Alfonso David Hernández Ruiz
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Proyecto de fabricación de una caja reductora
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Índice General
Índice de la memoria……………………………….……pág.1
1. Memoria…………………………………………....… pág. 13
Índice del pliego de condiciones…………………..pág. 7
2. Pliego de condiciones…………………………….pág. 35
Índice de los cálculos……………………………………pág. 8
3. Cálculos………………………………………………….pág. 43
Índice de los presupuestos………………….……..pág. 12
4. Presupuestos………………………………………...pág. 64
Índice de los planos…………………………..……….pág. 10
5. Planos…………………………………………………….pág. 68
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1
Índice de la memoria
1. Memoria………......… pág. 13
1.1 Objetivo y características……………………..…….…pág. 13
1.2 Memoria mecánica…………………………………….…pág. 14
1.2.1 Tipo de rodamientos………………………………………….…pág. 14
1.2.1.1 Dimensiones…………………………………………………………………….pág. 14
1.2.1.2 Modelo………………………………………………………………………..…..pág. 14
1.2.1.2.1 Modelo del conjunto………………………………………………………..pág. 14
1.2.1.2.2 Modelo del rodamiento………………………………………………..….pág. 14
1.2.1.2.3 Modelo del soporte………………………………………………………....pág. 15
1.2.1.2 Cantidad……………………………………………………………………….….pág. 15
1.2.1.3 Tolerancias………………………………………………………………..……..pág. 15
1.2.1.3.1 Clase de tolerancias……………………………………………………..…..pág. 15
1.2.1.3.3 Tolerancia del eje……………………………………………………………..pág. 15
1.2.1.4 Ajustes……………………………………………………………………………..pág. 15
1.2.1.4.1 Grado de ajuste………………………………………………………………..pág. 15
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2
1.2.2 Chavetas………………………………………………………….……pág. 16
1.2.2.1 Ajuste de la chaveta con los chaveteros……………………………pág. 16
1.2.2.2 Cantidad……………………………………………………………………….….pág. 16
1.2.3 Eje 1………………………………………………………………………pág. 16
1.2.3.1 Chaveteros del eje…………………………………………………………...pág. 16
1.2.3.1.1 Chavetero de los piñones que van en el eje 1……………….….pág. 17
1.2.4 Eje 2……………………………………………………………………...pág. 17
1.2.4.1 Nervio……………………………………………………………………………...pág. 17
1.2.4.1.1 Chavetero de los piñones que van en el eje 2………………..…pág. 17
1.2.5 Acoplamiento elástico para el motor………………….…pág. 18
1.2.5.1 Modelo…………………………………………………………………………….pág. 18
1.2.5.2 Dimensiones…………………………………………………………………….pág. 18
1.2.5.3 Cantidad…………………………………………………………………………..pág. 18
1.2.6 Tipos de materiales y tratamientos dado..............…pág. 19
1.2.6.1 Carcasa caja reductora……………………………………………………..pág. 19
1.2.6.2 Acoplamiento elástico para el motor……………………………..…pág. 19
1.2.6.2.1 Partes metálicas……………………………………………………………….pág. 19
1.2.6.2.2 Elastómero……………………………………………………………………….pág. 19
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3
1.2.6.3 Eje 1…………………………………………………………………………………pág. 19
1.2.6.4 Eje 2………………………………………………………………………………….pág. 20
1.2.6.5 Conjunto de todos los piñones………………………………………….pág. 21
1.2.6.6 Rodamientos…………………………………………………………………….pág. 21
1.2.6.6.1 Rodamientos…………………………………………………………………….pág. 21
1.2.6.6.2 Soportes……………………………………………………………………….….pág. 22
1.2.6.6.3 Tapas laterales………………………………………………………………….pág. 22
1.2.6.7 Tapa de la carcasa…………………………………………………………….pág. 22
1.2.7 Tipos de lubricación……………………………………………...pág. 23
1.2.7.1 Lubricante para los piñones de la caja reductora………………pág. 23
1.2.7.1.1 Marca……………………………………………………………………………….pág. 23
1.2.7.1.2 Características………………………………………………………………….pág. 23
1.2.7.2 Lubricante para los rodamientos……………………………………...pág. 23
1.2.8 Elementos de unión……………………………………………...pág. 24
1.2.8.1 Para tapa de la carcasa………………………………………………..……pág. 24
1.2.8.2 Para el motor…………………………………………………………………...pág. 24
1.2.8.3 Para los soportes de los rodamientos……………………………….pág. 25
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4
1.3 Memoria eléctrica…………………………………….…..pág. 26
1.3.1 Placa de características del motor eléctrico…………..pág. 26
1.3.2 Tipo de cableado del circuito………………………………...pág. 26
1.3.2.1 Aislante…………………………………………………………………………….pág. 26
1.3.2.2 Modelo……………………………………………………………………………pág. 26
1.3.2.2.1 Para el esquema de mando………………………..………………….…pág. 26
1.3.2.2.2 Para el esquema de potencia……………………………………………pág. 27
1.3.2.3 Cantidad…………………………………………………………………………..pág. 27
1.3.3 Tipo de contactores……………………………………….……..pág. 27
1.3.3.1 Modelo…………………………………………………………………….………pág. 27
1.3.3.2 Cantidad…………………………………………………………………………..pág. 27
1.3.4 Tipo de temporizador……………………………………………pág. 28
1.3.4.1 Diagrama de secuencia tiempo………………………………………...pág. 28
1.3.4.2 Cantidad…………………………………………………………………………..pág. 28
1.3.5 Tipo de relee térmico………………………………………….…pág. 29
1.3.5.1 Modelo…………………………………………………………………………….pág. 29
1.3.5.2 Cantidad…………………………………………………………………………..pág. 29
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5
1.3.6 Interruptor magneto-térmico………………………………..pág. 29
1.3.6.1 Modelo……………………………………………………………..……………..pág. 29
1.3.6.2 Cantidad…………………………………………………………………………..pág. 29
1.3.7 Pilotos de señalización………………………………………….pág. 30
1.3.7.1 Modelo…………………………………………………………………………….pág. 30
1.3.7.2 Cantidad…………………………………………………………………………..pág. 30
1.3.8 Cuadro eléctrico……………………………………………………pág. 30
1.3.8.1 Modelo…………………………………………………………………………….pág. 31
1.3.8.1.1 Modelo del panel……………………………………………………………..pág. 31
1.3.8.2 Dimensiones………………………………………………………………….…pág. 31
1.3.7.2.1 Dimensiones del cofre (en mm.)……………………………………….pág. 31
1.3.7.2.2 Dimensiones del panel (e mm.)………………………………………..pág. 31
1.3.8.3 Cantidad…………………………………………………………………………..pág. 31
1.3.9 Pulsadores…………………………………………………………….pág. 32
1.3.9.1 Modelo…………………………………………………………………………….pág. 32
1.3.9.2 Cantidad………………………………………………………………………..…pág. 32
1.3.10 Funcionamiento del esquema eléctrico……………….pág. 32
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6
1.4 Mantenimiento…………………………………………….pág. 33
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7
Índice del pliego de condiciones
2. Pliego de condiciones……….…pág. 35
2.1 Normas………………………………………………………...pág. 35
2.1.1 Normas de seguridad…………………………………………….pág. 35
2.1.2 Normas de fabricación…………………………………….…….pág. 35
2.1.3 Normas de dibujo………………………………………………….pág. 37
2.2 Ensayos de los materiales……………………………..pág. 39
2.2.1 Ensayos destructivos……………………………………………..pág. 39
2.2.1.1 Ensayo de tracción……………………………………………………………pág. 39
2.2.1.2 Ensayos de dureza…………………………………………………………….pág. 39
2.2.2.4 Ultrasonidos…………………………………………………………………….pág. 39
2.2.2.2 Ensayo de partículas magnéticas………………………………..…….pág. 39
2.2.2.3 Ensayos de radiografías industriales…………………………………pág. 39
2.2.2 Ensayos no destructivos………………………………………..pág. 39
2.2.2.1 Ensayo de líquidos penetrantes………………………………………..pág. 40
2.3 Guía de proceso de fabricación y ensamble de una
Caja Reductora……………………………………………….…..pág. 41
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8
Índice de los cálculos
3. Cálculos……….pág. 43
3.1 Cálculos mecánicos……………………………………….pág. 43
3.1.1 Tipo de piñones de la caja reductora…………………..…pág. 43
3.1.1.1 Abreviaturas para el cálculo de piñones…………………………...pág. 43
3.1.1.2 Tipo de dientes……………………………………………………………..….pág. 43
3.1.1.3 Primer engranaje………………………………………………………………pág. 43
3.1.1.4 Segundo engranaje…………………………………………………………..pág. 44
3.1.1.5 Tercer engranaje……………………………………………………………...pág. 45
3.1.2 Peso de los piñones……………………………………………….pág. 47
3.1.2.1 Abreviaturas para el cálculo del peso …………………………….…pág. 47
3.1.2.2 Piñón 1……………………………………………………………………………..pág. 47
3.1.2.3 Piñón 2……………………………………………………………………………..pág. 48
3.1.2.4 Piñón 3……………………………………………………………………………..pág. 48
3.1.2.5 Piñón 4……………………………………………………………………….…….pág. 49
3.1.2.6 Piñón 5……………………………………………………………………………..pág. 49
3.1.2.7 Piñón 6……………………………………………………………………………..pág. 50
3.1.3 Diámetro de los ejes de la caja reductora………………pág. 51
3.1.3.1 Abreviaturas para el cálculo de la flexión………………………….pág. 51
3.1.3.2 Flexión eje 1…………………………………………………………………..…pág. 51
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9
3.1.3.3 Flexión eje 2……………………………………………………………………..pág. 52
3.1.3.4 Abreviaturas para el cálculo de torsión…………………………….pág. 54
3.1.3.5 Torsión eje 1……………………………………………………………….......pág. 55
3.1.3.6 Torsión eje 2…………………………………………………………………….pág. 57
3.1.4 Peso de los ejes……………………..……………………………..pág. 60
3.1.4.1 Peso eje 1…………………………………………………………………………pág. 60
3.1.4.2 Peso eje 2…………………………………………………………………………pág. 62
3.2 Cálculos eléctricos…………………………………………pág. 62
3.2.1 Intensidad eléctrica del motor……………………………...pág. 62
3.2.1.1 Placa de características del motor…………………………………….pág. 62
3.2.1.2 Abreviaturas para el cálculo de la intensidad…………………...pág. 62
3.2.1.3 Intensidad………………………………………………………………………..pág. 62
3.2.2 Superficie de elementos del cuadro eléctrico…….…pág. 63
3.2.2.1 Abreviaturas para el cálculo de la superficie…………………..…pág. 63
3.2.2.2 Cálculo de la superficie……………………………………………………..pág. 63
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10
Índice de los presupuestos
4. Presupuestos……….pág. 64
4.1 Presupuestos mecánicos……………………………….pág. 64
4.2 Presupuestos eléctricos…………………………………pág. 65
4.3 Presupuesto total………………………………………….pág. 67
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11
Índice de los planos
5. Planos
5.1 Planos mecánicos
Plano 1. Conjunto de la caja (planta seccionada)
Plano 2. Conjunto de la caja (perfil)
Plano 3. Tapadera de la carcasa
Plano 4. Piñón 1
Plano 5. Piñón 2
Plano 6. Piñón 3
Plano 7. Piñón 4
Plano 8. Piñón 5
Plano 9. Piñón 6
Plano 10. Eje 1
Plano 11. Eje 2
Plano 12. Acoplamiento elástico
Plano 13. Rodamiento
Plano 14. Chaveta
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12
Plano 15. Tornillo Allen M8 × 1,25 × 30 (mm.)
Plano 16. Tuerca Hexagonal M14 × 2
Plano 17. Tornillo Hexagonal M11× 1,5×20
Plano 18. Arandela Plana M8
Plano 19. Arandela Plana M11
Plano 20. Arandela Plana M14
5.2 Planos eléctricos
Plano 1. Cuadro eléctrico
Plano 2. Croquis de la tapa de la botonera
Plano 3. Esquema de conexiones
Plano 4. Esquema de conexiones de la botonera
Plano 5. Esquema de potencia
Plano 6. Esquema de mando
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1. Memoria
1.1 Objetivo y características
El objetivo que tiene este proyecto, con el diseño de esta caja reductora,
es el cambio de velocidades de un torno de control numérico (TCN)
específico.
La caja reductora esta prevista de tres velocidades, acondicionadas a las
exigencias de producción para las que va a ser utilizado dicho torno de
control numérico.
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14
1.2 Memoria mecánica
1.2.1 Tipo de rodamientos
El tipo de rodamiento que vamos a elegir, es en un rodamiento Y de bolas
de una hilera con un soporte de brida ovalado. Este conjunto viene
acompañado de unas tapas laterales Para proteger las disposiciones de
rodamientos en los extremos de los ejes y para evitar los accidentes que
éstos podrían provocar.
Elegimos este tipo de rodamiento porque es capaz de girar a grandes
velocidades. Soportan principalmente cargas radiales, y absorben ciertas
cargas axiales, pero con la incorporación de un anillo de fijación excéntrico
en el soporte, cubren las necesidades exigidas perfectamente.
1.2.1.1 Dimensiones
D= diámetro exterior d= diámetro interior B= anchura del conjunto
M= masa del conjunto v= velocidad límite
D=33mm d= 17mm B= 39,1mm
M= 0,41 kg v= 9500 rpm
1.2.1.2 Modelo
1.2.1.2.1 Modelo del conjunto
FY 17 TB
1.2.1.2.2 Modelo del rodamiento
YET203
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1.2.1.2.3 Modelo del soporte
FYTB503M
1.2.1.2 Cantidad
La cantidad de rodamientos con sus soportes y tapaderas es 4.
1.2.1.3 Tolerancias
1.2.1.3.1 Clase de tolerancias
La clase de tolerancia elegida para el rodamiento es una tolerancia H6.
La clase de tolerancia elegida para el eje es una tolerancia p5.
1.2.1.3.3 Tolerancia del eje
+0,015 mm (máx.) y +0,005 mm (min.)
1.2.1.4 Ajustes
1.2.1.4.1 Grado de ajuste
El grado de ajuste será precisión, para que el rodamiento quede bien
sujeto al eje.
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1.2.2 Chavetas
Como el diámetro del eje 1 está comprendido entre 12mm y 17mm,
elegimos, según las tablas, una chaveta con unas dimensiones de 5 × 5
(b × h).
b= anchura (mm.) h= altura (mm.)
1.2.2.1 Ajuste de la chaveta con los chaveteros
El ajuste de la chaveta con los cahveteros, será un ajuste aprieto, para que
los piñones queden bien sujetos al eje y no se pueda mover alguno de
estos con respecto al eje.
1.2.2.2 Cantidad
Necesitaremos 5 chavetas. Tres para la sujeción de los piñones 1, 3 y 5, y
dos para la sujeción del acoplamiento elástico.
1.2.3 Eje 1
Teniendo en cuenta todos los cálculos mecánicos para la elección del eje,
elegimos un eje con dimensiones: d (diámetro) =17(mm.)
L (longitud) = 297(mm.)
1.2.3.1 Chaveteros del eje
Los cuatro chaveteros del eje tendrán una profundidad de 2,9mm. Con
una tolerancia de +0,2mm.
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1.2.3.1.1 Chavetero de los piñones que van en el eje 1
Los chaveteros de los piñones 1, 3 y 5, tendrán una profundidad de
1,8mm. Con una tolerancia de +0,1mm.
1.2.4 Eje 2
Teniendo en cuenta todos los cálculos mecánicos para la elección del eje,
elegimos un eje con dimensiones: d (diámetro) =17(mm.)
L (longitud) = 297(mm.)
1.2.4.1 Nervio
Para el eje 2 elegiremos un eje nervado de un nervio, para que el conjunto
de los tres piñones (2,4 y 6) puedan desplazarse a lo largo de este y así
poder cambiar el nº de revoluciones de salida de la caja reductora
El nervio elegido para este eje, tendrá unas dimensiones b × h 5 × 5
b= anchura (mm.) h= altura (mm.)
1.2.4.1.1 Chavetero de los piñones que van en el eje 2
El chavetero de los piñones 2,4 y 6, tendrán una profundidad de 5,1mm.
Con una tolerancia de +0,01mm.
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1.2.5 Acoplamiento elástico para el motor
1.2.5.1 Modelo
Elegiremos un acoplamiento elástico modelo M-1A, según la marca:
Acoplamientos elásticos-TUPAC CONVNCIONAL.
Escogemos este modelo de acoplamiento porque es capaz de absorber
marchas, contramarchas y vibraciones. A parte su relación peso potencia
es baja, por lo que evita el desgaste de los rodamientos y de los elementos
a unir. También el elemento flexible trabaja a la compresión; evitando de
este modo la tracción y torsión del mismo. Tiene una flexión máxima de
3 y soporta una velocidad máxima de 6000rpm.
1.2.5.2 Dimensiones
del eje máximo = 20mm de la maza = 40mm
del cuerpo = 60mm Largo total = 60mm
Modelo ilustrativo:
1.2.5.3 Cantidad
Necesitaremos 1 acoplamiento.
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1.2.6 Tipos de materiales y tratamientos dados
1.2.6.1 Carcasa caja reductora
Elegiremos el grupo F-810 de fundiciones grises, porque tiene buena
resistencia mecánica y soporta bien las vibraciones. Estas fundiciones se
emplean para la mayoría de las piezas mecánicas que han de servir de
soporte o de alojamiento de los mecanismos.
Resistencia mecánica (R) = 28 kg/ dureza (HB) = 210-260
1.2.6.2 Acoplamiento elástico para el motor
1.2.6.2.1 Partes metálicas
Las partes metálicas están fabricadas con el grupo F-810 de las
fundiciones grises, porque absorben bien los esfuerzos de marchas,
contramarchas y vibraciones. Estas fundiciones se emplean para la
mayoría de las piezas mecánicas que han de servir de soporte o de
alojamiento de los mecanismos.
1.2.6.2.2 Elastómero
El elastómero está fabricado con caucho "acrilo-nitilo", su dureza es de 70
SHOREA, haciéndolo resistente a la compresión y al ataque de líquidos. Al
apoyar totalmente la superficie cóncava de la misma en la cavidad
convexa de cada diente no permite que la misma se deforme,
aumentando de este modo considerablemente su vida útil.
1.2.6.3 Eje 1
Para este elegiremos el grupo F-110-ACEROS AL CARBONO, porque las
condiciones mecánicas de dicho grupo son las óptimas para los esfuerzos
que va a resistir el eje.
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Los tratamientos que se le darán serán:
-Un temple normalizado en agua. Este tiene por objetivo aumentar
la dureza y la resistencia del acero. Su enfriamiento será rápido y en agua.
Este tratamiento modifica las características mecánicas del acero
aumentando la resistencia de rotura, el límite elástico, la dureza, el
alargamiento, y la resiliencia.
-Un revenido. Este es un tratamiento que sigue al temple; tiene
como finalidad reducir las tensiones internas que ocasiona el temple, y
mejorar las características del material reduciendo su fragilidad. Este
disminuye la resistencia a la rotura, la dureza, la resiliencia, y aumenta el
tanto por ciento de alargamiento.
1.2.6.4 Eje 2
Para este elegiremos el grupo F-110-ACEROS AL CARBONO. Elegimos este
tipo de acero porque las condiciones mecánicas de éste son las óptimas
para los esfuerzos que va a resistir el eje.
Los tratamientos que se le darán serán:
-Un temple normalizado en agua. Este tiene por objetivo aumentar
la dureza y la resistencia del acero. Su enfriamiento será rápido y en agua.
Este tratamiento modifica las características mecánicas del acero
aumentando la resistencia de rotura, el límite elástico, la dureza, el
alargamiento, y la resiliencia.
-Un revenido. Este es un tratamiento que sigue al temple; tiene
como finalidad reducir las tensiones internas que ocasiona el temple, y
mejorar las características del material reduciendo su fragilidad. Este
disminuye la resistencia a la rotura, la dureza, la resiliencia, y aumenta el
tanto por ciento de alargamiento.
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21
1.2.6.5 Conjunto de todos los piñones
Para los piñones elegimos el grupo F-120/130-ACEROS ALEADOS DE GRAN
RESISTENCIA. Elegimos éste tipo de acero porque reúne las características
mecánicas necesarias para soportar la potencia y velocidad que tiene que
transmitir la caja de cambios.
Tratamientos que se le darán serán:
-Un temple normalizado en agua. Este tiene por objetivo aumentar
la dureza y la resistencia del acero. Su enfriamiento será rápido y en agua.
Este tratamiento modifica las características mecánicas del acero
aumentando la resistencia de rotura, el límite elástico, la dureza, el
alargamiento, y la resiliencia.
-Un revenido. Este es un tratamiento que sigue al temple; tiene
como finalidad reducir las tensiones internas que ocasiona el temple, y
mejorar las características del material reduciendo su fragilidad. Este
disminuye la resistencia a la rotura, la dureza, la resiliencia, y aumenta el
tanto por ciento de alargamiento.
No se debe de forjar a menos de 850 , y su calentamiento debe ser
regular.
1.2.6.6 Rodamientos
1.2.6.6.1 Rodamientos
Elegiremos un acero al cromo. Contiene aproximadamente un 1 % de
carbono y un 1,5 %. A día de hoy, el acero al cromo rico en carbono es uno
de los aceros más antiguos y más investigados, debido a que las exigencias
de duración de los rodamientos son cada vez mayores. La composición de
este acero para rodamientos ofrece un equilibrio óptimo entre la
fabricación y el rendimiento de la aplicación.
Le daremos un tratamiento térmico martensítico o bainítico, durante el
cual se endurece hasta un rango de 58 a 65 HRC
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1.2.6.6.2 Soportes
Los soportes de las series SY(J) 5 y SYF(J) 5 están hechos de fundición gris
EN-GJL HB195 según la normativa EN 1561:1997. Estas fundiciones se
emplean para la mayoría de las piezas mecánicas que han de servir de
soporte o de alojamiento de los mecanismos.
1.2.6.6.3 Tapas laterales
Para proteger las disposiciones de rodamientos en los extremos de los
ejes y para evitar los accidentes que éstos podrían provocar, colocaremos
unas tapas laterales. Estas tapas de la serie ECY 2, son de plástico y van
introducidas a presión en los rebajes situados en el agujero del soporte.
1.2.6.7 Tapa de la carcasa
Elegiremos el grupo F-810 de fundiciones grises, porque tiene buena
resistencia mecánica y soporta bien las vibraciones. Estas fundiciones se
emplean para la mayoría de las piezas mecánicas que han de servir de
soporte o de alojamiento de los mecanismos.
Resistencia mecánica (R) = 28 kg/ dureza (HB) = 210-260
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1.2.7 Tipos de lubricación
1.2.7.1 Lubricante para los piñones de la caja reductora
1.2.7.1.1 Marca
Teniendo en cuenta el tipo de engranaje que es, la velocidad de
funcionamiento, la potencia transmitida, la temperatura de trabajo, el
régimen de funcionamiento y el procedimiento de engrase; elegiremos un
lubricante de aceite que reúna las características apropiadas.
La maraca de aceite que elegiremos será: Cartago 90-EP (Extrema
Potencia). El fabricante es Repsol.
1.2.7.1.2 Características
-Densidad a 20 0,92 g/
-Viscosidad a 210 en Cetistokes de 18 a 19
-Índice de viscosidad 80 min. (mínimo)
-Punto de inflamación 200 (mínimo)
-Punto de congelación -9 (máximo)
-Contiene aditivos
1.2.7.2 Lubricante para los rodamientos
Elegiremos una grasa con base de litio/calcio con una consistencia 2 según
la clasificación NLGI. Esta grasa es adecuada para unas temperaturas de
funcionamiento de –20 a +120 °C y tiene buenas propiedades
antioxidantes y buena resistencia al agua. Consigue una larga vida útil
incluso bajo cargas elevadas, de manera que por lo general no se requiere
la re lubricación. El relleno de grasa estándar representa
aproximadamente el 45 al 60 % del espacio libre en el rodamiento.
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Para la re lubricación recomendaremos que se utilice la grasa SKF LGWA 2,
ya que tiene una excelente compatibilidad con la grasa original utilizada.
Al realizar la re lubricación, la grasa se debe introducir poco a poco hasta
que salga grasa nueva a través de la obturación. El rodamiento debe girar
durante la re lubricación y se debe evitar la presión excesiva, ya que de lo
contrario se pueden dañar las obturaciones.
1.2.8 Elementos de unión
1.2.8.1 Para tapa de la carcasa
Para anclar la tapa de la carcasa en la carcasa utilizaremos:
-4 Tornillos Allen M8 × 1,25 × 35 (mm.), de acero inoxidable. Según
la marca DIN 912-A2.
-4 Arandelas planas M8 (Dex=15,5mm y Din= 8,3mm), de acero
inoxidable. Según la modelo DIN 125-A2
1.2.8.2 Para el motor
Para anclar el motor en el soporte preparado en el torno utilizaremos:
-4 Tuercas Hexagonales M14 × 2 (mm.), de acero inoxidable. Según
el modelo AISI 304.
-8 Arandelas planas M14 (Dex=28mm y Din=15mm), de acero
inoxidable. Según el modelo DIN 125-A4.
-4 Silentblock anti-vibraiones (Ref: 11520):
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-1 junta tapa (192 x 130 mm.)
1.2.8.3 Para los soportes de los rodamientos
Para sujetar los soportes de los rodamientos en la carcasa utilizaremos:
-8 Tornillos Hexagonales M11× 1,5×20 (mm.), de acero inoxidable.
Según el modelo DIN 125-A2.
-8 Arandelas planas M11 (Dex=19,5mm y Din=10,3mm), de acero
inoxidable. Según el modelo DIN 125-A2.
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1.3 Memoria eléctrica
1.3.1 Motor eléctrico
Elegiremos un motor eléctrico trifásico modelo ABB Motors.
1.3.1.1 Placa de características del motor eléctrico
ABB Motors
3 Motor M2AA90L- 4 CL. F IPSS
Nº 004599 06/12
V Hz r/min Kw
360-420Y 50 1620 1,5 0,79
220-260 50 1420 1,5 0,79
440-460Y 50 1510 1,5 0,79
250-260Y 50 1710 1,5 0,79
IM 3001
5205-2z/c3 6204-2z/c3 15kg
1.3.2 Tipo de cableado del circuito
1.3.2.1 Aislante
El aislante es el envolvente del conductor eléctrico. Elegiremos como
aislante el PVC, porque la temperatura de servicio es menor de 65 .
Su función es la de proteger o aislar al conducto frente a defectos de
aislamiento.
1.3.2.2 Modelo
1.3.2.2.1 Para el esquema de mando
Elegimos el modelo HO7V-K, con una sección de 1,5 .
Proyecto de fabricación de una caja reductora
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27
1.3.2.2.2 Para el esquema de potencia
Elegimos el modelo HO7V-K, con una sección de 2,5 .
1.3.2.3 Cantidad
Necesitaremos un royo de 100 metros, para cada tipo de cable.
1.3.3 Tipo de contactores
Los contactores son unos dispositivos formados por 3 contactos
principales, varios auxiliares y una bobina. Cuando a dicha bobina le llega
tensión, todos sus contactos cambian de posición. Tiene la capacidad de
cortar la corriente eléctrica a un receptor, con la posibilidad de ser
accionado a distancia.
1.3.3.1 Modelo
De acuerdo con las características eléctricas del motor, la categoría de
servicio a elegir del contactor es AC3. Y la relación entre corriente cortada
y de servicio es 1, por lo que el calibre elegir es 32.
Por tanto elegiremos un modelo de contactor tripolar AC3 Calibre 32.
1.3.3.2 Cantidad
El número que necesitaremos será 5contactores.
Proyecto de fabricación de una caja reductora
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28
1.3.4 Tipo de temporizador
Elegiremos un temporizador neumático temporizado a la conexión, con
dos contactos; uno normalmente cerrado (NC) Y otro normalmente
abierto (NA). La temporización será de 10 segundos.
Éste temporizador retarda el cierre o la apertura de un contacto a partir
de la activación del temporizador por la señal de mando.
1.3.4.1 Diagrama de secuencia tiempo
1.3.4.2 Cantidad
La cantidad a elegir será 1 temporizador.
1.3.5 Tipo de relé térmico
Este es un dispositivo que tiene dos contactos: uno normalmente abierto
(NA) y otro normalmente errado. Cuando se produce una sobre-intensidad
en el circuito, este tiene la capacidad de cortar la corriente que va a la
bobina del contactor, y a su vez con el contacto NA activa un elemento de
señalización. Este elemento de señalización tiene como fin avisar cuando
se produce una avería.
Proyecto de fabricación de una caja reductora
Alfonso David Hernández Ruiz
29
1.3.5.1 Modelo
Teniendo en cuenta las características eléctricas del motor y el tiempo
máximo de sobreintensidad (clase 7,2 Ir 6s-20s); elegiremos un relé
térmico con una clase de disparo de 20 A, y un margen de variación de
corriente de 2,5……4 A.
1.3.5.2 Cantidad
Necesitaremos 2 relés térmicos.
1.3.6 Interruptor magneto-térmico
Este es un dispositivo que tiene la capacidad de cortar, por sí sólo, las
sobre-intensidades no admisibles y los cortocircuitos que se producen en
los receptores.
1.3.6.1 Modelo
Teniendo en cuenta las características eléctricas del motor, y a que en el
arranque de éste se produce una sobre-intensidad admisible de 12 veces
la corriente de disparo: la curva de disparo a elegir será la D, por ser la
corriente del magneto-térmico (20 × 10 = 60 A) superior a Sobreintensidad
admisible (12 × 3 = 36 A).
El calibre a elegir, será un Calibre 10 A.
1.3.6.2 Cantidad
Utilizaremos 1 magneto-térmico.
Proyecto de fabricación de una caja reductora
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30
1.3.7 Pilotos de señalización
1.3.7.1 Modelo
Elegiremos pines led indicador de señal modelo DC 24V, de color rojo.
1.3.7.2 Cantidad
Utilizaremos 2 luces de señalización.
1.3.8 Cuadro eléctrico
El cuadro eléctrico o envolvente es el que contiene todos los dispositivos
de maniobra (contactores, temporizadores, contactores auxiliares), de
protección (magneto térmicos y relés térmicos) y pilotos de señalización.
Su función es:
-Contener los dispositivos de maniobra, protección y medida.
-Proteger a las personas frente a defectos de aislamiento o
contactos indirectos que se puedan producir en el interior del
cuadro eléctrico.
-Proteger el contenido frente a la penetración de cuerpos sólidos y
líquidos, así como a impactos mecánicos sobre el propio cuadro
eléctrico.
-Facilitar la realización de cualquier modificación o reparación.
Proyecto de fabricación de una caja reductora
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31
1.3.8.1 Modelo
Elegiremos un índice de protección IP 21, por ser el más apropiado para
una sala de máquinas.
Como la superficie total obtenida de los elementos que van a estar en éste
cuadro (calculados en los cálculos eléctricos) es inferior a 34, 2 , el
coeficiente corrector a aplicar para tener en cuenta los elementos
auxiliares de conexión (canales perforadas, liras porta cables y bornes de
conexión) es de 2,2. Por lo que la superficie total del automatismo es
5,94 ( 2,2 × 2,7).
Como la superficie total del automatismo es inferíos a 51 , el tipo de
cuadro eléctrico que elegiremos será un cofre.
1.3.8.1.1 Modelo del panel
El panel que irá colocado dentro del cofre, será un panel con montantes
verticales tipo C.
1.3.8.2 Dimensiones
1.3.7.2.1 Dimensiones del cofre (en mm.)
500 (altura) × 300 (anchura) × 200 (profundidad)
1.3.7.2.2 Dimensiones del panel (e mm.)
400 (altura) × 200 (anchura)
1.3.8.3 Cantidad
La cantidad será: 1 cofre y un panel.
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32
1.3.9 Pulsadores
1.3.9.1 Modelo
Para los pulsadores de marcha, utilizaremos un modelo POTPNVG.
Para los pulsadores de paro (tipo seta), utilizaremos un modelo
P9XEM52111.
1.3.9.2 Cantidad
Pulsadores de accionamiento, necesitaremos 3.
Pulsadores de paro, necesitaremos 2.
1.3.10 Funcionamiento del esquema eléctrico
Primero seleccionamos el sentido de giro: Pulsando sobre S2 marcamos el
sentido de giro del motor hacia la derecha, si pulsamos S3 marcaremos el
sentido de giro hacia la izquierda. Para cambiar la dirección de sentido o
desactivar los contactos pulsaremos S1, éste también servirá como paro
general.
Una vez seleccionado el sentido de giro, pulsando S5 pondremos en
marcha el motor mediante un arranque estrella-triángulo. El motor
arrancará en estrella y transcurrido un tiempo pasará a triangulo mediante
un temporizador. Pulsando S4 pararemos el motor sin necesidad de
cambiar la dirección de giro,
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33
1.4 Mantenimiento.
Las operaciones de mantenimiento o sustitución, deben ser efectuadas
por operarios expertos en el respeto de las leyes vigentes en materia de
seguridad en el puesto de trabajo y de la problemática ambiental de la
instalación específica.
Antes de cualquier operación, es imprescindible que el personal
encargado realice lo siguiente:
- Desactive los elementos motrices del reductor dejándolos "fuera
de servicio".
- Evite cualquier situación en la que el reductor pueda reactivarse
accidentalmente o sus componentes puedan moverse (a causa de
masas suspendidas o similares), señale de forma adecuada las
zonas limítrofes e impida el acceso a todos los dispositivos que, al
activarse, podrían suponer un peligro para la seguridad y la salud
de las personas.
-Aplique toda medida de seguridad ambiental que resulte
necesaria (por ejemplo, control de emisiones de gas o de polvo
residual, etc.)
Cuando se realicen operaciones de mantenimiento en el
reductor, se deberán respetar las siguientes indicaciones:
- Sustituir los componentes muy gastados utilizando solamente
recambios originales.
-Usar los aceites y grasas aconsejados por el fabricante.
Si un rodamiento precisa ser sustituido, es aconsejable la sustitución
también del otro rodamiento que soporta el mismo eje.
Después de una intervención de mantenimiento es aconsejable la
sustitución del aceite lubricante.
Proyecto de fabricación de una caja reductora
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34
No contamine el ambiente con líquidos contaminantes, piezas usadas y
restos de las tareas de mantenimiento. Estos componentes se deben
eliminar
de conformidad con las leyes vigentes.
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35
2. Pliego de condiciones
2.1 Normas
2.1.1 Normas de seguridad
-Real Decreto 1495/1986. Reglamento de seguridad en maquinaria
-Real Decreto 1407/1987. Regula las entidades de inspección y control
reglamentario en materia de seguridad de los productos, equipos e
instalaciones industriales
-Real Decreto 486/1997. Reglamento de señalización por el que se
establece que las disposiciones mínimas de seguridad y salud en los
lugares de trabajo.
-Real Decreto 1942/1993. Reglamento de instalaciones de protección
contra incendios.
-Reglamento electrotécnico de baja tensión (REBT 2-08.02).
2.1.2 Normas de fabricación
-ISO 3228: 1993.
-ISO 683-17:1999
-UNE-36-032-85. Aceros para tornillería por deformación en frío.
-UNE-EN 10253-1. Aceros al carbono para usos generales.
-UNE-EN 10269. Aceros y aleaciones de níquel para elementos de fijación
para aplicaciones a baja y/o elevada temperatura.
-UNE-EN 10277-2. Productos calibrados de aceros.
-UNE-EN 10028-2. Productos planos de aceros para aplicaciones a presión.
-UNE-EN 10028-7. Productos planos de aceros para aplicaciones a presión.
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36
-UNE-EN 10222-2. Piezas de aceros forjadas para aparatos a presión.
-DIN 51512 y normas SAE. Para la elección del lubricante.
-UNE 17 001 63 2R. Roscas: Definiciones.
-UNE 17 050 78 3R. Tornillos y espárragos: Longitudes nominales y
longitudes roscadas.
-UNE 17 076 69. Extremos de tornillos. Medidas métricas.
-UNE 17 077 80 1R. Tornillos y espárragos: Salidas de roscas.
-UNE 17 078 65. Arandelas elásticas de retención para ejes.
-UNE 17 108 81. Tornillos y tuercas de acero: Momentos de apriete.
-UNE 17 701 79 2R. Rosca Métrica ISO: Perfil de base.
-UNE 17 702 78 2R. Rosca métrica ISO: Serie general de diámetro y
pasos.
-UNE 17 704 78 2R. Rosca métrica ISO de empleo general Medidas
básicas.
-UNE 17 707 78 1R. Rosca métrica ISO para usos generales:
Tolerancias principales y datos básicos.
-UNE 17 709 78 1R. Rosca métrica ISO para usos generales:
Tolerancias. Límites de dimensiones para roscas de tornillos y
tuercas comerciales (Calidad media).
-UNE 17 709 78 1R. Rosca métrica ISO para uso general:
Tolerancias. Diferencias para perfiles de roscas.
-DIN 6886. Chavetas: Ranuras - Dimensiones y aplicaciones.
-UNE 17 102 67/1. Chavetas paralelas: Serie Normal.
-UNE 18 097 83 1R. Rodamientos: Capacidad de carga estática.
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37
-UNE 18 105 85 3R. Rodamientos: Tolerancias. Definiciones.
-UNE 18 113 83 1R. Rodamientos: Capacidad de carga dinámica y
vida útil. Método de cálculo.
-UNE 18 005 84 5R. Engranajes cilíndricos para mecánica general y
mecánica pesada. Módulos y pasos diametrales.
-UNE 18 008 59 1R. Engranajes: Principios fundamentales.
-UNE 18 033 84 3R. Notación internacional de los engranajes.
Símbolos de datos geométricos.
-UNE 18 040 65 1R. Engranajes. Nomenclatura de los desgastes y
rotura de los dientes.
-UNE - EN ISO 2203. Signos convencionales para engranajes.
2.1.3 Normas de dibujo
-UNE_1045=1951. Remaches y tornillos.
-UNE_1120=1996. Tolerancias de cotas lineales y angulares
-UNE_1121-1=1991. Tolerancias geométricas. Tolerancias de forma,
orientación, posición y oscilación. Generalidades, definiciones, símbolos e
indicaciones en los dibujos.
-UNE_1128=1995. Tolerancias geométricas. Referencias y sistemas de
referencia para tolerancias geométricas.
-UNE_1149=1990. Principio de tolerancias fundamentales.
-UNE-EN_ISO_6410-1=1996. Roscas y piezas roscadas. Parte 1: Convenios
generales.
-UNE-EN_ISO_6410-2=1996. Roscas y piezas roscadas. Parte 2: Insertos
roscados.
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38
-UNE-EN_ISO_6410-3=1996. DIBUJOS TECNICOS. Roscas y piezas roscadas.
Parte 3: Representación simplificada.
-UNE-EN_ISO_8826-1=1995. DIBUJOS TECNICOS. Rodamientos. Parte 1.
Representación simplificada general.
-UNE-EN_ISO_8826-2=1998. DIBUJOS TECNICOS. Rodamientos. Parte 2.
Representación simplificada particularizada.
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39
2.2 Ensayos de los materiales
Estos ensayos los realizaremos para comprobar que los materiales
escogidos soportan los esfuerzos mecánicos a los que éstos van a ser
sometidos, realizamos dos tipos de ensayos.
2.2.1 Ensayos destructivos
2.2.1.1 Ensayo de tracción
Este ensayo se utiliza para medir los esfuerzos axiales.
2.2.1.2 Ensayos de dureza
-Ensayo Brinell: para medir la resistencia de los material.
-Ensayo Vickers: para medir la resistencia de los material.
2.2.2 Ensayos no destructivos
2.2.2.1 Ensayo de líquidos penetrantes
Este ensayo se utiliza para comprobar la porosidad de los materiales.
2.2.2.2 Ensayo de partículas magnéticas
Este ensayo se utiliza para comprobar si hay micro fisuras.
2.2.2.3 Ensayos de radiografías industriales
-Rayos x: se utilizan para ver si hay defectos internos.
-Rayos gamma: se utilizan para ver si hay defectos internos.
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40
2.2.2.4 Ultrasonidos
Estos ensayos se utilizan para medir el espesor de los materiales.
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41
2.3 Guía de Proceso de Fabricación y Ensamble Caja
Reductora.
1) Compra de insumos y materiales para la fabricación.
2) Distribución de órdenes de trabajo.
3) Fabricación de engranajes.
4) Control de engranajes.
5) Fabricación de ejes de transmisión.
6) Control de ejes de transmisión.
7) Fabricación de chavetas.
8) Control de chavetas.
9) Corte de piezas carcasa caja reductora.
10) Control de piezas carcasa caja reductora.
11) Roscado de agujeros carcasa caja reductora.
12) Control de roscado.
13) Fabricación de tapas de cierre para ejes de transmisión.
14) Control de tapas.
15) Unión de piezas carcasa caja reductora.
16) Montaje de engranajes y rodamientos en ejes de transmisión.
17) Inspección de montaje.
18) Montaje de ejes en caja reductora.
Proyecto de fabricación de una caja reductora
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42
19) Inspección final de montaje.
20) Preparación de superficies para el cierre.
21) Cierre de caja reductora.
22) Preparación de superficie de tapas.
23) Colocación de tapas.
24) Inspección final caja reductora armada.
25) Entrega al cliente con manual de instrucciones.
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43
3. Cálculos
3.1 Cálculos mecánicos
3.1.1 Tipo de piñones de la caja reductora
3.1.1.1 Abreviaturas para el cálculo de piñones
dex = diámetro exterior A = altura total del diente
din = diámetro interior b = anchura del diente
a = distancia entre ejes z = número de dientes
Ac = altura de la cabeza del diente p = paso
3.1.1.2 Tipo de dientes
Ac
Ap
A
b
3.1.1.3 Primer engranaje
Elegiremos para los dos primeros piñones z = 20
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3.1.1.4 Segundo engranaje
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45
3.1.1.5 Tercer engranaje
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46
Conocemos que n5 = 1620 rpm
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47
3.1.2 Peso de los piñones
3.1.2.1 Abreviaturas para el cálculo del peso
3.1.2.2 Piñón 1
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48
3.1.2.3 Piñón 2
3.1.2.4 Piñón 3
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49
3.1.2.5 Piñón 4
3.1.2.6 Piñón 5
Proyecto de fabricación de una caja reductora
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50
3.1.2.7 Piñón 6
Proyecto de fabricación de una caja reductora
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51
3.1.3 Diámetro de los ejes de la caja reductora
3.1.3.1 Abreviaturas para el cálculo de la flexión
3.1.3.2 Flexión eje 1
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52
Proyecto de fabricación de una caja reductora
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53
3.1.3.3 Flexión eje 2
Proyecto de fabricación de una caja reductora
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54
3.1.3.4 Abreviaturas para el cálculo de torsión
Proyecto de fabricación de una caja reductora
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55
3.1.3.5 Torsión eje 1
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56
0046rad
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57
3.1.3.6 Torsión eje 2
Proyecto de fabricación de una caja reductora
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58
Proyecto de fabricación de una caja reductora
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59
0045rad
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60
3.1.4 Peso de los ejes
3.1.4.1 Peso eje 1
Proyecto de fabricación de una caja reductora
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3.1.4.2 Peso eje 2
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3.2 Cálculos eléctricos
3.2.1 Intensidad eléctrica del motor
3.2.1.1 Placa de características del motor
ABB Motors
3 Motor M2AA90L- 4 CL. F IPSS
Nº 004599 06/12
V Hz r/min Kw co
360-420Y 50 1620 1,5 0,79
220-260 50 1420 1,5 0,79
440-460Y 50 1510 1,5 0,79
250-260Y 50 1710 1,5 0,79
IM 3001
5205-2z/c3 6204-2z/c3 15kg
3.2.1.2 Abreviaturas para el cálculo de la intensidad
3.2.1.3 Intensidad
co
co
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63
3.2.2 Superficie de elementos del cuadro eléctrico
3.2.2.1 Abreviaturas para el cálculo de la superficie
de los elementos
3.2.2.2 Cálculo de la superficie
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64
4. Presupuestos
Por un lado sumaremos los presupuestos mecánicos, por otro los
eléctricos y por último la suma de estos dos.
4.1 Presupuestos mecánicos
Cantidad Precio Precio unitario
Eje 1 1 210€ 210€
Eje 2 1 220€ 220€
Conjunto de piñones 6 95€ 570€
Carcasa 1 350€ 350€
Tapa de la carcasa 1 65€ 65€
Rodamientos SKF 4 41€ 164€
Acoplamiento elástico 1 47€ 47€
Palanca de cambio 1 50€ 50€
Chavetas 5 2,85€ 14,2€
Tornillos M8 x 1,25 x 35 4 0,22€
Modelo DIN 912-A2
0,88€
Tornillos M11 x 1,5 x 20 8 0,24€
Modelo DIN 912-A2
1,76€
Silentblock (Ref:11520) 4 4,22€
16,88€
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Tuerca M14 x 2 4 0,15€
Modelo AISI 304-A4
0,60€
Arandela Plana M8 4 0,05€
Modelo DIN 125-A2
0,20€
Arandela Plana M11 8 0,06€
Modelo DIN 125-A2
0,48€
Junta tapa 192 x 130mm 1 1,20€ 1,20€
Total 1.712,76€
4.2 Presupuestos eléctricos
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66
Cantidad Precio Precio unitario
Motor eléctrico 1 210€ 210€
Magneto-térmico tripolar 1 6,99 €
10A Marca SCHNEIDER
6,99€
Contactor tripolar 1 78,61€
AC3 32A marca MOELLER
78,61€
Relé térmico variación 2…4A 2 14,50€ 29€
Pulsadores N/A 3 1,50€ 4,50€
Pulsadores N/C 2 1,50€ 3€
Pines led de color rojo 2 4,38€
Moelo DC 24v
8,76€
Cofre eléctrico 1 87€ 87€
Panel 1 12€ 12€
Botonera 1 3€ 3€
CarriL DIN (Canales perforados) 1m 3,50€/m 3,50€
Cable rojo de 1,5 100m 52,14€
Modelo HO7V-K
52,14€
Cable negro de 2,5 100m 54,83€
Modelo HO7V-K
54,83€
Bornes de conexión 4 0,25€ 1 €
Bornes de conexión 23 0,25€ 5,75€
Proyecto de fabricación de una caja reductora
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67
Total 574,08€
4.3 Presupuesto total
Presupuesto Mecánico 1712,76€
Presupuesto Eléctrico 574,08€
Presupuesto Total 2286,84€
Proyecto de fabricación de una caja reductora
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5. Planos
5.1 Planos mecánicos




















Proyecto de fabricación de una caja reductora
Alfonso David Hernández Ruiz
5.2 Planos eléctricos

2013
Proyecto Taladro Neumático
Juan Carlos Sánchez Bermúdez
PROYECTO DE UNA [TALADRADORA NEUMATICA ]
Este proyecto consta en desarrollar todas al aptitudes aprendidas en el curso de Técnico De Mantenimiento Industrial, tanto a nivel neumático, mecánico y cálculo de aplicaciones
Proyecto Taladro Neumático. Juan Carlos Sánchez Bermúdez 1
ÍNDICE
1.- MEMORIA
1.- INTRODUCCIÓN A LA NEUMÁTICA ............................................................................ 6
1.1.-HISTORIA .................................................................................................................. 7-8
1.2.- EL SISTEMA NEUMATICO BASICO ........................................................................... 8
1.3.- PROPIEDADES DEL AIRE COMPRIMIDO .................................................................. 9-10
1.3.1.-Fundamentos Físicos .............................................................................................. 11
1.3.2.-El Aire atmosférico. Composición y propiedades ................................................... 11-13
1.3.3.- Alcances y Objeto del proyecto ........................................................................... 13
1.3.4.- Emplazamiento y Situación ................................................................................... 13
1.4.-INSTALACIONES NEUMÁTICAS. COMPONENTES .................................................... 14
1.4.1.-Generación del aire comprimido: El compresor ..................................................... 14-15
1.4.2.- Depósitos ............................................................................................................... 15-16
1.4.3.-Redes neumáticas. Instalación de tuberías ............................................................ 16-17
1.4.4.-Manómetro ............................................................................................................ 18
1.4.5.-Válvula de control .................................................................................................. 18
1.4.6.-Unidad de Mantenimiento ..................................................................................... 19-20
1.4.7. –Purgador ............................................................................................................... 21
1.4.8.- Valvulería .............................................................................................................. 22-26
1.4.9.-Actuador................................................................................................................. 27-30
1.5.-Motores Neumáticos ................................................................................................. 30-31
Proyecto Taladro Neumático. Juan Carlos Sánchez Bermúdez 2
1.6.-APLICACIONES DE LA NEUMÁTICA .......................................................................... 31
1.6.1.-Campos de aplicación ............................................................................................ 31
1.6.2.- Aplicaciones Específicas ........................................................................................ 32
1.7.- Resumen accionamiento de la taladradora neumática ......................................... 32
1.7.1.-Taladradora neumática ......................................................................................... 32
1.7.2.-Realizacion de la secuencia .................................................................................... 33
1.7.3.-Realizacion y estudio del diagrama espacio-fase .................................................. 33
1.7.4.-Tratamiento de la memoria ................................................................................... 34
2.- PLIEGO DE CONDICIONES
2.1.- Introducción ............................................................................................................ 36
2.1.1.- Condiciones técnicas generales ............................................................................. 36
2.1.2.- Condiciones facultativas ....................................................................................... 36-37
2.1.3.- Condiciones económicas ....................................................................................... 37
2.1.4.- Condiciones legales ............................................................................................... 37
2.1.5.- Condiciones particulares de la instalación mecánica ............................................ 37
2.1.6.- Condiciones de mantenimiento y seguridad ......................................................... 37
2.2.- Acondicionamiento y tratamiento del aire comprimido ....................................... 38
2.3.- Normas y Reglamentación ...................................................................................... 39
2.4- Simbología Neumática ............................................................................................ 40
2.5.- Representación de Circuitos Neumáticos ............................................................... 41
2.6.- Comparación con la Hidráulica y la Electricidad ................................................... 42
2.7.- Mantenimiento de la Instalación Neumática ........................................................ 42-45
Proyecto Taladro Neumático. Juan Carlos Sánchez Bermúdez 3
3.- CALCULOS
3.1.-DISEÑO Y CÁLCULO DE ELEMENTOS Y CIRCUITOS NEUMÁTICOS .......................... 47-48
3.2.-CÁLCULO DE LA FUERZA DEL CILINDRO ................................................................... 48-49
3.3.-CÁLCULO DE DIAMETRO DEL CILINDRO .................................................................. 49-50
3.3.1.- Calculo de diámetro de Vástago .......................................................................... 50
3.4.-CALCULO DE PANDEO DEL CILINDRO ...................................................................... 51-52
3.5.-CALCULO DEL CAUDAL DEL CILINDRO ..................................................................... 53
3.6.- CALCULO DE DIMENSIONAMIENTO DEL COMPRESOR ......................................... 54
3.6.1.- Grupo compresor.................................................................................................. 55
3.7.- CALCULO DE HUMEDAD EN EL EXTERIOR ............................................................... 56
3.8.- CALCULO DE AGUA QUE SE PRECIPITA EN EL ACUMULADOR ............................... 56-57
3.9.- CALCULO DE PERDIDA DE PRESION DE TUBERIAS .................................................. 57-59
3.9.1.- Tendido de Red ..................................................................................................... 59-60
4.- PRESUPUESTO
4.1.- Presupuesto Neumático .......................................................................................... 62
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5.- PLANOS
5.1.- Esquema limitador de presión
5.2.- Esquema regulación por intermitencia
5.3.- Esquema Regulación por bloqueo por aspiración
5.4.- Esquema Neumático
5.5.- Taladradora Neumática
5.6.- Planta Del Cilindro De Doble Efecto
5.7.- Alzado Del Cilindro De Doble Efecto
5.7.1.- Fijación de los Cilindros Horizontales
5.7.2.- Fijación del Cilindro Vertical
5.7.3.- Válvula 5/2
5.7.4.- Tendido de Red
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1. - MEMORIA
1.INTRODUCCIÓN A LA NEÚMATICA
El aire comprimido es una de las formas de energía más antiguas que conoce el hombre y que éste ha utilizado y utiliza para ampliar sus recursos físicos. De los antiguos griegos procede la expresión "Pneuma", que designa la respiración, el viento y, desde el punto de vista filosófico, también el alma. Como derivación de las ideas que representa la palabra "Pneuma" se obtuvo, entre otras cosas el concepto Neumática, que trata los movimientos y procesos del aire. Para comprender el amplio uso de esta tecnología, y aunque posteriormente se verá más detalladamente, expliquemos brevemente el porqué del uso de la Neumática. Algunas de sus ventajas principales son:
• El aire es de fácil captación y abunda en la tierra • Es un tipo de Energía limpia • El aire no posee propiedades explosivas, por lo que no existen riesgos de chispas • Las velocidades de trabajo de los elementos neumáticos son razonablemente altas y fácilmente regulables • El trabajo con aire no provoca efectos de golpes de ariete, con lo que no daña los componentes de un circuito • Las sobrecargas no constituyen situaciones peligrosas o que dañen los equipos en forma permanente • Los cambios de temperatura no afectan de manera significativa. • Permite cambios instantáneos de sentido en los componentes.
Todas estas ventajas son de gran importancia, pero no olvidemos que, como todas las tecnologías, también tiene algunos inconvenientes. Para evitar la parcialidad, enumeremos sus desventajas más notables:
• En circuitos muy extensos se producen pérdidas de cargas considerables • Requiere de instalaciones especiales para recuperar el aire previamente empleado • Las presiones a las que trabajan normalmente, no permiten aplicar grandes fuerzas • Genera altos niveles de ruido debido a la descarga del aire hacia la atmósfera
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1.1 HISTORIA DE LA NEUMATICA
El aire presenta connotaciones muy importantes desde el punto de vista de su utilización. Desde su necesidad para la vida (el ser Humano, sin saberlo, llena en sus pulmones el compresor más antiguo de la historia, capaz de bombear 100 litros de aire por minuto con una presión entre 0,02 y 0,08 bar) hasta contener olas en el mar o impedir el congelamiento de agua por burbujeo. En a antigüedad, los griegos, en su búsqueda de la verdad, fueron cautivados por cuatro elementos que se presentan con relativa continuidad y abundancia, estos eran: el agua, el fuego, el aire y la tierra. De estos cuatro elementos, uno en particular, el aire, poseía por su naturaleza volátil y presencia transparente, la más fina expresión de la materia, que en otras densidades o estados constituía además los otros elementos. Era casi el alma. En griego, el vocablo que significa es PNEUMA y en consecuencia la técnica que utiliza el aire como vehículo para transmitir energía se llama NEUMATICA. El conocimiento y la aplicación del aire comprimido tomo consistencia a partir de la segundo mitad del siglo XVII, cuando el estudio de los gases es objetivo de científicos como: Torricelli, Pascal, Mariotte, Boyle, Gay Lussac, etc. A parir de los griegos, el aire se usó de muy diversas formas. En algunos casos, tal como se presenta en la naturaleza, o sea en movimiento. La navegación a vela, fue quizás la más antigua forma de aprovechamiento de la energía mecánica, permitiendo en algunos casos mover moliendas y en otros bombear caudales importantes de agua unos metros por encima del nivel del mar en el que están aperando.
Los sucesos más notables acaecidos en el avance del uso del aire comprimido pueden resumirse por orden cronológico como sigue:
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Las investigaciones en el campo de las aplicaciones del aire comprimido no han terminado todavía. Los robots, la manipulación, los autómatas programables y otras diversas prestaciones no han hecho perder ni un ápice el atractivo de la neumática en la nueva generación tecnológica. Actualmente, es positivo realizar elevados ciclos de trabajo con una vida larguísima de estos componentes. Utilizando la electrónica como mando, se ofrecen soluciones inmejorables para muchos problemas de automatización industrial.
Sectores industriales como: alimentación, ensamblaje y manipulación, sistemas robotizados o industrias de proceso continuo, son automatizados, en gran parte, neumáticamente por las ventajas que esta tecnología ofrece, tales como:
• Elasticidad, puesto que puede ser almacenada en recipientes una vez comprimido. • No posee características explosivas, aun habiendo sido comprimidas. • La velocidad de los actuadores es elevada (1m/s). • Los cambios de temperatura no alteran sus prestaciones.
• Es una técnica Limpia (desde el punto de vista macroscópico)
• Su coste no es elevado.
• Simplifica enormemente la mecánica.
Por lo tanto, la neumática, es una tecnología imprescindible como interface de potencia entre la electrónica de mando y el trabajo a desarrollar.
1.2 EL SISTEMA NEUMÁTICO BÁSICO
Los cilindros neumáticos, los actuadores de giro y los motores de aire suministran la fuerza y el movimiento a la mayoría de los controles neumáticos para sujetar, mover, formar y procesar el material.
Para accionar y controlar estos actuadores, se requieren otros componentes neumáticos, por ejemplo unidades de acondicionamiento de aire para preparar el aire comprimido y válvulas para controlar la presión, el caudal y el sentido del movimiento de los actuadores.
Un sistema neumático básico, se compone de dos secciones principales:
Ø El sistema de producción.
Ø El sistema de consumo del aire.
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1.3 PROPIEDADES DEL AIRE COMPRIMIDO
Algunas de las propiedades del aire comprimido en la industria son: 1. Disponibilidad. Muchas fábricas e instalaciones industriales tienen un suministro de aire comprimido en las áreas de trabajo y compresores portátiles que pueden servir en posiciones más alejadas. 1. Almacenamiento. Si es necesario se puede almacenar fácilmente en grandes cantidades en el interior de depósitos a calderines especialmente diseñados y creados para ello. 1. Simplicidad de diseño y control. Los componentes neumáticos son de configuración sencilla y se montan fácilmente para proporcionar sistemas automatizados extensos con un control relativamente sencillo. 1. Elección del movimiento. Se puede elegir entre un movimiento lineal o un movimiento de rotación angular con velocidades de funcionamiento fijas y continuamente variables pudiéndose regular con facilidad dichas velocidades. 1. Economía. La instalación tiene un coste relativamente bajo debido al coste modesto de los componentes. El mantenimiento es también poco costoso debido a su larga duración sin apenas averías. 1. Fiabilidad. Los componentes neumáticos tienen una larga duración que tiene consecuencia la elevada fiabilidad del sistema. 1. Resistencia al entorno. A este sistema no le afectan ambientes con temperaturas elevadas, polvo o atmosferas corrosivas en los que otros sistemas fallan. 1. Limpieza del entorno. El aire es limpio y con un adecuado tratamiento de aire en el escape, se puede instalar según las normas de seguridad para el trabajador y personal. 1. Seguridad. No presenta peligro de incendio en áreas de riesgo elevado y el sistema no está afectado por la sobrecarga puesto que los actuadores se detienen o se sueltan simplemente. Los actuadores neumáticos no producen calor.
Proyecto Taladro Neumático. Juan Carlos Sánchez Bermúdez 1 0
Agua en el aire comprimido: humedad
Otro de los aspectos importantes, y por el cual comenté antes la existencia de los diagramas de Mollier (psicrométrico), es la humedad en el aire comprimido. Al comprimir grandes cantidades de aire atmosférico, se produce una cantidad considerable de condensados y el aire del depósito se mantiene saturado (100%HR).
La cantidad de vapor de agua que contiene una muestra de aire atmosférico se mide por la humedad relativa en %HR. Este % es la proporción de la cantidad máxima de agua que puede contener el aire a una temperatura determinada, como se muestra en el siguiente dibujo:
Proyecto Taladro Neumático. Juan Carlos Sánchez Bermúdez 1 1
1.3.1 FUNDAMENTOS FÍSICOS.
El aire atmosférico, nuestro fluido energético, contiene gran número de compuestos gaseosos, así como vapor de agua y contaminantes varios (humos, polen, polvo, contaminantes gaseosos cerca de las fuentes de emisión de estos productos, etc.).
El aire atmosférico una vez eliminados tanto el vapor de agua como las impurezas, presenta una composición relativamente constante.
La composición aproximada en volumen es:
N2=> 78,084%; O2=> 20,9476%; CO2 => 0,0314%; Ne => 0,00181%; He => 0,000524%; CH4 => 0,0002%; SH4 => de 0 a 0,0001%; H2 => 0,00005% y una serie de componentes minoritarios (Kr, Xe, O3) => 0,0002%.
Las relaciones matemáticas utilizadas para presiones del aire inferior a los 12 bares, son las correspondientes a las de los gases perfectos.
La ley de los gases perfectos enlaza íntimamente tres magnitudes: presión (p), volumen (V), y temperatura (T), que están ligadas a su vez a la compresión y expansión del aire.
1.3.2 EL AIRE ATMOSFÉRICOCO, COMPOSICIÓN Y PROPIEDADES.
El aire comprimido se refiere a una tecnología o aplicación técnica que hace uso de aire que ha sido sometido a presión por medio de un compresor. En la mayoría de aplicaciones, el aire no sólo se comprime sino que también se desunifica y se filtra. El uso del aire comprimido es muy común en la industria, su uso tiene la ventaja sobre los sistemas hidráulicos de ser más rápido, aunque es menos preciso en el posicionamiento de los mecanismos y no permite fuerzas grandes.
• COMPOSICIÓN:
La atmósfera posee una mezcla indispensable para la vida y su composición, obviando la contaminación existente en cada zona, es (en % en volumen): Nitrógeno (N2, aprox. 78%), Oxigeno (O2, aprox. 21%) y trazas de otros compuestos, como dióxido de Carbono, Argón, Hidrógeno, Neón, Helio, Criptón y Xenón… Como vemos, es una mezcla de gases - alrededor de dieciséis lo conforman – aunque el N2 y el O2 ocupan el 99% de su volumen. El aire pesa 1,2928 gr/L a 273ºK y a presión atmosférica. Tanto su densidad como la velocidad del sonido varían con la temperatura y con la presión. Es compresible y cumple con aproximación aceptable las leyes para los Gases Ideales. Esta es quizás una de las propiedades más importantes ya que permite manejar los cambios termodinámicos del aire en situaciones reales.
Proyecto Taladro Neumático. Juan Carlos Sánchez Bermúdez 1 2
Hasta aquí nos hemos referido al aire seco pero normalmente en la naturaleza se presenta asociado al vapor de agua, que se comporta como un gas más de la mezcla. Para cada presión y temperatura, el aire puede contener una cantidad de agua en forma de vapor. Si se supera esta cantidad, el vapor condensa y precipita; esto será fundamental a la hora de acondicionar y comprimir el aire. Veremos en el apartado siguiente un ejemplo visual muy esclarecedor con respecto a este tema. Para calcular esta cantidad de vapor disponemos de los diagramas psicométricos.
• SUS PROPIEDADES:
El hecho de comprimir aire es debido a que el aire comprimido constituye en realidad una forma de transporte de energía de muy fácil manejo y por esto su utilización se ha ido imponiendo paulatinamente en la industria. Las principales propiedades que han contribuido a que el aire comprimido sea tan ampliamente utilizado son:
- Abundante: Está 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.
- 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).
- Temperatura: El aire comprimido es insensible a las variaciones de temperatura, garantiza un trabajo seguro incluso a temperaturas extremas.
- Antideflagrante: No existe ningún riesgo de explosión ni incendio; por lo tanto, no es necesario disponer instalaciones contra incendio, que son muy caras.
- Limpio: El aire comprimido es limpio y, en caso de faltas de estanqueidad en elementos, no produce ningún ensuciamiento Esto es muy importante por ejemplo, en las industrias alimenticias, de la madera, textiles y del cuero.
- No recuperación: no requiere instalaciones especiales para la recuperación del fluido de trabajo (aire).
- Constitución simple de los elementos: que implica precios económicos.
- Velocidad: Permite obtener velocidades de trabajo muy elevadas. (La velocidad de trabajo de cilindros neumáticos puede regularse sin escalones.)
- A prueba de sobrecargas y golpes de ariete: Los elementos de trabajo neumáticos pueden llegar hasta su parada completa sin riesgo de sobrecargas. Para delimitar el campo de utilización de la neumática es preciso conocer también las características adversas.
- Preparación: El aire atmosférico comprimido debe ser preparado, antes de su utilización. Es preciso eliminar impurezas y humedad (al objeto de evitar un desgaste prematuro de los componentes). Desde el punto de vista microscópica, el aire presenta impurezas que, para su uso satisfactorio, deben eliminarse.
- Compresible: Con aire comprimido no es posible obtener para los émbolos velocidades uniformes y constantes.
Proyecto Taladro Neumático. Juan Carlos Sánchez Bermúdez 1 3
- Fuerza: El aire comprimido es económico sólo 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 N (2000 a 3000 kp). Para masas superiores se debe recurrir a la Hidráulica.
- Escape: El escape de aire (descarga a la atmósfera del aire utilizado) produce ruido. Se evitarse razonablemente con materiales insonorizantes y silenciadores. Cabe aclarar que el aire de descarga podría estar contaminado y que por lo tanto no puede recuperarse.
- Costos: El aire comprimido es una fuente de energía relativamente cara; este elevado costo se compensa en su mayor parte por los elementos de precio económico y el buen rendimiento (cadencias elevadas).
- Los movimientos de los actuadores neumáticos no son rigurosamente regulares ni constantes debido a la calidad elástica del aire. Estas inexactitudes van en aumento en la medida en que la velocidad de dichos elementos se hace más lenta.
1.3.3.- Alcances y Objeto del Proyecto
El objeto del presente proyecto es realizar un Taladro Neumático, el cual consta de 3 cilindros uno de empuje de la pieza hacia el taladro, otro que es el propio taladro, y el ultimo, que se encarga de desplazar o llevarse la pieza de la zona de taladrado. Todo ello se realizará atendiendo y cumpliendo con la normativa vigente, la cual estará impulsada por un accionamiento Neumático.
Este proyecto está destinado para cumplimentar satisfactoriamente el último curso del Ciclo Superior de Mantenimiento Industrial.
1.3.4. Emplazamiento y Situación
El equipo ira emplazado en un taller Industrial, la nave tendrá unos 100m2 y tendrá como función poder realizar taladros de gran grosor sin necesidad de fuerza humana.
Se pone por tanto de manifiesto los distintos conocimientos, en las diferentes asignaturas por este motivo, se decide hacer un proyecto de este tipo, con el cual se espera aplicar los métodos estudiados relativos al estudio y cálculo de este tipo de mecanismos entre los cuales citamos los siguientes:
• Representación de elementos normalizados.
• Cálculos de resistencia Neumática de distintos elementos
• Cálculos de resistencia de los distintos materiales de los elementos
• Elección de distintos tipos de compresores
• Elección de las tipos de cilindros y válvulas
Dado que el presente proyecto compete a un prototipo no necesariamente competitivo en el ámbito comercial como de un desarrollo de conocimientos, se establece que dicho proyecto compete desde un punto de vista funcional industrialmente, así como su desarrollo por una
oficina técnica.
Proyecto Taladro Neumático. Juan Carlos Sánchez Bermúdez 1 4
Los datos concernientes al proceso de fabricación, técnicas de tratamientos, utillajes etc. competerían a los distintos departamentos implicados en un supuesto desarrollo competitivo del producto.
1.4. INSTALACIONES NEUMATICA: COMPONENTES.
Desde el año 1885 en París, hubo que enfrentarse realmente con el problema que significaba hacer llegar el aire comprimido a larga distancia a cada boca de consumo. El problema reviste bastante importancia pues con él están relacionados muchos diferentes aspectos: tipo de red, material de la tubería, tipos de unión, dimensiones, pérdidas de carga, accesorios, formas de montaje,... En este apartado vamos a analizar detalladamente cada uno de los componentes que conforman una red de aire comprimido, desde la generación hasta el consumo. Vemos en la figura siguiente, los elementos principales de una red neumática. En los apartados siguientes iremos detallando y pormenorizando cada uno de ellos.
1.4.1. Generación del aire comprimido: El compresor
Para producir aire comprimido se utilizan compresores, que elevan la presión del aire al valor de trabajo deseado. Todos los mecanismos y mandos neumáticos se alimentan desde una estación central de generación. De esta manera no es necesario calcular ni proyectar la transformación de la energía para cada consumidor. El aire comprimido viene de la estación compresora y llega a las instalaciones a través de tuberías. Las centrales de generación pueden ser fijas, como en la mayoría de las industrias, o móviles, como en la construcción o en máquinas que se desplazan frecuentemente. Como norma general, al planificar una instalación, es necesario prever un tamaño superior de la red, con el fin de poder alimentar aparatos neumáticos nuevos que se adquieran en el futuro. Por ello, es necesario sobredimensionarla, con el fin de que el compresor no resulte
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más tarde insuficiente, puesto que toda ampliación posterior en el equipo generador supone gastos mayores que si se tiene en cuenta desde un principio.
Los compresores son máquinas cuya finalidad es aportar energía a los fluidos compresibles, para hacerlos fluir aumentando al tiempo su presión. Esta característica los distingue de las soplantes y ventiladores, que manejan grandes cantidades de fluidos compresibles sin modificar sensiblemente su presión, de forma similar a las bombas.
Básicamente, un compresor admite gas o vapor a una presión pl dada, descargándolo a una presión p2 superior, comprimiéndolo en una cámara y haciéndolo pasar a través de un conducto de menor sección. La energía necesaria para efectuar este trabajo la proporciona un motor eléctrico, de combustión o una turbina de vapor.
Los compresores se clasifican por la forma de obtener el aumento de energía interna en el gas. Hay dos grandes grupos: los de desplazamiento positivo y los dinámicos. En los del primer grupo el aumento de presión se consigue disminuyendo el volumen de una determinada masa de gas. En los del segundo, el concepto cambia, el aumento de presión surge como consecuencia del aumento de energía cinética, que ha conseguido comunicársele al gas. Dentro de estos grandes, existen subgrupos con características bien definidas, en cuanto a su principio de funcionamiento y a su comportamiento.
Los puntos que intervienen en la elección son numerosos e importantes: presión máxima y mínima pretendidas, caudal necesario, crecimiento previsto de la demanda, condiciones geográficas (altitud, temperatura, etc.), tipo de regulación, espacio necesario, tipo de refrigeración, accionamiento, lugar de emplazamiento exacto… Es muy importante diferenciar a la hora de elegir si el compresor va a ser estacionario o de tipo portátil. Esta segunda situación se suele dar en los casos de campaña donde deben realizarse operaciones con la ayuda del aire comprimido.
1.4.2. Depósitos
El aire comprimido es, quizás la única forma de energía fácilmente almacenable. Suelen utilizarse para este propósito tanques o depósitos de muy variados tamaños. Todas las plantas de producción de aire comprimido tienen normalmente uno o más depósitos de aire. Sus dimensiones se establecen según la capacidad del compresor, sistema de regulación, presión de trabajo y variaciones estimadas en el consumo de aire. El depósito de aire sirve para:
- Almacenar el aire comprimido necesario para atender demandas punta que excedan de la capacidad del compresor.
- Incrementar la refrigeración (por la superficie de este) y recoger posibles residuos de condensado y aceite.
- Igualar las variaciones de presión en la red de aire.
- Evitar ciclos de carga y de descarga en el compresor demasiado cortos.
Proyecto Taladro Neumático. Juan Carlos Sánchez Bermúdez 1 6
Resumiendo, el tamaño de un depósito o acumulador de aire comprimido depende:
- Del caudal de suministro del compresor - Del consumo de aire - De la red de tuberías (volumen suplementario) - Del tipo de regulación - De la diferencia de presión admisible en el interior de la red
1.4.3. Redes neumáticas. Instalación de tubería
La red de distribución de aire comprimido es el sistema de tubos que permite transportar la energía de presión neumática hasta el punto de utilización. Sobre esta definición cabe realizar una serie de aclaraciones, pues desde el punto de vista del ambiente podemos dividir la instalación en: externa (instalada a la intemperie) o interna (corre bajo cubierta). Desde el punto de vista de la posición, esta puede ser aérea o subterránea y desde la óptica de la importancia de distribución puede ser primaria o secundaria. Aquí nos ocuparemos de la red primaria y secundaria y en principio asumiremos que la red es aérea e interna. Adelantamos que los principios que se aplican para este caso son generales y se aproximan significativamente a los que habría que usar para los otros. Las redes de distribución se dividen en tres grandes grupos (en la realidad pueden aparecer combinados total o parcialmente), dependiendo de la complejidad del sistema elegiremos uno u otro. En la figura vemos las tres configuraciones, siendo la última la que más se utiliza, debido a que se puede mantener el
Proyecto Taladro Neumático. Juan Carlos Sánchez Bermúdez 1 7
suministro durante tareas de mantenimiento o averías.
Después de los tratamientos necesarios a realizar sobre el aire, que aclararemos más adelante, el aire evoluciona por la tubería de distribución, que debe cumplir unos requisitos importantes para el correcto funcionamiento del sistema.
Esta debe presentar una leve caída hacia la parte posterior de alrededor de un 2% (0.5%). para permitir el escurrimiento del agua. Que eventualmente podría haberse condensado, hacia un lugar de evacuación.
Como la continua pendiente haría descender el tubo de distribución, más allá de lo aceptable si la planta es muy larga, se acude a la solución que se muestra, que consiste en retornar la altura de distribución y continuar la pendiente. El punto más bajo debe ser siempre utilizado para instalar un conducto de purga y nunca para realizar una “bajada”. El motivo es obvio; queremos aire comprimido y no agua a presión.
La bajada pertenece a lo que hemos llamado instalación secundaria y puede ocurrir que, si el ambiente estuviera a una temperatura más o menos baja, ocurra alguna condensación. Es conveniente entonces permitir que el aire desemboque directamente en un recipiente sin purga y la derivación a la máquina se realice directamente a 90º como se indica. Este es el lugar donde debemos instalar las unidades de mantenimiento que veremos después.
Proyecto Taladro Neumático. Juan Carlos Sánchez Bermúdez 1 8
1.4.4. Manómetro Un manómetro es un instrumento de medición que sirve para medir la presión de fluidos contenidos en recipientes cerrados. Esencialmente se distinguen dos tipos de manómetros, según se empleen para medir la presión de líquidos o de gases. Muchos de los aparatos empleados para la medida de presiones utilizan la presión atmosférica como nivel de referencia y miden la diferencia entre la presión real o absoluta y la presión atmosférica, llamándose a este valor presión manométrica; dichos aparatos reciben el nombre de manómetros y funcionan según los mismos principios en que se fundamentan los barómetros de mercurio y los aneroides. La presión manométrica se expresa ya sea por encima, o bien por debajo de la presión atmosférica. Los manómetros que sirven exclusivamente para medir presiones inferiores a la atmosférica se llaman vacuómetros. También manómetros de vacío.
1.4.5. Válvula de control
Los componentes de un lazo de control por retroalimentación son además del proceso, el sensor/transmisor de la variable de proceso, el controlador y el elemento de control final. Este último es un dispositivo construido para que ejecute la acción ordenada por el controlador y, según algunas características del proceso como el estado de los materiales que se manejan, se utilizan diferentes mecanismos como un motor eléctrico o una válvula automática de control. A continuación se describe la dinámica de una válvula de control, las consideraciones usuales y las características que la especifican.
La Figura muestra un esquema simplificado de una válvula de control neumática donde se aprecia que es un mecanismo formado, esencialmente, de un bloque de masa W en lb, un resorte de constante de elasticidad de Hooke, K en lbf/pie, y un mecanismo de amortiguación viscoso desarrollado entre la masa que se mueve y el fluido que atraviesa la válvula.
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1.4.6. Unidad de Acondicionamiento
La unidad de acondicionamiento o mantenimiento es conocida por F.R.L; Filtro, Regulador, Lubricador, los cuales detallaremos a continuación:
- Filtros:
El aire ambiente que aspira el compresor, contiene impurezas. A éstas, se le agregan las que el propio compresor genera y también las que pueda encontrar en camino hacia los puntos de distribución. Esas impurezas son de distinta índole y de distinto tamaño.
En un ambiente normal pueden encontrarse alrededor de 150.000.000 de partículas por m3 de aire y que cerca de un 80% de estas tienen un diámetro medio de 2 micras (μm). Existen incluso partículas como las de los aerosoles de aceite con tamaños de 0,01 μm. El tratamiento debe responde en forma directa a las necesidades de calidad de aire pretendido: un suministro central podría acondicionar el aire a la más alta calidad, pero muy probablemente esto no sea lógico ni rentable. Resulta más cómodo y más barato, preparar todo el aire para una calidad media y reacondicionarlo localmente según las necesidades. El rol fundamental de cualquier filtro es el de ―protector aguas abajo‖. Con este concepto, entenderemos, no solo la importancia del filtro sino también la razón de sus eventuales combinaciones. Los filtros se dividen en dos grandes grupos: los estándares y los especiales.
El filtro estándar está construido de manera tal que imprime al aire comprimido entrante un movimiento de rotación por medio del deflector de paletas eliminando los contaminantes como polvo y gotas de agua por centrifugado, filtrando luego las partículas más pequeñas mediante un elemento filtrante para que el aire comprimido procesado pueda fluir hacia la salida. Un deflector ubicado debajo evita la turbulencia que podría arrastrar los contaminantes extraídos. Los elementos filtrantes se clasifican por el tamaño de las partículas que interceptan, cubriendo un amplio rango, desde 2 hasta 100 μm, según los fabricantes. Cuando las gotas de condensado se depositan en el fondo del vaso, por efecto ciclónico, se produce una acumulación de agua que debe ser eliminada. La purga de este condensado puede ser manual o automática. La elección correcta de un filtro estándar se realiza mediante la consideración tanto de la caída de presión que origina para el caudal y presión considerado (área dispuesta para el filtrado), como del volumen del vaso (facilidad operativa para el cambio).
- Regulación:
La energía disponible está directamente relacionada con la presión del sistema y el gobierno debe ejercerse controlando ésta. Los componentes que permiten el control son los reguladores de presión. Gracias a ellos podemos conseguir una presión menor a la que genera el compresor, que adaptaremos a nuestras necesidades de trabajo.
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Podemos distinguir dos presiones (o niveles de energía) diferentes: la que entrega la fuente compresora y la que usamos para trabajar. La primera puede ser variable, obedeciendo en sus cambios a las posibilidades y regulación del compresor (depende de la carga), mientras que la segunda siempre deberá ser constante, pues para un aprovechamiento racional de la energía neumática, necesitamos que esta se mantenga al mismo nivel. Los reguladores de presión estándar son los más comunes en automatización neumática. Su funcionamiento se basa en el equilibrio de fuerzas en una membrana que soporta en su parte superior la tensión de un resorte, que puede variarse a voluntad del operador por la acción de un tornillo manual. Por su parte inferior, la membrana está expuesta a la presión de salida y por lo tanto a otra fuerza, que en condición de descanso, resulta ser igual a la tensión del resorte. Cuando la membrana está en equilibrio, la entrada de aire comprimido está cerrada. Si desequilibráramos el sistema por aumento voluntario de la tensión del resorte, la membrana descendería ligeramente abriendo la entrada de aire a presión hasta que se logre el equilibrio perdido, sólo que esta vez a la salida la presión será ligeramente mayor.
- Lubricación:
La función de los sistemas de lubricación es incorporar al aire tratado una determinada cantidad de aceite, para lubricar los actuadores neumáticos que, al fin y al cabo, son elementos mecánicos. En todos los casos, las unidades de lubricación cuentan con un dispositivo que eleva el aceite y lo incorpora pulverizado en la vena de aire. Esta elección puede controlarse externamente y la energía para hacerlo, así como también la necesaria para su pulverización, se toma de la energía del aire en circulación. Existen dos grandes grupos de lubricadores que se distinguen por el tipo de niebla de aceite que producen: el estándar y el de microniebla. En el lubricador estándar se produce una caída de presión provocada por la restricción del flujo.
Esta caída produce un desequilibrio de presiones que adecuadamente dirigido provoca la elevación de la columna de aceite y su incorporación en la corriente de aire. Hay, al menos, tres dispositivos que permiten una variación proporcional, ellos son: válvula de asiento, pistón y aleta flexible. El problema de estos elementos reside en que la caída de presión está directamente relacionada con el caudal en circulación.
Esto limitaría a caudales pequeños si no existiera la posibilidad de modificar la sección transversal en relación con la variación del caudal. El tamaño de estos aparatos está directamente relacionado con el caudal disponible. Su capacidad de lubricación está limitada aprox. a 7 m de recorrido por la tubería.
Por último, decir que normalmente encontramos siempre estos tres elementos (filtro, regulador y lubricador) tanto al principio de la red (tras el compresor) como antes de cada punto de consumo.
Proyecto Taladro Neumático. Juan Carlos Sánchez Bermúdez 2 1
A este conjunto de elementos se le conoce como unidad de mantenimiento, y dispone de un símbolo específico a continuación expuesto.
1.4.7. Purgador
Purga de aire; para el consumo, el aire es tomado de la parte superior de la tubería principal para permitir que la condensación ocasional permanezca en la tubería principal; cuando alcanza un punto bajo, una salida de agua desde la parte inferior de la tubería irá a una purga automática eliminando así el condensado.
Purga automática; cada tubo descendiente, debe tener una purga en su extremo inferior. El método más eficaz es una purga automática que impide que el agua se quede en el tubo en el caso en que se descuide la purga manual.
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1.4.8. Valvulería
Las válvulas neumáticas controlan o regulan el paso del aire comprimido y su clasificación se efectúa por la función que desarrollan. Siguiendo las recomendaciones de CETOP, la norma DIN 24300 establece la siguiente división: Los diferentes tipos de válvulas existentes son: direccionales o distribuidoras, de bloqueo, de presión, de caudal y de cierre. Veamos a continuación los principales tipos de válvulas.
Válvulas direccionales o distribuidoras :
Estas válvulas controlan el arranque, detención de la dirección del flujo neumático y con ello la dirección del movimiento y las posiciones de detención de los motores o cilindros. La identificación de las válvulas direccionales se realiza sobre la base de: Su constitución interna. Nº de posiciones, Nº de vías (u orificios), accionamientos y Talla (caudal, presión, temperatura, marca, etc.)
Las características constructivas de las válvulas son la que determinan su duración, fuerza de accionamiento, modos de inversión, racordaje y fijación.
Las válvulas direccionales de asiento son las más comunes; se abren o cierran por medio de bolas, discos o conos de cierre perfecto. Los elementos de desgaste son pocos y de gran duración, siendo insensibles al polvo y muy robustos. Permiten sólo dos posiciones y la fuerza de maniobra es elevada. Según su construcción, disponemos de tres tipos o subclases: de corredera, de disco y de asiento. Cada una responde a una necesidad:
- De corredera: Con un émbolo móvil, encargado de obturar o liberar el paso del aire. Como gran ventaja, necesitan poca energía para accionar la válvula, aunque tenga que vencer al rozamiento por sus características constructivas.
- De disco: De accionamiento puramente manual, es un disco que se coloca manualmente sobre el (los) orificio(s) de paso del aire al accionar una palanca.
- De asiento: Disponen en su constitución física de un obturador que se mueve en la misma dirección del aire. Se usan para caudales o muy grandes o muy pequeños, para el resto de caudales se suele usar las válvulas de corredera.
Para definir completamente una válvula a través de su símbolo, es necesario incorporarle la forma en que será accionada. Estos accionamientos pueden ser de tipo muscular, mecánico, eléctrico, neumático o combinado. Disponemos de dos tipos de accionamiento, los realizados de forma indirecta, mediante electricidad o mecánica, y los manuales o directos, con algún tipo de mecanismo para que un operario interactúe. Asimismo, existen accionamientos mixtos: Manual o directo; servo pilotado, semi-directo o semi-indirecto; e Indirecto (o pilotado).
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Representación esquemática:
Para representar elementos neumáticos, se utilizan los símbolos; éstos no dan orientación alguna sobre su constitución interna, sólo indican su función. Los conceptos principales en la representación son la vía y las posiciones. El primero es el orificio de conexión externa que dispone la válvula. El número de vías coincide con las que encontramos recorriendo la válvula perimetralmente. No se deben tener en cuenta los orificios de purga, o las conexiones que disponga la válvula para su pilotaje. Las posiciones se refieren a las conexiones internas que puede realizar según su diseño. Este número será el número de posiciones posibles.
Las válvulas distribuidoras se representan por cajas. La cantidad de cajas yuxtapuestas indica las posibles posiciones, y las vías quedan representadas por las entradas y salidas de las líneas interiores que atraviesan dichas cajas. Existen toda clase de combinaciones de canalizaciones: doble mando‖, obturaciones, conexiones, escape común,… Con el fin de reconocer cada conexión se identifican con números o antiguamente con letras, pero independientemente que nos encontremos planos antiguos o actuales, siempre veremos esta nomenclatura escrita en la posición de reposo o inicial, y nunca se vuelve a escribir la nomenclatura en la otra u otras posiciones (por claridad) y se utilizan de la siguiente forma:
- 1 ó P : Suministro de presión
- 3, 5 ó R, S : Escapes
- 2, 4 ó A, B : Utilización
En definitiva, con estos elementos, tenemos la posibilidad de representar una válvula.
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Para definir completamente una válvula a través de su símbolo, es necesario incorporarle la forma en que será accionada. Estos accionamientos pueden ser de tipo muscular, mecánico, eléctrico, neumático o combinado. Disponemos de dos tipos de accionamiento, los realizados de forma indirecta, mediante electricidad o mecánica, y los manuales o directos, con algún tipo de mecanismo para que un operario interactúe. Asimismo, existen accionamientos mixtos: Manual o directo; servopilotado, semi-directo o semi-indirecto; e Indirecto (o pilotado). En la figura siguiente observamos una válvula distribuidora completamente definida, como vemos en la fotografía dispuesta aquí abajo:
A continuación podremos observar el interior de una válvula 3/2NC, así como todos los componentes que la componen, la cual ha sido escogida para nuestro proyecto en su mayoría, a excepción de las que actúan sobre los cilindros.
Esta válvula se utiliza en prácticamente todos los circuitos neumáticos, con diferentes accionamientos. Con el accionamiento neumático, se comporta principalmente como una válvula para el control pasa/no pasa, en circuitos en cascada, para alimentar las diferentes líneas de mando. Con accionamiento manual es la más simple posible para controlar cilindros de simple efecto, motores, paradas de emergencia y muchas otras acciones. Su funcionamiento es bastante simple: sin actuar, la vía 2 está en escape y la 1 con presión; si se actúa (en este caso, manual ó neumáticamente) se conectan ambas.
Válvula 3/2 de accionamiento manual de la Marca Bosch – Rexroth y representación DIN [55].
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Válvula 3/2NC de accionamiento manual/neumático y retorno por muelle – Vistas generales
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Los componentes que forman parte del cilindro se muestran en la siguiente tabla:
Válvulas de bloqueo :
En primer lugar, diremos que este tipo de válvulas tienen la peculiaridad de accionarse ante unas determinadas condiciones. Son válvulas con la capacidad de bloquear o permitir el paso del aire comprimido cuando se dan ciertas condiciones en el circuito. En este tipo de válvulas encontraremos:
- Antiretorno
- De simultaneidad
- De selección de circuito (selectoras)
- De escape.
Válvulas de regulación:
Son las válvulas para regular caudal y presión. En esta clase de válvula, nos encontramos con dos maneras diferentes de regular la cantidad de aire o fluido: Por la entrada o por la salida, según actuemos sobre el fluido entrante o saliente del actuador. Sí quisiéramos controlar la velocidad de un cilindro, siempre lo haríamos mediante la regulación de salida, porque admite todo tipo de carga, mientras que por la entrada no. El funcionamiento de las válvulas reguladoras de caudal lo veremos en detalle en la simulación del bloque 3. Las reguladoras de presión basan su funcionamiento en la deformación de una membrana, que por un lado tiene la presión de entrada y por otro un resorte posicionable mediante tornillo para controlar la regulación.
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1.4.9. Actuador
Cilindro simple efecto
Es un actuador capaz de recibir en una cámara una determinada cantidad de aire comprimido que al expandirse, mueve un eje o vástago que realiza un trabajo mecánico. Se denomina de simple efecto porque su ―efecto‖, es decir, el trabajo que origina, sólo se produce en un sentido. Este trabajo se manifiesta a partir del movimiento de un eje o vástago del pistón.
El movimiento de reposición del vástago a su condición de equilibrio se realiza a través de un resorte, que almacenó energía en la carrera de ida y lo devuelve en la de vuelta. En todos los casos, el cilindro de simple efecto recibe aire en una sola de las cámaras mientras que la otra está constantemente conectada a la atmósfera. Por otra parte, no siempre un actuador rectilíneo realiza su trabajo por desplazamiento de un pistón, también puede hacerlo por deformación de una membrana. La figura siguiente nos muestra un actuador construido con membrana. El área útil es significativamente grande y las cámaras de estos aparatos son muy cortas. Reconocemos inmediatamente un par de aplicaciones para este tipo de actuador: apertura y cierre de válvulas globo o esclusa y frenos de aire de camiones y acoplados.
En la siguiente imagen nos mostrará el esqueleto de un cilindro de simple efecto, partes y accesorios que lo componen.
Cilindro doble efecto
Este tipo de actuador es el más utilizado en automatización mediante neumática, pues es muy versátil en sus aplicaciones y muy sencillo de controlar. Su denominación obedece a la característica que tienen de posibilitar el trabajo en los dos sentidos (avance y retroceso). Su construcción es similar a los de simple efecto, pero sin resorte de reposición y requieren obligatoriamente estanqueizar las dos cámaras. Sus recorridos y secciones están
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normalizados y la fuerza que debe realizar es uno de los factores que limitan esta carrera debido al fenómeno de pandeo. Por otra parte, diremos también que, la fuerza que puede realizar en la carrera de avance es ligeramente mayor que la que realiza durante el retroceso debido a la diferencia de área útil (aunque existen cilindros que solventan este problema, como los de doble vástago).
Para evitarlo, se suele recurrir al ―amortiguador interna de final de carrera‖, que consiste en un montaje interno del actuador con dos caminos para el aire, que hace que un instante antes de terminar la carrera, el vástago, que transporta consigo un ―buje-tapón‖ que lo rodea y está junto al pistón, obtura completamente el camino fácil de salida del aire, permitiéndole su escape por un orificio de sección generalmente regulable, que hace que la cámara contraria al movimiento eleve su presión para generar una fuerza resistente capaz de frenarlo. Podríamos decir que es un artificio obligatorio para actuadores cuyos diámetros superen los 50 mm.
En la siguiente imagen nos mostrará el esqueleto de un cilindro de doble efecto, partes y accesorios que lo componen.
Otros tipos de cilindros:
Existen otras configuraciones para cilindros neumáticos según las aplicaciones. Podemos encontrar:
- Cilindros de doble vástago (construcción especial de los de doble efecto)
- Cilindros tándem (construcción en serie)
- Cilindros de impacto
- Cilindros de giro (transformación en movimiento circular)
- …
Es importante conocer su existencia, aunque no se explicaran aquí para no ampliar en demasía este apartado.
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Dicho y descrito anteriormente que tipos de cilindros existen y cuáles son sus características, mencionaremos a continuación el tipo de cilindro que hemos escogido para nuestro proyecto:
Los cilindros que hemos escogidos son iguales y de semejantes características es de la marca Asca del tipo PES-T-S y de la serie 450 y sus características son las siguientes:
- ESPECIFICACIONES:
- Fluido  aire o gas neutro filtrado, lubricado o no
- Presión Admisible  10 bar máximo
- Temperatura Admisible  -20 ºC a + 65 ºC
- Velocidad Max. Óptima  ≤ 1 m/s
- Velocidad Max. Admisible  2m/s
- Normas  VDMA 24562 - ISO 6431 - AFNOR NFE 49003
- CONSTRUCCION
- Tubo cilíndrico  acero estirado pulido
- Tirantes  acero inox. (Ø 32-100)
- Vástago  acero cromado duro, con tuerca de vástago de acero cadmiado
- Junta de pistón  poliuretano
- Fondos traseros y delanteros  aleación de aluminio
- Casquillo metálico  auto lubricante
- Amortiguación  neumática, regulable por los 2 lados por tornillos imperdibles
Dispuesto lo anterior, mostraremos una tabla donde nos indica el tipo de cilindro que hemos escogido basándonos en su diámetro y posteriormente su carrera ,lo marcado en rojo es nuestra elección, como muestra la figura o imagen siguiente:
A continuación pasaremos a escoger el tipo de fijación de nuestros 3 tipos de cilindros, sabemos que hay muchos tipos, que los veremos a continuación:
- Horquilla trasera para tenon con rotula
- Tenon trasero recto con rotula
- Tenon trasero de escuadra con rotula
- Horquilla hembra para extremo de vástago
- Tenon con rotula para extremo de vástago
- Compensador de alineamiento de extremo de vástago
- Escuadra baja en extremo
- Escuadra alta
- Brida delantera o trasera rectangular
Finalmente nos hemos decantado por la fijación Escuadra bajas para los dos cilindros que se encuentran en la base de la maquina ya que esta es la mejor opción puesto que irán agarrados al suelo. Y para el cilindro de la taladradora la fijación será por brida delantera o
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trasera rectangular puesto que el cilindro ira colocado boca abajo, y la mejor idea ha sido agarrarlo de la parte trasera a la columna de la máquina.
Los pesos específicos de las fijaciones y cotas se relataran a continuación, el recuadro rojo es el escogido por nosotros, como muestra la figura siguiente:
1.5. Motores Neumáticos
Los motores neumáticos son unos elementos capaces de transformar la energía neumática en energía mecánica según un movimiento rotativo. Existen muchas herramientas que funcionan con aire comprimido y necesitan un motor, por ejemplo, taladradoras. Los motores neumáticos no solamente son útiles como herramientas de trabajo, también tienen un uso industrial, aunque no sea lo más común, porque ya existen los motores eléctricos. Sin embargo, en ciertas industrias, pueden llegar a ser necesarios, por temas de seguridad o higiene.
Las principales ventajas que obtenemos del uso de motores neumáticos son:
- Compactos y livianos: Un motor neumático con la misma potencia que un motor eléctrico pesa sólo una cuarta parte que éste y ocupa sólo una sexta parte de espacio. Además, desarrollan mucha más potencia con relación a su tamaño y peso que la mayoría de los otros tipos de motor.
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- Sencilla instalación: Debido a lo dicho anteriormente.
- Fácil inversión del giro: Por medio de una válvula de control, funcionando con la máxima eficiencia a derechas o a izquierdas.
- Par creciente con la carga: La potencia de un motor neumático es relativamente constante dentro de una amplia gama de velocidad - cuando la velocidad se reduce debido a un incremento de la carga, el par aumenta.
Los motores neumáticos más típicos son de engranaje, de pistones y de paletas. Los primeros son los más comunes, y son capaces de dar hasta 60CV de potencia. Están considerados de bajo rendimiento, porque consume más energía que la que transmite.
Los de pistones consiguen potencias de hasta 30CV y los de paletas son el tipo de motor que se usan en las herramientas, como lijadoras y taladradoras. Dan una potencia máxima de 20 CV, y tienen unas velocidades de 3000 hasta 9000 r.p.m.
1.6. APLICACIONES DE LA NEUMÁTICA
1.6.1. Campos de Aplicación
La neumática está presente en cualquier proceso industrial, tanto manual como semiautomático, que requiera incrementar la producción. La automatización de los diferentes procesos industriales, releva al hombre de ciertas actividades, lo que ocasiona posibles pérdidas de puestos de trabajo en las empresas. Por esto, la sociedad industrial tiene ante sí un reto importante en crear nuevos puestos de trabajo, con mayor especialización del personal. Resulta paradójico que en los países más industrializados a nivel mundial las nuevas tecnologías han creado más puestos de trabajo que en el resto.
La progresiva sustitución de la energía humana por la neumática, hidráulica o eléctrica responde sobre todo al intento de minimizar costes de producción y automatizar los procesos industriales. De este modo, la neumática se ha convertido en un elemento imprescindible en la automatización de la producción en todos los sectores industriales:
- Industria del automóvil, aeronáutica, ferroviaria, naval, aeroespacial, maderera,…
- Industria textil, del calzado, agroalimentaria, cárnica…
- Producción de energía
- Refinerías e industrias petrolíferas y químicas, siderurgia, minería,…
- Industrias de logística, máquinas de embalaje, imprentas y artes gráficas
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1.6.2. Aplicaciones Especificas
A continuación se exponen ocho diferentes aplicaciones específicas de la tecnología neumática, para que pueda comprenderse el alcance que ésta tiene en la industrial y la sociedad actual. Primero se explicarán dos de las aplicaciones más importantes, el uso en máquinas herramienta y la generación de vacío, y posteriormente se verán diferentes máquinas y elementos neumáticos más específicos en la industrial y otras aplicaciones más especiales.
- Todo tipo de automatismos en máquinas herramientas de cualquier índole.
- Elevadores, rampas, compuertas neumáticas, manipuladores neumáticos.
- Martillos, destornilladores, taladradoras, lijadoras, remachadoras,…
- Armas de aire comprimido
- Interruptores neumáticos
- Sistemas de correo neumáticos
- Frenos de aire comprimido, en trenes, autobuses y camiones
- Tornos de dentista
- Baróstatos, para mantener presión constante en cavidades cerradas (usado en neurogastroenterología)
- Máquinas de inserción de cables en tubos de gran longitud
1.7. RESUMEN ACCIONAMIENTO DE LA TALADRADORA NEUMATICA.
1.7.1. Taladro Neumático
Comprobado y descrito anteriormente los componentes neumáticos de lo que se compone nuestro proyecto, a continuación explicaremos brevemente el funcionamiento de la maquina taladradora, que es el siguiente:
El motor de la taladradora es neumático y solo se pondrá en marcha cuando la mordaza este totalmente cerrada. El puesto estará trabajando continuamente mientras haya piezas. El cilindro A extrae la pieza del alimentador vertical y a la vez mantiene presionada la pieza del alimentador vertical y a la vez mantiene presionada la pieza contra el tope a modo de mordaza para que la pieza no se mueva mientras la está taladrando. El cilindro B realiza el movimiento de subida y bajada del motor y el cilindro C expulsa la pieza una vez taladrada.
La secuencia de nuestro proyecto y que más adelante, en el apartado de planos se verá reflejada y esquematizada por nuestro programa Festo FluidSim; A+B+B-A-C+C-.
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1.7.2. Realización de la secuencia
La señal de inicio se produce si están activos la PM y DP, y el cilindro A sale. Este activa el captador a1, momento en que B debe salir, y cuando complete su carrera activara b, que da la orden para que el cilindro B retroceda. Al activarse b0, el cilindro A retrocede y pisa a a0, dando la señal para que C salga hasta que activa a c1, que le hará retroceder. El sistema debe retroceder y repetir las secuencias mientras la señal de inicio este activa.
1.7.3. Realización y estudio del diagrama espacio-fase
Con la secuencia completa, comenzamos a construir el diagrama espacio-fase. En la secuencia vemos que hay 6 fases o pasos, por lo que tenemos que poner seis cuadros en el diagrama de cada cilindro. Una vez realizados los cuadros, comenzamos a poner los captadores que mandan a cada cilindro las órdenes de desplazamiento.
Una vez terminado, comenzamos el análisis de las señales permanentes:
- Cilindro A. La válvula de potencia recibe varias señales permanentes. Eliminamos la primera que se produce, en este caso b0, mediante un rodillo escamoteable. El resto de las señales están unidas mediante funciones Y, luego no hay problemas para que A funcione correctamente.
Fijándonos en el diagrama del cilindro A, apreciamos que se producen dos señales de salida; esto nos avisa de que el cilindro A puede salir tanto al inicio del proceso como al comenzar la quinta fase o paso.
Si seguimos la zona sombreada del diagrama de espacio-fase completo, vemos que también sale en ese mismo paso del cilindro C, por lo que tenemos que poner una memoria al sistema para que recuerde cuando debe salir A o C, si no, pueden salir los dos cilindros a la vez. La memoria utilizada para este caso es la designada
- Cilindro B. también se produce una señal permanente en el comienzo de la segunda fase, por lo que eliminando la primera señal que se produce, a1, solucionamos el problema. En este caso, debemos utilizar un anulador de señal, por lo que este captador es el que activa o desactiva el motor neumático de la taladradora. La tubería que une el final de carrera a1 y el anulador de señal tienen presión siempre que este activado este captador, por lo que tomamos de esta línea el aire comprimido para pilotar a la válvula de potencia 2/2 normalmente cerrada del motor. No se podía utilizar un rodillo escamoteable, ya que este solo da presión un instante y después se corta, parando el motor.
- Cilindro C. presentada otra señal permanente al comienzo de la sexta fase, y la primera señal que se activa es a0, pero como tenemos que utilizar una memoria para sincronizar A y C, la vamos a aprovechar también para eliminar dicha señal permanente.
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1.7.4. Tratamiento de la memoria
Cuando el sistema neumático comience la secuencia debe cumplir que:
Si se activa la señal de inicio, si debe salir A y No debe salir C. cuando la secuencia haya comenzado, si debe salir C y No debe salir A.
Esto indica que la memoria debe dar dos señales distintas, una afirmativa y otra negada, que se soluciona montando una valvula 4/2 o 5/2 biestable. Los pilotajes de esta valvula los debe realizar alguna señal se active después de haber dado la orden de salida a A y antes que se encuentre entre la activación de C+ y A+.
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2.- Pliego de Condiciones
2.1.- Introducción
Este pliego de condiciones, regirá en las posibles obras que puedan ser objeto del presente proyecto: Instalación de aire comprimido.
Este pliego de condiciones consta de:
• Condiciones Técnicas Generales.
• Condiciones Facultativas.
• Condiciones Económicas.
• Condiciones Legales.
• Condiciones técnicas particulares de instalación mecánica.
2.1.1.- Condiciones técnicas generales.
Las obras deberán realizarse con arreglo a los planos y especificaciones que conforman el presenta proyecto, así como de las ordenes, croquis y disposiciones complementarias que facilite el Ingeniero técnico o Ingeniero director facultativo, durante la fase de ejecución.
Los materiales y equipos a utilizar en la obra serán los definidos y con las calidades especificadas en el documento de proyecto. Las marcas comerciales que en ellos se incluyen, fundamentalmente en el presupuesto, tienen carácter orientativo y a efectos de composición de precios, de forma que las ofertas de los concursantes para la ejecución de las obras sean equiparables económicamente. No obstante el adjudicatario, si lo desea, podrá proponer otros similares de diferente marca o fabricante. En todo caso al comienzo de las obras y con suficiente antelación para que el ritmo de ejecución de las mismas no sea afectado, el adjudicatario presentará un muestrario completo de la totalidad de materiales a utilizar en obra, tanto los especificados en proyecto como de las opciones similares que el propone.
2.1.2.- Condiciones facultativas.
El ingeniero técnico deberá ser previamente notificado al comienzo de las obras, a fin de iniciar la asistencia técnica de la misma y visitas necesarias. A tal fin el contratista se obliga previamente a la designación del constructor que estará al frente de la obra.
El contratista habilitará un lugar en la misma obra, donde dispondrá:
- Proyecto completo de la obra a ejecutar.
- Contrato subscrito entre promotor y contratista.
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- Plan de seguridad y salud, y libro de incidencias, si fuera de aplicación el Real Decreto 1627/1997.
- Croquis, detalles y documentación que vaya siendo aprobada por el director facultativo durante el transcurso de la obra, además de la documentación que vaya siendo solicitada por este, tales como ensayos, documentación de idoneidad, fichas técnicas, muestras, etc.
2.1.3.- Condiciones económicas
La obra contratada incluye todas las descritas en el presente proyecto, siendo a cuenta del contratista todos los materiales incluyendo su transporte y manipulación en obra, mano de obra que interviene en la ejecución y cargas sociales, medios auxiliares, herramientas y elementos de seguridad necesarios, mano de obra indirecta, instalaciones auxiliares y de higiene, siempre que no figuren valoradas aparte, costes de organización y estructura del contratista, consumo de electricidad y agua, y cuantos sean necesarios para la ejecución de la totalidad de las obras.
2.1.4.- Condiciones legales.
El contrato se formalizará mediante documento privado o público según convengan las partes, promotor y contratista, y en el que se especificarán las particularidades que convengan a ambos. El director facultativo deberá tener conocimiento previo del contrato, a fin de poder proponer nuevas condiciones o modificar las pactadas, en aras de una mayor clarificación del mismo. Una vez firmado por ambas partes, el promotor la facilitará una copia a fin de ejercer las funciones que le son encomendadas.
2.1.5.- Condiciones particulares de la instalación mecánica.
El objeto del siguiente capítulo, es el de definir las condiciones particulares que debe cumplir la instalación mecánica referida en el presente proyecto, los sistemas de tuberías, valvulería, y equipos de regulación.
2.1.6.- Condiciones de mantenimiento y seguridad.
Una vez recepcionen de la instalación el usuario es el responsable del correcto uso y mantenimiento de la misma. No obstante se recomienda una revisión cada seis meses haciendo especial hincapié en los puntos que se enumeran a continuación:
• Inspección visual, estado de la pintura y posibles focos de corrosión en tuberías y equipos.
• Estanqueidad de la instalación, prestando especial atención a las uniones de tipo roscado.
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• Nivel de aislamiento de juntas dieléctricas.
• Medida de tierras.
• Maniobrabilidad de válvulas, estanqueidad de cierre de las mismas.
• Limpieza de filtros, estado de los tamices de los mismos.
2.2.- Acondicionamiento y tratamiento del aire comprimido
En toda instalación neumática se hace necesario tratar el aire por varias circunstancias, no necesariamente ajenas a la propia instalación. El aire atmosférico lleva consigo partículas nocivas para los dispositivos de la instalación neumática. El compresor lleva filtros previos, pero no depura el aire. Además, el aire también tiene cierta cantidad de vapor de agua, que puede llegar a condensar y es necesario evacuar (purgar), si no, los componentes mecánicos del circuito sufrirán una oxidación, además del desgaste por otras partículas.
Otro aspecto muy importante es que los actuadores también ensucian el circuito, ya que son los componentes que enlazan el circuito con el exterior. En el desplazamiento del vástago de un cilindro, en la carrera de retorno puede traer consigo partículas del exterior (polvo, virutas, etc.) e introducirlas en el interior del cilindro. Ocurrido esto, podemos considerar que el aire del circuito queda contaminado. Los cilindros están dotados de juntas rascadoras para evitar este suceso, pero cuando el cilindro no es nuevo, la junta pierde eficacia por desgaste. Con esto queda claro la importancia de un buen tratamiento del aire, para evitar desgastes y corrosiones de los componentes. Una vez que el aire ha superado al compresor, comienza la etapa de acondicionamiento industrial, entendiendo por esto, los procesos a que debe ser sometido para que pueda ser utilizado sin ningún riesgo mecánico ni químico, consiguiendo las prestaciones deseadas. Vemos a continuación un sistema tipo para el acondicionamiento del aire, con sus componentes.
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2.3.- Normas y Reglamentación A nivel internacional la norma ISO 1219 1 e ISO1219 2, que se ha adoptado en España como la norma UNE-101 149 86, se encarga de representar los símbolos que se deben utilizar en los esquemas neumáticos e hidráulicos. Aunque existen otras normas que complementan a la anterior y que también deberían conocerse. Estas son: • UNE 101-101-85.Gama de presiones. • UNE 101-149-86.Símbolos gráficos. • UNE 101-360-86.Diámetros de los cilindros y de los vástagos de pistón. • UNE 101-362-86.Cilindros gama básica depresiones normales. • UNE 101-363-86.Serie básica de carreras de pistón. • UNE 101-365-86.Cilindros, Medidas y tipos de roscas de los vástagos de pistón.
La ISO 6431 y la ISO 6432 estandarizan las dimensiones de la instalación de un tipo de cilindros y sus fijaciones. Sin embargo las fijaciones de un fabricante pueden no coincidir con el cilindro de otro
La VDMA 24562 es una modificación de las arriba indicadas que incluye más dimensiones, en particular las del vástago y las medidas para las fijaciones que se adaptan a él
La ISO 6009 estandariza la nomenclatura a utilizar para las dimensiones en las hojas técnicas de los fabricantes.
Existen fijaciones adicionales fuera del ámbito de esta Norma. Existen muchos tipos de diseño de cilindros no cubiertos por las restricciones en medidas de las normas
Estos cilindros incorporan las últimas innovaciones en técnicas constructivas para proporcionar diseños limpios y compactos y medidas más pequeñas.
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2.4.- Simbología Neumática
En este apartado de simbología neumática veremos algunos símbolos más utilizados en Neumática, así como aquellos símbolos utilizados en nuestra representación del esquema de la taladradora.Así pues los símbolos son los siguientes,de acuerdo con la norma UNE 101-149-86.
Estos son algunos de los símbolos más comunes a la hora de hacer cualquier esquema neumático, así pues hemos escogido unos pocos símbolos y recogido la norma que los rige.
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2.5.- Representación esquemática de circuitos neumáticos
Para poder representar instalaciones y circuitos neumáticos, así como los elementos que los componen, existen símbolos internacionales para la esquematización y representación. Podemos dividir un circuito neumático, de manera general, en las partes que vemos en la figura siguiente. En esta fotografía podemos encontrar las partes principales de un circuito neumático, representación y componentes. Cada una de estas partes tiene una función determinada y conviene saber diferenciarlas. Veremos en detalle diferentes circuitos neumáticos y su funcionamiento, y con ellos quedará clara la diferencia entre cada una de ellas. Es muy recomendable, de cara a la claridad y comprensión de los circuitos, repasar la disposición de los elementos en el esquema para minimizar la cantidad de cruces y tratar de llevar a cabo la disposición, en la medida de lo posible, según la figura anterior.
Como hemos visto en el apartado anterior de simbología neumática se encuentra una amplia lista con casi la totalidad de los elementos neumáticos existentes con símbolo internacional, así como la forma de nombrar los diferentes componentes en un esquema neumático.
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2.6.- Comparación con la Hidráulica y la Electricidad
Las dos tecnologías disponibles que pueden realizar las mismas funciones que la neumática son la hidráulica y la eléctrica. Cada una posee unos pros y unos contras dependiendo de la aplicación que se quiera hacer de ellas. A modo de breve resumen, vemos en la tabla ventajas e inconvenientes de cada una de ellas, tanto en la parte de control como en la de actuación.
TECNOLOGÍA ELÉCTRICA
VENTAJAS
INCONVENIENTES
Sencillez de los sistemas de mando
Instalaciones no demasiado complejas
Muy extendida, gran experiencia en el sector
Mantenimiento complejo y laborioso
Menor tamaño para el control
Baja versatilidad en actuadores
TECNOLOGÍA NEUMÁTICA
VENTAJAS
INCONVENIENTES
Sencillez de los sistemas de mando
Instalaciones caras en general
Rapidez de respuesta
El acondicionamiento del aire es costoso
Mantenimiento casi nulo. Económica.
Complejidad de instalaciones relativamente baja
TECNOLOGÍA HIDRAÚLICA
VENTAJAS
INCONVENIENTES
Desarrollo de grandes fuerzas
Instalaciones muy caras en general
Sencillez de operación
Suciedad alta
Mejor regulación qué neumática
Velocidad de respuesta muy lenta
En cuanto al rango de aplicación para las presiones, destacar que la neumática suele usar presiones promedio de 6~7 bares (90~100 PSI), y la hidráulica alrededor de 70 a 350 bares (1000~5000 PSI), incluso algunas aplicaciones pueden llegar a los 700 bares.
2.7.- Mantenimiento de la Instalación Neumática
Sabemos que los elementos neumáticos presentan individualmente un alto rendimiento de funcionamiento y un elevado número de maniobras. Esto hace creer que los elementos neumáticos son en su totalidad indestructibles. Son efectivamente piezas de construcción muy robustas y de muy larga duración. Pero detrás de esto se esconde una elección correcta y un dimensionamiento adecuado de los elementos de construcción, por lo general una serie de medidas preventivas que comienzan con un correcto acondicionamiento del aire comprimido.
Para una eventual reparación de averías es indispensable colocar los elementos de conexión de manera accesible y ajustarlos de tal forma que sea posible el uso de herramientas normales. También es importante que el acceso a todas las conexiones sea fácil.
Por lo demás, hay que prestar atención en que todos los transmisores de señales estén conectados, activamente, esto significa que estén colocados directamente en la red. Asi la caída de presión se mantiene dentro de los límites tolerables en no todos, pero si en una gran cantidad de caminos de transmisión, y sobre todo siempre se puede controlar directamente si la señal llega o no.
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Como controles de función para los mandos secuenciales, se dispone de un indicador del paso correspondiente realizado en cada momento y también el indicador de las señales más importantes. En el caso más sencillo se puede utilizar el indicador visual disponible en la mayoría de los aparatos. Ciertamente esto supone la intervención en el armario de mando y exige el conocimiento por parte del que busca el error, de estos elementos o bien de la ubicación de ellos. El control es más rápido y más fiable cuando los indicadores están fácilmente visibles.
Aquí existe la posibilidad de indicar la secuencia de los pasos con las señales de conmutación correspondiente y los estados individuales en un esquema de secuencia lógica.
También deberían indicarse aquellos tipos de servicio, como bloqueo y condición previa de arranque, para que en las condiciones difíciles no se busquen fallos donde solo hay eventualmente una condición errónea o incompleta.
Entre tanto, para las bobinas eléctricas también hay indicadores LED, que señalizan el estado de conmutación directamente en el mismo elemento. También se debe prestar atención a la alimentación de energía. En la búsqueda de errores hay que tener en cuenta siempre conmutaciones erróneas como consecuencias de una caída de presión breve, por debajo del límite de reacción de los elementos. Con muy poco gasto se puede disponer una seguridad adicional mediante un control de presión con sus indicadores correspondientes o bien mediante un paro de emergencia. Para un reconocimiento rápido y su reparación son indispensables también, poder disponer de esquemas, indicación de los elementos y las líneas, un montaje limpio y claro del armario de mando, buen acceso, intercambiabilidad elementos, tendido de líneas correcto, y no olvidar un estado de formación del personal adecuado.
Para la realización de un esquema hay que tener en cuenta que el formato sea en lo posible manejable, no mayor de DIN A3, la representación normalizada de los aparatos según esquema de norma o bien con símbolos que representan los aparatos en el armario de mandos.
Perturbaciones y Averías
Pueden aparecer posibles averías y perturbaciones a causa de:
- Desgaste natural de las piezas y de las líneas
- El desgaste natural se favorece por los efectos exteriores y por influencias interiores, que en el caso de la neumática dependen sobre todo del estado del aire comprimido.
- El desgaste en los aparatos puede conducir a la rotura, a inmovilización, averías en las funciones, a fugas, etc.
- El aire contaminado puede conducir a la averia de los elementos, por medio de la obstrucción, adhesión y a apariciones de desgastes elevados.
- Las líneas se pueden obturar, romper por flexion o deteriorarse rápidamente por medio de influencias exteriores.
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- Por sedimentación se pueden formar resistencias adicionales en las líneas y en los elementos, que por otro lado provocan una fuerte caída de presión y con ello, eventualmente, conmutaciones erróneas.
- Son también de esperar problemas, cuando se producen caídas de presión por fugas o cuando la presión de entrada es oscilante. Por lo demás, para este tipo de fallo los elementos de filtro no son motivo para ello.
- La instalación inadecuada de cilindros y cargas inadmisibles, conducen a un desgaste prematuro.
- Los finales de carrera mal fijados o líneas de pilotaje demasiado largas.
Todo ello se representa o se comunica mediante un cuadro de averías, como el que se muestra a continuación:
Campo
Averías
Efecto
Frecuencia
Tipo de avería
Medidas para la Reparación
El mantenimiento intensivo tampoco tiene mucho sentido, si la instalación tiene un error en el proyecto. Esto puede conducir a averías, que con el curso del tiempo hacen aparecer un desgaste y los desagradables paros a la producción. Un diseño cuidadoso puede reducir considerablemente la frecuencia de las detenciones. Las medidas más importantes pueden ser:
- Elementos y detectores de señales adecuados a las condiciones del medio ambiente y a los procesos de mando.
- Construcción robusta de cilindros con cojinetes para cargas y fuerzas laterales.
- Absorber mecánicamente las inercias por medio de amortiguadores de impacto.
- Coberturas protectoras en caso de gran cantidad de suciedad y polvo.
- Seguro en los tornillos de fijación de los cilindros y de los trasmisores.
- Longitudes de transmisión cortas, e incluso dotar de eventuales amplificadores para evitar las señales lentas.
- Garantizar la desaireacion segura del mando y de las válvulas de trabajo.
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Diagnóstico de errores en las Instalaciones Neumáticas
Generalmente una instalación con un diseño nuevo e instalación neumática reciente, después de las correcciones iniciales viene un tiempo sin ninguna clase de averías. Los posibles errores o bien un desgaste prematuro puede notarse solo después de unas semanas o meses. El desgaste normal se produce después de varios años. Los errores o desgastes no se muestran directamente, con lo cual el elemento defectuoso es muy difícil de localizar.
Las averías que se presentan frecuentemente y los síntomas relacionados con estas será lo que aquí comentamos. Por supuesto no nos es posible abarcar todos los errores. Por esta razón la elección se limita a los fallos que aparecen frecuentemente y que son difíciles de localizar en los sistemas neumáticos. Con este pequeño resumen podemos descomponer los mandos completos en pequeñas unidades y de esta forma poderlos examinar.
El usuario puede reconocer inmediatamente el problema y solventarlo, o por lo menos, reconocer las causas de la detención. Para los eventuales servicios técnicos es mucho más sencillo llevar las herramientas correctas y las piezas de recambio o realizar telefónicamente un primer diagnóstico.
Perturbaciones por infradimensionado de la alimentación de aire
Ocurre frecuentemente, que se amplían las piezas de una instalación neumática demasiado rápido, sin aumentar así mismo la producción necesaria de aire. Según el desarrollo y diseño, aparecen errores que no son constantes sino esporádicos, de tal manera que su búsqueda se hace muy difícil.
Posibles repercusiones:
- La secuencia de los ciclos no se consiguen ya que aparece una caída de presión repentinamente provocada por el accionamiento de otros elementos de trabajo.
- Se produce una pérdida de fuerza del cilindro por un espacio de tiempo corto, durante la caída de la presión.
Perturbaciones por agua condensada
Independientemente de los efectos corrosivos en la superficie por el agua condensada, en parte muy agresiva, existe el peligro de la inmovilización de las válvulas, cuando estas son mantenidas en una posición de conmutación y luego retroceden nuevamente por medio de la fuerza del resorte. Ciertos lubricantes tienden a emulsionar y a resinificar. Son especialmente sensibles a ello todos los cursores en las válvulas de baja tolerancia.
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3.- CALCULOS
3.1.-DISEÑO Y CÁLCULO DE ELEMENTOS Y CIRCUITOS NEUMÁTICOS
Conocidos los elementos principales que componen una instalación neumática, podemos pasar al diseño de esta. El diseño de cualquier instalación de aire comprimido sigue una serie de pasos secuenciales básicos. En general, se pueden describir de la siguiente manera:
1. Localizar e identificar cada proceso, estación de trabajo, máquina o equipamiento que utiliza aire comprimido dentro del recinto industrial sobre el que se proyecta la ejecución de una red de aire comprimido. Esta es la carga total que va a soportar la instalación a diseñar. Es recomendable situarlos en un plano y hacer un listado detallado de los mismos.
2. Determinar el consumo de aire que se necesita en cada uno de esos elementos.
2. Determinar el valor de presión necesaria en cada punto de consumo.
3. Determinar los requisitos de cada elemento con respecto al máximo nivel de humedad, de partículas y de contenido en aceite que pueden admitir.
4. Establecer porcentajes de tiempo operativos de cada uno de los elementos en un periodo de tiempo específico. Este es el tiempo de funcionamiento.
5. Establecer el máximo número de puntos de consumo que pueden ser empleados de forma simultánea en cada línea de suministro, en la principal y en todo el proyecto. Esto se conoce como factor de carga.
6. Estimar un valor permisible de fugas.
7. Incorporar márgenes para ampliaciones futuras de la instalación.
8. Realizar una distribución en planta preliminar y asignar caídas de presión y pérdidas.
9. Seleccionar compresor, equipos de acondicionamiento, etc.,
10. Ejecutar la distribución final y el tamaño de la red.
11. Cálculo de costes y elección de proveedores, ejecución y puesta en marcha
Para poder realizar el dimensionado correcto de una instalación, en los siguientes apartados veremos la manera de calcular cada uno de los elementos principales de la instalación. Se seguirá el orden secuencial adecuado. Dejaremos para el último apartado de este capítulo el tema referente al diseño de circuitos.
Los elementos principales que componen una instalación industrial y que se deben calcular son: el compresor (que incluye normalmente el depósito de almacenamiento de aire comprimido), las líneas de suministro (incluidos codos, estrangulamientos, válvulas,…), y los puntos de consumo con su regulador y filtro.
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El diseño de elementos y circuitos neumáticos engloba varias disciplinas: la Mecánica de Fluidos, la Termodinámica y el Cálculo de Estructuras. Esta interdependencia disciplinar hace que muchas veces su estudio se quede en la mera observación de los circuitos y las posibilidades de movimiento de los distintos actuadores, sin entrar en cálculos más detallados, que se dejan a tablas y nomogramas de los fabricantes.
3.2.- CÁLCULO DE LA FUERZA DEL CILINDRO
Las principales variables a considerar en la selección de los cilindros neumáticos son la fuerza del cilindro, la carga, el consumo de aire y la velocidad del pistón.
La fuerza del cilindro es una función del diámetro del cilindro, de la presión del aire y del roce del émbolo, que depende de la velocidad del émbolo y que se toma en el momento de arranque.
Trabajando en unidades del Sistema Internacional de Unidades (SI), la longitud es el metro (m), la fuerza viene dada en newton (N) y la presión en Pascal (Pa) que es la presión ejercida por una fuerza de 1 N (Newton) sobre una superficie de 1m? normal a la misma, o sea NI m2 . Como el Pascal es una unidad muy pequeña se utiliza el bar equivalente a 100.000pascal.
Para comodidad de cálculo se utiliza la fuerza en newton, la presión en bar, el diámetro en rnm. Y la superficie en mm-. De este modo, la fórmula anterior pasa a ser:
Dónde:
- P: profundidad en mm
- A : avance en mm
- Fe: fuerza específica de corte, en nuestro caso ( 586 kgf/mm2 )
Por consiguiente:
Los cilindros de doble efecto no cuentan con un resorte para volver a su posición de equilibrio, así su fuerza no disminuye en la carrera de avance, pero sí en su carrera de retroceso, debido a la disminución del área del émbolo por la existencia del vástago.
El rozamiento del pistón en su movimiento equivale a un valor comprendido entre el 3% y el 1O % de la fuerza calculada.
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En la siguiente tabla nos muestra la fuerza que se ha de restar conforme a nuestro diámetro del cilindro, así como el diámetro del vástago. La selección en rojo es nuestro tipo de cilindro y vástago.
3.3.-CÁLCULO DE DIAMETRO DEL CILINDRO
Dispuesto lo que anteriormente explicábamos de como calcular la fuerza de nuestros cilindros, pasaremos a calcular el diámetro del mismo, utilizando la siguiente formula.
Dónde:
Según esta fórmula, a continuación pasaremos a calcular la sección de nuestro cilindro, con lo cual la formula seria esta:
Con lo cual:
- F: 1.172 Kgf/mm2 ( esta es la fuerza de corte hallada anteriormente)
- P: presión del circuito en Bares, en nuestro caso hemos escogido una Presión en el circuito de 6 Bar.
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Dispuesto lo anterior y sabiendo todas las incógnitas para resolver la formula, sería lo siguiente:
 De Diámetro
3.3.1.- Calculo de diámetro de Vástago
En este apartado realizaremos el cálculo para hallar el diámetro del vástago del cilindro, con la siguiente formula:
Dónde:  ( ) ( )  ( ) ( ) √ 
Diámetro Normalizado 16mm
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3.4.-CALCULO DE PANDEO DEL CILINDRO
Conocido el valor de la fuerza (o par) que se necesita en el actuador, se dimensiona el mismo atendiendo a criterios estructurales. En general se usa el criterio de minimización (actuador más pequeño que soporta la carga existente), con el fin de ahorrar costes, con lo que se debe calcular el límite de uso de cada actuador, fijado por su carga de pandeo. Las principales razones para la limitación de las carreras son la disponibilidad comercial de los materiales para la fabricación de piezas largas y la proporción entre la longitud del vástago y su diámetro. Si esta es grande, existe el riesgo de pandeo en compresión, y por esta razón es necesario calcular el valor del pandeo para el vástago y, consecuentemente, la longitud máxima permisible del vástago. Para el cálculo de la carga crítica de pandeo) debe tomarse por base la fórmula:
/4 *L2
Valores de la longitud de pandeo según el tipo de fijación
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Gráfico de Pandeo de Cilindros Según carrera
Dispuesto todo lo anterior pasamos a despejar las formulas anteriormente citadas:
Dónde:
- J: momento de inercia
- D: diámetro de nuestro cilindro
- E: módulo de elasticidad, acero al cromo-níquel con un valor de 2.080.000
/ 64  3.216,9 mm4
/ 4 * L2 = (3,142 * 3.216,9 * 2.080.000) / 4 * 4002  103.185,9
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3.5.-CALCULO DEL CAUDAL DEL CILINDRO
El siguiente paso para obtener los cálculos de una instalación neumática es calcular el caudal que necesita el cilindro para poder realizar la carrera y así completar el circuito neumático.
Los datos conocidos y de los cuales obtendremos el caudal, son los siguientes:
- L= 100mm
- N= número de ciclos, 30
- D= 80mm  8cm
- d= 14mm  1,4 cm
- presión= 10 bares + 1 atmosfera  11 kgf/cm2
- Fuerza de rozamiento= 10%
Dispuesto lo anterior pasaremos a calcular el caudal:
Fav= P *( π * R2)= 11* (3,14 * 82) 2,21 x103 – 10%  1,98 x103 Kgf/ cm2
Fretroceso= P * (π * R2 – π * r2) = 2,14 x103 – 10%  1,92 x103 Kgf/cm2
Para hallar el volumen se ha de pasar los cm a dm:
- L: 100mm : 100 1dm
- D: 80mm : 100  0,8 dm
- d: 14mm : 100 0,14dm
S1= π * R2= 3,14 * 12  3,14
S2= π * R2 - π * r2  1,13
Hallada la superficie pasaremos a hallar el volumen de cada cilindro y el volumen total:
V1= S1 * L= 3,14 * 100  314 L/min
V2= S2 * L= 1,13 * 100  113 L/min
Vt= V1 + V2= 314 + 113  427 L/min
Dispuesto lo anterior pasaremos a calcular el caudal dependiendo del número de ciclos, en nuestro caso son 30 ciclos por minuto:
Q= Vt x n = 427 * 30  12.800 L/min
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3.6.- CALCULO DE DIMENSIONAMIENTO DEL COMPRESOR
La selección del tipo de compresor y de su capacidad son parámetros críticos en el diseño de una instalación de aire comprimido. Una acertada elección supone un gran ahorro energético durante el funcionamiento normal de la instalación. Para elegir correctamente el tipo de compresor más apropiado, es preciso conocer el consumo total de aire comprimido, que es aquel que resulta de sumar el consumo de todos los equipos neumáticos conectados en la planta, trabajando a pleno rendimiento. Puesto que todos los elementos neumáticos de una instalación no trabajan generalmente a toda su capacidad al mismo tiempo durante las 24 horas del día.
Este factor trata de tener en cuenta los consumos intermitentes, para optimizar al máximo los tiempos de arranque del compresor que rellenan los depósitos. En general, se establecen cinco pasos básicos para fijar correctamente la capacidad del compresor.
A saber:
1) Estimar el total de consumos de todos los dispositivos que emplean aire.
2) Determinar la presión más elevada que requieran estos elementos.
3) Revisar los ciclos de trabajo y determinar los factores de carga de los elementos.
4) Estimar un valor típico de fugas.
5) Fijar las máximas caídas de presión admitidas tanto para los diversos elementos como para las conducciones.
Otras consideraciones que afecten al diseño son las condiciones medioambientales del entorno, la altitud, el mantenimiento que se realizará, etc. Una vez determinado el consumo necesario y la presión demandada al compresor, se ha de elegir el tipo más adecuado para dicha aplicación.
Para dicha instalación hemos escogido el compresor de la marca KAESER, modelo DSD 241, cuya capacidad de aspiración es de 13000 L/min, este soporta un máximo de 11 bares y sus dimensiones son:
H x A x L  1,80cm x 2m x 2,5m
Cuyo peso es de 1500 kg
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3.6.1.- Grupo compresor
Además del dimensionado del compresor, es necesario elegir el resto de componentes que se encuentran en la sala de máquinas y dimensionarlos también, aunque generalmente es el fabricante el encargado de facilitar toda la instalación necesaria. Vemos en el siguiente esquema los elementos necesarios en la sala de compresores.
El grupo compresor de aire está formado por:
1. Filtro de aire aspirado.
2. Grupo motocompresor.
3. Refrigerador.
4. Válvula anti retorno.
5. Acumulador de aire, depósito.
6. Válvula de seguridad. Limitador de presión.
7. Purgador manual.
8. Presostato. Al alcanzar el depósito la presión máxima, manda una señal de paro al motor.
9. Conjunto de: filtro – manómetro – regulador – engrasador.
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3.7.- CALCULO DE HUMEDAD EN EL EXTERIOR
En este apartado calcularemos la humedad real que hay en el exterior según la temperatura de la nave, su dimensionamiento y la humedad relativa. Esto lo calcularemos según estos datos:
- superficie: 100 m2
- temperatura: 27 ºC
- humedad relativa: 65%
Humedad relativa =
Según una tabla que hemos mirado, para nuestra temperatura de 27ºC le corresponde una cantidad de 26,209 g/m3
Este contenido de agua que nos da la tabla hay que multiplicarlo por 0,65 que es lo que se refiere a la humedad relativa:
Contenido de agua= 26,209 g/m3 x 0,65  17,03 g/m3
3.8.- CALCULO DE AGUA QUE SE PRECIPITA EN EL ACUMULADOR
Para calcular la cantidad de agua que se precipita en el acumulador debemos coger los datos anteriormente citados, como son:
- temp de entrada de aire: 27ºC
- humedad relativa: 65%
Para el interior del acumulador tendremos los siguientes valores:
- presión: 10 bares
- temp: 32ºC
- humedad relativa: 65%
-
Conocidos estos datos y que nuestra temperatura en el interior de la nave es de 32ºC, tenemos la siguiente fórmula para hallar el vapor de agua existente para la entrada:
Hs= 0,625 *
Hs= 0,625 *  0,0223 Kg de vapor de agua
x 0,65 0,0223 x 0,65= 0,0138 Kg Vapor H2o/ kg aire seco
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Dispuesto esto, calcularemos a continuación la cantidad de agua que se precipita en el acumulador a la salida:
10 bares + 1 bar atmosferico  11 bares
Ms = 0,625 *  0,625 *  0,00267
3.9.- CALCULO DE PERDIDA DE PRESION DE TUBERIAS
A continuación, conocidos los datos del caudal que llega a cada actuador y teniendo definidas las dimensiones de los mismos, se puede dimensionar los conductos. Se deben considerar las fugas de caudal y las pérdidas de carga. Para las fugas de caudal no existe una regla general. En todo circuito, el mantenimiento para asegurar la estanqueidad es muy importante, pero siempre un porcentaje del aire se acabará escapando. Además, los posibles cambios de temperatura a lo largo de la instalación pueden modificar la cantidad total de aire requerido. Porcentajes del 10%-20% pueden ser habituales en circuitos neumáticos.
En cuanto a las pérdidas de carga, se han de obtener tanto las pérdidas lineales (longitud de los conductos), como las pérdidas singulares (codos, bifurcaciones, válvulas, etc.). Para el cálculo de las pérdidas, se utilizan las condiciones estándar dadas al principio del capítulo.
El dimensionado de las tuberías de distribución del aire comprimido, debe hacerse teniendo en cuenta los siguientes parámetros:
- Caudal máximo solicitado (teniendo en cuenta las posibilidades de ampliación).
- Longitud de tubería
- Presión de servicio
- Dificultad del tendido
- Caída de presión admitida
La presión óptima de funcionamiento es de 7 bar; a presiones más altas aumentan las fugas y a más bajas hay que sobredimensionar las tuberías y los elementos de trabajo.
La caída de presión de la tubería de conducción de aire entre la salida del acumulador y el punto de utilización, no debe ser superior a 0.2 bar.
Dónde:
- Longitud de tubería: 100m
- Accesorios:
- 2 curvas de 90º
- 2 codos a 90º
- Cuatro válvulas de compuerta
- 6 empalmes en forma de “ T “ estándar
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Como hemos comentado anteriormente la perdida máxima será de 0,2 bares o 20 Kpa/m
La suma de todos los accesorios es la siguiente, la cual habrá que sumársela a la longitud total
de la tubería, para ello hemos cogido unas tablas para saber los cálculos y dimensiones
exactas:
- Dos codos 90: 2 x 3  6
- Dos curvas de 90: 2 x 0,8  1,6
- Seis T estándar: 6 x 0,7  4,2
- Cuatro válvulas de compuerta: 4 x 2 8
- TOTAL: 13,8 metros
Esta cantidad se la sumamos a la longitud total de la tubería que era de 100 metros y nos da un
total de 114 metros.
 0,175 Kpa/m
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Esa cantidad de pascales que nos ha dado la miramos en la siguiente tabla:
Bien para ello habrá que trazar unas líneas como nos muestra la imagen dependiendo de los bares que tenemos en el circuito y según los pascales que nos ha dado anteriormente y nos sale un resultado de 60mm de diámetro para tubería.
3.9.1.- Tendido de Red
En las redes de distribución del aire comprimido, no sólo es importante el correcto dimensionado, sino también la correcta instalación de las mismas.
Las tuberías necesitan una vigilancia y mantenimiento regulares, por lo que no deberán instalarse en emplazamientos angostos, ya que la detección y reparación de fugas o averías resultará muy difícil.
Siempre que no se disponga de un equipo de secado que garantice la imposibilidad de condensación de agua en la red, las tuberías principales deberán colocarse con una inclinación descendente de un 2 ó 3 % en el sentido de circulación del aire, para que el agua condensada pueda evacuarse al exterior a través de purgas colocadas en los puntos más bajos de la instalación.
Las derivaciones de tomas de aire de la red principal, se harán siempre por la parte superior de la tubería.
Para el tendido de la red principal se adoptan tres sistemas:
- En circuito abierto, que se emplea en instalaciones de bajo consumo. Su tendido es lineal, la estación de compresión se conecta en un extremo y el otro está cerrado.
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- En circuito cerrado, que se usa en instalaciones con consumos intermedios o altos. Su tendido forma un anillo y la presión se mantiene más uniforme.
- Las redes mixtas están formadas por una red cerrada de la que se derivan varias redes abiertas.
Los materiales empleados pueden ser, acero, cobre, latón o materiales plásticos; deben de ser resistentes a la oxidación y fáciles de instalar. Las tuberías de caucho no deben instalarse si no es en casos en los que se precisa de una flexibilidad máxima.
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4.- PRESUPUESTO
4.1.- Presupuesto Neumático
Motor Compresor Kaeser
1
4500,89
4500,89
100 Metros Tubería
1
900,87
900,87
Cilindro Doble Efecto
3
220,67
662,01
Codos 90º
2
57,34
114,68
Curvas de 90º
2
18,80
37,6
T estándar
6
13,76
82,56
Válvula de compuerta
4
22,34
89,36
Válvula 5/3
3
45,67
137,01
Válvula 4/2
1
43,98
43,98
Válvula temporizada
1
67,23
67,23
Válvula función Y
3
38,76
116,28
Válvula 3/2
8
40,56
324,48
Total: 7.076,95 € + 21% de IVA: 8.563,10 €
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5.- PLANOS
5.1.- Esquema limitador de presión
5.2.- Esquema regulación por intermitencia
5.3.- Esquema Regulación por bloqueo por aspiración
5.4.- Esquema Neumático
5.5.- Taladradora Neumática
5.6.- Planta Del Cilindro De Doble Efecto
5.7.- Alzado Del Cilindro De Doble Efecto
5.7.1.- Fijación de los Cilindros Horizontales
5.7.2.- Fijación del Cilindro Vertical
5.7.3.- Válvula 5/2
5.7.4.- Tendido de Red