ELEMENTOS NEUMÁTICOS E HIDRÁULICOS.
2.1 PRODUCCIÓN Y DISTRIBUCIÓN DEL AIRE COMPRIMIDO
Ventajas y desventajas del aire comprimido
Ventajas:
- Se encuentra
disponible para su compresión de manera ilimitada, gratuitamente y en cualquier
lugar.
- No es tóxico y
puede incluso esterilizarse.
- Puede ser
fácilmente transportado por tuberías, incluso a grandes distancias. - Los conductos de
retorno no son necesarios.
- Puede ser
almacenado en depósitos, por lo que no es necesario que el compresor permanezca
continuamente en servicio.
- Es poco sensible a
las variaciones de temperatura.
- No existe riesgo
de incendio o explosión.
- Es un medio de
trabajo muy limpio por lo que no existe riesgo de contaminación.
- La concepción de
los diferentes elementos es simple y de facil comprensión para el personal de
mantenimiento.
- Es un medio de
trabajo muy rápido, que permite la obtención de velocidades de trabajo muy
elevadas.
- No existe riesgo
de sobrecargas como los equipos eléctricos y mecánicos.
- Los elementos
neumáticos son reutilizables, pudiendo desarmar un sistema y armar otro
diferente con los mismos elementos.
Desventajas:
- El aire
comprimido debe ser preparado antes de su utilización con el fin de eliminar
impurezas y humedad que originan el desgaste prematuro de los componentes.
- Debido a la
compresibilidad del aire, no es posible obtener velocidades bajas y uniformes.
- La fuerza está
limitada a 3000 Kgs.
Producción
de aire comprimido.
Compresibilidad del aire.
Compresibilidad: - Es la capacidad de una
sustancia para ser reducida de volumen mediante un aumento de la presión que se
ejerce sobre elle. Según el estado de agregación de la misma, sea gaseoso,
líquido o sólido, será más o menos compresible.
Como todos los gases, el aire no tiene una forma determinada y toma la forma
del recipiente que lo contiene o del medio ambiente que lo rodea. Permite ser
comprimido (compresión) y tiende a dilatarse (expansión).
Estos fenómenos se rigen por la Ley de Boyle Mariotte:
A temperatura constante la presión de un gas es inversamente proporcional al volumen, es decir, el producto de la presión absoluta por el volumen es constante.
La selección del compresor depende básicamente de dos parámetros:
1. La presión de trabajo.
2. El volumen de aire necesario.
Tendido de la red:
Red abierta:
Generalmente para instalaciones pequeñas.
Red cerrada:
Cuando existe espacio la tubería principal se instala en lazo cerrado. Con válvulas de cierra se asegura la alimentación a los receptores e incluso en los momentos de reparación y mantenimiento.
Red cerrada con interconexiones. (Tipo parrilla)
En esta instalación se puede aislar por áreas de distribución la red para dar mantenimiento en las diferentes áreas de consumo sin afectar el suministro de aire a la planta.
Derivación de una tubería.
La
tubería de la red debe dirigirse siempre hacia arriba y después derivarse con
una inclinación de 1 a 3% de la longitud de la tubería.
Las
derivaciones para la utilización del aire siempre deben conectarse hacia arriba
aproximadamente entre 25 y 35 cm en forma de cuello de ganso o por medio de
codos para llevarla hacia el punto de consumo, con el fin de evitar que los
condensados lleguen al consumidor final.
Unidad de servicio o mantenimiento.
Regulador de presión:
Mantiene constante el consumo de aire y la presión de trabajo (presión secundaria) independiente de la presión de la red variable (presión primaria).
Pprimaria Psecundaria
Manómetro:
Aparato que mide la presión a regular.
Lubricador:
Suministra aceite atomizado (principio de venturi) a través del aire comprimido hacia los equipos neumáticos que requieren lubricación.
Materiales de canalización:
Conductos principales.
Cobre, Latón, Acero fino, Acero negro, Acero galvanizado y plástico.
Derivaciones hacia los receptores:
Polietileno, Poliamida, Poliuretano, Goma (hule).
Selección del diámetro interior de la manguera (caudal y velocidad)
Características
de un sensor
En la siguiente tabla se indican algunos tipos y ejemplos de sensores electrónicos.
Algunas magnitudes pueden calcularse mediante la medición y cálculo de otras, por ejemplo, la velocidad de un móvil puede calcularse a partir de la integración numérica de su aceleración. La masa de un objeto puede conocerse mediante la fuerza gravitatoria que se ejerce sobre él en comparación con la fuerza gravitatoria ejercida sobre un objeto de masa conocida (patrón).
Estos fenómenos se rigen por la Ley de Boyle Mariotte:
A temperatura constante la presión de un gas es inversamente proporcional al volumen, es decir, el producto de la presión absoluta por el volumen es constante.
La selección del compresor depende básicamente de dos parámetros:
1. La presión de trabajo.
2. El volumen de aire necesario.
Distribución
de aire comprimido:
Red de
aire comprimido. Es el conjunto de todas las tuberías que parten del depósito,
colocadas fijamente entre sí y que conducen el aire comprimido a los puntos de
toma para los equipos consumidores individuales.Tendido de la red:
Red abierta:
Generalmente para instalaciones pequeñas.
Red cerrada:
Cuando existe espacio la tubería principal se instala en lazo cerrado. Con válvulas de cierra se asegura la alimentación a los receptores e incluso en los momentos de reparación y mantenimiento.
Red cerrada con interconexiones. (Tipo parrilla)
En esta instalación se puede aislar por áreas de distribución la red para dar mantenimiento en las diferentes áreas de consumo sin afectar el suministro de aire a la planta.
Derivación de una tubería.
Cuando es muy grande la longitud de la tubería,
esta se instala en forma de diente de sierra para evitar que se entierre en el
piso. En cada cambio de dirección se prolonga la tubería hacia abajo y al final
se le coloca un recipiente para condensación y una válvula de purga manual o
automática.
Unidad de servicio o mantenimiento.
Esta
unidad se compone de filtro de aire, regulador de presión con manómetro y
lubricador. Esta unidad es para el tratamiento final del aire antes de su
utilización y debe colocarse cerca del área de consumo. Distancia máxima
recomendable de 5 mts del último consumidor.
Unidad
de mantenimiento.
Mantiene constante el consumo de aire y la presión de trabajo (presión secundaria) independiente de la presión de la red variable (presión primaria).
Pprimaria Psecundaria
Manómetro:
Aparato que mide la presión a regular.
Lubricador:
Suministra aceite atomizado (principio de venturi) a través del aire comprimido hacia los equipos neumáticos que requieren lubricación.
Materiales de canalización:
Conductos principales.
Cobre, Latón, Acero fino, Acero negro, Acero galvanizado y plástico.
Derivaciones hacia los receptores:
Polietileno, Poliamida, Poliuretano, Goma (hule).
Acondicionamiento
del aire comprimido.
Estación de compresión.
2.1.1 TUBERÍAS
FILTROS, DEPÓSITOS ACUMULADORES, MANGUERAS Y UNIONES.
ACUMULADOR
DE AIRE COMPRIMIDO
Riesgos.
El principal riesgo que presentan estos aparatos, al estar sometidos a
presión interna, es el de explosión, que puede venir determinada por alguna de
las siguientes causas:
· Defectos de diseño del aparato.
· Defectos en la fase
de construcción y montaje, en las cuales se tendrán muy en cuenta el proceso de
soldadura de virolas, fondos, refuerzos, tabuladoras, etc., y los efectos que
el calor aportado por ella puede tener sobre las características de los materiales.
· Sobrepresión en el
aparato por fallo de los sistemas de seguridad.
· Sobrepresión por
presencia de fuego exterior.
· Sobrepresión y
riesgo de explosión por auto ignición de depósitos carbonosos procedentes del
aceite de lubricación. del compresor.
· Disminución de
espesores de sus materiales, por debajo de los límites aceptables por diseño,
debido a la corrosión.
· Corrosiones
exteriores, localizadas en el fondo o en la generatriz inferior, según se trate
de un deposito vertical u horizontal.
· Erosiones o golpes
externos.
· Fisuras debidas a
las vibraciones transmitidas por compresores instalados sobre los propios
acumuladores o por una fundación del compresor inadecuada.
· Esfuerzos locales en
la zona de conexión de la tubería de aire comprimido proveniente del compresor,
debido a mal alineamiento, dilataciones y presión interna de la tubería.
· Fatiga de materiales
debido a trabajo cíclico.
Elementos de Seguridad.
Estos aparatos cuyo diseño y construcción deberán seguir todos los pasos
establecidos en el Código de diseño elegido referentes a materiales, espesores
de los mismos, procesos de soldadura, tratamientos térmicos, ensayos no
destructivos, etc., deberán contar con un certificado de calidad que asegure
que los anteriores pasos han sido seguidos cuando se trate de un aparato de
construcción única, y del correspondiente registro de tipo si se trata de un
aparato construido en serie. Independientemente de ello, deberán contar con los
siguientes elementos de seguridad, cuyas prescripciones son obligatorias en la
mayor parte de los casos a tenor de la legislación vigente.
· Válvula de seguridad
cuya capacidad y presión de descarga será adecuada al caudal máximo de aire
comprimido capaz de suministrar el compresor en las condiciones más
desfavorables.
· Indicador de presión
interna del aparato.
· Tapón fusible, en
previsión del riesgo de explosión por auto ignición de depósitos carbonosos por
elevación de la temperatura.
· Sistema de drenaje
manual o automático; en el caso de drenaje manual, las válvulas serán de paso
recto y total, con objeto de minimizar los residuos que puedan quedar retenidos
y llegar a inutilizar la válvula de drenaje.
· En el caso de
drenaje automático, tendrán la capacidad de descarga adecuada a la cantidad de
líquido a eliminar, estando diseñadas para minimizar los residuos retenidos así
como contar con un dispositivo manual para su comprobación.
· La disposición de un
filtro inmediatamente antes de la válvula ayuda eficazmente a eliminar la
presencia de residuos en las mismas.
· Contaran con las
aperturas adecuadas para su inspección y mantenimiento.
· Todos los elementos
de seguridad serán fácilmente accesibles.
· Contaran con las
siguientes placas de identificación, situadas de forma bien visible:
◦ Placa de Diseño: en la que
figurará la presión de diseño y en su caso la máxima de servicio, el número de
registro del aparato y la fecha de primera prueba y revisión.
FILTRO DE ADMISIÓN DE AIRE AL
COMPRESIÓN
Riesgos
Aunque el filtro de admisión de aire no es generalmente un elemento
potencialmente peligroso, salvo el ruido que la admisión de aire puede generar,
si es un elemento de gran importancia ya que aun el aire mas limpio presenta
elementos en suspensión, que si no son eliminados, pueden deteriorar
rápidamente los elementos internos del compresor, por ejemplo rayando los
cilindros, con el consiguiente paso de aceite de lubricación al aire
comprimido, y por otra parte pueden ser causa de depósitos, obturaciones etc.,
dando lugar a situaciones peligrosas.
Elementos de Seguridad.
En estos aparatos el mejor elemento de seguridad es un mantenimiento
adecuado que mantenga el filtro en unas condiciones de limpieza óptima, sin
embargo se aconseja la instalación de un medidor de caída de presión en el
filtro para comprobar su estado de limpieza.
Por otra parte, cuando las circunstancias así lo requieran se deberá
disponer de un silenciador en la admisión de aire con el fin de disminuir el
nivel sonoro.
UNIONES
elemento de conexión:
las uniones de los tubos de la red puede ser: por soldadura ó por rosca,
mediante: tuercas de unión, casquillos roscados, codos, tés o dobles tés, cánulas
macho/hembra y racores o enchufes rápidos para tomas de servicio de
herramientas.
TUBERÍAS Y MANGUERAS
constitución de
una red de distribución: tuberías y mangueras: pueden ser rígidas: de acero,
cobre o latón para la red de distribución, ó flexibles: de caucho de preordino,
poliamida, poliuretano y goma con trenzado textil para la unión de las tomas de
servicio con las herramientas.
DEPÓSITOS
deposito o calderón
definición: es un deposito de acero capaz de acumular gran cantidad de aire
comprimido a presión para reserva, evitando las caídas de presión en el sistema.
2.1.2
DIMENSIONAMIENTO DE LOS CONDUCTOS DE ACUERDO A LOS REQUERIMIENTOS DE FLUJO
El diámetro de las tuberías no debería
elegirse conforme a otros tubos existentes ni de acuerdo con cualquier regla
empírica, si no en conformidad con:
- el caudal
- la longitud de las tuberías
- la perdida de presión
- (Admisible) la presión de servicio
- La cantidad de estrangulamientos 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.
Calculo
de una tubería;
El consumo global asciende a 16 m3/min (960
m3/h) la red tiene una longitud de 280 m; comprende 6 piezas en T, 5 codos
normales, 1 válvula de cierre. La pérdida admisible de presión es de Ap=10kpa
(0,1 bar). La presión de servicio es de 800 kpa (s bar).
Se
busca: el diámetro de la tubería
El monograma que se muestra a continuación,
con los datos dados permite determinar el diámetro provisional de las tuberías.
Solución:
En el monograma, unir la línea A (longitud m
tubo) con la B (cantidad de aire aspirado) y prolongar el trazo hasta c (eje
1). Unir la línea E, (presión). En la línea F (eje 2) se obtiene una
intersección. Unir los puntos de intersección de los ejes 1 y 2. Esta línea
corta la D (diámetro nominal de la tubería) en un punto que proporciona el
diámetro deseado.
En este caso se obtiene para el diámetro un
valor de 90 mm.
Tomado
del manual de neumática FMA pokorny, francfort
Las resistencias de los elementos
estranguladores (válvula de cierre, válvula esquinera, pieza en T, compuerta,
codo normal) se indican en longitudes supletorias. .se entiende por longitud
supletoria la longitud de una tubería recta que ofrece la misma resistencia al
flujo que el elemento estrangulador o el punto de estrangulación. La sección de
paso de la tubería de longitud supletoria es la misma que la tubería.
Un segundo nomograma permite averiguar
rápidamente las longitudes supletorias.
Con esta longitud total de tubería de 380m,
el consumo de aire, la perdida de presión y la presión de servicio se puede
determinar, como en el problema anterior, con ayuda del nomograma el diámetro
definitivo de las tuberías en este caso el diámetro es de 95 mm.
Para la producción se utilizan los compresores.
Estos se pueden clasificar en dos tipos, de émbolo o rotativos.
· Compresores de émbolo, son los más utilizados debido
a su flexibilidad de funcionamiento
.
Compresor de émbolo
El funcionamiento de este tipo de compresores es
muy parecido al del motor de un automóvil. Un eje, mediante una biela y una
manivela produce el movimiento alternativo de un pistón. Al bajar el pistón
se introduce el aire. Cuando ha bajado totalmente se cierra la válvula de
admisión y comienza a subir el pistón y con ello la compresión del aire.
Cuando este aire se ha comprimido hasta el máximo, la válvula de escape se
abre y sale el aire a presión.
Generalmente con una sola etapa se obtiene poca
presión por lo que suelen concatenarse varias etapas para obtener mayores
presiones.
· Compresores rotativos, consiguen aumentar la presión
mediante el giro de un rotor. El aire se aspira y se comprime en la cámara de
compresión gracias a la disminución del volumen que ocupa el aire. Los hay de
paletas, de tornillo y el turbocompresor.
Compresor de paletas:
Son muy silenciosos y proporcionan un nivel de
caudal prácticamente constante.
Compresor de paletas
La compresión se efectúa como consecuencia de la
disminución del volumen provocada por el giro de una excéntrica provista de
paletas radiales extensibles que ajustan sobre el cuerpo del compresor.
Compresor de husillo o Roots:
Son caros aunque pueden suministrar aire a mayor
presión que los anteriores.
Compresor de husillo o Roots
Emplea un doble husillo de forma que toma el aire
de la zona de aspiración y lo comprime al reducirse el volumen en la cámara
creada entre ellos y el cuerpo del compresor.
Compresor de tornillo:
Son caros, silenciosos y tienen un desgaste muy
bajo.
Compresor de tornillo
Se basa en el giro de dos tornillos helicoidales
que comprimen el aire que ha entrado en su interior.
Turbocompresor:
Proporciona una presión reducida pero un caudal
muy elevado. No suelen utilizarse en aplicaciones neumáticas industriales.
Turbocompresor axial
Las álabes recogen el aire de entrada y lo
impulsan hacia la salida aumentando su presión.
Símbolo del compresor
La mayor parte de los compresores suministran un
caudal discontinuo de aire, de manera que se debe almacenar en un depósito. El
depósito a demás sirve para evitar que los compresores estén en
funcionamiento constantemente, incluso cuando no se necesita gran caudal de
aire, también ayudan a enfriar el aire. Los depósitos generalmente disponen
de manómetro que indica la presión interior, una válvula de seguridad que se
dispara en caso de sobrepresiones y una espita para el desagüe de las
condensaciones que se producen en el interior del depósito.
Símbolo del depósito
Compresor con su depósito
Para transportar el aire es necesario utilizar
conductores. Los conductores utilizados son tuberías metálicas o de
polietileno de presión. El diámetro de las tuberías depende de las necesidades
de caudal que requiere la instalación, teniendo en cuenta la caída de presión
producida por las pérdidas y la longitud de las tuberías.
Tubo de polietileno de presión
Generalmente entre el depósito y el circuito se
suele incluir una unidad de mantenimiento que cuenta con un regulador de
presión, un filtro y un lubricador de aire.
Símbolo de la unidad de mantenimiento
Foto de la unidad de mantenimiento
|
2.2.1 TUBERÍAS, FILTROS, DEPÓSITOS ACUMULADORES, MANGUERAS Y UNIONES, SISTEMAS DE ENFRIAMIENTO.
FILTROS
Estos sistemas se emplean para el control de la
contaminación por partículas sólidas de origen externo y las generadas
internamente por procesos de desgaste o de erosión de las superficies de la
maquinaria, permitiendo preservar la vida útil tanto de los componentes del
equipo como del fluido hidráulico.
Los filtros pueden ser ubicados en las líneas de retorno,
en la línea de presión, o en cualquier otra ubicación en el sistema donde el
usuario del mismo decida que sea necesario para salvaguardar el sistema contra
impurezas.
El propósito de la filtración no es solo prolongar la
vida útil de los componentes hidráulicos, si no también evitar paradas
producidas por la acumulación de impurezas en las estrechas holguras y
orificios de válvulas y servo válvulas.
Los filtros son clasificados como de flujo pleno o total
y flujo proporcional o parcial. En el tipo de filtro de flujo pleno o total,
todo el fluido que ingresa a la unidad pasa a través del elemento filtrante,
mientras que en el tipo de filtro de flujo proporcional, sólo una porción del
fluido pasa a través del elemento.
Filtro de flujo pleno
El filtro de flujo pleno proporciona una acción positiva
de filtrado; sin embargo, el mismo ofrece resistencia al filtrado, particularmente,
cuando el elemento de ensucia. El fluido hidráulico entra al filtro a través
del puerto de entrada en el cuerpo y fluye alrededor del elemento de filtro
dentro del vaso de filtro. El filtrado tiene lugar a medida que el fluido pasa
a través del elemento de filtrado y hacia dentro del núcleo hueco, dejando la
suciedad y las impurezas en la parte exterior del elemento de filtro.
El fluido filtrado luego circula desde el núcleo hueco a
través del puerto de salida y hacia el interior del sistema.
FIGURA 1: Filtro hidráulico de flujo pleno
FIGURA 2: Descripcion de un filtro
DEPÓSITOS O TANQUES
La función natural de un tanque hidráulico o tanque de
reserva es contener o almacenar el fluido de un sistema hidráulico. Un tanque
de hidráulico almacena un líquido que no está siendo usado en un sistema
hidráulico. El mismo además permite la extracción de los gases y materiales
extraños del líquido.
Además de funcionar como un contenedor de fluido, un
tanque también sirve para enfriar el fluido, permitir asentarse a los
contaminantes y el escape del aire retenido.
Cuando el fluido regresa al tanque, una placa deflectora
bloquea el fluido de retorno para impedir su llegada directamente a la línea de
succión. Así se produce una zona tranquila, la cual permite sedimentarse a las
partículas grandes de suciedad, que el aire alcance la superficie del fluido y
da oportunidad de que el calor se disipe hacia las paredes del tanque.
La figura siguiente muestra algunas de las
características de diseño de un tanque de reserva. El mismo debería ser alto y
angosto en lugar de profundo y ancho. El nivel de aceite deberá estar tan alto
como sea posible sobre la apertura de la línea de succión de la bomba. Esto
evita que el vacío en la apertura de la línea cause efectos de remolino o
vórtices, lo que significaría que el sistema está probablemente tomando aire.
El aceite aireado no transmitirá potencia correctamente debido a que el aire es
compresible. Al aceite aireado tiene una tendencia a deteriorarse y perder su
habilidad de lubricación.
FIGURA 3: Descripción de un tanque hidraulico
FIGURA 4: Tanque hidraulico
ACUMULADORES
Un acumulador consiste en un depósito destinado a
almacenar una cantidad de fluido incompresible y conservarlo a una cierta
presión mediante una fuerza externa.
El fluido hidráulico bajo presión entra a las cámaras del
acumulador y hace una de estas tres funciones: comprime un resorte, comprime un
gas o levanta un peso, y posteriormente cualquier caída de presión en el
sistema provoca que el elemento reaccione y fuerce al fluido hacia fuera otra
vez.
Funciones:
Complementa el flujo de la bomba
Elimina fluctuaciones de presiones
Mantiene la eficiencia del sistema
Suministra potencia en emergencia
Compensa pérdidas
Absorbe choques hidráulicos
Los acumuladores, en los cilindros hidráulicos se pueden
aplicar como:
Acumulador de energía
Anti golpe de ariete
Anti pulsaciones
Compensador de fugas
Fuerza auxiliar de emergencias
Amortiguador de vibraciones
Transmisor de energía de un fluido a otro
Acumuladores de contrapeso
El acumulador cargado por peso, ejerce una fuerza sobre
el líquido almacenado, por medio de grandes pesos que actúan sobre el pistón o
émbolo. Los pesos pueden fabricarse de cualquier material pesado, como hierro,
concreto e incluso agua. Es el único tipo de acumulador en que la presión se
mantiene constante, hasta que la cámara del acumulador quede prácticamente
vacía.
.
Generalmente los acumuladores cargados por peso son de
gran tamaño; en algunos casos su capacidad es de varios cientos de litros.
Pueden prestar servicio a varios sistemas hidráulicos al mismo tiempo y
usualmente son utilizados en fábricas y sistemas hidráulicos centrales.
FIGURA 5: Acumuladores de contrapeso
Acumuladores de resorte
En los acumuladores cargados por resorte, la fuerza se
aplica al líquido almacenado por medio de un pistón sobre el cual actúa un
resorte. Suelen ser más pequeños que los cargados por peso y su capacidad es de
sólo algunos litros. Usualmente dan servicio a sistemas hidráulicos
individuales y operan a baja presión en la mayoría de los casos.
Mientras el líquido se bombea al interior del acumulador,
la presión del fluido almacenado se determina por la compresión del resorte. Si
el pistón se moviese hacia arriba y comprimiera diez pulgadas al resorte, la
presión almacenada sería mayor que en el caso de un resorte comprimido tan sólo
cuatro pulgadas.
FIGURA 6: Acumuladores de resorte
Acumulador de pistón
Un acumulador de tipo pistón consiste en un cuerpo
cilíndrico y un pistón móvil con sellos elásticos. El gas ocupa el volumen por
encima del pistón y se comprime cuando el fluido entra al interior del cuerpo
cilíndrico. Al salir el fluido del acumulador la presión del gas desciende. Una
vez que todo el líquido ha sido descargado, el pistón alcanza el final de su
carrera y cubre la salida manteniendo el gas dentro del acumulador.
Aplicaciones hidráulicas en que es necesaria una gran
cantidad de fluido para efectuar el trabajo pero este se realiza solo
intermitentemente en el ciclo de la maquina.
FIGURA 7: Acumulador de piston
Acumulador de Diafragma
El acumulador de tipo diafragma se compone de dos
hemisferios metálicos atornillados juntos, pero cuyo volumen interior se halla
separado por un diafragma de hule sintético, el gas ocupa el hemisferio
superior. Cuando el fluido entra en el espacio inferior, el gas se comprime. Al
descargar todo el líquido, el diafragma desciende hasta la salida y mantiene el
gas dentro del acumulador.
Este tipo de acumuladores son para caudales relativamente
pequeños y presiones medias.
FIGURA 8: Acumulador de diafragma
Acumulador de vejiga
El acumulador de tipo vejiga se compone de un casco de
metal en cuyo interior se encuentra una vejiga de hule sintético que contiene
al gas. Cuando el fluido entra al interior del casco, el gas en la vejiga se
comprime.
La presión disminuye conforme el fluido sale del casco,
una vez que todo el líquido ha sido descargado, la presión del gas intenta
empujar la vejiga a través de la salida del acumulador. Sin embargo, una
válvula colocada encima del puerto de salida, interrumpe automáticamente el
flujo cuando la vejiga presiona el tapón de la misma.
FIGURA 9: Acumulador de vejiga
Mangueras hidráulicas
Recomendaciones de instalación:
a.- Recuerde que los flexibles sometidos a trabajo sufren
una elongación o estiramiento entre un 2% a 4% de su longitud inicial, por lo
que se recomienda dejarlos de un largo apropiado.
b.- Siempre se debe mantener un radio de curvatura lo más
amplio posible, con el fin de evitar el colapso o restricción del fluido.
c.- Evite al instalar un flexible que este quede con
alguna torcedura, por lo cual tome algún punto como referencia.
d.- Evite el contacto o el roce entre flexibles para que
no produzcan desgastes de las superficies, para lo cual se recomienda el uso de
adaptadores, codo o curvas apropiados.
e.- Procure evitar el contacto con pieza móviles o
fuentes de calor, por ejemplo el tubo de escape, cardan.
f.- Los flexibles deben tener la longitud apropiada para
que cumplan con su función de “flexible”.
FIGURA 10: Mangueras
FIGURA 11: Esta
grafica se utiliza para determinar el diámetro interno de la manguera que se
necesita para cumplir con el caudal y requerimientos de velocidad.
2.2.2 CALCULO DE FUERZA, PRESIÓN, POTENCIA, CAUDAL
Los fundamentos de la
hidráulica se basan en dos principios fundamentales de la física, a saber:
•
Principio de Pascal: el cual expresa que la presión que
ejerce un fluido incompresible y en equilibrio dentro de un recipiente de
paredes indeformables se transmite con igual intensidad en todas las
direcciones y en todos los puntos del fluido.
•
Principio de Bernoulli: expone que en un fluido ideal (sin
viscosidad ni rozamiento) en régimen de circulación por un conducto cerrado, la
energía que posee el fluido permanece constante a lo largo de su recorrido.
La energía de un
fluido en cualquier momento consta de tres componentes: cinética (que es la
energía debida a la velocidad que posee el fluido), potencial o gravitacional
(que es la energía debido a la altitud del fluido), y una energía que podríamos
llamar de "flujo" (que es la energía que un fluido contiene debido a
su presión).
En la siguiente
ecuación, conocida como "Ecuación de Bernoulli" expresa
matemáticamente este concepto:
v2·ρ
|
|||
——
|
+
P + ρ·g·z = constante
|
||
2
|
|||
siendo,
v la
velocidad del fluido en la sección considerada;
ρ la
densidad del fluido;
P es la
presión del fluido a lo largo de la línea de flujo;
g la
acelaración de la gravedad;
z la
altura en la dirección de la gravedad desde una cota de referencia.
Los sistemas
hidráulicos, objeto de estudio de este tutorial, constituyen una de las formas
tecnológicas que actualmente empleamos para la transmisión de potencia en
máquinas. Todo sistema hidráulico está compuesto de los siguientes elementos
principales:
- Un depósito
acumulador del fluido hidráulico;
- Una bomba
impulsora, que aspirando el fluido desde el depósito crea el flujo en el
circuito hidráulico;
- Válvula de control
que permite controlar la dirección de movimiento del fluido;
- Actuador o pistón
hidráulico, que puede ser de simple o doble efecto, siendo el elemento que
transmite la fuerza final;
- Red de conductos
por el que circula el fluido desde la bomba hasta los actuadores y retorna al
depósito acumulador;
- Filtros de limpieza
del fluido hidráulico;
- Válvula de alivio,
que proporciona una salida al sistema en caso de producirse un aumento excesivo
de la presión del fluido dentro del circuito.
2.2.3 TIPOS DE TUBERÍAS Y CÁLCULO DEL ESPESOR DE LA PARED DEL DUCTO
Y SELECCIÓN DE SU TAMAÑO.
Una dimensión es
una variable física utilizada para especificar o describir el comportamiento o
naturaleza de un sistema o partícula. Por ejemplo, la longitud de una tubería
es una dimensión de la tubería, el espesor de una placa a través
de la cual se transfiere calor es una dimensión de la misma. De igual manera,
la temperatura de un gas se puede considerar como una de las dimensiones
fundamentales del gas.
Ahora bien, cuando decimos que
la tubería posee una longitud de tantos metros o que la temperatura del gas es
de tantos grados centígrados, estamos dando las unidades que
nosotros hemos seleccionado para medir las dimensiones longitud y
temperatura respectivamente
De acuerdo a la normativa ISO, la designación del
material (por ejemplo, PE 100) se relaciona con el nivel de Resistencia Mínima
Requerida, MRS (Minimum Required Strength) que se debe considerar en el diseño
de tuberías para la conducción de agua a 20ºC , por un tiempo de servicio de al menos 50
años. La tensión de diseño se obtiene al aplicar
un coeficiente de diseño «C» sobre el valor MRS del material (C=1,25 para PE,
norma ISO 12162).
El cilindro actuador es el elemento final que transmite la energía
mecánica o empuje a la carga que se desee mover o desplazar. Aunque hay
actuadores de tipo rotativo, los más conocidos son los cilindros lineales.
Los cilindros lineales pueden ser de simple o de doble efecto. En los
cilindros de simple efecto el aceite entra sólo por un lado del émbolo, por lo
que sólo puede transmitir esfuerzo en un sentido. El retroceso se consigue o
bien por el peso propio del cilindro, bien por la acción de un muelle o por una
fuerza exterior (ejemplo, la propia carga que se eleva). Por el contrario, en
los cilindros de doble efecto, el aceite puede entrar por los dos lados del
émbolo, por lo que puede transmitir esfuerzo en los dos sentidos del
movimiento.
Uno de los aspectos a tener en cuenta en el diseño de un cilindro
hidráulico es cómo realizar el amortiguamiento o frenada del movimiento del
vástago, cuando éste se acerca al final de carrera, evitando así que se
produzcan impactos entre el pistón interior y la tapa del cilindro.
Para ello los cilindros hidráulicos disponen de un pivote amortiguador
que paulatinamente reduce la salida del aceite hasta que, poco antes de llegar
al final de carrera, cierra totalmente el paso del caudal de salida del aceite,
"bypasseando" el flujo mediante una válvula de estrangulamiento por
donde se evacua el resto del aceite. De este modo se va disminuyendo
progresivamente la velocidad del cilindro y el pistón se consigue frenar
suavemente. Este tipo de amortiguamiento para las posiciones finales de carrera
se utiliza si las velocidades del cilindro oscilan entre 6 m/min y 20 m/min.
Por último, cabe indicar un aspecto a tener muy en cuenta en el diseño de los cilindros hidráulicos, y en concreto, en lo que se refiere al vástago.
En efecto, cualquier pieza esbelta sometida a esfuerzos de compresión, y el vástago estará sometido a este tipo de solicitación, corre el riesgo de sufrir el fenómeno de pandeo. Para tener en cuenta este tipo de inestabilidad, el cálculo del diámetro del vástago se realiza aplicando la Teoría de Euler. Según esta teoría, para un determinado diámetro (d) de vástago, la fuerza máxima que puede soportar sin que sufra de pandeo viene dada por la siguiente expresión:
K
| |
F =
|
——
|
S
|
donde S es un factor de seguridad de valor 3,5 y K es la carga de pandeo (en kg) que se calcula mediante la siguiente expresión:
π2 · E · I
| |
K =
|
————
|
L2
|
donde,
E es el módulo de elasticidad, de valor 2,1·106 kg/cm2 para el acero;
I es el momento de inercia de la sección trasversal del vástago, de valor π·d2/64 para un vástago de sección circular de diámetrod;
L es la longitud de pandeo del vástago, que depende del método de sujeción empleado en su montaje.
La longitud de pandeo L, en general no va a coincidir con la longitud real del vástago, sino que va a depender, como ya se ha dicho de la forma en que se haya realizado el montaje del cilindro.
En la siguiente tabla se indica cómo se calcula L en función de las distintas situaciones de montaje del cilindro hidráulico.
Tabla 7. Cálculo de la longitud libre de pandeo, L
Para la conducción del fluido hidráulico se emplean tanto tuberías rígidas de acero sin soldadura, como mangueras flexibles, evitándose en todo momento emplear elementos galvanizados, dado que el zinc presente puede ser muy reactivo con ciertos aditivos presentes en los fluidos hidráulicos.
Tabla 8. Tubos de acero sin soldadura para circuitos hidráulicos
Cálculo del cilindro hidráulico
Conocido el valor de la fuerza de empuje (Fe) o elevación necesaria y el tiempo (t) disponible en realizar una carrera completa por parte del émbolo, se emplearían las siguientes expresiones para calcular los parámetros geométricos que definen al cilindro actuador.
Así, el valor del empuje o fuerza de elevación (Fe) capaz de desarrollar un cilindro hidráulico viene dado por la siguiente expresión:
0,785 · de2 · p
| |
Fe =
|
——————
|
104
|
siendo,
Fe, el valor de la fuerza desarrollada por el cilindro, en kN.
de, es el diámetro del émbolo que discurre por el interior del cilindro, en mm.
p es la presión de servicio a la que se encuentra el aceite hidráulico en el interior del cilindro, en bar.
Figura 18. Esquema de un cilindro hidráulico
Para cilindros de doble efecto, durante la carrera de retroceso o de recogida del émbolo, la fuerza que puede desarrollar viene calculada por esta otra expresión:
0,785 · (de2 - dv2)· p
| |
Fr =
|
—————————
|
104
|
siendo,
Fr, el valor de la fuerza de retroceso o recogida del émbolo, en kN.
de, es el diámetro del émbolo que discurre por el interior del cilindro, en mm.
dv, es el diámetro exterior del vástago que discurre por el interior del cilindro, en mm.
p es la presión de servicio a la que se encuentra el aceite hidráulico en el interior del cilindro, en bar.
Si se denomina carrera (L) al recorrido completo del émbolo dentro del cilindro, entonces el volumen de una carrera (V), también conocido como cilindrada, viene expresada por el producto de la superficie del émbolo por su carrera, es decir,
π · de2
| ||
V =
|
———
|
· L
|
4
|
donde,
V, es la cilindrada o volumen de una carrera, en mm3.
de, es el diámetro del émbolo que discurre por el interior del cilindro, en mm.
L, es la longitud de la carrera del vástago, en mm.
Por otro lado, conocida la carrera (L) del vástago y medido el tiempo (t) empleado en su recorrido, se puede calcular la velocidad (v) con que se mueve el vástago, según la expresión siguiente:
L
| |
v =
|
———
|
103 · t
|
siendo,
v, la velocidad de salida del vástago, en m/s.
L, es la longitud de la carrera del vástago, en mm.
t, es el tiempo empleado en salir completamente el vástago del cilindro, en segundos (s).
Conocido el volumen de la carrera (V) y el tiempo (t) empleado en la salida del vástago, se puede conocer el caudal (Q) necesario para realizar una carrera, como
60 · V
| |
Q =
|
———
|
106 · t
|
donde,
Q, es el caudal de fluido necesario para hacer una carrera, en litros/minuto (l/min).
V, es la cilindrada o volumen de una carrera, en mm3.
t, es el tiempo empleado en salir completamente el vástago del cilindro, en segundos (s).
No obstante, el anterior valor se trata de un valor teórico. El caudal real (Qr) tenida en cuenta el rendimiento volumétrico del cilindro donde se reflejan aspectos como la fuga de fluido por las juntas, viene dado por la siguiente expresión:
Q
| |
Qr =
|
——
|
η
|
siendo,
Qr, el caudal real de fluido necesario para hacer una carrera, en litros/minuto (l/min).
Q, es el caudal teórico calculado según la expresión anterior, en litros/minuto (l/min).
η, es el rendimiento volumétrico del cilindro que tiene en cuenta las fugas, como general se toma 0,95
2.3 Actuadores neumáticos e hidráulicos.
Los actuadores neumáticos utilizan el aire comprimido como fuente de energía y son muy
indicados en el control de movimientos rápidos, pero de precisión limitada. Los
actuadores son dispositivos capaces de generar una fuerza a partir de líquidos,
de energía eléctrica y gaseosa. El actuador recibe la orden de un regulador o
controlador y da una salida necesaria para activar a un elemento final de
control como lo son las válvulas. Pueden ser hidráulicos, neumáticos o
eléctricos.
Los motores hidráulicos son recomendables en los manipuladores que tienen una gran
capacidad de carga, junto a una precisa regulación de velocidad. Los
actuadores hidráulicos se emplean cuando lo que se necesita es potencia, y los
neumáticos son simples posicionamientos. Sin embargo, los hidráulicos requieren
demasiado equipo para suministro de energía, así como de mantenimiento
periódico. Por otro lado, las aplicaciones de los modelos neumáticos también
son limitadas desde el punto de vista de precisión y mantenimiento.
El trabajo realizado
por un actuador neumático puede ser lineal o rotativo. El movimiento lineal se
obtiene por cilindros de émbolo (éstos también proporcionan movimiento rotativo
con variedad de ángulos por medio de actuadores del tipo piñón-cremallera).
También encontramos actuadores neumáticos de rotación continua (motores
neumáticos), movimientos combinados e incluso alguna transformación mecánica de
movimiento que lo hace parecer de un tipo especial.
Los actuadores se dividen en 2 grande grupos: cilindros y
motores.
2.3.1 Clasificación y características de los
actuadores
Aunque en esencia los
actuadores neumáticos e hidráulicos son idénticos, los neumáticos tienen un
mayor rango de compresión y además existen diferencias en cuanto al uso y
estructura.
Se clasifican en actuadores
lineales y giratorios.
ACTUADORES NEUMÁTICOS LINEALES
El cilindro neumático
consiste en un cilindro cerrado con un pistón en su interior que desliza y que
transmite su movimiento al exterior mediante un vástago. Se compone de las
tapas trasera y delantera, de la camisa donde se mueve el pistón, del propio
pistón, de las juntas estáticas y dinámicas del pistón y del anillo rascador
que limpia el vástago de la suciedad.
Los cilindros
neumáticos independientemente de su forma constructiva, representan los
actuadores más comunes que se utilizan en los circuitos neumáticos. Existen dos
tipos fundamentales de los cuales derivan construcciones especiales.
- Cilindros de simple efecto, con
una entrada de aire para producir una carrera de trabajo en un sentido.
- Cilindros de doble efecto, con
dos entradas de aire para producir carreras de trabajo de salida y retroceso.
Cilindros de simple efecto
Un cilindro de simple
efecto desarrolla un trabajo sólo en un sentido. El émbolo se hace retornar por
medio de un resorte interno o por algún otro medio externo como cargas,
movimientos mecánicos, etc. Puede ser de tipo “normalmente dentro” o
“normalmente fuera”.
Los cilindros de
simple efecto se utilizan para sujetar, marcar, expulsar, etc. Tienen un
consumo de aire algo más bajo que un cilindro de doble efecto de igual tamaño.
Sin embargo, hay una reducción de impulso debida a la fuerza contraria del
resorte, así que puede ser necesario un diámetro interno algo más grande para
conseguir una misma fuerza. También la adecuación del resorte tiene como
consecuencia una longitud global más larga y una longitud de carrera limitada,
debido a un espacio muerto.
Tipos de cilindros de simple efecto:
Cilindros de émbolo,
cilindros de membrana, cilindros de membrana enrollable.
Cilindros de émbolo:
Cilindros de doble efecto
Los cilindros de
doble efecto son aquellos que realizan tanto su carrera de avance como la de
retroceso por acción del aire comprimido. Su denominación se debe a que emplean
las dos caras del émbolo (aire en ambas cámaras), por lo que estos componentes
sí pueden realizar trabajo en ambos sentidos. Sus componentes internos son
prácticamente iguales a los de simple efecto, con pequeñas variaciones en su
construcción.
El campo de aplicación de los cilindros de
doble efecto es mucho más extenso que el de los de simple, incluso cuando no es
necesaria la realización de esfuerzo en ambos sentidos. Esto es debido a que,
por norma general (en función del tipo de válvula empleada para el control),
los cilindros de doble efecto siempre contienen aire en una de sus dos cámaras,
por lo que se asegura el posicionamiento.
Para poder realizar
un determinado movimiento (avance o retroceso) en un actuador de doble efecto,
es preciso que entre las cámaras exista una diferencia de presión. Por norma
general, cuando una de las cámaras recibe aire a presión, la otra está
comunicada con la atmósfera, y viceversa.
En definitiva, podemos afirmar que
los actuadores lineales de doble efecto son los componentes más habituales en
el control neumático. Esto es debido a que:
- Se tiene la
posibilidad de realizar trabajo en ambos sentidos (carreras de avance y
retroceso).
- No se pierde fuerza
en el accionamiento debido a la inexistencia de muelle en oposición.
- Para una misma
longitud de cilindro, la carrera en doble efecto es mayor que en disposición de
simple, al no existir volumen de alojamiento.
ACTUADORES NEUMÁTICOS GIRATORIOS.
Los actuadores
rotativos o giratorios son los encargados de transformar la energía neumática
en energía mecánica de rotación. Dependiendo de si el móvil de giro tiene un
ángulo limitado o no, se forman los dos grandes grupos a analizar:
Actuadores
de giro limitado
Son aquellos que proporcionan movimiento de
giro pero no llegan a producir una revolución (exceptuando alguna mecánica
particular como por ejemplo piñón – cremallera). Existen disposiciones de
simple y doble efecto para ángulos de giro de 90º, 180º..., hasta un valor
máximo de unos 300º (aproximadamente).
Motores neumáticos
Proporcionan un
movimiento rotatorio constante. Se caracterizan por proporcionar un elevado
número de revoluciones por minuto.
ACTUADORES DE GIRO LIMITADO
Actuador de paleta:
El actuador de giro de tipo paleta quizá sea el más representativo dentro del grupo
que forman los actuadores de giro limitado. Estos actuadores realizan un movimiento
de giro que rara vez supera los 270º, incorporando unos topes mecánicos que
permiten la regulación de este giro. Están compuestos por una carcasa, en cuyo
interior se encuentra una paleta que delimita las dos cámaras. Solidario a esta
paleta, se encuentra el eje, que atraviesa la carcasa exterior. Es precisamente
en este eje donde obtenemos el trabajo, en este caso en forma de movimiento
angular limitado. Tal y como podemos apreciar en la figura, el funcionamiento
es similar al de los actuadores lineales de doble efecto.
Estos componentes
presentan ventajas propias de los componentes de última generación, tal y como
amortiguación en final de recorrido, posibilidad de detección magnética de la
posición (mecánica o magnética), etc. La detección mecánica se ejecuta mediante
elementos móviles exteriores ajustables en grado mediante nonio graduado.
Los cilindros que
funcionan como actuadores giratorios, de giro limitado, son el cilindro
giratorio de pistón-cremallera-piñón en el que el movimiento lineal des pistón
es transformado en un movimiento giratorio mediante un conjunto de piñón y
cremallera y el Cilindro de aletas giratorias de doble efecto para ángulos
entre 0° y 270°. En la siguiente figura el cilindro pistón-cremallera-piñón:
Motores de aire comprimido
Su ángulo de giro no
está limitado, hoy es uno de los elementos de trabajo más empleados que
trabajan con aire comprimido.
Tipos de motores
-embolo
-aletas
-engranajes
Motores de émbolo
Su accionamiento se
realiza por medio de cilindros de movimiento alternativo, el aire comprimido
acciona a través de una biela el cigüeñal del motor.
La potencia de estos
motores depende:
a.- de la presión de
entrada
b.- del número de
émbolos
c.- de la superficie
y velocidad de los émbolos.
Existen dos tipos de
motores de émbolos
a.- Motor de émbolo
axial
b.- Motor de émbolo
radial
El funcionamiento de
ambos es idéntico.
Constan de cinco
cilindros dispuestos axialmente, la fuerza se transforma por medio de un plato
oscilante en un movimiento rotativo. El aire lo reciben dos cilindros
simultáneamente al objeto de equilibrar el par y obtener un funcionamiento
normal. Estos motores se ofrecen para giro a derechas y a izquierdas.
Motores de aletas
Son de construcción
sencilla y por tanto de reducido peso, constan de un rotor excéntrico dotado de
ranuras, el cual gira en una cámara cilíndrica. En las ranuras se deslizan unas
aletas, que son empujadas contra la pared interior del cilindro por el efecto
de la fuerza centrífuga, y en otros casos por medio de resortes o muelles,
garantizándose así la estanqueidad de las diversas cámaras.
Es suficiente una
pequeña cantidad de aire para empujar las aletas, y se va dilatando a medida
que el volumen de la cámara aumenta
Motor de engranajes
En estos motores, el
par de rotación es generado por la presión que ejerce el aire sobre los flancos
de los dientes de los piñones engranados, uno de los piñones es solidario con
el eje del motor.
Estos motores se
utilizan generalmente en máquinas propulsores de gran potencia, su sentido de
rotación es reversible.
ACTUADORES HIDRÁULICOS LINEALES
Los cilindros
hidráulicos de movimiento lineal son utilizados comúnmente en aplicaciones
donde la fuerza de empuje del pistón y su desplazamiento son elevados.
Los cilindros
hidráulicos pueden ser de simple efecto, de doble efecto y telescópicos.
- En el primer tipo,
el fluido hidráulico empuja en un sentido el pistón del cilindro y una fuerza
externa (resorte o gravedad) lo retrae en sentido contrario. El cuerpo del
cilindro es la caja externa tubular y contiene el pistón, el sello del pistón y
el vástago. “Calibre” es el término usado para indicar el diámetro del pistón.
El extremo del pistón del cilindro (algunas veces llamado “extremo ciego”) se
conoce como el extremo de la cabeza. El extremo desde el cual el vástago se
extiende y se retrae se conoce como el extremo del vástago.
- El cilindro de
acción doble utiliza la fuerza generada por el fluido hidráulico para mover el
pistón en los dos sentidos, mediante una válvula de solenoide.
El cilindro de acción
doble es el accionador hidráulico más común utilizado actualmente y se usa en
los sistemas del implemento, la dirección y otros sistemas donde se requiera
que el cilindro funcione en ambas direcciones.
El calibre del
cilindro es el término que indica el diámetro interno del cilindro. Un cilindro
de calibre grande produce un mayor volumen por unidad de longitud que un
cilindro de calibre pequeño. Para mover un pistón la misma distancia, un cilindro
de calibre grande necesita más aceite que un cilindro de calibre menor. Por
tanto, para un régimen de flujo dado, un cilindro de calibre grande se mueve más
lentamente que un cilindro de calibre pequeño. El área efectiva de un cilindro
es el área del pistón y de sello de pistón sobre la cual actúa el aceite.
El volumen de aceite
necesario para llenar el extremo del vástago del cilindro es menor que el
volumen de aceite necesario para cubrir el extremo de la cabeza del cilindro.
Por tanto, para un régimen de flujo dado, el vástago del cilindro se retrae más
rápido que el tiempo que tarda en extenderse.
Amortiguadores
La figura muestra un
cilindro con amortiguadores.
Cuando un cilindro en
movimiento llega a un extremo muerto (como sucede al final de la carrera del
cilindro), la acción que experimenta se conoce como “carga de choque”. Cuando
un cilindro está sujeto a una carga de choque, se usan amortiguadores para
minimizar el efecto.
Cuando el pistón se
aproxima al final de la carrera, el amortiguador se mueve dentro del conducto
de aceite de retorno y restringe el flujo de aceite de retorno del cilindro. La
restricción produce un aumento de la presión de aceite de retorno entre el
conducto del aceite de retorno y el pistón. El aumento de la presión de aceite
produce un “efecto de amortiguación” que reduce el movimiento del pistón y
minimiza el choque que ocurre al final de la carrera.
ACTUADORES HIDRÁULICOS ROTATIVOS
Motor hidráulico
El motor hidráulico
convierte la energía hidráulica en energía mecánica. El motor hidráulico usa el
flujo de aceite enviado por la bomba y lo convierte en un movimiento rotatorio
para impulsar otro dispositivo (por ejemplo, mandos finales, diferencial,
transmisión, rueda, ventilador, otra bomba, etc.).
2.3.2 SELECCIÓN DE
ACTUADORES.
Toda máquina que realiza un trabajo necesita de un
actuador que ejerza cierta energía para que éste pueda ser automatizado y de
esta manera pueda prescindir de la supervisión constante de un humano, esto se
refleja en la mayor cantidad de producción y en la mejor calidad del trabajo
final.
¿Qué es un actuador?
Un actuador es aquel dispositivo que tiene la finalidad de transformar
cierto tipo de energía en un proceso automatizado. Dicha energía puede ser
hidráulica, neumática o eléctrica.
Tipos de actuadores
El trabajo y los procesos que realiza un actuador puede ser lineal,
rotativo, o combinado y su selección dependerá del tipo de trabajo que se
requiera realizar, por lo tanto se puede elegir de entre varios tipos de actuadores
como por ejemplo:
Actuadores Electrónicos: se utilizan mayormente en
aparatos mecatrónicos.
Actuadores Hidráulicos: son
considerados como los más antiguos, y se clasifican en 3 de acuerdo con su
forma de operación, pues éstos funcionan en base a fluidos a presión.
Actuadores Neumáticos: son
los que convierten la energía del aire comprimido en un trabajo mecánico.
Actuadores Eléctricos: sólo
requieren de energía eléctrica como fuente de poder.
Los actuadores hidráulicos, neumáticos y eléctricos son principalmente
utilizados para manejar aparatos mecatrónicos.
Usos y aplicaciones de los actuadores neumáticos o eléctricos en la
industria
La aplicación de los actuadores está dirigida a cualquier tipo de
válvula industrial como por ejemplo:
- Válvula
de bola
- Válvula
de compuerta
- Válvula
tipo globo
- Válvula
tipo mariposa
Además también se clasifican dependiendo de su aplicación en diámetros
de ¼ a 38 pulgadas y con posicionadores y/o cajas de switches solenoides.
Proveedores de actuadores neumáticos o eléctricos
A continuación le presentamos a Suministros Industriales y Proyectos de
Ingeniería (SUINPI) proveedor de actuadores neumáticos o eléctricos:
Suministros Industriales y
Proyectos de Ingeniería (SUINPI) es una empresa constituida en 1997, en el Estado
de México, la cual proporciona el servicio de comercialización y puesta en
marcha de proyectos a la industria mexicana en todos sus segmentos.
SUINPI le presenta algunos criterios indispensables que se deben de
considerar a la hora de seleccionar actuadores neumáticos o eléctricos,
como por ejemplo:
Criterios para la selección de actuadores neumaticos o eléctricos
La selección correcta de un actuador para válvulas industriales nos dará
como beneficio el ahorro aire, energía, paro de líneas de producción o
proceso, golpes de ariete:
1.- Torque de la válvula + factor de seguridad
2.- Presión diferencial en la válvula
3.- Fluido a manejar
4.- Tipo de actuador (Neumático o Eléctrico)
5.- Suministro de aire al actuador
6.- Voltaje, nema
Permítanos ser partícipes de sus áreas de automatización, en el mercado
contamos con 20 años de experiencia que nos avalan como una empresa confiable,
pues somos “la mejor respuesta al mejor costo beneficio
“.
No se deje engañar con la selección de actuadores para válvulas
industriales, elija la selección correcta del actuador (neumático o eléctrico)
para válvulas industriales y no le vendan o propongan actuadores muy chicos o
muy grandes que son caros y sin refacciones.
2.4 VÁLVULAS DE VÍAS NEUMÁTICAS E
Válvulas neumáticas.
Las válvulas neumáticas tienen una gran importancia dentro del mundo de
la neumática. Por este hecho, se ha diseñado una sección solamente para tratar
de ellas.
En esta sección veremos las diferentes clases de válvulas que existen, con
detalle.
Para empezar vamos a clasificarlas, de esta forma sabremos lo que nos podemos
encontrar al navegar por esta sección:
1. Válvulas de
distribución. Como su propio nombre indica son las encargadas de
distribuir el aire comprimido en los diferentes actuadores neumáticos, por
ejemplo, los cilindros.
2. Válvulas de bloqueo.
Son válvulas con la capacidad de bloquear el paso del aire comprimido cuando se
dan ciertas condiciones en el circuito.
3. Válvulas reguladoras.
Aquí nos encontramos con las válvulas que regulan el caudal y las válvulas que
regulan la presión.
4. Válvulas secuenciales.
Las válvulas neumáticas son considerados elementos de mando, de hecho,
necesitan o consumen poca energía y a cambio, son capaces de gobernar una
energía muy superior. Asimismo, cada clase de válvula mencionado tiene sus
diferentes tipos:
Válvulas de distribución.
Se pueden clasificar de varias maneras, por su construcción interna, por
su accionamiento y por el número de vías y posiciones.
La clasificación más importante es por el número de vías y posiciones, aunque
en este tipo de clasificación no se tiene presente su construcción ni el
pilotaje que lleva.
Si tenemos la clasificación de estas válvulas por su tipo de accionamiento,
tendremos la información precisa para saber si la válvula acciona directamente
o indirectamente.
En cambio, si hacemos una clasificación por su construcción física, sabremos si
es de corredera, de disco o de asiento.
Válvulas de bloqueo.
En este tipo de válvulas encontraremos, válvulas antirretorno, de
simultaneidad, de selección de circuito y de escape.
Válvulas de regulación.
En esta clase de válvulas encontraremos que tipo de regulación hacen, si
son con aire de entrada o de salida, y las válvulas de presión.
Desde esta sección tenéis acceso a toda esta información y de forma ordenada,
para no perdernos con las válvulas, ya que cada clase de válvula tiene
diferentes tipos, y resulta interesante conocerlas
Las
válvulas de regulación y control, se nombran y representan con arreglo a su
constitución, de manera que se indica en primer lugar el número de vías
(orificios de entrada o salida) y a continuación el número de posiciones.
Válvulas hidráulicas
Las válvulas hidráulicas son elementos
ampliamente utilizados en las redes hidráulicas y en general en todo tipo de
sistemas de distribución de agua.Estando la cámara de la válvula (parte superior de la membrana) conectada a la atmósfera, la presión del agua del interior de la tubería empuja la membrana hacia arriba, abriendo la válvula y por lo tanto el paso del agua. Cuando se comunica a la cámara de la válvula básica, es decir abierta-cerrada. El funcionamiento en regulación se basa en la utilización de todos los puntos intermedios entre estos extremos: abierta y cerrada. Esta función de regulación se realiza mediante la conexión de un piloto. A las válvulas hidráulicas se les pueden conectar varios pilotos para realizar regulaciones multifuncionales o adaptarse a las diferentes aplicaciones prácticas. Las válvulas hidráulicas están disponibles en tamaños que van desde 3/4'' hasta 12" y en tres tipos de material: plástico (de 1" a 3"), bronce (de 3/4" a 2") y fundición de hierro (de 2" a 12"), éstas recubiertas con pintura epoxi. Accesorios y dispositivos de control para las válvulas hidráulicas. Las válvulas hidráulicas, tal como hemos visto, permiten abrir y cerrar el paso del fluido por la tubería. Añadiendo diferentes accesorios y pilotos podemos construir circuitos hidráulicos que realicen regulaciones automáticas específicas, pudiendo modelar así a voluntad el funcionamiento básico de la válvula. Estos circuitos hidráulicos están constituidos por accesorios que no intervienen de forma dinámica en la regulación, tales como conectores, tubos de cobre o plástico, válvulas de cierre, válvulas de aguja, filtros de toma, etc. y otros que si intervienen de manera directa, son los llamados "pilotos". Otro accesorio que se instala en las válvulas hidráulicas son los solenoides, estos forman un conjunto con la válvula denominándose electroválvula. A continuación describimos estos dos accesorios que se instalan en las válvulas.
Existen dos técnicas en cuanto a pilotaje: el pilotaje a 3 vías y el pilotaje a 2 vías. Todos los pilotos están formados por un dispositivo que actúa sobre un vástago o pistón. En el piloto de 3 vías, (figura 6.12.) este vástago actúa como un selector que comunica un paso o puerto común a la cámara de la válvula y uno de los otros puertos a la presión, el desplazamiento del vástago conecta la cámara a la atmósfera para abrir la válvula o bien la presuriza para cerrarla. El piloto podrá estar actuando de forma manual, eléctricamente o por una señal de presión. El control de dos vías requiere la conexión de la cámara con la presión antes de la válvula y aguas debajo de la misma, tal como se indica en la figura 6.13.El piloto actúa como un regulador de flujo situado en el tramo de la tubería de aguas abajo que puede estar abierto, cerrado o semiabierto. Con estas posiciones del piloto, la válvula actúa respectivamente abriendo, cerrando totalmente, o modulando la regulación deseada, (figura 6.14). La regulación se produce gracias a la relación entre la restricción producida por la válvula de aguja de la toma de presión y la del piloto. Si el paso del piloto es más grande que el orificio de restricción de válvula de aguja, más cantidad de agua pasará a su través de la que pueda entrar a través de la válvula de aguja y por lo tanto se producirá una disminución del volumen de agua en la cámara y la válvula se abrirá. Si por el contrario el paso a través del piloto es más pequeño, la válvula se cerrará debido al mayor caudal hacia el interior de la cámara. Con la válvula de aguja además, podremos regular el tiempo de cierre de la válvula. Cada uno de estos sistemas de control presenta unas ventajas e inconvenientes que deben tenerse en cuenta al valorar la elección de uno u otro en cada caso particular:
El solenoide consiste básicamente una bobina de cobre en cuyo interior se encuentra un núcleo ferromagnético, de tal forma que cuando la bobina o recibe tensión, el núcleo adopta una posición de reposo y al recibir tensión cambia su posición, pasando al estado de excitación. Con este cambio de posición del núcleo se produce la ecuación hidráulica de la válvula, ya sea su apertura o bien su cierre (ver figura 6.15) Los solenoides pueden ser clasificados en función de diferentes conceptos:
- continua: 12 V. 24 V. 110 V.
- Normalmente cerrado (N.C.): la posición de reposo permite la comunicación de C (comando) con E (drenaje) el paso P-C está cerrado.
- Potencia: 2.5, 5.5 y 8 W. - Conexiones: rosca hembra 1/4" o 1/8". En la figura 6.15. se representa un solenoide típico de tres vías normalmente abierto (N.O.). En la posición de la izquierda el solenoide se halla en reposo (sin tensión), con lo que se permite la comunicación entre la presión de tubería (P) y el comando (C). En la posición de la derecha el solenoide se halla excitado (con tensión), lo cual origina el levantamiento del pistón y la consiguiente comunicación entre C (comando) y E (drenaje). Para definir un solenoide es necesario indicar: tensión de excitación, 2 ó 3 vías, funcionamiento N.O. o N. C., paso, diámetro de las conexiones y potencia. Aplicaciones de las válvulas hidráulicas Como ya se ha comentado anteriormente, las válvulas, gracias a la intervención de los diferentes pilotos, permiten realizar un elevado número de funciones de control automático, aplicables en cualquier punto de una instalación hidráulica. Este apartado tiene por objeto poner de manifiesto este carácter multifuncional de las válvulas, mostrando su funcionamiento, esquemas prácticos y las posibles aplicaciones de las funciones principales.
Usualmente se utilizan solenoides de tres vías normalmente abiertos (N.O.), de tal forma que la válvula quede cerrada cuando no se alimenta eléctricamente el solenoide. Según los casos, puede ser necesario utilizar solenoides normalmente cerrados (N.C.). Los esquemas de montaje de ambas funciones se muestran en la figura 6.16. De acuerdo a la figura 6.16. (derecha), cuando el solenoide no está excitado, P y C se encuentran conectados, con lo cual la presión de la red es llevada a la cámara y la válvula cierra. Cuando llega tensión al solenoide, este comunica C con E, drenándose la cámara con la consiguiente apertura de la válvula. Debe tenerse en cuenta que cuando se utilizan solenoides de tres vías N.O. la válvula se convierte en N.C. y viceversa. En la tabla 6.1 se relaciona la función del solenoide sobre la válvula y su estado en función del tipo de solenoide y de la presencia o no de señal de actuación También hay solenoides de dos vías, los cuales suelen utilizarse para los montajes combinados o multifuncionales de dos vías. La actuación a partir de una señal eléctrica permite controlar la válvula hidráulica a distancia mediante el correspondiente tendido de cable (figura 6.17). Sin lugar a dudas, la elección de la sección de cable idóneo es un factor importante para el buen funcionamiento de la instalación. Secciones de cable excesivamente pequeñas impedirían que la tensión en la electroválvula fuera la suficiente para permitir su funcionamiento. En la tabla se indican las secciones de cable idóneas para diferentes potencias de solenoide, en función del número de ellos que funcione simultáneamente. Es importante también no trabajar con una tensión superior a la nominal del solenoide, ya que se podrían producir roturas de bobina. Los márgenes de tensión tolerados son de +10% y -10%. Es decir, para un solenoide de 24 V el funcionamiento adecuado se da entre 21,6 V y 26,4 V.
Estas válvulas son de aplicación necesaria en puntos donde se requiere una disminución de la presión; para adecuarla al consumo o utilización (tal como se indica en la figura 6.18), para proteger tuberías o accesorios de menor timbraje o para romper la presión estática. Las válvulas reductoras de presión se montan con pilotos reductores cuyo sensor se conecta precisamente aguas abajo de la válvula. Los pilotos podrán ser de tres o de dos vías, dependiendo de las condiciones de la instalación y de las necesidades de regulación. La presión se regula mediante el tornillo de ajuste del piloto. Al apretarlo, se aumenta la presión a la salida de la válvula hidráulica y se disminuye al aflojarlo. Cuando aguas abajo de la válvula tenemos una presión superior a la ajustada, el piloto actúa de tal forma que la cámara se presuriza y la válvula se cierra lentamente, con lo cual la presión aguas abajo disminuye. Cuando aguas debajo de la válvula tenemos una presión inferior a la ajustada, el piloto actúa drenando la cámara, con lo cual la válvula se abre, aumentado de esta manera la presión a la salida de la misma. En la condición de equilibrio, el piloto actúa de tal forma que el volumen de agua dentro de la cámara no varia, con lo cual la válvula se encuentra en una posición intermedia fija realizando la regulación para obtener a la salida la presión ajustada previamente. Cualquier cambio de las condiciones de la instalación que genere una variación de presión en dicho punto es detectado por el piloto que actuará sobre la válvula para recuperar el punto de equilibrio.
La función sostenedora consiste en mantener la válvula hidráulica cerrada o semicerrada mientras la presión de entrada no alcance un determinado valor. Dicho valor se determina mediante el tornillo de ajuste de piloto. Cuando la presión de entrada llega a este valor de ajuste, la válvula abre, manteniendo como mínima dicha presión a la entrada de la válvula. Estas válvulas son de aplicación en instalaciones donde se desee mantener una presión hidráulica mínima, como por ejemplo en las salidas de grupos de bombeo, para evitar que las bombas trabajen sin contrapresión (tuberías vacías) o en ramales de una tubería de consumo a diferente cota, asegurando una presión de línea y evitando que las cotas inferiores se vean favorecidas frente a las superiores (ver figura 6.19) Las válvulas sostenedoras de presión se instalan en línea en la tubería y se montan con pilotos sostenedores cuyo sensor se conecta aguas arriba de la válvula. Según las necesidades y circunstancias, los pilotos pueden ser de dos vías o tres vías. Cuando aguas arriba de la válvula tenemos una presión inferior a la ajustada, el piloto actúa llenando la cámara con lo que la válvula tiende a cerrar lentamente. Al cerrar la válvula, la presión a la entrada aumenta. Cuando aguas arriba de la válvula se incrementa la presión por encima de la ajustada, el piloto actúa drenan do la cámara de la válvula con lo cual ésta tiende a abrir lentamente, disminuyendo por tanto la presión a la entrada. En el punto de equilibrio, el piloto impide la entrada o salida de agua de la cámara, con lo que la válvula se sitúa en una posición fija de regulación, manteniendo a la entrada la presión deseada. Cualquier cambio de las condiciones de presión debido a variaciones del consumo o de suministro es detectado por el piloto, el cual actuará para contrarrestar el efecto.
Son por lo tanto válvulas de seguridad que se montan en derivación a la tubería, con descarga a la atmósfera (tal como se muestra en la figura 6.20) o a la entrada de la bomba en caso de estar situada cerca de la misma. Es conveniente que el tramo de tubería inmediatamente anterior y posterior a la válvula de alivio no sea muy largo para evitar pérdidas de carga y contrapresiones que podrían perjudicar el funcionamiento de alivio. Las válvulas de alivio de presión se instalan en puntos donde se desee proteger las instalaciones de sobrepresiones puntuales, tales como tuberías, accesorios, equipos, etc. es muy recomendable, prácticamente imprescindible, su instalación a la salida de grupos de bombas con el fin de aliviar las sobrepresiones que se pudieran producir en el arranque y paro de los equipos, ya sea por mal funcionamiento de los grupos o bien por una mala maniobra fortuita sobre la instalación. Se recomienda asimismo instalar antes de la válvula de alivio una válvula de compuerta de accionamiento manual para regulación y aislamiento. Las válvulas de alivio rápido se instalan con pilotos de alivio cuyo sensor se conecta aguas arriba de la válvula.
En tales instalaciones, si son de impulsión con grupo de bombeo, se recomienda la instalación de las válvulas anticipadoras de onda, las cuales son una combinación de una válvula de alivio rápido de presión y una válvula de apertura a baja presión. Cuando la instalación está funcionando en condiciones normales, la tubería está presurizada a la presión de trabajo de la instalación. Cuando se produce el paro de bomba, tienen lugar primeramente un descenso de la presión (onda negativa del golpe de ariete) y a continuación, una sobrepresión brusca (onda positiva del golpe de ariete). Pues bien, la válvula anticipadora de onda es capaz de detectar el primer descenso de presión para empezar a abrir la salida de descarga, de tal modo que cuando llega la sobrepresión, la válvula ya se encuentra abierta, produciéndose la descarga mucho más rápidamente. La válvula sigue abierta en condiciones de alta presión en la tubería, cerrando cuando desciende a la presión estática del sistema. Tal como se indica en la figura siguiente, y al igual que la válvula de alivio, la anticipadora de onda se monta en derivación a la tubería principal, después de la válvula de retención. Es conveniente no instalar la válvula directamente en la tubería, sino que es preferible dejar un tramo de tubería en derivación, colocando antes de la válvula anticipadora de onda una válvula de compuerta de racionamiento manual que permita ajustar el paso de agua y aislar la válvula en caso de realizar el mantenimiento. El tubo de sensor de los pilotos no se conecta al cuerpo de la válvula, lo hace directamente a al tubería principal mediante una toma realizada a tal efecto. Válvula limitadora de caudal (FR) En las redes de distribución de agua para servicio o de suministro a la demanda, en las que existe un elevado número de usuarios conectados a la tubería principal, pueden ocurrir que un exceso de caudal consumido en un punto favorecido de la red afecte la presión de otros puntos más alejados o de mayor cota topográfica, dándose el caso de que a estos puntos no les llegue el suministro de agua. Con la instalación de válvulas limitadoras de caudal se consigue evitar los consumos excesivos punta, las caídas de presión y las deficiencias de suministro a otros puntos. Las válvulas limitadoras de caudal permiten limitar el caudal de agua circulante, asegurando que éste sea igual o inferior al ajustado. El montaje se realiza según la figura 6.22, utilizando el piloto diferencial. El caudal se determina por la pérdida de carga que se produce en una placa orificio colocada aguas arriba de la válvula. Al aumentar el caudal, la pérdida se carga aumenta. La placa orificio se dimensiona para producir una pérdida de carga de 2 a 3 metros al caudal limitado. La diferencia de presión se lleva al piloto, el cual actúa abriendo o cerrando la válvula según el caso. El piloto dispone de un tornillo en su parte superior mediante el cual es posible ajustar la pérdida de carga permitida en la placa orificio, y por lo tanto el caudal de agua que atraviesa la válvula. Al enroscar el tornillo se aumenta el caudal máximo permitido y se reduce al desenroscar. Cuando el caudal aumenta como consecuencia de una fluctuación de la demanda, el incremento de pérdida de carga producida en la placa orificio, provoca el cambio de posición del piloto, conectando momentáneamente 4 con 3 empezando a cerrar la válvula. Cuando esto sucede, el caudal disminuye hasta alcanzar de nuevo el valor ajustado y el piloto deja de enviar presión a la cámara, quedando la válvula en una nueva posición fija de regulación.
En tales instalaciones, una rotura en la parte inferior de al red puede producir graves inundaciones, con las pérdidas de todo tipo que ello supone: inundación de viviendas y pisos, vías públicas, campos de cultivo anegados, pérdida de grandes cantidades de agua, etc. Para evitar esta posibilidad se recurre a la instalación de válvulas de control antirroturas. Dichas válvulas controlan en todo momento el caudal circulante. Si debido a una avería o rotura de la tubería se produce un incremento de caudal excesivo, la válvula lo detecta y provoca el cierre total del paso de agua. Esto se realiza mediante el piloto diferencial que detecta el aumento de la pérdida de carga en la placa orificio. Una vez que la válvula se ha cerrado debido a un exceso de caudal, no vuelve a abrirse hasta que no se realice una apertura manual accionando la válvula de tres vías dispuesta en la tapa de la válvula. Esto se hará una vez reparada la rotura de la tubería. Una vez abierta completamente la válvula y puesta en servicio de nuevo, se volverá a coloca la válvula de tres vías a la posición de automático.
Las válvulas de control de nivel se montan con pilotos de boya de dos vías, como se muestra en la figura 6.25. Cuando el nivel de agua en el depósito llega a su punto máximo, el piloto de boya cierra el paso de agua a su través, acumulándose la presión de agua en la cámara de la válvula y cerrándose ésta. Cuando el nivel de agua en el depósito desciende debido al consumo, el piloto de boya también desciende, abriendo el paso de agua a su través y drenando la cámara, lo cual abre la válvula hidráulica. Si la entrada de agua al depósito tiene lugar por la parte superior, la caída del agua puede producir una turbulencia importante que puede afectar al piloto de flotador. En tal caso se recomienda proteger el piloto mediante un deflector adecuado. Si la presión de salida del agua es muy grande (superior a 2 Kg/cm2) y con el fin de reducir los efectos de cavitación sobre la válvula, se recomienda la instalación detrás de la válvula de una placa orificio de contrapresión o un codo difusor.
Gracias a que el flotador puede desplazarse libremente a lo largo del eje vertical, es posible determinar un diferencial entre la orden de apertura y cierre de la válvula. Esto se realiza gracias a los topes ajustables sujetos al eje vertical. Cuando el depósito se vacía por debajo del nivel mínimo, el piloto actúa sobre la válvula abriéndola. A medida que el depósito se va llenando, la válvula sigue totalmente abierta hasta que el agua alcanza el nivel máximo, momento en el cual la válvula cierra totalmente. A medida que el nivel de agua desciende debido al consumo normal del depósito, la válvula sigue cerrada hasta que no se alcance el nivel mínimo. Si la entrada de agua al depósito tiene lugar por la parte superior, la caída del agua puede producir una turbulencia importante que puede afectar al piloto de flotador. En tal caso se recomienda proteger el piloto mediante un deflector adecuado. Si la presión de salida del agua es muy grande (superior a 2 Kg/cm2) se recomienda la instalación detrás de la válvula de un placa orificio de contrapresión o un codo difusor, a fin de reducir los efectos de cavitación sobre la misma.
La válvula puede estar controlada para cerrar por nivel alto o por nivel bajo del agua de un depósito. La instalación del piloto se realiza tal como se indica en la figura 6.27. El ajuste de nivel se realiza girando el tornillo superior del piloto, mientras que con el tornillo inferior se ajusta el nivel diferencial de actuación que define el intervalo entre el nivel máximo y el nivel mínimo.
La válvula está gobernada por la acción de un solenoide, un acelerador y las válvulas de aguja reguladoras de la velocidad de actuación, así como por el cuadro eléctrico de la bomba. La válvula se monta en línea en la tubería después del grupo de impulsión, tal como se muestra en la figura 6.28. El funcionamiento de la válvula consiste en lo siguiente: al poner la bomba en marcha la válvula está cerrada, activándose el solenoide para que se abra lentamente. La presión de la red se incrementa de forma gradual, hasta que se alcanza la posición de válvula totalmente abierta, con lo cual se reduce la pérdida de carga en la válvula. Cuando se desea parar la bomba y se actúa sobre el interruptor de paro del cuadro eléctrico, lo primero que sucede es que se desactiva el solenoide con lo cual la válvula empieza a cerrar lentamente, reduciendo gradualmente la presión en la red. La bomba sigue funcionando. Cuando la válvula está casi cerrada el interruptor final de carrera de la parte superior de la misma manda una señal a cuadro eléctrico de la bomba para parar ésta. En caso de fallo de tensión la válvula cierra completamente gracias a la T selectora que toma la presión aguas debajo de la válvula (de la columna estática de la instalación). Para estas situaciones es recomendable a colocación de una válvula de alivio rápido (QR) después de válvula de control de bombeo (BC) para proteger la instalación.
En este tipo de instalaciones, la válvula de control de bombeo (BC) vista en el apartado anterior no es suficiente, ya que no es posible ajustar las válvulas de aguja para que la apertura sea tan lenta como para garantizar el llenado de la tubería. Por esta razón, la válvula de control del bombeo con apertura en dos etapas incluye además un piloto que controla la presión de llenado de la tubería. La figura 6.29, muestra la instalación de la válvula de control de bombeo con apertura en dos etapas (BC/TO).
2.4.1 CARACTERÍSTICAS DE LAS VÁLVULAS SEGÚN EL TIPO DE CONSTRUCCIÓN
Externamente, las válvulas pueden considerarse como una caja negra con
una serie de orificios que sirven para la entrada y salida del aire comprimido.
La forma en que se conectan dichos orificios, en una posición estable,
constituye un estado de la válvula, lo que habitualmente se denomina posición.
Los orificios se llaman vías.
Las válvulas se componen de dos o mas posiciones, esto es, dos o mas
formas de conectar las vías. De la contrario, no tendrían mucho sentido, ya que
funcionarían como simples tuberías. Para cambiar de una posición a otra se
dispone de unos mandos en la propia válvula. Por lo general, existe una
posición de reposo, que es aquella en la que no se actúa sobre los mandos.
El número de vías y de posiciones de la válvula identifica el
funcionamiento de la misma, independientemente de la forma constructiva y del tipo
de mando que la active. Por este motivo, las válvulas se representan
simbólicamente mediante esquemas que dan una idea clara y concisa de su
funcionamiento. De hecho, en la nomenclatura de las válvulas se dice primero el
número de vías, seguido del de posiciones. Posteriormente, se menciona el tipo
de funcionamiento en reposo, si procede (normalmente abierta o normalmente
cerrada), y los dos tipos de mandos que permutan la válvula (primero el que
cambia la posición de reposo a la activa, y luego el que pasa de nuevo a la
posición de reposo). Opcionalmente, se puede mencionar la forma constructiva
antes de toda la nomenclatura.
Para representar las válvulas se utilizan símbolos; estos símbolos de ninguna manera representan el sentido constructivo del elemento, su labor es únicamente dar una idea de su funcionamiento.
En neumática a diferencia de la hidráulica, no suelen utilizarse
válvulas de más de 4 vías. En la siguiente figura se muestra la representación
de válvulas de 2 y 3 posiciones y de 2, 3, 4 y 5 vías.
La designación de una válvula está en función de su cantidad de vías y
la cantidad de posiciones que pueda tener.
Por ejemplo, una válvula de 3/2 significa una válvula de 3 vías y 2
posiciones; una de 5/3, una válvula de 5 vías y 3 posiciones.
Las posiciones que adopta el órgano distribuidor se representan por
cuadrados yuxtapuestos, tantos como posiciones existan, dibujados una a
continuación de otro. Así, dos cuadrados representan una válvula de dos
posiciones, mientras que tres cuadrados representan una de tres posiciones. En
neumática el caso más frecuente es el de las válvulas de 2 o 3 posiciones.
Una válvula que tenga en su símbolo dos cuadrados, dos posiciones, tres
conexiones, tres vías; la designación se hace de la siguiente manera:
Válvula 3/2 vías.
En donde el numerador, es éste caso tres, indica el número de vías y el
denominador dos, indica el número de posiciones.
También se debe aclarar si en la posición cero, existe o no flujo de
aire. Esto se indica de la siguiente manera:
Para las válvulas de dos posiciones, la posición de reposo esta indicada
por el cuadro de la derecha.
En el caso de una válvula de tres posiciones, la posición de reposo es
representada por el cuadro central.
Las conexiones con tomas de presión (unión de tuberías que enlazan con
el compresor) y escape ( unión directa o por tubería a la atmósfera) son muy
comunes y por este motivo se muestran en la siguiente figura.
 La forma constructiva de las válvulas no es lo mas importante a la hora de seleccionar una cuando se diseña una instalación. Sin embargo, es interesante conocer las distintas formas constructivas de las válvulas, así como sus limitaciones y usos habituales. A grandes rasgos, las válvulas distribuidoras se componen de un cuerpo o estructura básica, un elemento móvil, y unos elementos de accionamiento, para permutar el estado de la válvula. En el cuerpo están definidos los conductos internos y los orificios de salida, roscados o no. En el se alojan todos los demás componentes, incluyendo los accesorios para la fijación en la instalación. El elemento móvil es aquel con cuyo desplazamiento se van a obtener las distintas posiciones de la válvula. El tipo de elemento móvil define la clasificación de este tipo de válvulas según la forma constructiva. Por último se encuentran los elementos de accionamiento, que son componentes necesarios para accionar la válvula. Estos son tan variados como tipos de mando existen. Para aprender el funcionamiento interno de las válvulas no es preciso disponer de las secciones reales de las mismas, salvo en el caso de fabricantes y técnicos de mantenimiento que deban manipular su interior. Por este motivo, presentaremos esquemas de las válvulas. Veremos algunas secciones a lo largo del tema, identificando cada parte, así como su funcionamiento interno, que si depende de la forma constructiva. Según el tipo de construcción, las válvulas distribuidoras se clasifican principalmente en válvulas de asiento y en válvulas de corredera.  Válvula de asiento. Válvula de asiento. Válvula de corredera. |
2.4.2 ACCIONAMIENTO DE LAS
VÁLVULAS
El accionamiento de las válvulas
se puede descomponer en cuatro tipos:
Accionamiento
manual – Se realiza generalmente mediante un pulsador, palanca
o pedal.
Accionamiento
mecánico – Se
realiza neumáticamente por el pulsador, rodillo, muelle o enclavamiento
mecánico.
Accionamiento
neumático – Se
realiza neumáticamente por presión, por depresión, por presión diferencial, por
accionamiento a baja presión o por servopilotaje.
Accionamiento
eléctrico – Se
realiza mediante un electroimán o relé, o bien mediante un imán servopilatado.
En esta tabla podemos observar los
diferentes accionamientos de las válvulas distribuidoras.
2.5 VÁLVULAS DE BLOQUEO, DE PRESIÓN Y DE FLUJO
Válvula
de bloqueo
Son válvulas destinadas a impedir,
condicionar o dificultar el paso del flujo en uno u otro
Sentido.
Válvula
anti retorno
Las válvulas anti retorno impiden el paso
absolutamente en un sentido, mientras que en el
Sentido contrario el aire circula con una pérdida
de presión mínima. La obturación en un sentido puede obtenerse mediante un
cono, una bola, un disco o una membrana que apoya sobre un asiento.
Válvulas
de presión
Estas válvulas influyen principalmente sobre
la presión, o están condicionadas por el valor
Que tome aquélla. Entre ellas destacan las
siguientes:
• Válvulas reguladoras de presión
• Válvulas limitadoras de presión
• Válvulas de secuencia.
Válvulas
de regulación de presión
Tiene la misión de mantener constante la
presión en su salida independientemente de la
Presión que exista a la entrada. Tienen como
finalidad fundamental obtener una presión invariable en los elementos de
trabajo independientemente de las fluctuaciones de la presión que normalmente
se producen en la red de distribución. La presión de entrada mínima debe
ser siempre, obviamente, superior a la exigida a la salida.
Existen dos tipos, una con orificio de escape
a la atmósfera y otra sin él, con las Características que a continuación
se explican.
Regulador
de presión con orificio de escape
Esta válvula consta de una membrana con un
orificio en su parte central presionada por un
Muelle cuya fuerza puede graduarse desde el
exterior; además dispone de un estrechamiento en su parte superior que se
modifica al ser desplazado un vástago por la membrana, siendo a su vez retenido
por un muelle (Figura 4-20).
La regulación de la presión se consigue de la
manera siguiente. Si la presión de salida es
Superior a la definida actúa sobre la
membrana oprimiendo el muelle y dejando paso el aire hacia el exterior a través
del orificio de escape. Cuando se alcanza la presión de consigna la
membrana regresa a su posición normal cerrando el escape. El estrechamiento de
la parte superior tiene como finalidad producir la pérdida de carga necesaria
entre la entrada y la salida. El muelle que dispone esta válvula auxiliar tiene
por objeto atenuar las oscilaciones excesivas.
Regulador
de presión sin orificio de escape
La válvula sin orificio de escape es
esencialmente igual a la anterior con la diferencia de
Que al no disponer de orificio de escape a la
atmósfera cuando se produce una sobrepresión es Necesario que se consuma el
aire para reducir la presión al valor de consigna. (Figura 4-21)
Válvula
limitadora de presión
Estas válvulas se abren y dejan pasar el aire
en el momento en que se alcanza una
Presión de consigna. Se disponen en paralelo
y se utilizan, sobre todo, como válvulas de
Seguridad, no admiten que la presión en el
sistema sobrepase un valor máximo admisible.
Al alcanzar
en la entrada de la válvula el aire una determinada presión, se abre la salida
y el aire salea la atmósfera. La válvula permanece abierta hasta que el muelle,
una vez alcanzada la presión ajustada, cierra de nuevo el paso. Algunas
válvulas disponen de un enclavamiento que requiere una actuación exterior para
proceder de nuevo a su cierre.
Válvula
de secuencia
Su funcionamiento es muy similar al de la
válvula limitadora de presión, la diferencia
Estriba que en vez de salir el aire a la
atmósfera al alcanzarse la presión de consigna, deja pasar el aire para
realizar un determinado cometido.
El aire no circula de P (1) hacia la salida A
(2), mientras que en el conducto de mando Z no
Se alcanza una presión de consigna. Un émbolo
de mando abre el paso de P hacia A (Figura 4-22). Estas válvulas se montan en
mandos neumáticos que actúan cuando se precisa una
Presión fija para un fenómeno de conmutación.
2.6 SENSORES
Un sensor es un
dispositivo capaz de detectar magnitudes físicas o químicas, llamadas variables
de instrumentación, y transformarlas en variables eléctricas. Las variables de
instrumentación pueden ser por ejemplo: temperatura, intensidad lumínica,
distancia, aceleración, inclinación, desplazamiento, presión, fuerza, torsión,
humedad, pH, etc. Una magnitud eléctrica puede ser una resistencia eléctrica (como en una RTD), una capacidad eléctrica (como en un sensor de humedad),
una Tensión eléctrica (como en un termopar), una corriente eléctrica (como en un fototransistor), etc.
Un sensor diferencia de un transductor en que el sensor está siempre en contacto con la variable de instrumentación con lo que puede decirse también que es un dispositivo que aprovecha una de sus propiedades con el fin de adaptar la señal que mide para que la pueda interpretar otro dispositivo. Como por ejemplo el termómetro de mercurio que aprovecha la propiedad que posee el mercurio de dilatarse o contraerse por la acción de la temperatura. Un sensor también puede decirse que es un dispositivo que convierte una forma de energía en otra
Un sensor diferencia de un transductor en que el sensor está siempre en contacto con la variable de instrumentación con lo que puede decirse también que es un dispositivo que aprovecha una de sus propiedades con el fin de adaptar la señal que mide para que la pueda interpretar otro dispositivo. Como por ejemplo el termómetro de mercurio que aprovecha la propiedad que posee el mercurio de dilatarse o contraerse por la acción de la temperatura. Un sensor también puede decirse que es un dispositivo que convierte una forma de energía en otra
Son dispositivos que cambian su
comportamiento bajo la acción de una magnitud física que pueden directa o
indirectamente transmitir una señal que indica cambio.
Ø
Directamente: la conversión de una forma de energía a otra se llaman
transductores.
Ø
Indirecta: Sus propiedades como la resistencia, la capacitancia o
inductancia.
Ø
La señal de un sensor puede ser usada para detectar y corregir las
desviaciones de los sistemas de control, e instrumentos de medición.
Ø
Son interruptores que se activan por la pieza de seguimiento.
Ø
Estos sensores tienen dos posiciones diferentes, dentro y fuera, abierta
o cerrada y que sirven para definir el estado del monitor de escenario.
Los sensores
mecánicos son utilizados para medir: Desplazamiento, posición, tensión,
movimiento, presión, flujo.
Existen dos tipos de funcionamiento:
Efecto piezoresistivo: convierte
una tensión aplicada en un cambio en la resistencia que puede sentirse
circuitos electrónicos tales como el puente de Wheatstone.
El efecto
piezoresistivo puede usarse en sensores que miden presión.
Efecto piezoeléctrico: convierte
una tensión (fuerza) aplicada en una diferencia de potencial eléctrica. El
efecto piezoeléctrico es reversible, así que un cambio en el voltaje también
genera una fuerza y un cambio correspondiente en el espesor.
En la industria,
el principio piezoeléctrico puede utilizarse en sensores utilizados para medir
presiones, fuerzas y control de las herramientas de las máquinas y medición de
vibraciones.
TIPOS DE SENSORES
Sensor tunneling: El efecto
tunneling es un método extremadamente exacto para sentir desplazamientos a
escala nanómetros.
Pero su
naturaleza altamente no lineal requiere el uso de control de retroalimentación
para hacerlo útil.
Sensores capacitivos o sandwich: estos sensores tienen una lámina fija y otra móvil. Cuando una fuerza
se aplica a la lámina móvil, el cambio en capacitancia origina un
desplazamiento.
Sensores limitswitch, más conocidos como sensores de final
de carrera o sensor de contacto, son dispositivos eléctricos, neumáticos o
mecánicos situados al final del recorrido de un elemento móvil.
CLASIFICACIÓN DE LOS SENSORES
MECANICOS
Ø
El principio de funcionamiento de los sensores
mecánicos es Pasivo.
Ø
Según el tipo de señal eléctrica que genera se
clasifican en los Análogos.
Ø
Según el nivel de integración se clasifican en
sensores Discretos.
Ø
Según el tipo de variable física medida se
clasifican en sensores de desplazamiento, posición, tensión, movimiento,
presión y flujo.
Ø
La frecuencia máxima que puede ser utilizada con
los sensores mecánicos es 100Hz, ya que cuando es mayor la lectura puede que no
sea buena por la rapidez de la frecuencia.
VENTAJAS
Ø
Detectan la ausencia o presencia de elementos.
Ø
No se equivocan en la medición si se trabaja a una
frecuencia correcta y al tener contacto directo con el sensor la medida siempre
es exacta.
Ø
Por tener contacto directo con los objetos a medir
tienen desgaste en la pieza.
Ø
Poca resistencia a la oxidación, por estar al aire
libre el clima puede afectarlo.
Ø Son normalmente muy grandes, necesitan un espacio mayor frente a otros
elementos sensoricos.
Un sensor es un dispositivo capaz de detectar magnitudes físicas o químicas, llamadas variables de instrumentación, y transformarlas en variables eléctricas. Las variables de instrumentación pueden ser por ejemplo: temperatura, intensidad lumínica, distancia, aceleración, inclinación, desplazamiento, presión, fuerza, torsión, humedad, pH, etc. Una magnitud eléctrica puede ser una resistencia eléctrica (como en una RTD), una capacidad eléctrica (como en un sensor de humedad), una Tensión eléctrica (como en un termopar), una corriente eléctrica (como en un fototransistor), etc.
Un sensor diferencia de un transductor en que el sensor está siempre en contacto con la variable de instrumentación con lo que puede decirse también que es un dispositivo que aprovecha una de sus propiedades con el fin de adaptar la señal que mide para que la pueda interpretar otro dispositivo. Como por ejemplo el termómetro de mercurio que aprovecha la propiedad que posee el mercurio de dilatarse o contraerse por la acción de la temperatura. Un sensor también puede decirse que es un dispositivo que convierte una forma de energía en otra.
Un sensor es un dispositivo capaz de detectar magnitudes físicas o químicas, llamadas variables de instrumentación, y transformarlas en variables eléctricas. Las variables de instrumentación pueden ser por ejemplo: temperatura, intensidad lumínica, distancia, aceleración, inclinación, desplazamiento, presión, fuerza, torsión, humedad, pH, etc. Una magnitud eléctrica puede ser una resistencia eléctrica (como en una RTD), una capacidad eléctrica (como en un sensor de humedad), una Tensión eléctrica (como en un termopar), una corriente eléctrica (como en un fototransistor), etc.
Un sensor diferencia de un transductor en que el sensor está siempre en contacto con la variable de instrumentación con lo que puede decirse también que es un dispositivo que aprovecha una de sus propiedades con el fin de adaptar la señal que mide para que la pueda interpretar otro dispositivo. Como por ejemplo el termómetro de mercurio que aprovecha la propiedad que posee el mercurio de dilatarse o contraerse por la acción de la temperatura. Un sensor también puede decirse que es un dispositivo que convierte una forma de energía en otra.
Características
de un sensor
- Rango de medida: dominio en
la magnitud medida en el que puede aplicarse el sensor.
- Precisión: es el error de medida máximo esperado.
- Offset o desviación de cero: valor de la variable
de salida cuando la variable de entrada es nula. Si el rango de medida no
llega a valores nulos de la variable de entrada, habitualmente se
establece otro punto de referencia para definir el offset.
- Linealidad o correlación lineal.
- Sensibilidad de
un sensor: suponiendo que es de entrada a salida y la variación de la magnitud
de entrada.
- Resolución: mínima variación de la magnitud de entrada que
puede apreciarse a la salida.
- Rapidez de respuesta: puede ser un tiempo fijo o depender de
cuánto varíe la magnitud a medir. Depende de la capacidad del sistema para
seguir las variaciones de la magnitud de entrada.
- Derivas: son otras magnitudes, aparte de la medida como
magnitud de entrada, que influyen en la variable de salida. Por ejemplo,
pueden ser condiciones ambientales, como la humedad, la temperatura u
otras como el envejecimiento (oxidación, desgaste, etc.) del sensor.
- Repetibilidad: error esperado al repetir varias veces la
misma medida.
Un sensor es un tipo de transductor que
transforma la magnitud que se quiere medir o controlar, en otra, que facilita
su medida. Pueden ser de indicación directa (e.g. un termómetro de mercurio) o
pueden estar conectados a un indicador (posiblemente a través de un convertidor
analógico a digital, un computador y un display) de modo que
los valores detectados puedan ser leídos por un humano.
Por lo general, la señal de salida de estos
sensores no es apta para su lectura directa y a veces tampoco para su procesado,
por lo que se usa un circuito de acondicionamiento, como por ejemplo un puente de Wheatstone, amplificadores y filtros electrónicos que adaptan la señal a los niveles apropiados para el
resto de los circuitos.
Tipos de sensores
En la siguiente tabla se indican algunos tipos y ejemplos de sensores electrónicos.
|
Magnitud
|
Transductor
|
Característica
|
|
Posición lineal o angular
|
Analógica
|
|
|
Digital
|
||
|
Digital
|
||
|
Desplazamiento y deformación
|
Analógica
|
|
|
Analógica
|
||
|
A/D
|
||
|
Analógica
|
||
|
Analógica
|
||
|
Velocidad lineal y angular
|
Dinamo taco métrica
|
Analógica
|
|
Digital
|
||
|
Digital
|
||
|
A/D
|
||
|
Analógica
|
||
|
Aceleración
|
Analógico
|
|
|
Fuerza y par (deformación)
|
Analógico
|
|
|
A/D
|
||
|
Presión
|
Membranas
|
Analógica
|
|
Analógica
|
||
|
Digital
|
||
|
Analógica
|
||
|
Magnético
|
Analógica
|
|
|
Analógica
|
||
|
Analógica
|
||
|
Analógica
|
||
|
Analógica
|
||
|
[Bimetal - Termostato ]]
|
I/0
|
|
|
Sensores de presencia
|
Inductivos
|
I/0
|
|
Capacitivos
|
I/0
|
|
|
Ópticos
|
I/0 y Analógica
|
|
|
Sensores táctiles
|
Matriz de contactos
|
I/0
|
|
Analógica
|
||
|
Visión artificial
|
Cámaras de video
|
Procesamiento digital
|
|
Procesamiento digital
|
||
|
Analógica
|
||
|
Analógica
|
||
|
Analógica
|
||
|
Sensor acústico (presión sonora)
|
Analógica
|
|
|
Sensores de acidez
|
||
|
Analógica
|
||
|
Analógica
|
||
|
Analógica
|
||
|
Analógica
|
||
|
Sensores captura de movimiento
|
Sensores inerciales
|
Algunas magnitudes pueden calcularse mediante la medición y cálculo de otras, por ejemplo, la velocidad de un móvil puede calcularse a partir de la integración numérica de su aceleración. La masa de un objeto puede conocerse mediante la fuerza gravitatoria que se ejerce sobre él en comparación con la fuerza gravitatoria ejercida sobre un objeto de masa conocida (patrón).
No hay comentarios.:
Publicar un comentario