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UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS. PARADA CAMILO, CENTENO JOHAN.

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CONCEPTOS DE SISTEMAS NEUMATICOS

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Resumen - Se busca explicar Qué son Sistemas Neumáticos, Unidades que manejan los sistemas, Circuitos Neumáticos, unidades de potencia en los sistemas neumáticos, dispositivos que los componen, Propiedades de los gases neumáticos, Leyes básicas de la neumática, dar un par de ejemplos para precisar los conceptos. Índice de Términos - neumática, aire comprimido, válvulas, compresor, canales neumáticos.

Abstract - It seeks to explain what Pneumatic Systems, units that manage the systems, circuits tires, power units in pneumatic systems, devices that make them up, properties of tires gases, basic laws of pneumatics, give a couple of examples to clarify the concepts. Index Terms - pneumatics, compressed air valves, compressor, pneumatic channels.

la industria es indispensable que los ingenieros se familiaricen con los componentes y usos, de la misma forma e igual que los sistemas hidráulicos.

Fig.1 Diagrama de bloques de un circuito neumático básico

II. I.

OBJETIVO

INTRODUCCIÓN

Los sistemas neumáticos o tecnología neumática es aquella que emplea los fluidos (más común mente el aire, aunque pueden ser otros gases también), comprimidos como modo de transmisión de señales y de potencia; siendo esta la energía necesaria para mover y hacer funcionar mecanismos, análisis en la fig. 1. El aire es un material elástico y por tanto, al aplicarle una fuerza, se comprime, mantiene esta compresión y devolverá la energía acumulada cuando se le permita expandirse, según la ley de los gases ideales. Debido a la abundancia de sistemas neumáticos en El presente trabajo escrito

“Conceptos De Sistemas Neumáticos" es presentado por medio magnético al Docente encargado de la asignatura y en una presentación-exposición por el grupo 13 para el curso de “Análisis de Sistemas Dinámicos – Gr. 43", el día jueves 8 de Octubre de 2015 (De ser posible su presentación, de lo contrario quedaría para el día Jueves 15 de Octubre de 2015). C.O Parada, estudiante del proyecto curricular de Ingeniería Eléctrica, Universidad Distrital Francisco José de Caldas (e-mail: [email protected]), J.F Centeno, estudiante del proyecto curricular de Ingeniería Eléctrica, Universidad Distrital Francisco José de Caldas (e-mail: [email protected]).

Conceptualizar y dar ejemplos claros y básicos de que son los sistemas neumáticos, como funcionan y para qué sirven. De igual manera buscamos de forma específica dar a conocer estos conceptos y conocimientos tomados y adaptados para aprender acerca de estos sistemas poco conocidos. III.

SISTEMAS NEUMATICOS

Los sistemas neumáticos son sistemas que utilizan el aire u otro gas como medio para la transmisión de señales y/o potencia. Las fuerzas neumáticas realizan diferentes funciones (empujan, halan, atrapan), por ejemplo como en los polipastos neumáticos, las herramientas neumáticas, los dedos neumáticos, dispositivos similares. Dentro del campo de la neumática la tecnología se ocupa, sobre todo, de la aplicación del aire comprimido en la automatización industrial (ensamblado, empaquetado, etc.). En estos sistemas, el

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movimiento del émbolo de los cilindros de los actuadores es más rápido que en los mecanismos hidráulicos. (Por ejemplo, el taladro y el martillo neumático, responden muy bien a las exigencias requeridas en estos casos). Se pueden visualizar en las figuras 2 (a, b, c). [1]

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III.I CIRCUITOS NEUMATICOS Los circuitos neumáticos son instalaciones que se emplean para generar, transmitir y transformar fuerzas y movimientos por medio del aire comprimido. Un circuito neumático está formado por los siguientes elementos:

Fig. 2a Diagrama de bloques de un circuito para brazo neumático

Fig. 2b Sistema Neumático, de una retroexcavadora con brazos neumáticos y cilindros.

 Compresor: Es el generador de aire comprimido, dispositivo que comprime el aire de la atmósfera hasta que alcanza la presión necesaria para que funcione la instalación.  Depósito: Acumula el aire que obtiene el compresor a grandes presiones y lo enfría, adecuándolo para ser liberado y dirigido por los conductos de presión.  Actuadores: como los cilindros y los motores, que son los encargados de convertir los tubos en émbolos y moverlos para accionar el circuito.  Válvulas: Son los elementos de control y distribución. Las válvulas abren o cierran el paso del aire.  Filtro: Acondiciona el aire antes de introducirlo al circuitos neumático [2] Un circuito neumático básico puede representarse mediante un diagrama funcional ver fig. 3 y 4.

Fig. 3 Diagrama de bloques de un circuito neumático básico

Fig. 2c Sistema Neumático, de una perforadora con brazos neumáticos y cilindros. Fig. 4 Funcionamiento de un circuito neumático básico

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III.II UNIDADES MANEJADAS EN LOS SISTEMAS NEUMATICOS Las unidades físicas que se manejan normalmente en los sistemas neumáticos son las medidas de presión. La unidad ISO de presión es el Pascal (Pa): 1 Pa=1

N m2

III.III SIMBOLOGIA NEUMATICA La simbología básica de la neumática está dada así: [3]

(Newton por metro cuadrado)

Se trata de una unidad muy pequeña, por lo que existe un acuerdo para utilizar el bar como unidad de 100 000 Pa y el así evitar trabajar con números demasiados grandes. De esta forma se vuelve más práctica en cálculos industriales. (Ver tabla 1) 100 000 Pa=100 KPa=1¿¯

En la neumática, la presión es considerada como una presión relativa, es decir, por encima de la presión atmosférica. A continuación veremos unas conversiones de unidades métricas:

Tabla 1 Se presentan los principales conversiones en las unidades métricas.

Tabla 2 Se representan los principales símbolos neumáticos empleados.

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 Sistema de producción y distribución de aire  Sistema de consumo de aire o utilización

Fig. 5. Componentes de un sistema neumático

IV.I SISTEMA DE PRODUCCIÓN Y DISTRIBUCION DE AIRE El sistema de producción y distribución de aire está compuesto principalmente por la compresora de aire que a su vez está compuesta por 6 componentes: Tabla 3 se representan los principales símbolos neumáticos empleados.

IV.

DISPOSITIVOS QUE COMPONEN A UN SISTEMA NEUMÁTICO

Un sistema neumático se compone de dos secciones principales: (ver figura 5)

IV.I.I Unidad compresora Es un elemento que aspira aire a presión atmosférica y lo comprime mecánicamente, donde se pueden encontrar muchos tipos de unidades compresoras, divididos principalmente en dos categorías:

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1. Alternantes: 1.1 De embolo 1.2 De diafragma

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que desarrolla el principio de aspiración y compresión. (Ver figura 7) [4]

2. Rotatorios: 2.1 De paleta 2.2 De tornillo 1.1 Compresores alternantes de embolo Es la unidad compresora más sencilla (figura 6) este compresor aspira el aire a presión atmosférica y lo comprime a la presión deseada en una sola compresión.

Fig. 6 compresor de embolo de una etapa

Fig. 7 Compresor de diafragma

2.1 Compresores rotatorios de paleta Estos compresores contienen un rotor excéntrico que gira en el interior de un carácter cilíndrico provisto de ranuras de entrada y salidas (figura 8). Las ventajas de este compresor residen en sus dimensiones reducidas, su funcionamiento silencioso y su caudal prácticamente uniforme y sin sacudidas. 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 Carter. [4]

Cuando el embolo se mueve hacia abajo crea una presión más baja que la de la atmosfera forzando la entrada del aire en el cilindro a través de la válvula admisión. Cuando el embolo se mueve hacia arriba, la válvula de admisión de cierra y el aire se comprime haciendo que la válvula de escape se abra y permita el paso del aire hasta el deposito [4] 1.2 Compresores alternantes de diafragma Este tipo de compresores forma parte del grupo de compresores de embolo. Una membrana separa El embolo de la cámara de trabajo; el aire no entra en contacto con las piezas móviles. Por lo tanto el aire comprimido estará exento de aceite.

2.2 Compresores rotativos de tornillo:

El movimiento obtenido del motor, acciona una excéntrica y por su intermedio el conjunto biela – pistón. Esta acción somete a la membrana a un vaivén de desplazamientos cortos e intermitentes

Este tipo de compresores contienen dos tornillos helicoidales que engranan con sus perfiles cóncavo y convexo que impulsan hacia el otro lado el aire aspirado axialmente (ver figura 9). Los tornillos de

Fig. 8 compresor rotativo de paleta

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tipo helicoidal engranan con sus perfiles y de ese modo se logra reducir el espacio del que dispone el aire. Esta situación genera un aumento de la presión interna y demás por la rotación y el sentido de las hélices es impulso hacia el extremo opuesto. [4]

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Consta de un separador de agua y un filtro de impurezas donde el filtro se encarga de mantener la línea libre de impurezas como polvo u oxido y el separador de agua hace girar rápidamente el aire para que las partículas de agua que se hayan condensado en las tuberías se depositen en el fondo del vaso. [5] IV.II.II Regulador Es una válvula general manual que permite regular fácilmente la presión de salida del depósito hacia el sistema neumático y frecuentemente cuenta con un manómetro propio que indica la presión de flujo. [5] IV.II.III Válvulas de control direccional

Fig. 9 compresor rotativo de tornillo

IV.I.II Motor eléctrico Es el encargado de transformar la energía eléctrica en energía mecánica para mover la unidad de compresión. [5]

Existen muchos tipos de válvulas neumáticas donde todas tienen como función controlar el paso de aire entre sus vías abriendo, cerrando o cambiando sus conexiones internas dependiendo del tipo de actuador que se desee controlar (ver figura 10). Pueden ser activadas de diversas formas: manualmente, por circuitos eléctricos, neumáticos, hidráulicos o mecánicos. [5]

IV.I.III Depósito Es un tanque especial que almacena el aire comprimido y soporta altas presiones, que entre mayor sea su volumen, mayores deberán ser su intervalos de funcionamiento de la unidad de compresión. [5]

Fig.10 Electroválvula servoactivada Biestable

IV.I.IV Válvula anti–retorno Es la encargada de dejar pasar el aire comprimido de unidad de compresión pero impide su retorno. [5] IV.I.V Manómetro Es un dispositivo que indica de manera visual la presión del aire dentro del depósito [5]

IV.II

IV.II.I

SISTEMA DE UTILIZACIÓN

Unidad de acondicionamiento del aire

Este tipo de válvulas son clasificadas por: 1. Numero de vías: son los orificios de los que dispone una válvula para permitir el paso de un fluido. 2. Numero de posiciones: son los estados que puede adoptar internamente (2 o 3 posiciones). 3. Su forma de accionamiento:  

Monoestable Biestable

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IV.II.IV Actuadores Son los encargados de transformar la energía neumática en energía mecánica, y se encuentran: 1. Actuadores lineales: transforman la energía neumática en energía mecánica con movimiento rectilíneo alternativo y están: 

Cilindros de efecto simple: (Figura 11) desarrolla un trabajo solo en un sentido. El embolo retorna a su posición por medio de un resorte interno puede ser del tipo vástago retraído o vástago extendido

Fig. 13 Actuador de giro mediante piñón - cremallera

IV.II.V Controladores de velocidad También llamadas válvulas de caudal, regulan la cantidad de aire que las atraviesa por unidad de tiempo, estos elementos dentro del circuito neumático influyen sobre la velocidad final de los actuadores y provocan retardos en los circuitos de mando como un temporizador y se clasifican en 3 grupos: 1. Válvulas de estrangulación: (Figura 14) produce un estrechamiento en la conducción de tal manera que origina una disminución de caudal que lo atraviesan.

Fig. 11 actuador lineal de efecto simple



Cilindros de doble efecto : (Figura 12) el trabajo se desarrolla en las dos carreras del vástago tanto en la salida como en el retroceso dado que el aire se aplica alternativamente a los lados opuestos del embolo. [5] Fig. 14 válvulas de estrangulación

Fig. 12 Actuador lineal de doble efecto

2. Actuadores de giro: no son muy utilizados pero el más sencillo tiene un piñón en el eje de salida que engrana con una cremallera la cual está unida a un embolo doble (Figura 13), al inyectar aire el embolo se mueve para un lado o para el otro haciendo girar el eje en su lugar. [5]

2. Válvulas reguladoras de caudal unidireccional: (Figura 15) poseen la misma función que las válvulas de estrangulación con la diferencia que el flujo del aire solo puede ir en una dirección y no puede regresar debido a que existe un elemento anti retorno.

Fig. 15 Válvula reguladora de caudal unidireccional

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VI.I LEY DE BOYLE – MARIOTTE 3. Válvula de escape rápido: (Figura 16) es una válvula bidireccional, pero al aumentar la presión hacia una dirección el aire escapa rápidamente. [5]

La ley establece que a una temperatura constante, los volúmenes ocupados por una misma masa gaseosa son inversamente proporcionales a las presiones que soportan.

Fórmula de Ley de Boyle-Mariotte

Fig. 16 válvulas de escape rápido

V.

PROPIEDADES DE LOS GASES NEUMATICOS

Dentro de las propiedades de los gases neumáticos se encuentran que:

Los gases son elásticos y se pueden comprimir, mientras los líquidos no, los gases cuando están encerrados tienden a ocupar el mayor espacio posible y ejercen una presión sobre el recipiente que ocupan. Esta ley resulta ser fundamental en neumática, debido a que nos indica el rendimiento que tendrá una instalación. [6] VI.II LEY DE GAY-LUSSAC

1) - Los gases son comprensibles. 2) - Carecen de propiedades lubricantes y siempre contienen vapor de agua. Fórmula de la de Gay-Lussac

3) - La presión de operación resulta ser más baja 4) - Las potencias de salida son considerablemente menores.

Con esta ley se demuestra que un gas con presión constante tiene un volumen directamente relacionado con su temperatura. [6]

5) - No se necesitan tubos de retorno en los sistemas neumáticos cuando se usa aire.

VI.III LEY DE AMONTON

6) - Son insensibles a cambios de temperaturas. 7) - El escurrimiento externo es permisible en cierta medida Fórmula de la ley de Amonton

VI.

LEYES BÁSICAS DE LA NEUMÁTICA

Existen 4 leyes utiles para para la tecnologia neumatica:

En un gas con volumen constante, su presión absoluta varía proporcionalmente con su temperatura. [6] VI.IV

LEY DE POISSON

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 La compresibilidad del aire causa atraso en las respuestas. [7] Fórmula de la Ley de Poisson

Se tiene una constante k que cambia con la presión y la temperatura, la ley nos explica que si no existe intercambio de calor con el entorno, la relación existente entre la presión absoluta y el volumen que ocupa un gas, viene expresado por la formula ya mencionada. [6]

VIII. POTENCIA NEUMÁTICA Cálculo de la fuerza del émbolo. La fuerza teórica del émbolo se calcula con la siguiente fórmula:

VII. VENTAJAS Y DESVENTAJAS FRENTE A OTROS SITEMAS

F=pS Dónde:

VII.I VENTAJAS  En el sistema neumático la potencia de salida puede controlarse fácilmente.  La rapidez del actuador puede variarse con la amplitud, aunque el control de velocidad exacto es difícil de alcanzar.  La sobre carga no perjudicara a los sistemas neumáticos.  Puesto que el aire comprimido se puede almacenar en un tanque, el sistema neumático puede responder a una fuerte demanda ocasional aún, si la compresora del sistema es de un pequeño tamaño.  El sistema neumático puede operarse en una escala amplia de temperatura y está a prueba de incendio o explosión. VII.II DESVENTAJAS  El aire no tiene la capacidad de lubricar las partes móviles.  La humedad y las partículas extrañas en el aire pueden causar dificultades en la operación normal de los sistemas neumáticos.  La eficiencia en los sistemas neumáticos baja de 20 a 30 %.

S = Superficie útil, que resulta de restar a la superficie del émbolo y la del vástago. p = Presión del aire. Medida en bar.

La potencia es el Trabajo desarrollado por unidad de tiempo. P=

W t

Como en un cilindro, la Fuerza es p·S, podemos hacer: P=

V W F∗d ( pS)∗d = =p = t t t t

Con lo que nos queda que para un cilindro, la potencia es: P= pQ

-> Potencia Ideal

Esta es la potencia real que no contabiliza las perdidas por lo que si cuantificamos las perdidas con μ (siendo μ un valor entre 0 y 1), tenemos que la potencia real es: [8] Preal =P ideal∗μ

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UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS. PARADA CAMILO, CENTENO JOHAN. Fig. 17. Cilindro de efecto simple

REFERE NCIAS [1] H.C. Néstor (2014), Tecnología-Técnica [Online], Disponible: www.tecnologiatecnica.com.ar, Índice de archivo: index_archivos/Page4697.htm [2] Wikipedia (2015 Julio 27), Circuitos neumáticos [Online], Disponible: www.wikipedia.org/wiki/Circuito_neum %C3%A1tico [3] E. Ángel y J. Julián (2009 Noviembre 8), Monografías, Simbología Neumática [Online], Disponible:www.monografias.com/trabajos57/simb ologia-neumatica/simbologia-neumatica2.shtml [4] Conceptos básicos de Neumática e Hidráulica, Producción de Aire comprimido, Disponible: http://www.sapiensman.com/neumatica/neumatica2. htm [5] O. Katsuhiko, Dinámica de Sistemas, Capitulo 5 Sistemas Neumáticos, pág. 238, 1 edición, PrenticeHall Hispanoamérica, Disponible en PDF, pág. 45. [6] Neumática, leyes de la Neumática, Disponible: http://sitioniche.nichese.com/leyes.html [7] O. Katsuhiko, Dinámica de Sistemas, Capitulo 5 Sistemas Neumáticos, pág. 238, 1 edición, PrenticeHall Hispanoamérica, Disponible en PDF, pág. 45. [8] Gobierno de Aragón, España, DEMO EDUCATIVA CATEDU, Calculo de potencia, trabajo y consume de aire, Disponible: http://educativa.catedu.es/44700165/aula/archivos/reposito rio/4750/4915/html/3_clculo_de_fuerza_potencia_y _consumo_de_aire.html

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