Neumática
La neumática es la parte de la Mecánica que estudia el comportamiento de los gases.
La neumática es la forma en que la presión del aire alimenta y mueve algo. Esencialmente, la neumática pone en práctica el aire comprimido moviendo aplicaciones como herramientas y maquinaria utilizadas en ingeniería, fabricación y construcción. Mediante un fluido, ya sea aire (neumática), aceite o agua (hidráulica) se puede conseguir mover un motor en movimiento giratorio o accionar un cilindro para que tenga un movimiento rectilíneo de salida o retroceso de un vástago (barra). Esto hoy en día tiene infinidad de aplicaciones, como pueden ser la apertura o cierre de puertas en trenes o autobuses, levantamiento de grandes pesos, accionamientos para mover determinados elementos, etc. El control del motor o del cilindro, para que realice lo que nosotros queremos, se hace mediante válvulas. Estas válvulas, si lo comparamos con la electricidad, hacen las veces de interruptores, pulsadores, conmutadores, etc, y mediante tubos conductores por los que circula el fluido (equivalente a los conductores eléctricos) se transmite la energía de un sitio a otro. |
El término neumático viene de la palabra griega “pneumatikos”, y significa “proveniente del viento”. La neumática es el uso de aire a presión para realizar un trabajo. Las máquinas neumáticas llevan utilizándose muchos años. De hecho, hace 2000 años, un famoso inventor griego, Herón de Alejandría, hizo una gran variedad de máquinas neumáticas, incluyendo una catapulta neumática.
Conceptos previos
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Presión
Los gases ejercen presión sobre cualquier superficie con la que entren en contacto, ya que las moléculas gaseosas se hallan en constante movimiento. Al estar en movimiento continuo, las moléculas de un gas golpean frecuentemente las paredes internas del recipiente que los contiene. Al hacerlo, inmediatamente rebotan sin pérdida de energía cinética, pero el cambio de dirección (aceleración) aplica una fuerza a las paredes del recipiente. Esta fuerza, dividida por la superficie total sobre la que actúa, es la presión del gas. P = F/S (Pa) Dado que en el Sistema Internacional la unidad de fuerza es el newton (N) y la de superficie es el metro cuadrado (m2), la unidad resultante para la presión es el newton por metro cuadrado (N/m2) que recibe el nombre de pascal (Pa) |
Fluidos
La ecuación de estado más sencilla es aquella que describe el comportamiento de un gas cuando éste se encuentra a una presión baja y a una temperatura alta. En estas condiciones la densidad del gas es muy baja, por lo que pueden hacerse las siguientes aproximaciones:
La ecuación de estado de un gas ideal es el resultado de combinar dos leyes empíricas válidas para gases muy diluidos:
pV = nRT |
Un gas que está sometido a una presión P1 ocupará un volumen V1. Si variamos la presión de modo que ahora la que soporta es P2, el volumen que ocupará será V2. Según la ley de Boyle-Mariotte, la relación matemática que se establece entre estas variables es:
P1⋅V1=P2⋅V2 Así pues, la presión y el volumen de un gas son inversamente proporcionales: cuanto mayor sea la presión que se ejerce sobre él, menor será el volumen que ocupa, y viceversa. |
Caudal
Básicamente, el caudal de aire responde a la pregunta de cuánto aire pasa por una zona en un espacio de tiempo determinado. Esto está asociado a dos variables imprescindibles para el cálculo del caudal de aire: cantidad y tiempo. Q = V/t |
Trabajo
Se define en física como la fuerza que se aplica sobre un cuerpo para desplazarlo de un punto a otro. W = F⋅d Potencia
Se define la potencia como la rapidez con la que se realiza un trabajo. P = W/t |
Componentes de un circuito neumático |
Los componentes o elementos básicos de un sistema neumático industrial son casi universales, a pesar de la gran variedad de especificaciones disponibles para las unidades individuales. A continuación se detalla cuales son los componentes básicos que forman parte de cada sistema neumático.
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Compresor
Bomba que comprime el aire, lo eleva a una presión más alta y lo lleva al sistema neumático (a veces, también se puede utilizar para generar un vacío). Los compresores más habituales suelen comprimir el aire hasta 6 u 8 atmósferas de presión a partir de un motor eléctrico o de combustión interna. El aire comprimido se almacena luego en depósitos o acumuladores para su posterior distribución hacia los elementos de trabajo |
Válvula de retención
La válvula unidireccional permite la entrada de aire presurizado en el sistema neumático, pero evita el reflujo (y la pérdida de presión) en el compresor cuando éste se detiene.
Es decir, impide el paso del aire en un sentido y lo deja pasar en sentido opuesto.
La válvula unidireccional permite la entrada de aire presurizado en el sistema neumático, pero evita el reflujo (y la pérdida de presión) en el compresor cuando éste se detiene.
Es decir, impide el paso del aire en un sentido y lo deja pasar en sentido opuesto.
Acumulador
Almacena el aire comprimido, evitando sobre presiones y aliviando el ciclo de trabajo del compresor.
Almacena el aire comprimido, evitando sobre presiones y aliviando el ciclo de trabajo del compresor.
Tuberías
Son las conducciones que forman la red de distribución del aire comprimido. Suelen ser de acero o de latón, y se instalan de manera que presenten una ligera inclinación (1.5º) para facilitar que el vapor de agua condensado se deslice y no se acumula en ningún puntal. En las instalaciones portátiles, pueden ser de plástico o caucho. El volumen de aire que fluye por la sección de una tubería de distribución en la unidad de tiempo se denomina caudal. |
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Válvula direccional
Controla el flujo de aire presurizado desde la fuente hasta el puerto seleccionado. Algunas válvulas permiten el escape libre del puerto no seleccionado. Estas válvulas pueden ser accionadas manual o eléctricamente (las válvulas típicamente provistas en los primeros kits usan solenoides dobles para cambiar la dirección de la válvula, basándose en las señales de entrada del sistema de control). Estas válvulas cuentan con distinta cantidad de vías y de posiciones. La suma de las roscas corresponde a la cantidad de vías que posee. Las combinaciones más comunes son las siguientes: |
- Válvulas 2/2 (2 vías y 2 posiciones): Actúan solamente como llave de paso. Una vía es la entrada y otro vía es la salida. Cuando está en posición abierta, las dos vías se conectan sin nada en el medio y el aire comprimido fluye con libertad. Al cerrarse, lógicamente se corta el paso. Estas válvulas pueden ser normal cerradas o normal abiertas, según cierren o habiliten el paso respectivamente en su posición de reposo. Lo más común es que sean normal cerradas.
- Válvulas 3/2 (3 vías y 2 posiciones): Normalmente son utilizadas para manejar cilindros simple efecto. Gracias a sus 3 vías, el flujo del aire puede ir en dos direcciones distintas y realizar el escape en su posición cerrada.
- Válvulas 4/2 (4 vías y 2 posiciones): Cuenta con la misma cantidad de posiciones que la anterior, pero al tener una vía más se las suele usar para manejar cilindros doble efecto. Con una posición mete el aire en el pistón y con la otra lo saca, haciendo que el vástago suba y baje según la ubicación del aire.
- Válvulas 4/3 (4 vías y 3 posiciones): Son similares a las dos posiciones, pero tienen una posición central adicional. Según esta posición central, estas válvulas pueden ser: centro abierto, centro cerrado o centro a presión.
- Centro abierto significa que en la posición central de la válvula no hay presión en ninguna de las vías y se abren las vías de escape. De esta manera, un cilindro neumático (por ejemplo) queda detenido y podría moverse manualmente, porque no hay presión que lo bloquee.
- Centro cerrado significa que en la posición central todas las vías se cierran. El cilindro quedaría bloqueado por imposibilitarse los escapes.
- Centro a presión mantiene la presión en ambas vías, lo que permite detener con precisión un cilindro sin vástago, compensando eventuales pérdidas de aire del circuito.
- Válvulas 5/2 (5 vías y 2 posiciones): Es como la 4/2, aunque en este caso tiene dos escapes, uno para cada posición. El tener dos escapes ayuda a que se pueda manejar y regular mejor la velocidad.
- Válvulas 5/3 (5 vías y 3 posiciones): Son similares a las dos posiciones, pero tienen una posición central adicional. Según esta posición central, estas válvulas pueden ser: centro abierto, centro cerrado o centro a presión (ver descripción de válvulas 4/3).
Actuador
Convierte la energía almacenada en el aire comprimido en movimiento mecánico. Las herramientas alternativas incluyen actuadores rotativos, herramientas de aire, vejigas de expansión, etc. Los actuadores neumáticos más habituales son los cilindros. Estos dispositivos, caracterizados por la longitud de la carrera y por la sección, se encargan de transformar la energía potencial del aire comprimido en movimientos rectilíneos de vaivén. Se clasifican en dos grupos: cilindros de simple efecto y cilindros de doble efecto.
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VentajasAlgunas de las ventajas de utilizar sistemas neumáticos son:
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InconvenientesAlgunos de los peligros de utilizar sistemas neumáticos son:
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Aplicaciones |
Simbología |
Los sistemas de neumática industrial se utilizan desde hace muchos años en los procesos de producción. Como tal ha adquirido un lugar preferente en la industria moderna. La neumática es la tecnología de potencia de fluidos que más se aplica en las diferentes industrias.
Cada vez más, la neumática se está utilizando de formas interesantes que habrían sido impensables hace una o dos décadas. En aplicaciones creativas, desde la robótica hasta los músculos neumáticos que se contraen cuando se activan sin necesidad de actuadores, como lo hacen los músculos biológicos. Por su parte, la neumática industrial está en constante evolución, mostrando no sólo la creatividad de la comunidad de ingenieros, sino también la flexibilidad y adaptabilidad inherentes a esta importante tecnología. En definitiva, su uso más común se ha extendido a industrias tales como: industrias manufactureras, industria del automóvil, fabricantes de máquinas herramienta y fabricantes de electrodomésticos. Igualmente, se aplica en industrias de procesamiento, como la química, petroquímica, alimentaria, textil, papel, etc. Entre sus aplicaciones más comunes dentro de los procesos productivos se utiliza con frecuencia en:
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ACTIVIDAD
Para repasar lo aprendido vamos a realizar el siguiente Test
Y vamos a realizar las siguientes prácticas en el siguiente simulador online, del que os dejo un pequeño video para que veáis como funciona.
Y vamos a realizar las siguientes prácticas en el siguiente simulador online, del que os dejo un pequeño video para que veáis como funciona.
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