Sistemas neumáticos
Aire comprimido, compresores, cilindros y válvulas: cómo se genera, se controla y se aprovecha la energía del aire en la industria, con un ejemplo resuelto paso a paso. Guía pensada para 2º Bachillerato y 4º ESO.
4º ESO
1Elementos de un sistema neumático
La neumática es la ciencia que utiliza aire comprimido (un gas compresible) para transmitir fuerza y realizar trabajo mecánico. Es ideal para movimientos rápidos y repetitivos en automatización ligera. Un sistema neumático se organiza en 5 etapas:
| Etapa | Elementos | Función |
|---|---|---|
| 1 · Producción | Compresor + depósito | El compresor eleva la presión del aire atmosférico hasta la presión de trabajo y el depósito lo almacena hasta que se necesite. |
| 2 · Acondicionamiento | Secador, filtro, regulador de presión, lubricador | El aire llega al circuito seco, limpio, a presión adecuada y lubricado. |
| 3 · Distribución | Tuberías y racores | Reparten el aire por los elementos del circuito. La red es abierta: tras el actuador, el aire se libera al ambiente. |
| 4 · Regulación y control | Válvulas | Dirigen, regulan o interrumpen el paso del fluido: sentido del movimiento, caudal y presión. |
| 5 · Actuadores | Cilindros y motores neumáticos | Transforman la presión del aire en energía mecánica: cilindros (movimiento lineal) y motores (movimiento rotativo). |
Acondicionamiento del aire
- Secador → reduce la humedad del aire con un material poroso (SiO2) que absorbe el vapor de agua.
- Filtro → retiene las impurezas que arrastra el aire.
- Regulador de presión (suele incorporar manómetro) → mantiene una presión constante, evitando las variaciones que pueda causar el consumo de la instalación.
- Lubricador → mezcla el aire con minúsculas gotas de aceite para evitar la corrosión y el desgaste de las piezas.
- Materia prima (aire) barata y abundante
- Fácil de transportar y almacenar
- Limpia: las fugas no contaminan
- Antideflagrante: sin riesgo de explosión ni incendio
- Permite velocidades elevadas
- Elementos simples y económicos
- La fuerza es moderada y la superan los sistemas hidráulicos
- La precisión fina es más difícil de obtener
2Principios físicos de funcionamiento
Presión
La presión es la fuerza ejercida perpendicularmente por un fluido sobre una superficie. El efecto de una fuerza depende también de la superficie: a menor superficie, mayor presión.
El pascal es una unidad muy pequeña, por eso se usan otras: 1 bar = 105 Pa y 1 atm = 1'01325 bar (a menudo se aproxima 1 bar ≈ 1 atm).
Al expresar la presión de un fluido se distinguen 3 tipos:
- Presión atmosférica → la que ejerce el aire sobre la superficie terrestre (se mide con barómetro). Disminuye con la altitud.
- Presión relativa o manométrica → la que miden los manómetros; no tiene en cuenta la presión atmosférica.
- Presión absoluta → la presión real o total, referenciada al vacío.
Caudal
Es el volumen de fluido que circula por un conducto por unidad de tiempo. Como V = S·L y la velocidad es v = L/t:
Se puede medir en m³/h, m³/min, l/min, l/s… (S = sección en m², v = velocidad en m/s).
Leyes físicas de los gases
La ley combinada relaciona presión, volumen y temperatura absoluta de una cantidad fija de gas (1 = estado inicial, 2 = estado final):
| Ley | Se mantiene | Fórmula | Relación | Aplicación |
|---|---|---|---|---|
| Boyle-Mariotte | T constante (isotermo) | p₁·V₁ = p₂·V₂ | Inversa: si aumenta p, disminuye V | Compresor neumático |
| Charles | p constante (isobárico) | V₁T₁ = V₂T₂ | Directa: si aumenta T, aumenta V | Globo al sol |
| Gay-Lussac | V constante (isocórico) | p₁T₁ = p₂T₂ | Directa: si aumenta T, aumenta p | Depósito de aire (válvula de seguridad), olla exprés |
Potencia de un fluido
Es la energía transmitida por un fluido a presión durante un tiempo para mover los actuadores:
En toda instalación hay pérdidas, así que la potencia real debe ser mayor que la útil. El rendimiento es η = PútilPtotal < 1 (en %: η·100 < 100).
3Actuadores lineales: cilindros
Convierten la energía del aire comprimido en movimiento lineal de avance o retroceso. Hay dos tipos: de simple efecto y de doble efecto.
Cilindro de simple efecto (CSE)
Solo tiene 1 entrada de aire: al recibir aire a presión, el émbolo se desplaza y el vástago realiza la carrera. El retorno se produce por el muelle (o por una fuerza externa en la variante sin muelle). Solo ejerce fuerza en el avance.
Cilindro de doble efecto (CDE)
Tiene 2 entradas de aire, una para el avance y otra para el retroceso, y por tanto dos fuerzas distintas: en el retroceso la superficie útil es la del émbolo menos la del vástago (D = diámetro del émbolo, d = diámetro del vástago).
4Elementos de mando: válvulas
4.1 Válvulas distribuidoras
Permiten dirigir o distribuir el aire. Se nombran con 2 cifras separadas por una barra: nº de vías / nº de posiciones (por ejemplo 3/2, 4/2, 5/2 o 4/3).
- 1ª cifra → vías u orificios (2, 3, 4 o 5), representadas por trazo continuo.
- 2ª cifra → posiciones de trabajo (2 o 3), representadas con cuadrados.
Una válvula consta de un cuerpo (conductos internos y orificios), un elemento móvil (de asiento o de corredera) que da las distintas posiciones, y unos elementos de mando que lo manipulan. Según la fuente de energía, hay 4 grupos de accionamiento:
| Accionamiento | Cómo actúa | Ejemplos |
|---|---|---|
| Manual | Acción voluntaria del operador. Poco usado salvo por seguridad (prensas). | General, pulsador, palanca, pedal, enclavamiento |
| Mecánico | Lo activa un mecanismo en movimiento. | Leva, muelle, rodillo, rodillo abatible |
| Neumático | La fuerza viene del propio aire: pilotaje positivo (impulso de presión) o negativo (depresión). | Presión, depresión |
| Eléctrico | Se usa un electroimán; son los más usados y la señal puede venir de un programa. | Electroimán, electroimán servopilotado |
En una válvula de 2 posiciones, el mando de actuación va a un lado y el de retorno al otro; la posición de reposo es la del lado del retorno. En una de 3 posiciones, la central es la de reposo y hay un mando (actuación + retorno) a cada lado.
Nomenclatura de las vías (ISO y CETOP)
| Conducto | ISO | CETOP |
|---|---|---|
| Alimentación / toma de aire comprimido | P | 1 |
| Conductos de trabajo | A, B, C… | 2, 4, 6… |
| Escape / purga | R, S, T… | 3, 5, 7… |
| Fuga | L | 9 |
| Líneas de mando o pilotaje | Z, Y, X… | 12, 14, 16… |
4.2 Válvulas de bloqueo
5Tipos de mando de cilindros neumáticos
El mando de un cilindro puede ser directo o indirecto.
Mando directo
Se usa una sola válvula distribuidora que manda directamente el cilindro.
- CSE → válvula 3/2 monoestable NC. El vástago está recogido en reposo; al pilotar la válvula sale y, cuando desaparece el pilotaje, se recoge.
- CDE → válvula 4/2 o 5/2. En la 5/2 el escape del cilindro es independiente en cada lado.
Mando indirecto
Se usa para cilindros de gran tamaño que necesitan una gran fuerza de mando, obtenida mediante pilotaje neumático.
- CSE → una válvula 3/2 monoestable NC con accionamiento manual que pilota otra 3/2 monoestable NC con accionamiento neumático, la cual manda el cilindro.
- CDE → una válvula 3/2 monoestable NC que comanda una válvula 4/2 o 5/2.
EEjemplo resuelto: cilindro de doble efecto
Un cilindro de doble efecto de D = 50 mm y vástago de d = 20 mm trabaja a 6 bar con una carrera de 100 mm y 20 ciclos/min. Calcula las fuerzas, el consumo y el caudal (despreciando rozamientos).