UNIDAD No. 1            CONCEPTOS 

MATERIA

AUTOMATIZACION INDUSTRIAL

El aire comprimido es una de las formas de energía mas antigua que conoce el hombre  y aprovecha para reforzar sus recursos fisicos.

De los antiguos griegos procede la  expresión PNEUMA  que designa la respiración, el viento y en filosofía el alma.  Como  de la derivación de la palabra neuma se obtuvo entre otras cosas el concepto NEUMÁTICO, que trata los movimientos y procesos del aire.

Aunque los rasgos básicos de la neumática se cuentan entre los más antiguos conocimientos de la humanidad, no fue sino hasta  el siglo pasado cuando empezaron a investigarse  sistemáticamente su comportamiento y sus reglas.  Solo desde aproximadamente  1950 puede hablar de una verdadera aplicación industrial de la neumática en los procesos de fabricación.

En la actualidad, ya no se concibe una moderna explotación industrial sin el aire comprimido. Este es el motivo de que en los ramos industriales más variados se utilicen aparatos neumáticos.

Los circuitos hidráulicos se han utilizado mas y más en todo tipo de industria, esto se debe a que su uso elimina los caros e intrincados mecanismos tales como los trenes de engranajes, levas y palancas, los cuales se hicieron más complejos por las operaciones adicionales  que se necesitaron para seguir siendo competitivo.

Los sistemas hidráulicos deben trabajar con un control  de atención mínima para lograr costos de producción más bajos. Estos sistemas en combinación con un control eléctrico, electrónico, neumático o mecánico, cumplen con los requerimientos ideales para minimizar costos.

¿Qué es un fluido de potencia?  Un fluido de potencia es la tecnología que trata con la generación, control y transmisión al usar fluidos presurizados. Esto puede decirse que el fluido de potencia es el músculo que mueve a la industria. El fluido puede ser líquido o gaseoso y es usado para prensar, regular o mover  todas las máquinas  de la industria moderna, tales  como:

• La industria del acero

• Brazos de automóviles

• Trenes de aterrizajes en la aviación

• Mover máquinas herramientas

• Control de aeroplanos

• Mover máquinas para la construcción

• Procesos de automatización

El fluido de potencia es específicamente para desarrollar trabajo.

El trabajo es realizado por un fluido presurizado directamente sobre un cilindro o motor a través de un músculo para realizarlo.

Hay tres formas básicas de transmitir potencia: Eléctrica, Mecánica y fluido de potencia

El fluido de potencia puede transmitir más económicamente a grandes distancias que los elementos mecánicos, sin embargo están restringidos para cortas distancias con relación a los sistemas eléctricos.

VENTAJAS DEL AIRE COMPRIMIDO

Causa asombro el hecho de que la neumática se haya podido expandir en tan corto tiempo y con tanta rapidez. Esto se debe, entre otras cosas, a que en la solución de algunos problemas de automatización no puede disponerse de otro medio que sea mas simple  y mas económico

ABUNDANTE. Esta disponible para su compresión prácticamente en todo el mundo, en cantidades ilimitadas.

TRANSPORTE.- El aire comprimido puede ser fácilmente transportado por tuberías, incluso a grandes distancias. No es necesario disponer tuberías de retorno.

TEMPERATURA.- El aire comprimido es insensible a las variaciones de temperatura, garantiza un trabajo seguro e incluso a extremas temperaturas.

ALMACENABLE.-  No es preciso que un compresor  permanezca continuamente en servicio, el aire comprimido puede almacenarse en depósitos y tomarse de éstos. Además  se puede transportar en recipientes (botellas).

ANTIDEFLAGRANTE.- No existe ningún riesgo de explosión ni incendio; por lo tanto, no es necesario disponer  instalaciones  antideflagrante, que son caras.

LIMPIO.- el aire comprimido es limpio y, en caso de faltas de estanqueidad en tuberías o elementos, no produce ningún ensuciamiento. Esto es muy importante,  por ejemplo; en las industrias alimenticias, de madera, textiles y del cuero.

CONSTITUCIÓN DE LOS ELEMENTOS.- La concepción  de los elementos de trabajo es simple y, por tanto de precio económico.

VELOCIDAD.- Es un medio de trabajo muy rápido y, por eso, permite obtener velocidades de trabajo muy elevadas. (La velocidad de los cilindros neumáticos pueden regularse sin escalones.

A PRUEBA DE SOBRECARGAS.- Las herramientas  y elementos de trabajo neumáticos pueden utilizarse  hasta su parada  completa sin riesgo alguno de sobrecargas.

   DESVENTAJAS.

PREPARACIÓN.- El aire comprimido debe ser preparado, antes de su utilización. Es preciso eliminar impurezas y humedad ( al objeto de evitar un desgaste prematuro de los componentes).

COMPRESIBLE.- Con aire  comprimido no es posible obtener para los émbolos velocidades uniformes y constantes.

FUERZA.- El aire comprimido es económico  solo hasta cierta fuerza. Condicionado por la presión de servicio normalmente usual de 700 Kpa.. (7 bar), el límite también en función de la carrera y la velocidad, es de 20 000 a 30 000 kp)

ESCAPE.- El escape de aire produce ruido. No obstante, éste problema ya se ha resuelto en parte gracias al desarrollo de  materiales in sonorizantes.

COSTOS.- El aire comprimido es una fuente de energía relativamente cara, éste elevado costo se compensa en su mayor parte  por los elementos de precio económico y el buen rendimiento.

CIRCUITOS HIDRÁULICOS

Los circuitos hidráulicos ofrecen muchas ventajas, tales como:

Controles compuestos  con simplicidad mecánica

Infinita variedad de velocidades, muy precisas en su control y variables durante su operación.

Movimientos suaves sin vibración

Efectos de amortiguación  en los finales de carrera

Grandes presiones  donde se necesita, con o sin movimiento.

Energía mecánica fácilmente obtenible.

Movimientos lineales, de giro o parte de giro en cualquier plano

Auto lubricado

Eliminación de elementos mecánicos como embrague y cajas de engranajes.

Transmisión de potencia  a posiciones inaccesibles por medio de elementos mecánicos

Potencia y torques constantes

Arranque a plena carga.

DESVENTAJAS.

Relativamente sucio

Elementos caros

Sensibilidad a los cambios de temperatura

Sensibilidad a la contaminación

Fluido hidráulico de alto costo

Peligro debido a las altas presiones

Almacenamiento de energía limitado

Se requieren líneas de retorno

Transmisión de ondas  de choque por cambios de válvulas

Vida de aceite limitada

Riesgos de incendio

Capitación.

PRINCIPIOS DE HIDROSTATICA.

LEY DE PASCAL.- Esta ley establece  que al aplicar una presión exterior  en punto de un fluido encerrado en un recipiente cualquiera, la presión en cada punto del mismo aumenta en una cantidad igual  a la citada presión exterior. En otras palabras, ésta ley establece  que la presión ejercida  en un punto del fluido se transmite por igual  en todas direcciones.

En la siguiente figura se tiene a lo que se le puede llamar PALANCA HIDRÁULICA.

HIDRODINÁMICA.

Es la parte de la hidráulica que estudia a los líquidos en movimiento y sus efectos. La hidrodinámica está basada en el PRINCIPIO DE BERNOULLI.

BERNOULLI  estableció que: si un fluido  viaja a través de un tubo, con un gasto constante,  la presión será constante  a lo largo de todo el recorrido  sólo si el diámetro  del tubo no cambia. Si el diámetro del tubo se reduce  la velocidad del fluido deberá  aumentar para mantener  el gasto constante, cuando la velocidad  del fluido aumenta, la presión del mismo se reduce y viceversa, cuando la velocidad del fluido disminuye, su presión aumenta.

El 2º. Principio de Bernoulli, que detalla la energía en un punto 1 será igual a la energía del punto 2 mas las perdidas del sistema; esto es P₁/γ + V₁ ²/2g + Z₁ = P₂ /γ + V₂² /2g+ Z₂ + Perdidas.

FUNCIONES  DE LOS FLUIDOS  HIDRÁULICOS

Los fluidos hidráulicos cumplen con cuatro funciones principales:

1. Transmisión de potencia

2. Lubricar las piezas móviles del sistema

3. Sellar las tolerancias

4. Disipar el calor que se genere

El fluido hidráulico también debe cumplir otros requisitos:

• Emulsibilidad ( capacidad de mezclarse con el agua)

• Evitar la oxidación del mismo fluido

• Evitar la formación de sedimento  gomosidades, barnices y lacas

• Inhibir la espuma

• Mantener su propia estabilidad

• Mantener su viscosidad al variar la temperatura

• Evitar la corrosión y picaduras

• Compatibilidad con sellos y empaques

Todos los requerimientos de calidad, por lo general son el resultado de composiciones especiales (aditivos) y pueden no estar presentes en todos los fluidos.

Si la viscosidad es excesiva se tiene:

• Alta resistencia al flujo

• Gran consumo de potencia debida a pérdida de fricción

• Generación de calor no deseado

• Aumento de la caída de presión

• Riesgo de alto desgaste prematuro

• Dificultad para eliminar la espuma

Ahora si la viscosidad es deficiente:

• Aumento de fugas internas

• Lubricación insuficiente

• Disminución de la eficiencia de la bomba

• Aumento de la temperatura por fugas

TIPOS DE FLUIDOS HIDRÁULICOS

Los fluidos hidráulicos que se emplean en los sistemas hidráulicos de potencia pueden clasificarse en las siguientes categorías:

Aceites derivados del petróleo (aceites minerales)

Fluidos resistentes a la combustión

ACEITES DERIVADOS DEL PETRÓLEO.  En general, los aceites minerales poseen excelentes propiedades lubricantes, por su naturaleza los aceites minerales protegen contra la oxidación, proporcionan un buen secamiento, disipa fácilmente el calor, y es sencillo mantenerlo limpio mediante filtrado.

FLUIDOS RESISTENTES  A LA COMBUSTIÓN

Emulsiones de glicol- agua

Emulsión de agua y aceite

Fluidos sintéticos (esteres de fosfatos, hidrocarburos clarinados, etc.)

CLASIFICACIÓN DE BOMBAS Existen dos clasificaciones de bombas  identificadas por el fluido que manejan en la industria:

1.-Bombas de no desplazamiento positivo (bombas centrífugas).  Este tipo de bomba no es adecuada para manejar los fluidos de potencia, ya que no es capaz  de desarrollar altas presiones. Normalmente su máxima presión  está limitada a 250- 300 psi.  y es utilizada para manejar grandes flujos de un lugar a otro, a continuación se presenta una gráfica de funcionamiento.

2.-Bombas de desplazamiento positivo.- Este tipo de bombas  es universalmente usada para manejar los sistemas de potencia.

Como su nombre lo indica, una bomba de desplazamiento positivo maneja un volumen de fluido dentro de un sistema hidráulico por revolución. Así que una bomba es capaz de sobreponerse a la presión resultante de las cargas  y resistencia  debido a la fricción del sistema.

Estas bombas tienen las siguientes ventajas sobre las no desplazamiento positivo

Tienen capacidad de desarrollar alta presión (arriba de 10 000 psi ó mas)

Son pequeñas y compactas

Alta eficiencia volumétrica

Pequeños cambios de eficiencia respecto a los rangos de presión

Gran flexibilidad de funcionamiento ( puede operar sobre un amplio rango de requerimientos de presión y velocidad

Existen tres tipos principales de bombas de desplazamiento positivo: ENGRANES, PALETAS Y PISTONES

Existen muchas variaciones en el diseño de cada una de las bombas, por ejemplo: las de paleta y pistón pueden ser  de desplazamiento fijo o variable.  Una bomba de desplazamiento fijo es aquella que envía un volumen fijo por revolución y donde el desplazamiento no puede ser variado, en cambio una bomba de desplazamiento variable puede variar cambiando la relación de varios elementos de la bomba. Este cambio de desplazamiento produce un cambio en el flujo de salida, considerando una velocidad constante. Esto deberá entenderse que las bombas no bombean presión, sino que ésta es producida por la resistencia al flujo.

Para que un sistema  hidráulico funcione bien, entre otras cosas se debe asegurar que en todo momento tenga una  alimentación de fluido de 100 %.  Sin otro elemento más que fluido líquido.

La cavitación es un fenómeno que sucede cuando el fluido se evapora por excesivo vacio. Prácticamente, el único sitio del sistema hidráulico que puede tener esta condición es la succión de la bomba hidráulica.

Cuando el fluido se evapora  en la succión de la bomba, la cantidad de vapor contenida en el fluido varía dependiendo de que tanto vacio hay, y esto va a afectar el caudal de la bomba. Es decir, mientras más vacio haya, mas vapor habrá y por consiguiente menos flujo efectivo a la salida de la bomba.

Adicionalmente, el vapor contenido en el aceite una vez que entra en la bomba y se traslada a la salida se comprime violentamente al pasar a la alta presión, generando ruido, vibración, temperatura y erosión en las paredes o partes donde ocurre la transición de vacio a presión, bajando la vida de la bomba dramáticamente.

Ahora las bombas de desplazamiento positivo pueden ser también clasificadas  de acuerdo al tipo de movimiento interno de los elementos, tales como:

1. -BOMBAS DE ENGRANES (Desplazamiento fijo)

Bombas de engranes externos

Bombas de engranes internos

Bombas de lóbulos

Bombas de tornillos

2. -BOMBAS DE PALETAS

Bombas de paletas de rotor del balanceado (flujo fijo o variable)

Bombas de paletas de rotor balanceado (solamente fijo)

3. -BOMBAS DE PISTONES (flujo fijo o variable)

Bombas de pistones axiales

Bombas de pistones radiales

Características de las bombas de desplazamiento positivo:

BOMBAS DE ENGRANES EXTERNOS

Este tipo de bomba está constituido por una carcaza de fundición de hierro o de aleación  de aluminio. Tiene dos orificios,  uno es de alimentación y otro de descarga. Para reducir  las pérdidas de la carga  la sección del orificio es mayor  que el de la salida.  En el interior de la carcaza  están colocados dos piñones que normalmente  tienen dentado recto y rectificado  uno de los piñones  es el conductor y el otro es conducido. El piñón conductor puede estar unido al eje motor mediante cuña o mecanizado directamente sobre él. El piñón conducido no siempre es solidario al eje que lo soporta  puede rodar sobre él con un cojinete de bronce o rodamiento de aguja. El piñón conducido engrana con el piñón conductor.

Debido a la manera de engranar  ambos piñones éstos giran con sentidos contrarios. El fluido llega al orificio de alimentación y es llevado por los huecos formados por los dientes de los piñones y la carcaza.

Durante la rotación de los piñones, el fluido no solo es arrastrado, sino que queda aprisionado entre los huecos generados por lo que no es liberado hasta que los huecos desembocan en el orificio de descarga, de aquí el fluido pasa  a la línea del sistema hidráulico. Para evitar las pérdidas de rendimiento volumétrico en éste tipo de bomba, debido a las holguras, se agregan unas tapas interiores de compensación hidrostática llamada gemela                              

BOMBAS DE ENGRANES INTERNOS

Este tipo de bombas tiene un elemento rotativo cuya periferia se puede considerar un engranaje, los dientes de éste engranaje están soportados por un disco el cual gira concéntricamente a la carcaza de la bomba. Es conducido por otro engranaje excéntrico, el cual es el engranaje conductor.

En éstas bombas los huecos también se forman entre los dientes de los dos engranajes (conductor y conducido. Un sello en forma de media luna es maquinado dentro del cuerpo de la bomba, entre la entrada y la salida, en donde el espacio hueco entre los dientes es mayor.

Este tipo de bomba se construye con válvula de alivio interna

BOMBAS TIPO GEROTOR Este tipo de bomba es una variación de las bombas engranes internos. El funcionamientotambién es similar, el rotor interno (conductor) es un engranaje que tiene un diente menos que el engranaje exterior (conducido).

El piñón interno gira excéntricamente dentro del engranaje exterior y lo lleva alrededor entre dentándose. Las cámaras de bombeo (hueco) se forman entre dientes  y las tapas. Las puntas del rotor interno hacen contacto con el engranaje externo sellando así las cámaras  de una a otra. El grado de excentricidad y la anchura de los dientes determinan la entrega del fluido.

ENGRANE TIPO TORNILLO   Estas bombas se pueden considerar del mismo tipo  que las de engranes, ya que el tornillo helicoidal se puede considerar un engranaje alargado.

Las ventajas de éste tipo de bomba son varias:

Muy poca ruidosa

Bastante altura de alimentación

Velocidades elevadas con suministros constantes

Esta formada por un tornillo helicoidal central, el cual es el conductor, y por uno o dos tornillos laterales (conducidos) de menor diámetro que el central, colocado en un cilindro (carcaza Si el tornillo central tiene hélice a derechas  los tornillos conducidos girarán a derechas. El paso del fluido desde la alimentación hasta la descarga se realiza  de forma lineal entre el cilindro y los filetes  de las hélices de los tornillos conducidos, de ésta manera  es el tornillo central el que absorbe toda la potencia del accionamiento.

BOMBAS DE LÓBULOS.  Esta bomba trabaja a base de los mismos principios de la bomba de engranajes externos, pero tienen un desplazamiento mayor.

La mayoría de las bombas de engranajes tienen un desplazamiento arreglado. Su porcentaje de salida  de volumen  es desde muy bajo hasta muy alto. Normalmente son unidades de presiones moderadas aunque algunas logran hasta 4000 psi.

Las fugas internas aumentan con el desgaste, sin embargo son bastante duradera y mas tolerantes al polvo que otros tipos.

BOMBAS DE PALETAS DE ROTOR DESBALANCEADO.  En éstas bombas un rotor rasurado es colocado en el eje del impulsor y en el interior de un anillo de levas. Las paletas están situadas  en el interior de las ranuras  del rotor  y se deslizan  hacia adentro y hacia fuera de éstas conforme siguen el contorno  del anillo de levas que rodea al rotor. El espacio que existe entre el rotor, el anillo de levas  y las ranuras adyacentes  se expande y se comprime dos veces por cada revolución del rotor. La fuerza centrífuga  y la presión bajo las paletas  las hace mantenerse hacia fuera  en contra de la pared del anillo de levas, lo cual forma el sello entre espacios. Las cámaras de bombeo se generan  entre las paletas y son encerradas  por el rotor, el anillo de levas y las dos tapas laterales.

 Conforme aumenta el volumen del espacio se genera un vacío parcial, esto hace que llene de aceite, siendo atrapado en las cámaras de bombeo. Según gira el rotor el volumen de las cámaras  se reduce y descarga el fluido por el orificio de salida. 

  BOMBAS DE PALETAS DE ROTOR BALANCEADO  En la actualidad la mayoría de las bombas de paletas usan el diseño de rotor balanceado. En éste tipo de bombas, el anillo de levas es más elíptico que redondo y permite dos juegos de orificios. Los orificios de salida y de entrada tienen una separación de 180 grados, para que las fuerzas de la presión sobre el rotor se anulen evitando así la carga en un solo lado.

El desplazamiento del diseño balanceado no puede ser ajustado de manera directa, lo que en ocasiones se hace es obtener diferentes anillos de levas y así poder modificar el desplazamiento de la bomba.

Las bombas de paletas cubren los promedios de bajo, mediano y alto volúmenes con presiones operantes de hasta 3000 psi.  Son confiables y con altos rendimiento y de fácil mantenimiento. La superficie del anillo y las puntas de las paletas son las partes con mayor desgaste, esto se compensa al sacar un poco las paletas de las ranuras.

BOMBAS DE EMBOLOS RADIALES. En éstas bombas, los émbolos giran en planos perpendiculares al eje motor. La sección del cilindro gira dentro de un anillo o rotor circular, cuando la sección gira, la fuerza centrífuga cargando presión o alguna otra forma de acción mecánica hace que el émbolo siga la superficie interior del anillo, el cual está descentrado con respecto a la carcaza. Mientras los émbolos suben y se bajan dentro de su carrera, arrastran el fluido  cuando se mueven hacia fuera y lo descargan cuando se mueven hacia adentro.

El diámetro, la carrera  y el número de émbolos determinan el caudal entregado por la bomba

BOMBAS DE EMBOLOS AXIALES. En las bombas de émbolos axiales el bloque de cilindros y el eje impulsor están en la misma línea central y los émbolos tienen un movimiento de vaivén  paralelos al eje  del impulsor.

El bloque de cilindros de ésta bomba  es girado por el eje del impulsor. Los émbolos ajustados perfectamente en los cilindros son unidos a través de ellos mismos a la zapata del émbolo y un anillo retractor para que así las zapatas  se sostengan en contra de un ángulo de la placa oscilante.

Cuando el bloque de cilindros va girando, la zapata del émbolo sigue a la placa oscilante, provocando que el émbolo tenga un movimiento de vaivén. Los orificios están arreglados en la placa de la válvula para que los émbolos pasen por la entrada cuando avanzan hacia el plato y pasar por la salida cuando son empujados por el plato.

En las bombas de desplazamiento variable, el plato oscilante se instala con una horquilla que cambia el ángulo del plato, para aumentar o reducir la carrera de los émbolos.

A continuación se muestra una tabla de las características más importantes de las bombas de desplazamiento positivo

TIPO DE BOMBA

PRESIÓN(PSI)

VELOCIDAD(RPM)

EFICIENCIA %

FLUJO (GPM)

Engranes Externos

2000-3000

1200-2500

80 – 90

1- 150

Engranes internos

500 – 2000

1200 – 2500

70 – 85

1 – 200

Paletas

1000 – 2000

1200 – 1800

80 – 95

1 – 80

Pistón axial

2000- 12,000

1200 – 3000

90 – 98

1 – 200

Pistón radial

3000 – 12,000

1200 – 1800

85 – 95

1 – 200

PRODUCCIÓN DE AIRE COMPRIMIDO

Para producir aire comprimido se utilizan compresores que elevan la presión del aire al valor de trabajo deseado. Los mecanismos y mandos neumáticos se alimentan desde una estación central. Entonces no es necesario calcular ni proyectar la transformación de energía para cada uno de los consumidores. El aire comprimido viene de la estación compresora y llega a las instalaciones a través de tuberías.

TIPOS DE COMPRESORES

Se distinguen dos tipos básicos de compresores:

El primero trabaja según el principio de desplazamiento. La compresión se obtiene por la admisión del aire en un recinto hermético, donde se reduce luego el volumen. Se utiliza luego en el compresor de  émbolo oscilante o rotativo.

El otro trabaja según el principio de la dinámica de los fluidos.  El aire es aspirado por un lado y comprimido como consecuencia de la aceleración de la masa.

1. – COMPRESOR DE EMBOLO OSCILANTE

Compresor de pistón

Compresor de membrana

2. -COMPRESOR DE EMBOLO ROTATIVO

Compresor rotativo celular

Compresor helicoidal vi celular

Compresor Rotos

3. – TURBOCOMPRESORES

Compresor radial

Turbocompresor axial

COMPRESORES DE EMBOLO

Este es el tipo de compresor más difundido actualmente

Es apropiado para comprimir a baja, media o alta presión. Su campo de trabajo se extiende desde unos 100 kpa. (1 bar) a varios miles de kpa.

Para obtener el aire a presiones elevadas, es necesario disponer  varias etapas compresoras. El aire aspirado se somete a una compresión previa por el primer émbolo, seguidamente se refrigera, para luego ser comprimido por el siguiente émbolo. El volumen de la segunda cámara de compresión es, en conformidad con la relación, más pequeño. Durante el trabajo de compresión se forma una cantidad de calor, que tiene que ser evacuada por el sistema de refrigeración.

Los compresores

De émbolo oscilante pueden refrigerarse por aire o por agua, y según las prescripciones de trabajo las etapas que se precisan son:

Hasta 400 Kpa.  (4 bar) 1 etapa

Hasta 1500 Kpa. (15 bar) 2 etapas

Más de 1500 Kpa. (15 bar), 3 etapas ó más

No resulta siempre económico, pero también pueden utilizarse compresores:

De 1 etapa hasta 12 bar

De 2 etapas hasta 30 bar

De 3 etapas hasta 220 bar