CURSO COMPLETO DE NEUMÁTICA SIMULADO CON EL SOFTWARE FLUID SIM
Aprende tema por tema los fundamentos de la tecnología neumática, apoyado en simulaciones con el software Fluid Sim P
Curso completo - fundamentos, principios, componentes , aplicaciones y simulación de sistemas neumáticos
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UNIDAD 1 - FUNDAMENTOS DE NEUMÁTICA
1.1 DEFINICIÓN DE NEUMÁTICA
De los antiguos griegos procede la expresión "Pneuma", que designa la respiración, el viento y, en filosofía, también el alma. Como derivación de la palabra "Pneuma" se obtuvo, entre otras cosas el concepto Neumática que trata los movimientos y procesos del aire.
Actualmente la neumática es la tecnología que usa el aire comprimido para ejercer fuerzas y movimientos, altamente utilizada en la industria manufacturera.
La neumática juega un papel importante en la mecánica y cada vez más esta incluida en el desarrollo de aplicaciones automatizadas.
En este sentido la neumática es utilizada para la detección de estados mediante sensores, procesamiento de información mediante procesadores, el accionamiento de actuadotes mediante elementos de control y ejecución de trabajos mediante actuadores.
El control de máquinas y equipos se logra mediante la concatenación lógica de estados y conexiones, ello se logra con la actuación conjunta de sensores, procesadores, elementos de accionamiento y actuadores.
El progreso experimentado en materiales, métodos de montaje y fabricación ha tenido como consecuencia una mejora de la calidad y diversidad de elementos neumáticos, contribuyendo esto a la mayor difusión de esta tecnología al campo de la automatización.
Los cilindros neumáticos son utilizados con frecuencia como elementos de accionamiento lineal, porque se trata entre otras razones, de unidades de bajo costo, de fácil montaje y están disponibles en los tamaños más diversos.
La lista que se incluye a continuación ofrece una noción general de datos característicos de los cilindros neumáticos.
Diámetro desde 6 hasta 320mm
Carrera desde 1 hasta 2000mm
Fuerza desde 2 hasta 50000N
Velocidad de émbolo desde 0.02 hasta 1.5 m/s
Actividad: Observar el video en Youtube " FUNDAMENTOS DE NEUMÁTICA 1" en el enlace https://youtu.be/pFFL4hs59Zc
Actividad: Observar el video “Fundamentos de la neumática nivel básico 01/14” en el enlace https://www.youtube.com/watch?v=JrV4SSXipmk
Actividad: Observar el video “Neumática 1” en el enlace https://www.youtube.com/watch?v=MpA5sw41ubw
Actividad: Observar el video “Aplicaciones de la Neumática en la Industria Alimenticia Actividad: Observar el video PARKER Introducción a la neumática alimenticia”
1.2 VENTAJAS Y DE LA NEUMÁTICA:
1.2.1 VENTAJAS DE LA NEUMÁTICA
Cantidad: En prácticamente cualquier lugar se dispone de cantidades ilimitadas de air e. No es necesario sustituir ni reciclar.
Velocidad: El aire comprimido es un medio de trabajo rápido, puesto que permite obtener elevadas velocidades del movimiento del émbolo y los tiempos de conmutación son cortos. Siendo esta la principal ventaja de esta tecnología frente a las otras.
Transporte: Facilidad de transportar aire a grandes distancias a través de tuberías.
Almacenamiento: Posibilidad de almacenar aire comprimido en acumuladores desde los que se puede abastecer el sistema. Además, el acumulador (botella) puede ser transportado.
Temperatura: El aire comprimido es prácticamente indiferente a oscilaciones de la temperatura. De este modo es posible obtener un funcionamiento fiable, incluso bajo condiciones extremas.
Seguridad: El aire comprimido no alberga riesgos en relación con fuego o explosión.
Limpieza: El aire comprimido no lubricado no contamina el ambiente.
Composición y costos: son más sencillos de fabricar y tienen un menor coste económico que el mismo componente empleado en un circuito hidráulico.
Sobrecarga: Las herramientas y los elementos neumáticos pueden funcionar hasta que estén totalmente detenidos, por lo que no son sobrecargados.
1.2.2 DESVENTAJAS DE LA NEUMÁTICA
Para hacer uso de la neumática de forma correcta es necesario conocer las desventajas del aire como fluido:
Acondicionamiento: El aire atmosférico para ser usado en un sistema neumático ha de ser acondicionado, ya que de lo contrario puede producirse un desgaste rápido de los elementos neumáticos por efecto de las partículas de suciedad y agua condensada.
Perdidas: En circuitos muy extensos se producen pérdidas de cargas considerables .
Precisión: Los circuitos neumáticos no son adecuados para realizar circuitos que trabajen con mucha precisión en los desplazamientos. Con aire comprimido no es posible obtener velocidades uniformes y constantes.
Fuerza: Las presiones a las que trabajan normalmente, no permiten aplicar grandes fuerzas. El limite está entre 20000N y 50000N según la carrera y la velocidad suponiendo el uso de presiones comunes que oscilan entre 6 y 8 bar (600 y 800Kpa).
Aire de escape: Altos niveles de ruido generados por la descarga del aire hacia la atmósf era, sin embargo este problema pueda minimizarse con el uso de silenciadores.
1.3 CAMPOS DE APLICACIÓN DE LA NEUMÁTICA
A continuación se ofrece una lista de algunas aplicaciones de la neumática:
Aplicaciones generales en la técnica de manipulación y sujeción de piezas
Desplazamiento de piezas
Posicionamiento de piezas
Orientación de piezas
Bifurcación del flujo de materiales
Estampar y prensar piezas
Embalar
Llenar
Dosificar
Bloquear
Accionar ejes
Abrir y cerrar puertas
Transportar materiales
Girar piezas
Separar piezas
Apilar piezas
Estampar y prensar piezas
La neumática es aplicada en las siguientes técnicas de fabricación:
Perforar
Tornear
Fresar
Cortar
Acabar
Deformar
Desvío de una cinta transportadora Cuchilla accionada neumáticamente
1.4 LA NEUMÁTICA FRENTE OTRAS TECNOLOGÍAS
Antes de optar por el uso de sistemas neumáticos de mando y de trabajo es oportuno efectuar una comparación de la neumática con energías de otra índole. La evaluación correspondiente d eberá
referirse al sistema completo, empezando por las señales de entrada (sensores), pasando por la parte de mando (procesadores) y llegando hasta los órganos de maniobra y actuadores.
Además deberán tenerse en cuenta los siguientes factores:
Medios de control preferidos
Equipos ya instalados
Conocimientos técnicos disponibles
Sistemas ya instalados
Los medios de trabajo son los siguientes:
Electricidad
Hidráulica
Neumática
Combinación de estos medios
Criterios de selección y características de los sistemas, a tomar en cuenta al elegir los medios de trabajo:
Fuerza
Carrera
Tipo de movimiento (lineal, giratorio, rotativo)
Velocidad
Vida útil
Seguridad y fiabilidad
Costos de energía
Operabilidad
Capacidad de acumulación
Medios de control:
Mecánica
Electricidad
Electrónica
Neumática
Neumática de baja presión
Hidráulica
Criterios de selección y propiedades del sistema, a tomar en cuenta al elegir los medios de control:
Fiabilidad de los componentes
Sensibilidad frente a factores externos
Facilidad de mantenimiento y reparación
Tiempo de respuesta de los elementos
Velocidad de la transmisión de señales
Espacio necesario
Vida útil
Posibilidad de modificar el sistema
Actividad: LECTURA RECOMENDADA
Para complementar la comparación entre los diversos tipos de accionamientos se recomienda hacer la lectura del cuadro “Selection and comparition of working and control media” ubicado en el anexo.
Actividad: Observar el video PARKER Empleo de Lógica neumática pura “Neumática 9”
https://www.youtube.com/watch?v=v2s1Hy3Xz2o
COMPARACIÓN DE LA NEUMÁTICA FRENTE A OTRAS TÉCNOLOGÍAS
Actividad: Revisar On Line “PNEUMATICS “ http://electronics.wisc-online.com/Category.aspx?ID=11
1.5 PRESIÓN
Se define como la cantidad de fuerza total ejercida sobre una superficie. Generalmente expresamos esta presión en Kgf/cm2. Conociendo la presión y el número de cm2 de la superficie sobre la cual se ejerce, se puede determinar fácilmente la fuerza total. (Fuerza en Kgf = presión en Kgf/cm2 x superficie en cm2).
P = F/A
El esquema anterior se muestra dos cuerpos rectangulares que tienen la misma masa y por ende el mismo peso (Fuerza – F) y se encuentran apoyados sobre dos superficies A1 y A2. Según la fórmula anterior se ejercerá mayor presión sobre la superficie A2 ya que en ella la fuerza se encuentra mas concentrada.
Las unidades más comunes para expresar la presión son: Pa (N/m2), Kgf/cm2, PSI (Lbf/pulg2), Atm , etc.
Para facilitar el entendimiento de las leyes físicas se incluyen a continuación una lista de factores de conversión entre el Sistema Internacional (SI) y el Sistema Ingles.
Los factores de conversión de presión, fuerza, longitud y área mas usados son:
PRESIÓN 1bar = 0,987 Atm = 1.03 Kgf/cm2 = 100000 Pa (N/m2) = 14.504 PSI (Lbf/pulg2) = 760mm de Hg FUERZA 1 Kgf = 9.8 N = 2.2 Lbf
TIEMPO 1 min = 60 s 1 h = 60 min = 3600s 1 día = 24 h 1 año = 365 días LONGITUD 1 mt = 3.28 ft = 39.36 pulg = 1000 mm 1 ft = 12 pulg AREA 1 mt2 = 10.76 ft2 = 1550 pul2= 10000 cm2
USO DE FACTORES DE CONVERSIÒN
1. ) 50 Ton Convertir a lb 50 𝑇𝑜𝑛 (1000 𝐾𝑔
1 𝑇𝑜𝑛 ) (2.2𝐿𝑏
1𝐾𝑔) = 110000𝐿𝑏 2. ) 5 días Convertir a min 5 𝑑𝑖𝑎𝑠 (24 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠
1 𝑑𝑖𝑎 ) (60 𝑚𝑖𝑛
1 ℎ𝑜𝑟𝑎) = 7200 𝑚𝑖𝑛 3. ) 5000 min convertir a días 5000 𝑚𝑖𝑛 (1 ℎ𝑜𝑟𝑎
60 𝑚𝑖𝑛 ) ( 1 𝑑𝑖𝑎
24 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠) = 3.47 𝑑𝑖𝑎𝑠 4. ) 450 ft convertir a m 450𝑓𝑡 ( 1 𝑚𝑡
3.28 𝑓𝑡) = 137.19 𝑚𝑡 5. ) 250 pulgadas convertir a ft 250 𝑝𝑢𝑙𝑔𝑎𝑑𝑎𝑠 ( 1 𝑓𝑡
12 𝑝𝑢𝑙𝑔𝑎𝑑𝑎𝑠 ) = 20.83 𝑓𝑡
6. ) 350 Psi convertir a bares
7. ) 35 atm convertir a kgf/cm²
8. ) 250 MPa convertir a bares 250 𝑀𝑃𝑎 (1000000 𝑃𝑎
1 𝑀𝑃𝑎 ) ( 1 𝑏𝑎𝑟
100000 𝑃𝑎 ) = 2500𝑏𝑎𝑟𝑒𝑠 9. ) 2 m² convertir a ft² 2𝑚𝑡² (3.28² 𝑓𝑡²
1 𝑚𝑡² ) = 21.51 𝑓𝑡²
10. ) 200 Kgf/cm² convertir a KPa 11. ) 770 pulgadas² convertir a ft² 770 𝑝𝑢𝑙𝑔𝑎𝑑𝑎𝑠² ( 1 𝑓𝑡²
12² 𝑝𝑢𝑙𝑔𝑎𝑑𝑎𝑠² ) = 5.35 𝑓𝑡² 12. ) 6000 KPa convertir a bares 6000 ∗ 10³ 𝑃𝑎 ( 1 𝑏𝑎𝑟
100000 𝑃𝑎 ) = 60 𝑏𝑎𝑟
EJERCICIOS PROPUESTOS - Usar los factores de conversión de unidades entre el Sistema Internacional y el Sistema Ingles
1. 5.5 Ton Convertir a lbf 9) 1 MPa convertir a bares
2. 25 m² convertir a ft² 10) 7 días Convertir a segundos 3. 450 Kgf/cm² convertir a KPa 11). 4 lbm Convertir a gr
4. 65 ft² convertir a m² 12. 7800 min convertir a días 5. 540 mt² convertir a ft² 13) 45 ft convertir a m 6. 260 mt³ convertir a ft³ 14) 85 pulgadas convertir a ft 7. 770 pulgadas² convertir a ft² 15) 120 mm convertir a pulgadas 8. 700 KPa convertir a PSI 16) 3000 PSI convertir a bares
Ejemplo resuelto: Si a un cilindro cuya área de pistón es de 7.85 cm2 se le aplican 100 bar de presión,
¿Cuanta es la fuerza máxima que se puede obtener en N?
P= 100 bar = 1000N/Cm2 A = 7.85 cm2
Ejemplo propuesto: Una plataforma elevadora debe levantar una carga de 15000N, si el sistema suministra una presión máxima de 75 bar. ¿Cuál debe ser el área (cm2) del pistón para que pueda hacer este trabajo?
Ejemplo propuesto: Si un pistón es sometido a una presión de 750 PSI y ejerce una fuerza de 100000 N,
¿De que diámetro (mm) debe ser su pistón?
1.5.1 PRESIÓN ABSOLUTA Y PRESIÓN MANOMÉTRICA
La presión absoluta es aquella cuya referencia es el cero absoluto o el vacío completo, las medidas de presión en unidades absolutas siempre serán positivas, mientras que las presiones relativas o manométricas son tomadas con referencia a la presión atmosférica por tanto estas presiones pueden ser positivas (arriba de la presión atmosférica) o negativas (por debajo de la presión atmosférica).
Pabs = Pmanométrica + Patm
Una presión manométrica de 4bar equivale a una presión absoluta de 5 bar, una presión manométrica de – 0.3 bar equivale a una presión absoluta de 0.7 bar.
La presión imperante en la superficie terrestre es denominada presión atmosférica (Pamb). Esta presión también es denominada presión de referencia.
La presión superior a esta presión de referencia es denominada sobrepresión (+pe), mientras que la presión inferior a ella se llama subpresión (-pe).
La presión atmosférica no es constante. Su valor cambia según la ubicación geográfica y las condiciones meteorológicas siendo en promedio 1 bar (100 Kpa)
La presión absoluta (Pabs) es el valor relacionado a la presión cero (en vacío): La presión absoluta es la suma de la presión atmosférica más la sobrepresión o subpresión. En la práctica suelen utilizarse sistemas de medición de la presión que solo indican el valor de la sobrepresión (+pe). El valor de la presión absoluta más elevado.
1.5.2 NIVEL DE PRESIÓN EN LOS SISTEMAS NEUMÁTICOS
Los elementos de sistemas neumáticos suelen ser concebidos para presiones de servicio de 8 hasta 10 bar (800 hasta 1000 Kpa). No obstante, es recomendable que, por razones económicas, se trabaje en la práctica con presiones entre 6 y 8 bar (600 y 800 Kpa). El compresor debería suministrar una presión de 9 hasta 8,5 bar (900 hasta 850 Kpa) para poder compensar cualquier fuga en el sistema de distribución.
1.6 COMPOSICIÓN DEL AIRE
La neumática usa aire atmosférico el cual es una mezcla de gases:
Aproximadamente 78 Vol.% de Nitrógeno
Aproximadamente 21 Vol.% de Oxígeno
El aire contiene, además huellas de Dióxido de Carbono, Argón, Hidrógeno, Neón, Helio, Criptón, Xenón y vapor de Agua.
1.7 PROPIEDADES DEL AIRE
Por ser un gas, el aire, se caracteriza por la falta de cohesión, es decir la ausencia de una fuerza entre las moléculas en circunstancias usuales en la neumática. El aire; al igual que todos los gases, no tiene una forma definida. Su forma cambia a la más mínima fuerza y, además, ocupa el volumen máximo disponible. El aire puede ser comprimido.
LA LEY DE BOYLE- MARIOTTE
Esta característica es descrita por la ley de Boyle-Mariotte: A temperatura constante los volúmenes de una misma masa gaseosa son inversamente proporcionales a las presiones a que se halla sometida.
El producto de volumen y presión absoluta (Pabs) es constante para una determinada masa de gas.
p1 * V1 = p2* V2 = p3 *V3 = constante
EJEMPLO DE CÁLCULO
El aire expuesto a la presión atmosférica es comprimido a la séptima su volumen. ¿Cuál es la presión si la temperatura se mantiene constante?
p1 * V1 = p2* V2
p2 = p1* V1/V2 Observación: V2 / V1 =1 / 7
p1 = Pamb = 1 bar = 100 Kpa
p2 = 1 * 7 = 7 bar = 700 Kpa absoluto En consecuencia: P2e = Pabs - Pamb = (7-1)bar = 6 bar = 600 Kpa
Un compresor que genera una sobrepresión de 6 bar (600Kpa) tiene una relación de compresión de 7:1.
Actividad: Observar el video FESTO “Fundamentos físicos DE LA NEUMÁTICA 02/14”
http://www.youtube.com/watch?v=nFtNyBta-zU
HUMEDAD DEL AIRE ATMOSFERICO
El aire no está seco, contiene agua en forma de vapor. La humedad relativa del aire es un parámetro que expresa el contenido de vapor de agua que contiene una cierta cantidad de aire, en función del máximo contenido de vapor de agua que puede tener sin llegar a condensar. Se da en tanto por ciento. Cuando decimos que el aire tiene una humedad relativa del 50% estamos diciendo que contiene la mitad del máximo vapor de agua que puede tener. Si la humedad relativa sobrepasa el valor de saturación del 100%, llueve (se condensa).
La siguiente gráfica muestra el contenido de vapor de agua en g/m
3
que contiene el aire atmosférico a diferentes temperaturas y humedades relativas:
Supongamos que comprimimos cuatro metros cúbicos de aire atmosférico que está a 20ºC de temperatura y que tiene una humedad relativa del 50%. Esto quiere decir, si observamos la gráfica anterior, que cada metro cúbico contiene 8,7 g de vapor de agua.
Si los comprimimos hasta obtener un metro cúbico de aire comprimido, podemos saber a qué presión estará el aire:
P · V = Cte. P1·V1 = P2·V2
La presión del aire atmosférico es de 1 bar, por tanto si P1 es 1 bar, V1 es 4 m
3
y V2 es 1 m
3
, la presión final P2 será de 4 bar de presión absoluta, esto es 3 bar de presión manométrica.
Cuando el compresor comprima los 4 m
3
en 1 m
3
, habrá cuatro veces 8,7 g, o sea 34,8 g de vapor de agua.
Pero si observamos la gráfica de la humedad relativa, una humedad del 100% a 20 ºC quiere decir que solo podemos tener 17,4 g de vapor de agua. Los otros 17,4 g de vapor condensan formando agua líquida.
Cuando el compresor comprima los 4 m
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en 1 m
3
, habrá cuatro veces 8,7 g, o sea 34,8 g de vapor de agua.
Pero si observamos la gráfica de la humedad relativa, una humedad del 100% a 20 ºC quiere decir que solo podemos tener 17,4 g de vapor de agua. Los otros 17,4 g de vapor condensan formando agua líquida
Por ejemplo, un compresor con una presión de trabajo de 7 bar y una capacidad de 200 l/s que aspira aire a 20°C con una humedad relativa del 80%, producirá 80 litros de agua condensada en la red de aire comprimido durante una jornada de trabajo de ocho horas.
Actividad: Observar el video en Youtube " FUNDAMENTOS DE NEUMÁTICA 2" en el enlace https://youtu.be/imDsYKer7w8
Actividad: Observa el video “ FUNDAMENTOS DE NEUMÁTICA 1 ” en el enlace https://www.youtube.com/watch?v=pFFL4hs59Zc&t=23s
Airflow Conversion
https://www.smcpneumatics.com/airflowunitconversion.html
Cylinder and Valve Sizing
