula de secuencia con escape (Función de 3 vías), ajustable no está normalizada Regulador de presión, sin orificio de escape, ajustable Regulador de presión, con orificio de escape,


PR

A

P

A

P R

A


VALVULA DE CIERRE Válvula de cierre, representación simplificada TRANSMISION DE ENERGIA Fuente de presión Conducto o línea de trabajo Conducto o línea de pilotaje o de mando Conducto o línea de escape Tubería flexible Cable eléctrico Unión rígida (fija) Cruce de líneas o conductos Punto de escape Escape no recuperable (sin conector) Escape recuperable (con conector)


Punto de empalme de presión, cerrado Punto de empalme de presión, con conducto de alimentación Acoplamiento rápido sin válvulas de bloqueo por por medios mecánicos, acoplado Acoplamiento rápido con válvulas de bloqueo abiertas por medios mecánicos, acoplado Acoplamiento rápido, desacoplado, conducto abierto Acoplamiento rápido, desacoplado, conducto cerrado por válvulas de bloque Derivación rotativa, de una vía Derivación rotativa, de dos vías Silenciador Depósito o acumulador neumático


Filtro Separador de agua, de accionamiento manual Separador de agua, de purga automática Filtro con separador de agua, de purga automática Secador Lubricador Unidad de mantenimiento (filtro, regulador de presión, lubricador y manómetro), presentación simplificada Refrigerador

ACCIONAMIENTOS ELEMENTOS NEUMATICOS Arbol de giro en un sentido Arbol en los dos sentidos Enclavamiento, muesca


*

ACCIONAMIENTOS MECANICOS Leva o pulsador Muelle Rodillo Rodillo escamoteable


M

Centrado por presión Centrado por muelles Presión, indirecto (servopilotaje) Depresión, indirecto (servopilotaje)


OTROS ELEMENTOS Manómetro (Medidor de presión) Manómetro de presión diferencial Termómetro, medidor de temperatura


t o

M

1

2 4

x

t o

SIMBOLOS ESPECIALES ELEMENTOS DE MANDO SIN CONTACTO (no están normalizados) Detector de proximidad o réflex Tobera en general, emisor del detector de paso o barrera neumática


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CAPITULO VI

MANDOS NEUMATICOS

MANDO Y REGULACION Hoy en día el mando tiene gran importancia en todo proceso industrial y ningún campo de la técnica puede prescindir del mando, algunas definiciones del concepto mando son las siguientes: a) Dispositivo que, sirve para gobernar grandes energías empleando otras menores. b) Conjunto de organos con los cuales es modificada automáticamente la potencia de una máquina o su

funcionamiento. c) Control sin intervención humana de la alimentación de una máquina La definición del mando según la norma DIN 19226, es mandar o controlar, es el fenómeno engendrado en el interior de un sistema durante el cual uno o varios parámetros considerados de entrada, actúan sobre otros parámetros, considerados de salida según leyes propias del sistema. Por ejemplo, si el suministro de un compresor neumático es gobernado a través del volumen de aire aspirado, entonces la apertura o el cierre de la válvula es un proceso de mando. La apertura de la válvula repercute en el volumen aspirado como organo de mando, el paso que deja libre la válvula es el parámetro de ajuste y la perilla por la cual se acciona la válvula es el dispositivo de control.

FIG. 6.1 La definición de la regulación según DIN 19226 nos dice que: regular es el fenómeno mediante el cual el parámetro de salida se toma constantemente en consideración y comparando a otro de referencia antes de ser adoptado, en función del resultado a otro valor del parámetro de entrada. La regulación tiene como finalidad adaptar el valor del parámetro a regular, a pesar de influencias parásitas o perturbadoras el valor predeterminado como parámetro de referencia. En el caso de la regulación los parámetros disponibles a la salida del dispositivo intervienen igualmente en el flujo de energía, pero en este caso el parámetro de entrada del sistema esta influenciado por la comparación con el valor de salida.

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En el siguiente ejemplo, la presión en el recipiente es mantenida en un valor ajustado, para ello es llevado el valor efectivo (presión del recipiente) a un fuelle cuya longitud es modificada en relación a la presión y está modificación longitudinal causa como magnitud de ajuste y a través del sistema de varillas y la amortiguación una modificación en la posición de la corredera y por lo tanto una adecuación del volumen del aire al valor exigido.

Tubo%de%aspiracion

Compresor(parametroperturbador%z1)

Consumidores(parametro%perturbador%z2)

Recipiente%a%presion

Tramo%de%regulacion(flujo%energetico/caudal)

Presion(valor%efectivo)Fuelle

Magnitud%de%ajuste%y

Magnitud%piloto%w

Tornillo%de%graduacion(ajuste%del%valor%exigido)

Varillaje%de%transmisionCorredera(organo%de%mando)

FIG. 6.2 SEÑALES Las señales son informaciones que se representan por el valor o variación del valor de una característica física y esta variación puede afectar a la transmisión, el tratamiento o la memorización de informaciones. SEÑAL ANALOGICA Una señal analógica es una señal de entrada en la cual están coordinadas punto por punto diferentes informaciones en un campo continuo de valores del parámetro de señales de salida. El contenido de informaciones Ip (parámetro de informaciones) de estas señales puede adoptar dentro de ciertos límites un valor cualquiera. Por ejemplo, cuando se considera una presión variable de manera continúa de 0-600 KPa (0-6 bar), puede atribuirse a cada valor intermedio del rango considerado una señal bien determinada. Cuando la presión es indicada a través de un manómetro, corresponde a cada valor intermedio una posición determinada de la aguja que indica la señal analógica.

3

2

1

0 6

5

4

FIG. 6.3 FIG. 6.4

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Otro tipo de estas señales son; la señal de temperatura en los termómetros, un indicador del número de revoluciones, el velocímetro de un automovíl, etc. SEÑAL DISCRETA Como señales discretas se entienden las señales, cuyo parámetro de infromaciones Ip solo pueden adoptar un número de valores dentro de determinados límites, los valores no tienen relación alguna entre si y a cada valor corresponde una determinada información. Por ejemplo, la cantidad de vehículos que transitan según las horas del día.

lp#=#parametro#de#informaciones

Num

ero#de

#veh

iculos

lp

FIG. 6.5 SEÑAL DIGITAL Una señal digital es una señal discreta con un número definido de valores del parámetro de señales Ip, en donde a cada uno le corresponde una información bien determinada, pero con la diferencia de que los valores son un múltiplo de un número entero de la unidad base E. Por ejemplo, un reloj digital, un contador, un aparato digital de medida, etc.,

FIG. 6.6 SEÑAL BINARIA

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Una señal binaria es una señal digital con solo dos valores de parametro de señales, y estas señales pueden ser designadas en la práctica como MARCHA-PARO, SI-NO, 1-0 Mientras que en regulación se trabaja principalmente con señales analógicas, en la técnica de mando se recurre más frecuentemente a las señales digitales con lo cual predominan aquí las señales binarias. Estas señales binarias tienen una gran importancia para el tratamiento de la información y son fáciles de representar y procesar. Para evitar ciertas interferencias debe existir entre ambos campos de valores una señal cero de 0-80 KPa (0-.8 bar), para la señal 1 de 300-800 KPa (3-8 bar). Dentro del campo superior de valores puede fluctuar el valor de la señal (presión) y pese a la fluctuación el valor de la señal sigue siendo 1, lo mismo rige para el campo inferior de valores obteniéndose una seguridad contra las perturbaciones.

FIG. 6.7 El valor de la señal debe estar situado en el campo inferior de valores o en el superior, si el valor de la señal estuviera situado en la zona de seguridad se originaría, por ejemplo, en una válvula un estado indiferente que puede conducir a conexiones erróneas. En un sistema de mando, la señal de entrada recorre una serie de elementos desde su introducción, pasando por su tratamiento, hasta la salida de la señal, como se muestra en el diagrama siguiente.

FIG. 6.8

REPRESENTACION DE MOVIMIENTOS SECUENCIALES Es importante controlar el desarrollo secuencial del movimiento de los elementos de trabajo y los estados de conmutación de los elementos de mando, con la finalidad de que cuando se presente un problema complicado

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las correlaciones puedan establecerse con rapidez y seguridad eligiendo una forma apropiada de representación y una representación sencilla facilita una comprensión en un marco más amplio. Con la ayuda del siguiente ejemplo se exponen las posibilidades más usuales de representación del movimientos de los elementos de trabajo. Ejemplo.- Los paquetes que llegan por un transportador son elevados por un cilindro neumático A y empujados sobre otro transportador mediante un segundo cilindro B, existe la condición de que el cilindro B solamente retorne cuando A se encuentre en su posición final posterior. REPRESENTACION EN FORMA VECTORIAL Es una representación simplificada del movimiento de los elementos de trabajo, y se representan de la siguiente manera: ← Salida del vástago → Entrada del vástago Para el ejemplo se tiene: A → B → A ← B ← REPRESENTACION EN ESCRITURA ABREVIADA Se representan de la siguiente manera: + Salida del vástago - Entrada del vástago Para el ejemplo se tiene A + B + A- B -

FIG. 6.8

REPRESENTACION GRAFICA EN FORMA DE DIAGRAMA Los diagramas de funcionamiento se emplean para la representación de las secuencias funcionales de mandos mecánicos, neumáticos, hidraúlicos, eléctricos y electrónicos así como para combinaciones de estos tipos de mando, por ejemplo, electroneumáticos, electrohidráulicos, etc. En la representación de las secuencias de funcionamiento se distinguen entre; diagrama de movimientos se representan los estados de los elementos de

Cilindro B

Empujar

Elevar

Cilindro A

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trabajo y las unidades operatorias, el diagrama de mando informa sobre el estado de los distintos organos de mando, y ambos diagramas juntos se les llama diagrama de funcionamiento o driagrama de estados. DIAGRAMA DE MOVIMIENTOS, DIAGRAMA ESPACIO-FASE Este diagrama representa el ciclo de un elemento de trabajo, quedando en función de las fases respectivas (fase: cambio del estado de cualquier unidad operatoria) anotando el espacio recorrido, cuando en un mando existen varios elementos de trabajo, estos quedan representados de la misma manera y dibujados una bajo el otro, la relación queda establecida por las fases. Por ejemplo para un cilindro A, resulta el diagrama espacio-fase mostrado en la siguiente figura.

FIG. 6.9

De la fase 1 a la fase 2 avanza el cilidro desde la posición inicial (vástago adentro) hasta la posición final (vástago afuera) alcanzada ésta en la fase 2, y a partir de la fase 4 vuelve a retroceder el cilindro alcanzando en la fase 5 su posición inicial. El diagrama espacio fase para el ejemplo representado en la figura 6.8 tiene la siguiente estructura

FIG. 6.10

Recomendaciones para el trazado del diagrama a) Las fases deberán quedar representadas horizontalmente y con distancias iguales. b) El espacio no se representa a escala, sino en magnitud idéntica para todas las unidades operatorias c) Cuando se tienen varias unidades no es conveniente elegir demasiado pequeña la distancia vertical entre

los recorridos

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d) Cuando durante el movimineto se modifica el estado, por ejemplo, por el accionamiento de un detector en la posición intermedia del cilindro o por modificación de la velocidad de avance, pueden quedar introducidos fases intermedios.

e) La numeración de las fases es a voluntad f) La designación del estado también es libre, puede tener lugar como en el ejemplo por indicación de la

posición del cilindro (inicial-final, detrás-adelante, etc.,) o también por números (por ejemplo, 0 para la posición vástago adentro y 1 para la posición vástago afuera).

g) La designación de la unidad respectiva se apuntará a la izquierda en el diagrama, por ejemplo, cilindro A. DIAGRAMA ESPACIO-TIEMPO El espacio de una unidad operatoria está representado en función del tiempo, y contrario al diagrama espacio-fase se utiliza aquí el tiempo t a escala representando la unión entre las distintas unidades.

FIG. 6.11 Para la representación gráfica de este diagrama rige aproximadamente lo mismo que para el diagrama espacio-fase. La relación con el diagrama espacio-fase queda de manifiesto por las líneas de unión (líneas de intersección), cuya distancia corresponde al tiempo necesario y a la escala elegida de tiempo. Mientras que el diagrama espacio-fase ofrece una orientación más fácil, pueden representarse en el diagrama de espacio-tiempo con más claridad las interferencias y las diferentes velocidades de trabajo, se debe tomar en cuenta lo siguiente: a) Los diagramas espacio-fase es conveniente emplearlos preferentemente para el diseño y la representación

de mandos por programa de movimientos (mandos de desarrollo secuencial controlados por el proceso), puesto que aquí juega el tiempo un papel secundario.

b) Los diagramas espacio-tiempo es conveniente emplearlos preferentemente para el diseño y la representación de mandos programados (mandos de desarrollo secuencial en función del tiempo), puesto que en este diagrama esta claramente representada la dependencia temporal de las secuencias del programa.

c) Si se han de hacer diagramas para elementos rotativos de trabajo, (motores eléctricos, motores neumáticos, etc.,) se emplearan las mismas formas básicas. Sin embargo, no se tendrá en cuenta el desarrollo cronológico de las modificaciones de estado.

DIAGRAMA DE MANDO En diagrama de mando queda representado el estado de conmutación de un elemento de control en función de la fase o tiempo, no considerandose el tiempo de conmutación, por ejemplo el estado de la válvula a, de la figura siguiente:

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Abierto

CerradoValvula/a1

Estado Fase

1 a12 3 4 5 6

FIG. 6.12 Se debe de tomar en cuenta lo siguiente: El diagrama de mando se trazará en lo posible en combinación con el diagrama de movimientos. Las fases o los tiempos se aplicarán horizontalmente La distancia vertical de las líneas de movimientos es a voluntad, y se debe mantener clara y legible En la siguiente figura se representa el diagrama funcional (diagrama de movimientos y mando) del ejemplo del transportador (Fig. 6.13 ). El diagrama de mando muestra los estados de los elementos de mando (1-1 para A y 2.1 para B) y el estado del final de carrera 2.2, que esta colocado en la posición final delantera del cilindro a.

1

A

B

1.1

2.1

2.2

12 3 4 5)=)1

01

0

FIG. 6.13

Como ya se mencionó en el diagrama de mando no se toman en cuenta los tiempos de conmutación de los elementos. Sin embargo, es conveniente trazar las líneas de accionamiento para finales de carrera, adelante u otras respectivamente de la línea de pasos como lo muestra la figura anterior en el final de carrera 2.2 indicando que la señal ya existe plenamente en la fase respectiva, o sea sobre las líneas. SIMBOLOS Y NORMAS DE REPRESENTACION De acuerdo a las normas DIN 55003 los símbolos y definiciones utilizados más comunmente se muestran a continuación, estos símbolos pueden emplearse tanto en esquemas y diagramas como en las placas de identificación en máquinas-herramientas. MOVIMIENTOS Movimiento rectilíneo en sentido de la flecha. Movimiento rectilíneo de dos sentidos. Movimiento rectilíneo en sentido de la flecha, limitado. Movimiento rectilíneo en sentido de la flecha, limitado de ida y vuelta.

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Símbolos para elementos, líneales y combinaciones de señales según VDI 3260, para su representación en el diagrama espacio-fase MARCHA PARO MARCHA/PARO MARCHA AUTOMATICA

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Código de colores de pulsadores y pilotos (según DIM 43605) En general: Color rojo: Estado de conexión, circulación o funcionamiento. Color verde: Estado de desconexión, paro Determinación:

Color Pulsadores Indicadores ROJO PARO

PARO EMERGENCIA

Estado de conexión (conectado)

AMARILLO

PUESTA EN MARCHA DEL PRIMER CICLO

Avería

NEGRO

PUESTA EN MARCHA

VERDE

ARRANQUE Estado de desconexión (a punto para arranque)

AZUL

Acuse de recibo

PLANTEAMIENTO DE UN PROBLEMA DE MANDO

Símbolos gráficos funcionales Sistemas hidráulicos Sistemas neumáticos Sistemas mecánicos Sistemas eléctricos

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Un plan de estudio del problema es recomendable en la práctica, los diferentes puntos del problema deben ser definidos claramente y los factores importantes correctamente determinados. Datos del problema, desde el principio se ha de tener claro la determinación del problema y los objetivos del mismo, así como también una exacta relación de las condiciones respecto a simplicidad de manejo, seguridad de la instalación, fiabilidad, etc. Con el fin de lograr una forma de expresión uniforme, es necesario conocer las siguientes definiciones: Condiciones preliminares Para el desarrollo funcional:

a) Condiciones de arranque b) Condiciones de regulación c) Condiciones de seguridad

Para la utilización

a) Influencias, ambientales, lugar de emplazamiento b) Alimentación c) Personal

Condiciones preliminares para el desarrollo funcional Condiciones de arranque y regulación Funcionamiento AUTOMATICO: AUT Ciclo único una sola secuencia de trabajo Ciclo continúo marcha continúa Mando por actuación sucesiva en un circuito Mando paso a paso de las fases de trabajo en el orden establecido Funcionamiento MANUAL: MAN Regular Cada elemento de trabajo puede ser gobernado individualmente en cualquier orden. Posicionar Al accionar el pulsador POSICIONAR se coloca la instalación en una posición definida. Condiciones de seguridad PARO DE EMERGENCIA Todos los elementos de trabajo pasan a la posición “PARO DE EMERGENCIA” previamente definida. DESBLOQUEO DE PARO DE EMERGENCIA La instalación queda nuevamente disponible para continuar el servicio.

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Energía y elementos de trabajo. Aquí se debe determinar el tipo de energía a utilizar, siendo posible en la técnica de mando utilizar diferentes tipos de energía (eléctrica, hidráulica, neumática). Una vez determinada la energía se pueden seleccionar y dimensionar los elementos de trabajo. Croquis de situación, es recomendable en todos los casos realizar un croquis de situación de los elementos partiendo del planteamiento del problema, esto ayudará a entender mejor la acción de los elementos de trabajo y el funcionamiento del mando. Determinación del desarrollo secuencial de las fases, en este paso es preciso definir el desarrollo del ciclo mediante el diagrama de movimientos presentado anteriormente. Elección del mando, se selecciona de acuerdo a las características y requerimientos del proceso como se explicaron con anterioridad. Elección de la energía de mando, en este aspecto se deben de tomar en cuenta las condiciones de trabajo (condiciones ambientales, personal capacitado para el mantenimiento, seguridad, fiabilidad, etc.,) Esquema de montaje, una vez definidos todos los puntos anteriores, se empieza con la realización del esquema. CIRCUITOS NEUMÁTICOS BÁSICOS Mando de un cilindro de acción simple.

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El vástago del cilindro de acción simple debe avanzar al ser accionado el botón, y debe retroceder hasta su posición inicial al momento de liberarlo.

Para realizar este mando es necesario una válvula 3/2 vias normalmente cerrada con botón pulsador. Al accionar la válvula, el aire pasa del punto P hacia A y la salida A queda bloqueada; el vástago del cilindro avanza hasta llegar a su posición final, al liberar el pulsador el punto P queda bloqueado y por efecto del resorte el aire pasa del punto A al punto R, retornando el vástago a su posición inicial. Mando de un cilindro de doble acción. El vástago de un cilindro de doble acción debe avanzar o retornar conforme al accionamiento de la válvula. El mando de este cilindro puede ser ejecutado por una válvula de 5/2 vias o 4/2 vias, inicialmente el paso

del aire de P hacia B y el retorno de A hacia R en la válvula de 4/2 vias mantienen el vástago del cilindro dentro. Al accionar el botón de la válvula pasa el aire de P hacia A y el retorno de B hacia R permitiendo que el vástago del cilindro avance, al soltar el botón la válvula regresa a su posición inicial por efecto del resorte invirtiendo el paso del aire, haciendo que el vástago retorne a su posición inicial. Cuando es utilizada una válvula 5/2 vias el escape de aire se hace por R o S. Mando indirecto de un cilindro de simple acción. El vástago de un cilindro de acción simple de gran tamaño ( diámetro y carrera grande) debe avanzar después del accionamiento de una válvula y retornar inmediatamente después de ser liberada.

1.0

1.1 A

P

R

P

R

1.1 A

1.0

B 1.1 B

P

S

A

1.0

R

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Al accionarse la válvula 1.2, el aire pasa de P hacia A y la válvula 1.1 recibe la señal en Z, cambiando de

posición y permitiendo el paso del aire de P hacia A avanzando el vástago del cilindro, cuando se libera el botón las válvulas 1.2 y 1.1 retornan a su posición inicial por efecto del resorte, haciendo que el vástago del cilindro retroceda a su posición inicial. Mando indirecto de un cilindro de doble acción. Se debe controlar un cilindro de doble acción a distancia o de grandes dimensiones, inicialmente el aire pasa de P hacia B en la válvula, el vástago del cilindro permanece dentro, al accionar el botón el aire comprimido pilotea la válvula cambiándola de posición y haciendo que el vástago del cilindro avance, al liberar el botón el resorte hace que las válvulas regresen a su posición inicial y el vástago retrocede por la acción del aire que sale por B. Esta operación también puede ser ejecutada por una válvula 5/2 vias. Mando posicionador de un cilindro. El mando de un cilindro de simple acción es hecho por medio de una válvula direccional de 3/3 vias, con su posición central cerrada. El cilindro de simple acción podrá tener su avance o retorno interrumpido en la posición central bloqueada sin paso o escape de aire.

1.0

PR

1.1 A

PR

1.2 A

Z

PR

1.2 A

PR

1.1 A

1.0

BZ

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El mando de un cilindro de doble acción es hecho por medio de una válvula direccional de 4/3 vias, con la posición central cerrada . El cilindro de doble acción podrá tener su avance o retorno interrumpido en la posición central bloqueada, y el vástago permanece bajo presión del aire en los dos sentidos. Si el mando se realiza con una válvula 4/3 vias con la posición central abierta, el aire de ambos lados del cilindro escapa a través de R quedando el vástago en una cierta posición, y puede ser movido por una fuerza externa. Raramente se utiliza la válvula de 3 posiciones en la practica, debido a que la precisión de posicionamiento no es buena. Contrariamente en hidráulica, donde la mayoría de los mandos son con válvulas de 3 posiciones. EJERCICIOS. Mando por impulso a través de dos botones. Al accionar un botón, el cilindro avanza permaneciendo en esa posición y el retorno ocurre hasta que otro botón es accionado.

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Mando dependiente del recorrido. Al ser presionado un botón de partida el cilindro deberá avanzar, y al llegar al final de su carrera el cilindro deberá retornar automáticamente.

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Mando de movimiento oscilante. Al ser accionado un botón de inicio, el cilindro inicia un movimiento de avance y retroceso automáticamente. Al liberar el botón el cilindro para.

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Mando directo con válvula tipo "O" El vástago de un cilindro de acción simple debe avanzar a partir de dos puntos distintos. Al ser accionada la válvula 1.6 el aire comprimido circula de P hacia A, y la válvula alternadora tipo "O" de Z hacia A y entra a la cámara del cilindro haciéndolo avanzar, lo mismo ocurre cuando se acciona la válvula 1.4. En la ausencia de la válvula tipo "O", al accionar cualquiera de las válvulas el aire saldría por el escape de la otra no accionada.

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Mando indirecto con válvula tipo "O". El vástago de un cilindro de doble acción debe avanzar a partir de dos puntos distintos, El funcionamiento es igual al esquema anterior, teniendo la ventaja de que las válvulas de mando son de dimensiones más pequeñas. Mando con válvula de simultaneidad tipo "Y". El vástago de un cilindro de doble acción deberá avanzar solamente cuando sean accionadas dos válvulas 3/2 vias simultáneamente. Solución A: Al accionarse las válvulas 1.2 y 1.4 son enviadas señales en X e Y y el aire comprimido entra a la cámara del cilindro haciéndolo avanzar. solución B: Deberán ser accionadas las válvulas 1.2 y 1.4 para que el vástago del cilindro de acción simple avance (conexión en serie).

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Solución C: Al accionarse la válvula 1.2, la válvula 1.1 se abre, pero no hay alimentación de aire en el punto P hasta que se accione la válvula 1.4, el cilindro avanza y retrocede al momento de liberar cualquiera de las válvulas. Regulación de la velocidad en un cilindro de simple acción. La velocidad de un cilindro de simple acción solo puede ser regulada a través de la entrada de aire en la cámara del cilindro, para regular el avance y retroceso de forma individual es necesario colocar dos reguladoras de flujo unidireccional en sentido contrario. Regulación de la velocidad de un cilindro de doble acción. La velocidad del embolo de un cilindro de doble acción debe ser regulada separadamente para las carreras de avance y retroceso. Solución a: Estrangulamiento del aire de escape, regular separadamente para el avance o retorno. Se produce un movimiento de impulso en el avance hasta que las fuerzas se equilibran; proporciona una mejor posibilidad de

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regulación (independientemente de la carga). Si fuera utilizada una válvula 5/2 vias pueden utilizarse reguladores de flujo simples en los escapes. Solución b: Estrangulamiento del aire en la entrada, ajuste separado para el avance y retorno. El movimiento es más suave pero no hay precisión en la regulación, no debe ser utilizado cuando se necesita empujar cargas con cilindros de pequeño volumen. Aumento de la velocidad en cilindros de doble acción. La velocidad de avance puede ser aumentada mediante la utilización de una válvula de escape rápido, al accionarse la válvula 1.1 el aire de la cámara sale rápidamente hacia la atmósfera por medio de la válvula de escape rápido, y no tendrá que recorrer el conducto hasta el escape R de la válvula. Mando con movimiento lento y rápido. El cilindro de doble acción debe realizar el movimiento de avance lento y el retorno con movimiento rápido.

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Mando dependiente de la presión. Al ser presionado un botón de inicio, el cilindro de doble acción debe avanzar, y el retorno solamente ocurrirá cuando la presión en la cámara trasera del cilindro tenga un valor mínimo ajustado. Si se acciona el botón 1.2 el cilindro avanza, una derivación de la cámara trasera del cilindro pilotea una válvula de secuencia 1.3 que abrirá solamente cuando un valor de presión ajustado en el resorte sea alcanzado. La válvula de secuencia 1.3 se acciona haciendo que el cilindro retorne a su posición. Mando dependiente del tiempo. Un cilindro deberá avanzar al ser accionado un botón de inicio, y quedará avanzado durante un cierto tiempo ajustado, y retornará automáticamente. Realizar el mismo ejercicio anterior pero sin la utilización de un fin de curso.

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Mando de corte de señal. Al ser accionado un botón de inicio el cilindro deberá avanzar, cuando llega al final de su carrera deberá retornar automáticamente aunque el botón aun permanezca accionado. Al accionar el botón 1.2 el aire pasa por 1.4 que es normalmente abierta y envía una señal para 1.1 haciendo que el cilindro avance, el aire también pasa por la válvula reguladora de flujo 1.6 que después de un pequeño intervalo de tiempo cierra la válvula 1.4, y de esta forma permite que una señal proveniente de 1.3 pueda invertir la válvula 1.1 haciendo que el cilindro retorne aun con el botón 1.2 accionado. Mando de movimiento alternado. Al ser dada una señal de partida (botón) el cilindro debe avanzar, y para el movimiento de retroceso se debe accionar el mismo botón. Comando bi-manual. El cilindro deberá avanzar solamente cuando 2 botones sean accionados simultáneamente ( en un intervalo máximo de 5 segundos). Al accionar solamente la válvula 1.2 o 1.4 el aire pasa por las válvulas 1.6, 1.10, 1.12 cerrando la válvula 1.4, y no permite que la válvula 1.1 sea piloteada. Cuando se accionan 1.2 y 1.4 simultáneamente, el aire que sale de A por 1.4 pilotea a 1.1 y también a 1.10 para evitar que 1.14 se cierre. Al liberar cualquiera de los dos botones el cilindro retorna.

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CAPITULO VII

METODO DE REALIZACION DE ESQUEMAS VII.I .- REALIZACION DE ESQUEMAS NEUMATICOS Al elaborar un esquema neumático se debe tener en cuenta, que para cumplir con su cometido, debe ser claro, completo y de facil inerpretación, esto nos lleva a diferentes formas de relización de esquemas, nos enfocaremos a dos tipos de esquemas, los que se realizan en función a la posición real y los que se realizan bajo el principio de mando, tambien lllamado posición indicada. POSICION REAL Este tipo de realización de esquemas neumaticos se realizan normalmente en circuitos sencillos, en estos esquemas se pueden dibujar los elementos en la posición real que ocuparan en el circuito neumático, facilitando la comprensión del circuito al poder visualizar de una forma clara y rápida, cual de los elementos da la señal y cual de los elementos recibe la señal, el inconveniente de este tipo de representación esquematica, son los demasiados cruces que se realizan cuando los diagramas van aumentando en el número de actuadores.

1.0$

1.2$

1.3$

1.1$

0.1$

FIG. 7.1 POSICION INDICADA O CADENA DE MANDO

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Este tipo de esquematización es muy utilizada cuando los circuitos neumaticos se incrementa el número de actuadores o en el esquema va a tener demaciados cruces de líneas de energía y se complica la lectura del mismo, y la posición real de los elementos pierden claridad y aumenta las posibilidades de errores en la interpretación. Este tipo de esquematización, se realiza utilizando el principio de mando, por lo tanto, cada elemento neumatico toma su posición de acuerdo con la cadena de mando, recomendando además, representar todos los cilindros y válvulas en posición horizontal, de ahí toma el nombre de posición indicada. 1.0$

1.2$ 1.3$

1.1$

0.1$

2.0$

2.1$

2.2$ 2.3$

1.3$2.3$ 2.2$

FIG. 7.2 Los circuitos deben dibujarse en posición de partida, pero si en un circuito un elemento esta accionado, se dibujara accionado, al trazar el esquema se debe tomar en cuenta que no existe alimentación al circuito, por lo tanto no habrá ningun elemento bajo presión ni salida. VII.2 IDENTIFICACION DE LOS COMPONENTES NEUMATICOS

En el manual se presentan esquemas neumaticos, en los cuales se ha identificado a cada elemento con una cifra, más sin embargo no es la unica forma de identificar los componentes de un circuito neumático, existen dos tipos de identificación de componenetes neumaticos: a).- Identificación por cifras. b).- identificación por letras. IDENTIFICACION POR CIFRAS Este tipo de identificación de elementos nos permite referirnos a cada elemento en concreto, este sistema esta orientado a reconocer que tipo de señal esta emitiendo cada elemento, cuando se trata de diagramas muy complejos se dificulta identificar que tipo de señal emite cada elemento, por lo que en algunos casos un elemento debe emitir una señal a diferentes grupos. Para dar la cifra de identificación se debe seguir los siguientes criterios:

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• Cada actuador forma un grupo, con el conjuto de válvulas que lo gobiernan. • A cada grupo se le asigna un número ( 1.,2.,3.,etc.) • Este número es común para todos los elementos del grupo (1.1, 1.3,1.2,1.0.1,1.0, etc.) • Al actuador se le da el valor de un cero despues del punto (1.0,2.0,3.0,etc.) • Al distribuidor o organo de mando se le asigna un uno despues del punto (1.1,2.1,3.1,etc.) • Si al organo de mando es piloteado, al elemento que gobierna el avance del actuador se le aigna depues del punto un dos, y al que gobierna el retroceso un número tres. • A los demás elementos que actuán el pilotaje de avamce, se les asigna despues del punto números pares, a los que actuán el retroceso números impares. • A los elementos de regulación de presión o velocidad para el avance se les asigna despues del punto un cero y un número par, a los que regulan el retroceso despues del punto un cero y un número inpar.

1.0

1.2 1.4

1.1

0.1

1.3

Elemento.de.trabajo

Elemento.adicional

Organo.de.potencia

Organo.de.control

Organos.de.mando

Unidad.de.mantenimiento

1.3

1.6

Pilotajes.que.mandala.salidad.del.vastago

Pilotaje.que.manda.el.retroceso.delvastago

FIG. 7.3

IDENTIFICACION POR LETRAS Este método es muy utilizado, en esquemas donde sus mandos están programados en función al desplazamiento y en diagramas muy grandes donde la identificación por cifras sería muy confusa.

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A,B,C,... Elementos de trabajo. a0,b0,c0,... Captadores de información que están colocados en la posición de inicio de la carrera del vástago cuando esta contraído. a1,b1,c1,... Captadores de información que están colocados en la posición de final de carrera del vástago. Este tipo de identificación consiste en identificar de inmediato que organo o válvula esta accionado, con solo la posición del actuador, además debe ponerse en claro que pueden combinares los dos tipos de identificación de componentes en los circuitos neumáticos.

VII.3 METODOS DE REALIZACION DE ESQUEMAS Cuando nos encontramos ante un sistema que se desea automatizar o se planee implantar un nuevo automatismo, debemos tener en claro: • Debemos especificar que es lo que vamos a realizar (planteamiento del problema). Agregando que

tenemos que tener todas las características necesarias para atacar el problema, como: Forma del material, tipo del material, fuerza que se necesita para manejarlo, cantidad de piezas a trabajar, etc.

• Fijar las condiciones de intersecuencia. a) Tipo de arranque (pedal, botón, electroválvula, etc.) b) Fijar las condiciones de seguridad. c) Condiciones de emergencia, como: * Que todos los cilindros que se encuentren vuelva en caso de paro a su posición de partida * Que los actuadores que se encuentren activos queden sin presión en caso de paro. * Que los actuadores que se encuentren activos deben volver a su posición de partida. * Que los cilindros que se encuentran en movimiento en caso de paro, vuelvan a la posición extrema donde partieron. e) Especificar las condiciones de regulación, cual de los cilindros van a trabajar bajas velocidades, cuales sistemas van a trabajar a la misma presión. • Dimensionamiento de los elementos (medidas de los diámetros de los cilindros, carrera, la forma de

sujeción, si lleva amortiguación, etc.) • Dibujo de situación (dibujo de detalle). • Establecer la secuencia de movimiento de control.

A+A-B+B- Se puede identificar dos métodos para la realización de esquemas neumaticos: 1. El método intuitivo, llamado tambien método convencional o de tanteo práctico. 2. Métodos sistemáticos, basados en recomendaciones establesidas, (método de cascada, método

paso a paso, etc.)

METODO INTUITIVO

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El método intuitivo, tambien llamado método convencional o de tanteo práctico, es aquel en el cual, la realización de esquemas, esta basada en la intuición y la experiencia, aunque este método tambien se prodría decir que tiene un cierto sistema para realizarlo, que depende de la persona que lo está realizando, este método, requiere intuición, experiencia y suficiente tiempo cuando se trata de circuitos complicados. Podriamos resumir este método, con la siguiente secuencia de pasos, para la realización de esquemas neumaticos: • En este método se utiliza mando directo. • Dibujar los cilindros que sean necesarios. • Dibujar un organo de mando (la adecuada para cada caso), para cada cilindro, que se colocará debajo del mismo. • Dibujar el mando de puesta en marcha, que será gobernado por el operador. • Dibujar en el fin de carrera una válvula que piloteará el proximo movimiento. 1.- Ejemplo: PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA: Se tienen dos transportadores, los cuales tienen un desnivel el uno del otro y se desea elevar los paquetes de un transportador a otro, la elevación de los paquetes se lograra mediante un actuador, el cual lo subira hasta el otro transportador, el paquete será empujado por otro actuador al otro transportador. CROQUIS DE SITUACION:

PASO 1.- • Dibujar los cilindros que sean necesarios, en este caso son necesarios dos actuadores. • Dibujar los organos de mando, (el aduado para cada caso), debajo de cada cilindro.

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PASO 2.- • Dibujar la fuente de energia. • Dibujar las líneas de energia, que uniran los organos mandos con los organos de trabajo. • Dibujar el mando de puesta en marcha, que será gobernado por el operador. • Dibujar en cada fin de carrera de los cilindros una válvula que piloteará el proximo mivimiento.

1.0

1.2 1.3

1.1

0.1

2.0

2.1

2.2

1.32.3 2.2

Z YB A

R SP

ZB A

Y

SP

R

RP

A

P R

A

P R

A

P

A2.3

R

PASO 3.- • Determinar la clase o clases de acccionamientos emisores de señales.

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1.0

1.2 1.3

1.1

0.1

2.0

2.1

2.2

1.32.3 2.2

Z YB A

R SP

ZB A

Y

SP

R

RP

A

P R

A

P R

A

P

A2.3

R

PASO 4.- • En este caso se ha agregado un bloqueador de señal que se coloca al inicio de la carrera del cilindro

2.0, el cual bloquerá las señales emitidas por el elemento 1.2, si el cilindro 2.0 no se encuentra en su posición inicial.

1.0

1.2 1.3

1.1

0.1

2.0

2.1

2.2

1.32.3 2.2

Z YB A

R SP

ZB A

Y

SP

R

RP

A

P R

A

P R

A

P

A2.3

R

1.4

RP

A

1.4

2.- Ejemplo: PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA: En un taladro se tráta de automatizar lo siguiente, el trabajo consiste en sujetar la pieza y despues taladrarla, la colocación y la sustracción de las piezas se realizara manualmente, el taladrado no será muy profundo, por lo que se requiere que las mordazas y el levantamiento de la broca será al mismo tiempo.

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CROQUIS DE SITUACION:

3.- Ejemplo: PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA: Se trata de un prototipo de una prensa neumática para compactar basura doméstica, que se instalará en el sotano de un restaurante, el compactador será alimentado por medio de una tubería. Si se oprime el botón de puesta en marcha, avanza el primer cilindro, moviendo la basura al depósito, el cilindro dos se activa, el retroceso de los dos cilindros se hara al mismo tiempo. PLANO DE SITUACION

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4.-Ejemplo: PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA: Se trata de un dispositivo de doblado, a cual se le alimenta manualmente, al cual se trata de automatizar, por medio de dos cilindros, como se muestra en la figura. CROQUIS DE SITUACION:

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