Fundamentos de la neumática: Conceptos clave y aplicaciones de sistemas

La neumática ha desempeñado durante mucho tiempo un papel importante como tecnología para la realización de trabajo mecánico. También se utiliza en el desarrollo de soluciones de automatización. Los sistemas neumáticos son similares a los hidráulicos, pero en ellos se utiliza aire comprimido en lugar de fluido hidráulico.

Conceptos básicos de la neumática y los sistemas neumáticos

Un sistema neumático utiliza aire comprimido para transmitir y controlar energía. Estos sistemas se emplean ampliamente en diversas industrias. La mayoría depende de un suministro constante de aire comprimido, proporcionado por un compresor. Este aspira aire de la atmósfera y lo almacena en un tanque de alta presión llamado depósito. Posteriormente, el aire comprimido se distribuye al sistema a través de una red de tuberías y válvulas.

La palabra «neumática» proviene del griego pneuma, que significa aire. La neumática se basa en el uso de aire comprimido para realizar trabajo. El aire comprimido es aire atmosférico reducido en volumen mediante compresión, lo que aumenta su presión. Se utiliza como medio de trabajo normalmente a presiones de 6 a 8 kg/cm². Con sistemas neumáticos se pueden desarrollar fuerzas de hasta 50 kN. La actuación de los controles puede ser manual, neumática o eléctrica. El aire comprimido actúa principalmente sobre pistones o álabes para generar movimiento, energía que se aprovecha en numerosos sectores, incluida la industria siderúrgica.

Ventajas de los sistemas neumáticos

Los sistemas neumáticos se utilizan ampliamente en la industria para accionar máquinas automáticas y ofrecen numerosas ventajas:

• Alta efectividad: Existe un suministro ilimitado de aire atmosférico para producir aire comprimido, que puede almacenarse fácilmente en grandes volúmenes. Su transporte por tuberías no está limitado por la distancia. Tras su uso, el aire puede liberarse directamente a la atmósfera sin necesidad de tratamiento.
• Durabilidad y fiabilidad: Los componentes neumáticos son extremadamente duraderos y resistentes a daños. Comparados con componentes electromecánicos, ofrecen mayor vida útil y fiabilidad.
• Diseño simple: Los componentes tienen diseños relativamente sencillos, lo que los hace ideales para sistemas de control automático simples. Permiten movimientos lineales o rotativos con velocidades operativas variables de forma continua.
• Adaptabilidad a entornos hostiles: El aire comprimido se ve menos afectado por altas temperaturas, polvo, ambientes corrosivos, etc., que los elementos de otros sistemas, siendo idóneos para condiciones adversas.
• Seguridad: Son más seguros que los sistemas electromecánicos porque pueden operar en atmósferas inflamables sin riesgo de incendio o explosión. La sobrecarga solo provoca deslizamiento o parada, sin que los componentes se quemen o sobrecalienten.
• Fácil selección de velocidad y presión: Las velocidades de movimiento rectilíneo u oscilante son fáciles de ajustar. La presión y el volumen del aire se regulan fácilmente mediante un regulador de presión.
• Respetuosos con el medio ambiente: No generan contaminantes. Con un tratamiento adecuado del aire de escape, pueden instalarse en salas blancas, como líneas de producción de circuitos integrados.
• Económicos: Los componentes no son costosos, por lo que el coste del sistema es bajo. Además, su gran durabilidad reduce significativamente los costes de mantenimiento frente a otros sistemas.

Limitaciones de los sistemas neumáticos

A pesar de sus ventajas, presentan ciertas limitaciones:

• Precisión relativamente baja: Al depender de la fuerza del aire comprimido, su operación está sujeta a variaciones de volumen por compresión o calentamiento, lo que puede reducir la precisión global.
• Carga limitada: Los cilindros neumáticos no suelen ser muy grandes, por lo que no pueden accionar cargas excesivamente pesadas.
• Tratamiento previo necesario: El aire debe filtrarse y secarse antes de su uso para eliminar vapor de agua y polvo; de lo contrario, el desgaste por fricción en piezas móviles se acelera.
• Velocidad de movimiento irregular: Dado que el aire es fácilmente compresible, la velocidad de los pistones puede ser desigual.
• Ruido: La liberación de aire comprimido desde los componentes suele generar ruido.

Componentes de los sistemas neumáticos

Los cilindros neumáticos, actuadores rotativos y motores neumáticos proporcionan la fuerza y el movimiento para la mayoría de los sistemas: sujeción, desplazamiento, conformado y procesamiento de materiales. Para operar y controlar estos actuadores se requieren otros componentes: unidades de tratamiento de aire para la preparación del aire comprimido y válvulas para controlar presión, caudal y dirección del movimiento. Un sistema neumático básico consta de dos secciones principales:

• Sistema de producción, transporte y distribución de aire comprimido.
• Sistema de consumo de aire comprimido.

Los componentes principales del primer grupo son: compresor, motor eléctrico y centro de control del motor, presostato, válvula de retención, tanque de almacenamiento, manómetro, purga automática, secador de aire, filtros, lubricador, tuberías y diversos tipos de válvulas. El sistema de consumo incluye: filtro de admisión, compresor, válvula de toma de aire, purga automática, unidad de servicio de aire, válvula direccional, actuadores y controladores de velocidad. La figura 1 muestra los componentes principales.

Fig 1 Componentes principales de un sistema neumático

Elementos clave

Filtro de admisión: Elimina contaminantes del aire atmosférico.

Compresor: Convierte energía mecánica (eléctrica o de combustión) en energía potencial del aire comprimido. Existen varios tipos: alternativos (pistón, mono o doble etapa, diafragma), rotativos (paletas deslizantes, tornillo), centrífugos y de flujo axial. La selección depende de la presión máxima y caudal requerido.

Motor eléctrico: Transforma energía eléctrica en mecánica para accionar el compresor.

Depósito (tanque de almacenamiento): Almacena el aire del compresor, amortigua el flujo pulsante, permite enfriamiento y condensación de humedad. Debe tener capacidad suficiente. La presión en el depósito se mantiene superior a la de trabajo para compensar pérdidas en tuberías. Su gran superficie disipa calor.

Tratamiento del aire: Para un funcionamiento satisfactorio, el aire debe limpiarse y secarse. El aire atmosférico contiene polvo, humedad y humo que causan desgaste y corrosión. Durante la compresión, la temperatura sube, por lo que se usan enfriadores. El vapor de agua se separa mediante separadores o secadores (adsorción, absorción, refrigeración, membranas). El tratamiento tiene tres etapas: 1) Filtro de admisión para partículas grandes. 2) Tratamiento primario: enfriador, secador y filtro en línea. 3) Tratamiento secundario: filtrado adicional.

Lubricación: Esencial para cilindros y válvulas. Los lubricadores inyectan una fina niebla de aceite (viscosidad cinemática 20-50 centistokes) en el aire comprimido.

Válvulas de control: Regulan dirección, caudal y presión. Mantienen presión constante aguas abajo pese a variaciones aguas arriba. Existen tres métodos de regulación local: reguladores sin escape (requieren flujo mínimo), reguladores con escape (purgan aire a atmósfera) y bucles de control con transductor, controlador y válvula de purga para grandes cargas.

Actuadores (cilindros y motores): Convierten energía neumática en movimiento lineal o rotativo. También existen actuadores para válvulas de control de flujo. La construcción de cilindros neumáticos e hidráulicos es similar, pero difieren en rangos de presión: hidráulicos ~1000 bar, neumáticos ~10 bar.

Distribución del aire comprimido

Una distribución adecuada es crucial para el rendimiento. Requisitos importantes:

• Disposición de tuberías (bucle abierto o cerrado) con válvulas de drenaje en esquinas opuestas.
• Diseño de tuberías: diámetro según caudal, caída de presión, número y tipo de accesorios, presión absoluta.
• Pendiente de la tubería principal horizontal desde el compresor (normalmente 1:20).
• Derivaciones desde la parte superior de cabeceras horizontales en U o a 45°.
• Acumulador con grifo de drenaje en la base de todas las cabeceras verticales.
• Unidad de servicio de aire conectada en ángulo recto a cabeceras verticales.

Simbología y diagramas neumáticos

Todos los componentes se representan mediante símbolos normalizados que indican su función, no su estructura. La combinación de símbolos forma diagramas neumáticos que describen las relaciones y el diseño del sistema. La figura 2 muestra un diagrama típico.

Fig 2 Diagrama típico de un sistema neumático

Consideraciones para el análisis o diseño de circuitos

• Seguridad de operación.
• Rendimiento de las funciones deseadas.
• Eficiencia operativa.
• Costes.

Aplicaciones de los sistemas neumáticos

Existen numerosas aplicaciones: prensas neumáticas, taladros, accionamiento de válvulas de proceso (aire, agua, productos químicos), descarga de tolvas y silos, máquinas herramienta, apisonadores neumáticos, elevación y traslado de objetos, pintado por pulverización, sujeción en utillajes y fijaciones, sujeción para soldadura blanda o fuerte, operaciones de conformado, remachado, accionamiento de equipos de proceso, etc.