Introducción a la Neumática: Principios, Componentes y Aplicaciones

Principios Físicos

Presión

La presión es la fuerza ejercida perpendicularmente por el aire por unidad de superficie. Se calcula mediante la siguiente fórmula:

p (N/m²) = F (N) / S (m²)

Unidades de presión:

• dinas/cm²
• N/m² o Pa (Pascal)
• kp/m²

Equivalencias:

• 1 bar = 1,02 kp/cm² ≈ 1 kp/cm² = 1 atm
• 1 atm = 10⁵ Pa = 14,5 PSI = 10,19 m agua = 75 cm de Hg

El Pascal (Pa) es la presión ejercida por una fuerza de un newton (N) cuando se aplica perpendicularmente a una superficie de un metro cuadrado (m²).

Caudal

El caudal es la cantidad de fluido (volumen de aire a presión) que atraviesa una sección transversal de un conductor (tubería) en la unidad de tiempo. Se expresa como:

Q = V / t = S * I / t = S * v

Donde:

• V: volumen de aire o aceite en m³
• Q: caudal en m³/h o l/s
• T: tiempo en segundos

Potencia

La potencia es el trabajo que realiza el fluido por unidad de tiempo. Tanto en neumática como en hidráulica, la potencia se calcula como:

Pot = p * Q

Elementos de un Circuito Neumático

Un circuito neumático básico se compone de los siguientes elementos:

• Conversor (compresor): Genera el aire comprimido.
• Acumulador (depósito): Almacena el aire comprimido.
• Elementos de protección: Secador y filtros que eliminan impurezas y humedad del aire.
• Elementos de control: Válvulas que regulan el flujo y la presión del aire.
• Receptor: Cilindros y motores que transforman la energía neumática en movimiento.

Usos del Aire Comprimido

• Como elemento de mando y control: Permite abrir o cerrar válvulas.
• Como energía motriz: Desplaza el émbolo de un cilindro, hace girar un motor neumático o mueve unas pinzas neumáticas.

Características Técnicas del Aire Comprimido

El aire comprimido es un gas incoloro, insípido e inodoro. Está compuesto principalmente por nitrógeno (78%) y oxígeno (20%), junto con otros gases en cantidades despreciables.

Características:

• Abundancia: Disponible en todo el mundo y en cantidades ilimitadas.
• Facilidad de transporte: Se puede transportar fácilmente a través de tuberías o en botellas, incluso a largas distancias.
• Facilidad de almacenaje: Se puede almacenar en depósitos para que el compresor no trabaje continuamente.
• Estabilidad: No existe riesgo de explosión ni de incendio en su uso.
• Limpieza: Es limpio y no contamina en caso de fugas o escapes, lo que lo hace útil en industrias alimentarias, farmacéuticas, textiles, de la madera, etc.
• Velocidad: Permite obtener automatismos con alta velocidad de trabajo.

Producción y Tratamiento del Aire Comprimido

El proceso de producción y tratamiento del aire comprimido incluye los siguientes pasos:

1. Compresor: Aspira el aire del entorno y lo comprime.
2. Refrigerador: Enfría el aire comprimido para reducir su temperatura.
3. Acumulador: Almacena el aire comprimido.
4. Filtro: Elimina impurezas y partículas sólidas del aire.
5. Regulador de presión: Ajusta la presión del aire al valor deseado.
6. Lubricador: Añade aceite al aire para lubricar los componentes neumáticos.

Acumulador o Depósito

El acumulador o depósito tiene la función de mantener el aire a una presión determinada. Esto se consigue acumulando aire en su interior. Si se produce una falta de energía eléctrica en el compresor, la instalación neumática puede seguir funcionando hasta que se agoten las reservas del depósito. Llevan un dispositivo que mantiene la presión en un valor determinado. Suelen disponer de manómetros y válvula de seguridad.

La Unidad de Mantenimiento

Antes de enviar el aire comprimido a la instalación, es necesario someterlo a tres operaciones previas: filtrado, regulación de la presión y lubricado. Para ello se utiliza la Unidad de Mantenimiento.

Filtro

El filtro se encarga de:

• Centrifugar las partículas sólidas más gruesas y las gotas de agua.
• Filtrar el aire a través del elemento filtrante.

Regulador de Presión

El regulador de presión asegura una presión estable en el circuito, la cual se indica en un manómetro. El aire de entrada presiona una membrana, compensando la acción de un muelle regulado mediante un tornillo. Si la presión a la salida aumenta (porque no se consume o se consume muy poco), desplaza la membrana, impidiendo el paso del aire.

Lubricador

El lubricador mezcla el aire con aceite nebulizado para aumentar la vida útil y el rendimiento de los elementos neumáticos.

Válvulas Reguladoras de Presión

Existen diferentes tipos de válvulas reguladoras de presión:

Válvula Limitadora de Presión

Impide que la presión de una instalación sobrepase un valor límite, el cual se fija mediante un tornillo. Al sobrepasar la presión tarada, la válvula se abre, comunicando con la atmósfera y reduciendo la presión.

Válvula de Secuencia

Su funcionamiento es similar al de la válvula limitadora de presión, pero en vez de conectar el escape a la atmósfera, se conecta a una vía de trabajo.

Válvula Reductora de Presión

Consta de una membrana cuyo movimiento se encarga de regular la presión de salida, reduciéndola a partir de ese punto al resto del circuito.

Actuadores Neumáticos

Motores Neumáticos

Los motores neumáticos realizan un movimiento de rotación. Ofrecen las siguientes ventajas:

• Facilidad de regulación de la velocidad y del par motor.
• Pequeñas dimensiones y peso reducido.
• Insensibilidad a agentes externos como el agua, el polvo o las temperaturas extremas.
• Fácil mantenimiento.

Cilindros Neumáticos

Los cilindros neumáticos realizan movimientos lineales. Constan de un tubo de sección circular, cerrado por sus extremos, en cuyo interior se desliza un émbolo solidario con un vástago que atraviesa una de las tapas al exterior. El émbolo divide el cilindro en dos cámaras.

Parámetros importantes:

• S: Desplazamiento del émbolo.
• L: Dimensión del vástago.
• D: Superficie del émbolo.

Cilindros de Simple Efecto (CSE)

Este tipo de cilindros realiza trabajo en una sola de las carreras, normalmente en el avance. Tienen una única entrada de aire, ya sea para que el vástago avance o retroceda. El movimiento de vuelta al punto de inicio lo realiza por la tensión de un muelle interno o de una carga externa.

Cálculo de la presión absoluta:

P_absoluta = P_atmosférica + P_manométrica

Siendo R la resistencia de la fuerza del muelle.

Cilindros de Doble Efecto (CDE)

Este tipo de cilindros realiza trabajo en las dos carreras, tanto en el avance como en el retroceso. Tienen dos entradas de aire, una para el avance y otra para el retroceso del vástago.

Cálculo de la presión absoluta:

P_absoluta = P_atmosférica + P_manométrica

En ocasiones, se conoce el rendimiento mecánico del cilindro (η). Para calcular la fuerza efectiva (F_efectiva), se multiplica la fuerza teórica (F) por el rendimiento (η):

F_efectiva = F * η