6 Componentes de mando 6.1 Valvulas distribuidoras Las válvulas distribuidoras son los elementos que permiten dirigir el aire comprimido a diferentes vías, conexiones o conductos, en función de la señal de mando recibida y de acuerdo con un programa establecido.
6.1.1 Categorias generales de valvulas Las válvulas neumáticas se han dividido en este tema en distribuidoras, auxiliares y proporcionales. Otras válvulas, como por ejemplo las válvulas de presión o las válvulas de proceso, no se expondrán aquí. Las válvulas reductoras de presión, o simplemente reguladores, ya se han tratado. Las válvulas distribuidoras se catalogan según diferentes categorías, que incluyen el tipo, el principio de diseño, el tipo de mando, la función, el tamaño y la aplicación. Tipo El tipo hace referencia al montaje de la válvula. Por ejemplo, una válvula puede conectarse aislada, en subbase, en bloque modular, en línea o en isla de válvulas. El montaje afecta al diseño. 1) Conexión directa. En estas válvulas los conductos se conectan directamente al cuerpo de la válvula. En la figura se muestra una válvula de asiento 2/2.
2) Súbase Individual con conexiones laterales, salidas en la base o en el cuerpo de la válvula.
Individual con conexiones inferiores, salidas en la base o en el cuerpo de la válvula. Página 1 de 17
Manifold de longitud fija con 1, 2, 4, 6, 8, 10 y 12 estaciones. Salidas en el cuerpo de la válvula
3) Bloque Manifold. Subbase modular. Se obtiene un bloque de válvulas cuando distintas válvulas se conectan en una misma subbase. Todas las válvulas de un bloque modular comparten la presión de alimentación y el escape. Las salidas de la válvula se realizan por un lateral de la subbase o por el cuerpo de la válvula. El pilotaje interno acostumbra a ir integrado en la subbase, la cual también tiene vías practicadas para el pilotaje externo y la presión y escape comunes.
4) Isla de válvulas. La isla de válvulas tiene todas las ventajas del sistema modular y utiliza además bobinas precableadas a un conector multipolo.
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5) Bus de campo. Cuando la isla de válvulas se conecta a un módulo de interfaz serie Fieldbus, o bus de campo, se facilita el mando, control y monitorización remota del trabajo del grupo de válvulas mediante ordenador. Los bus de campo pueden ser abiertos o cerrados.
El sistema bus de campo centraliza el control remoto y la diagnosis de los equipos, reduce la cantidad y el trazado del cableado y supone una reducción de los costes de instalación y mantenimiento. Sistema convencional
Sistema Fieldbus
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Principio de diseño El principio de diseño hace referencia al principio de operación bajo el cual se ha diseñado la válvula. Por ejemplo, las válvulas pueden ser de corredera, de asiento plano, de asiento giratorio, etc. Las figuras que se muestran sirven de referencia de tipo. El diseño de cada modelo de válvula puede incluir otras posiciones y número de vías aparte de los indicados. Válvula de corredera El diseño más popular y versátil. Disponible en varias funciones: 3/2, 5/2, 5/3, etc. Totalmente equilibrada. Amplia gama de estilos, medidas, mandos y montajes. Aptas para un amplio rango de aplicaciones.
Válvula de asiento Las válvulas de asiento son de diseño simple y efectivo. Se utilizan principalmente con función 2/2 y 3/2. Hacen buena estanqueidad y a menudo son una buena elección para cortar la presión de suministro. El diseño de la junta favorece una rápida apertura.
Válvulas sensibles Se actúa con una fuerza muy baja. En posición normal, la leva mantiene cerrado un orificio de purga. El pistón diferencial recibe presión por el lado menor y por el mayor mediante una restricción en el propio pistón. Una fuerza pequeña levantará el asiento, lo cual permitirá purgar aire. El caudal a través del pistón es menor que el de purga, por lo que se pierde presión y el pistón cambia de posición. Si se suelta la leva, el pistón retorna.
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Válvulas de asiento giratorio No lleva juntas de goma sintética que se deslicen. El actuador rotativo –rojo– asienta plano sobre la base. Si giramos parcialmente la palanca, controlaremos el caudal.
Tipo de mando El mando es el mecanismo que acciona la válvula y causa el cambio de estado del sistema. Los mandos se clasifican en manuales, mecánicos y eléctricos. Pulsador Pulsador seta Botón giratorio
Pulsador de emergencia
Retorno por llave
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Leva
Rodillos, normal y escamoteable
Pilotaje neumático
Pilotaje eléctrico
Función La función es la variedad de posiciones o estados en los que la válvula puede trabajar. Por ejemplo, pueden ser 2/2, 3/2, 4/2, 5/2, 3/3, 4/3, 5/3, etc. El primer número es el número de vías (puertos) principales: entradas, salidas y descargas, sin incluir las líneas dedicadas a señales de pilotaje. El segundo valor es el número de posiciones (estados). Una válvula 3/2 tiene tres vías y dos posiciones: en reposo y actuada. Se dice que la función de una válvula es monoestable cuando tiene una sola posición de reposo estable. En cambio, se dice que es biestable si no tiene una posición de reposo preferencial, de modo que permanece en cualquier posición hasta que se acciona algún mando. Normalmente, la función monoestable se consigue mediante muelles de retorno. 2/2
3/2
4/2
5/2
3/3
4/3
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5/3
El tamaño de la conexión aumenta con el tamaño de la válvula y con el caudal máximo que puede trasegar. Los puertos pueden ser M5, R1/8, R1/4, R3/8, R1/2, R3/4, R1, etc., siguiendo la misma progresión que los racores.
La válvula, según su función y la del circuito en que esté, tendrá una u otra aplicación. Las aplicaciones de las válvulas neumáticas son múltiples, y van desde la más sencilla, consistente en dar aire o cortar un único camino, hasta el control proporcional preciso de presión y caudal. Una válvula estándar puede tener diferentes aplicaciones, dependiendo de la función para la que ha sido seleccionada en un sistema. Podemos hablar de válvulas de potencia, válvulas con funciones lógicas, de control o de parada de emergencia. También hay válvulas con funciones específicas, como la válvula de escape rápido, la de arranque progresivo/descarga y la de monitorización. Una válvula de 3 vías es la selección normal para controlar un cilindro de simple efecto, pues proporciona vías de entrada, salida y escape. En el módulo dedicado a la neumática proporcional se presentan más ejemplos de aplicaciones de las válvulas neumáticas. En posición de reposo, producida por el muelle, la válvula está cerrada:
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En posición actuada, producida por el pulsador, la válvula está abierta. El pulsador se debe mantener activado para que el cilindro llegue al final de su carrera.
6.1.2 Valvulas auxiliares Las válvulas auxiliares tienen otras funciones que las descritas en la unidad anterior, pero son muy utilizadas en los circuitos neumáticos para efectuar misiones especiales. Pueden ser de distintos tipos: Válvula reguladora de caudal Válvula de apertura rápida Válvula de simultaneidad. Función lógica Y. Válvula selectora de circuito. Función lógica O. Válvula presostatos neumáticos. Vávula antiretorno. Válvula silenciador. Válvula reguladora de caudal: Regulador de caudal unidireccional, montado en linea y ajustable. Caudal libre en una dirección. Caudal estrangulado y regulable en la otra dirección.
Válvula de apertura rápida: La via 2 se conecta directamente en la culata del cilindro. La via 1 recibe aire de la válvula de control direccional. El aire de la cámara del pistón se evacua muy rápido, lo cual aumenta su velocidad. El aire pasa por la junta de labios hacia el cilindro. Cuando la válvula de control cambia, la junta se desplaza a la derecha, de modo que permite un escape directo al exterior.
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Válvula de simultaneidad. Función lógica Y: Una entrada de aire en cualquiera delas vias 1 hará que el pequeño pistón bloquee la señal. Si entra aire por las dos, una via se bloqueará y la otra comunicará con 2. Si las presiones no son iguales, la via se bloqueará con menor presión.
Válvula selectora de circuito. Función lógica O: Si entra la señal de presión neumática por cualquiera de las vias 1, se tendrá salida de presión por 2. El disco de estanqueidad se mueve a través de la válvula para cerrar posibles eacuaciones y prevenir perdidas de presión.
Válvula presostatos neumáticos: La presión de alimentación actua en superficies anulares diferentes y mantiene la corredera hacia la izquierda. Una débil señal de pilotaje enla via 12 de sólo el 50% de la presión de alimentación es suficiente para mover la corredera. La via 1, entonces, se comunica con la via 2. Si deaparece la señal, la fuerza diferencial hace que la corredera retorne.
Válvula antiretorno: Válvula 2/2 que impide la circulación del aire en un sentido. En la figura caudal obstruido hacia la derecha.
Válvula silenciador: Dispositivo que reduce la intensidad sonora de la descarga del aire.
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6.1.3 Valvulas proporcionales Durante los últimos años, la utilización de la neumática proporcional ha adquirido un interés creciente debido a la incorporación de la electrónica en la cadena de mando. Los elementos neumáticos proporcionales, ya sean válvulas de presión o de caudal, garantizan que la señal neumática regulada -la presión o el caudal- es proporcional a una señal eléctrica débil que se utiliza para el gobierno de la válvula en cuestión. Son numerosas las aplicaciones donde la técnica proporcional se puede aplicar con buenos resultados. Las aplicaciones de la neumática proporcional incluyen el control continuo de la presión, o de la fuerza, y el control del caudal, o del volumen y/o posición. La neumática proporcional puede ser de presión o de caudal. Neumática proporcional de presión Algunas aplicaciones de la neumática proporcional de presión son las siguientes: El frenado neumático El conformado de piezas por presión Las pruebas de fugas de aire La soldadura por fricción y la eléctrica
Soldadura por fricción y a eléctrica Neumática proporcional de caudal Algunas aplicaciones de la neumática proporcional de caudal son: Los sistemas de pintado por pulverización Los sistemas de llenado de botellas El control de niveles en depósitos
Sistema de pintado por pulverización Si se quisieran tener cuatro niveles de presión diferentes en un punto de una instalación, y se optara para ello por la solución convencional, serían necesarias cuatro válvulas reguladores de presión. En cambio, si usamos la técnica proporcional, es suficiente una sola válvula y, además, la regulación no está sólo restringida a cuatro niveles de presión, sino a casi un número ilimitado. Página 10 de 17
Desde el momento en que la señal de salida del componente responde siguiendo una señal de entrada electrónica, se abren infinitas posibilidades para la mejora del control de los sistemas electroneumáticos. La regulación de los sistemas puede efectuarse mediante técnicas en lazo abierto o en lazo cerrado. En estos últimos, la señal de mando se modifica en función del estado del sistema, de forma que se aumenta su precisión y flexibilidad.
De igual modo, el comportamiento interno de la válvula puede ser en lazo abierto o en lazo cerrado. En las primeras la linealidad de la válvula es responsabilidad exclusiva del solenoide proporcional, mientras que en las segundas se usan sensores internos de presión o desplazamiento para garantizar el comportamiento proporcional. En estas últimas, el uso de sensores cierra el lazo de realimentación y hace que la válvula sea estable ante la existencia de perturbaciones externas o cambios en el sistema. En cambio, las válvulas con tecnología proporcional en lazo abierto son más económicas que aquellas con lazo interno de realimentación y, como contrapartida, pueden resultar adecuadas en numerosas aplicaciones donde las de lazo cerrado supondrían un coste prohibitivo.
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Respuesta de las válvulas de presión proporcionales
Válvulas de presión con control de lazo cerrado
La señal eléctrica de mando (consigna) puede ser una tensión de 0 a 10 V de corriente continua, o bien una intensidad de 0 a 20 mA o de 4 a 20 mA. También están disponibles válvulas proporcionales con tecnología digital. La señal de salida es una presión de rangos diferentes -véase el eje de ordenadas. 6.2.1 Selección del tamaño de valvula Para la selección del tamaño más adecuado de una válvula distribuidora, se deben tener en cuenta las siguientes consideraciones: La presión de alimentación. La carga aplicada sobre el actuador que gobierna la válvula. El acoplamiento entre el actuador y la válvula, y el tipo de regulación de velocidad usado. En neumática se sabe que una misma válvula conducirá un caudal diferente en función del sistema a que esté conectada. La longitud y diámetro de los tubos de conexión, así como el número de racores usados, afectan mucho al valor del caudal efectivo. Por este motivo, es necesario el acoplamiento entre el sistema -básicamente, la cámara del cilindro a una carrera dada- y la válvula, regulador, etc. para definir el flujo de masa circulante. La gráfica siguiente sirve de guía para relacionar el caudal con el paso de rosca más adecuado. Los valores de caudal indicados deben servir sólo como referencia o punto de partida en la selección de la válvula.
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6.2.2 Caudal masico en una valvula El caudal que atraviesa una válvula no sólo depende de su tamaño, sino también de las presiones a la entrada, p1, y a la salida, p2. Cuando se representa el caudal en función de la presión de salida, se obtienen curvas como las siguientes, donde se observa que el caudal crece cuando aumenta p1 para una misma p2, y que para una misma p1 el caudal alcanza un valor máximo para un determinado p2 mínimo –línea continua a la izquierda del gráfico.
6.2.3 La norma ISO 6358 La norma ISO 6358 presenta un método de aplicación a todo tipo de componentes neumáticos destinado a regular, medir, dirigir o conducir el flujo de aire en circuitos neumáticos. El método utiliza dos coeficientes, C y b, que deben determinarse experimentalmente para cada válvula. Para una presión absoluta de entrada a la válvula p1: El gasto másico es: G C · p1 · T · N · El caudal normal es: QN C · p1 · T · . En estas expresiones: 1 en el caso sónico (es decir, cuando p2/p1 b); y en el caso subsónico:
T es el factor de corrección de la temperatura de remanso (( T 1). r es la relación entre la presión a la salida de la válvula y a la entrada p2/p1. b es la relación de presiones crítica.
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ISO 6358 1989 14 p, (G) Transmisiones neumáticas - Elementos atravesados por un fluido compresible - Determinación de las características del caudal. La relación entre el caudal volumétrico máximo en condiciones normales de ensayo y la presión de entrada a la válvula recibe el nombre de conductividad o conductancia del elemento neumático, C. Una consecuencia inmediata del empleo de la conductancia es que el caudal máximo a través de una válvula crece linealmente con la presión p1. Se llama relación de presiones crítica (b) a la relación de presiones p2/p1 que hace que la velocidad del aire a través de la válvula sea la del sonido. Cuando p2/p1 b se dice que la válvula está obstruida o bloqueada, pues el caudal no puede hacerse mayor aunque se disminuya p 2. En condiciones sónicas sí que aumenta el caudal cuando lo hace p1. Para analizar el caudal másico conducido por una válvula hay que tener en cuenta: Evolución del caudal en función de b Conductancia sónica (C) Relación de presiones crítica(b) Evolución del caudal en función de b En el gráfico se representa la evolución det caudal por medio tíe la válvula en función de la relación p2/p1. La presión absoluta p1 es de 5,9 bar.
Conductancia sónica (C) La conductancia sónica (C) para la válvula de la figura es
Relación de presiones crítica(b) En la figura, en que la relación de presiones crítica(b) es aproximadamente 0,25, se puede observar el efecto de válvula obstruida.
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6.2.4 Otros metodos de calculo La conductancia C se puede relacionar con otros coeficientes que también se emplean en el cálculo del caudal mediante válvulas. Uno de estos coeficientes es el kv, según el cual el caudal que pasa a través de una válvula se define como: En esta expresión medimos QN en Nm3/h, las presiones en bar absolutos y el k v en m3/h/ (kg/L/bar)1/2. El coeficiente kT continúa siendo cercano a la unidad en la mayoría de los casos. En condición sónica, el caudal a través de una válvula se define en función del k v como sigue: QN = 14,3 · kv · p1 6.2.5 Otras consideraciones Son varias las condiciones de trabajo en presión y temperatura en función de la aplicación. También se requieren distintos puntos de filtración y lubricación. Presión: Las presiones de trabajo para las válvulas van, generalmente, desde vacio hasta 16 bar. La mayoría de las aplicaciones no trabajan a más de 30 bar. Las electroválvulas de pilotaje interno pueden trabajar hasta a 1,5 bares. Por debajo de este valor es necesario elegir pilotaje externo, porque el pilotaje interno puede no funcionar de forma correcta. Temperatura: Normalmente, la temperatura de trabajo esté limitada por el material de las juntas. El rango estándar oscila entre 5 y 60°C de temperatura ambiente. Para las bobinas, debido a ta generación de calor, la temperatura ambiente máxima es de 50 ºC. Para aplicaciones a bajas temperaturas del orden de -20 ºC, hay que secar el aire hasta este valor de punto de rocío, y asi se evitará la formación de hielo. Filtración: Las válvulas requieren aire limpio y seco, con o sin lubricación. Por norma general, un filtro estándar de 40 u es suficiente para extraer gotas de agua y panículos sólidas. Lubricación: Las válvulas se engrasan cuando se montan. Esto garantiza una larga duración para las juntas y el cuerpo de la válvula. La duración media de las válvulas será mayor si se usa un lubricador micro fog. Si se seca el aire, es necesario lubricar a unA temperatura de rocio muy baja. Es necesario lubricar para temperaturas de trabajo extremas, tanto muy altas como muy bajas.
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6.3.1 Acoplamiento valvula cilindro El acoplamiento válvula-cilindro viene condicionado por los siguientes aspectos: Las características de flujo de la válvula o válvulas conectadas. Las características de flujo y/o pérdidas de presión de los conductos y racores utilizados. Las dimensiones básicas del actuador, diámetros, áreas y carrera total. Las condiciones de operación y trabajo del actuador. El funcionamiento de un actuador neumático se puede determinar en una primera aproximación con un análisis en régimen permanente basado en las características del sistema equivalente válvula-conductos-actuador. Sin embargo, el movimiento de un cilindro no es a velocidad constante durante toda la carrera, sino que se observan tres fases: aceleración, régimen a velocidad constante y deceleración. En la práctica ocurre que se trabaja a más presión de la mecánicamente necesaria con el objetivo de reducir en lo posible el tiempo de ciclo efectivo del proceso, con tramos de aceleración que abarcan la práctica totalidad de la carrera del cilindro. En estos casos, el análisis en régimen permanente no resulta útil y se hace necesario plantear el estudio desde un punto de vista dinámico, normalmente con ordenador. De este modo, los sistemas neumáticos suelen estar sobredimensionados en presión para el nivel de esfuerzos que hay que realizar. Esta circunstancia implica ineludiblemente un mayor consumo de aire comprimido para el mismo volumen desplazado. 6.3.2 Regulacion de la velocidad De entre los diferentes procedimientos de control de la velocidad en los sistemas neumáticos destacan la regulación por estrangulación a la entrada y a la salida. La experiencia enseña que la regulación a la entrada presenta problemas de regularidad a bajas presiones o con pequeñas inercias como consecuencia del rozamiento que tiene lugar en los cilindros. Estos problemas son molestos y han hecho que siempre se recomiende regular a la salida. Aun así, en la práctica está más extendida la regulación a la salida para ambos sentidos del movimiento, que se realiza con válvulas reguladoras de la velocidad, tal y como se muestra en la figura.
Otras consideraciones hacen que varios centros de investigación estén estudiando el sistema de regulación a la entrada. Es cierto que la regulación de velocidad con regulador a la salida consigue tiempos de ciclo menores que cuando se hace a la entrada, y que la diferencia entre ambos procedimientos es mayor cuanto más corto es el cilindro y menor la Página 16 de 17
presión de alimentación. Sin embargo, sorprendentemente esta diferencia no es muy significativa. Por otro lado, la regulación a la entrada puede ahorrar hasta un 30% en aire comprimido. Además, si se tiene en cuenta que los problemas de regularidad en el movimiento como consecuencia del rozamiento son cada vez menos frecuentes por la mejora de los sistemas antifricción y del trabajo a altas cargas, no parece haber motivo para excluir este tipo de regulación. Por estrangulación en la salida Cuando se regula en la salida, la antecámara del cilindro se presuriza rápidamente casi a lo presión de alimentación, mientras que la presión en la camara del vastago aumenta por encima de la alimentación como consecuencia de la estrangulación. En este procedimiento el tramo de aceleración es largo porque el transitorio inicial es notable. Esto nace que en cilindros cortos no se alcance la velocidad de régimen hasta casi la totalidad del recorrido del cilindro.
Por estrangulación en la entrada Cuando se regula en la entrada, las presiones p1 y p2 evolucionan de forma diferente a como lo hacían en el caso anterior. La presión p2 cae rápidamente al cero relativo. mientras que la presión p1 adopta el valor de rcgimen correspondiente a la carga aplicada, ( , aproximadamenle, puesto que también influye el rozamiento).
Las imagenes que se presentan aquí son resultados experimentales para ambos sistemas de regulación sin carga. El tiempo de ciclo es común e igual a Tc = 2,5 segundos. Se observa que la regulación en la entrada consume menos aire comprimido porque trabaja a presiones más bajas que la regulación en la salida. La velocidad a más tiene una mayor uniformidad en regulación en la entrada, y el retorno a menos es más rápido.
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