¿Cómo seleccionar una electroválvula neumática para un cilindro neumático de simple efecto?
Ejemplos de válvulas neumáticas de control direccional en un colector.
Un cilindro neumático de simple efecto es un actuador lineal y realiza una recorrido de trabajo llenando el cilindro con aire comprimido. El recorrido de retorno suele realizarse mediante un muelle. El cilindro tiene un puerto de conexión que se utiliza para llenar o ventilar el cilindro. Para controlar el cilindro, se utiliza una válvula de 3/2 vías. 3/2 vías significa tres puertos y dos posiciones: un puerto se conecta a la fuente de aire comprimido, un puerto se requiere como escape y el tercer puerto se conecta al cilindro. La válvula tiene dos posiciones: llenado o vaciado de la botella. El tamaño de la válvula necesaria puede calcularse una vez conocidas las propiedades del cilindro y de la aplicación.
Principio básico de los cilindros de simple efecto
Un cilindro neumático es un actuador lineal que funciona con aire comprimido. Las partes principales del cilindro son el pistón, el vástago, el tubo del cilindro, las juntas y los sellos. Los cilindros de simple efecto también tienen un muelle dentro del cilindro. Un cilindro de simple efecto funciona con aire comprimido para accionar el pistón en una dirección y con la fuerza de un muelle para volver a la posición de base. El trabajo se puede realizar en la dirección del aire. El cilindro tiene un puerto que se utiliza tanto para suministrar como para ventilar el aire comprimido.
Existen dos tipos de cilindros de simple efecto: de retorno por muelle y de extensión por muelle. El tipo más común es el cilindro de retorno por muelle. En el cilindro de retorno por muelle, el muelle se encuentra entre el extremo delantero del cilindro y el pistón (alrededor del vástago). En este diseño, el vástago se extiende cuando se suministra aire comprimido al cilindro. En cuanto se corta el suministro de aire, el vástago se retrae por la fuerza del muelle. El cilindro extendido por resorte funciona al revés. El pistón se retrae cuando se suministra aire comprimido. Cuando se desconecta el suministro de aire, el muelle empuja el vástago hacia fuera. En los cilindros extendidos por muelle, el muelle está situado entre el pistón y el extremo posterior del cilindro.
Figura 2: Símbolos de los cilindros neumáticos según la norma ISO1219-1; Retorno de la fuerza externa (izquierda), retorno por muelle (centro) y extensión por muelle (derecha)
El uso de cilindros de simple efecto tiene algunas ventajas sobre los de doble efecto: menos tubos, menos uso de aire comprimido y menos cableado necesario para el sistema. Los cilindros de simple efecto también tienen desventajas: el muelle ocupa espacio y limita el recorrido de trabajo del cilindro. Además, la fuerza del muelle reduce la fuerza neumática y limita la fuerza resultante del cilindro.
Figura 3: Un cilindro neumático de simple efecto de extensión por muelle (A) y de retorno por muelle (B).
Los cilindros de simple efecto pueden especificarse mediante los siguientes parámetros clave:
- Longitud de la carrera
- Tamaño de la perforación
- Diámetro de la varilla
- Fuerza del muelle
- Presión del sistema
El recorrido es la distancia entre la posición final y la posición base (longitud del movimiento). El tamaño del agujero es el diámetro del pistón. Para elegir el cilindro adecuado, siga el método de dimensionamiento del fabricante del cilindro. El cilindro de simple efecto suele estar controlado por una válvula de tres vías, por ejemplo una electroválvula neumática. Un puerto se conecta a la fuente de aire comprimido, el segundo puerto se utiliza para suministrar/ventilar aire al cilindro y el tercer puerto es un puerto de escape.
Principio básico de las electroválvulas neumáticas
Principio de funcionamiento
Laselectroválvulas neumáticas se utilizan para controlar la dirección del flujo de aire comprimido. Una pieza móvil dentro de la válvula bloquea o abre los puertos de la misma. La parte móvil se llama carrete o pistón. El movimiento del carrete puede controlarse de dos maneras: funcionamiento directo o funcionamiento indirecto.
Con el funcionamiento directo, el carrete es accionado directamente por el solenoide. Las válvulas de accionamiento directo son independientes de la presión del sistema, por lo que pueden utilizarse para presiones bajas o para el vacío.
En caso de funcionamiento indirecto, el carrete no es accionado directamente por el solenoide. La válvula aprovecha la presión del sistema para mover el carrete. Para ello, se utiliza una válvula piloto adicional. La válvula piloto es una pequeña válvula de 3/2 vías de accionamiento directo. La válvula piloto proporciona aire comprimido a un pequeño cilindro de aire dentro de la válvula. El aire comprimido en este cilindro ejerce una fuerza sobre el pistón y acciona el carrete para cambiar la válvula.. De este modo, se puede utilizar un solenoide relativamente pequeño para conmutar la válvula. Estas válvulas se denominan de pilotaje interno y requieren una presión de entrada para conmutar. Por lo tanto, estas válvulas no pueden utilizarse para aplicaciones de vacío, a menos que la válvula piloto se accione con una fuente externa de aire comprimido (pilotaje externo).
Tipos de electroválvulas neumáticas
Existen varios tipos de electroválvulas neumáticas. La función de la válvula depende siempre de la aplicación. Las funciones más comunes de las válvulas en los sistemas neumáticos son:
- 5/2 monoestable
- 5/2 biestable
- 5/3 centro cerrado
- centro de escape 5/3
- 5/3 centro de presión
- 3/2 biestable
- 3/2 normalmente abierto (NO)
- 3/2 normalmente cerrado (NC)
- 2/2 normalmente abierto (NO)
- 2/2 normalmente cerrado (NC)
Figura 4: Símbolos para electroválvulas de 3/2 vías; normalmente abierta y monoestable (izquierda), normalmente cerrada y monoestable (centro) y normalmente cerrada y biestable (derecha).
La válvula de 3/2 vías puede ser normalmente abierta (NA) o normalmente cerrada (NC). Una válvula normalmente abierta (deja pasar el aire del puerto 1 al puerto 2, cuando no está accionada. Si el solenoide está energizado, la válvula conmuta y el aire se ventila desde el puerto 2 al puerto 3. Una válvula normalmente cerrada funciona al revés. Cuando el solenoide se desenergiza, el aire se ventila desde el puerto 2 al puerto 3. Tan pronto como el solenoide se energiza, la válvula conmuta y el aire comprimido puede fluir de la conexión 1 a la 2. Las válvulas normalmente cerradas son las más comunes. También existen válvulas NO/NC, que pueden utilizarse en ambos sentidos (NO/NC).
Las electroválvulas de 3/2 vías pueden ser monoestables o biestables. Las válvulas monoestables suelen ser de retorno por muelle y funcionan como un timbre: permanecen conmutadas/actuadas mientras el solenoide está activado. La versión biestable suele tener dos solenoides y funciona como un interruptor de luz; se conmuta con un impulso de un solenoide y se vuelve a conmutar con un impulso del otro solenoide.
Figura 4: Representación simbólica de un cilindro de retorno por muelle controlado por una electroválvula monoestable NC de 3/2 vías. En el estado de reposo de la electroválvula (izquierda), el cilindro se retrae por la fuerza del muelle y el aire puede salir por el escape. En el estado activado de la válvula (derecha), el cilindro se llena de aire y se extiende.
Para controlar un cilindro de simple efecto, se utiliza una válvula 3/2. La válvula 3/2 tiene tres puertos y dos posiciones. Los puertos son IN (1 o P), OUT (2 o A) y EXHAUST (3 o R). La válvula tiene dos posiciones: una para presurizar el cilindro (el aire fluye del puerto 1 al 2, el puerto 3 está cerrado), y la otra para ventilar el aire del cilindro hacia el escape (el aire fluye del puerto 2 al 3, el puerto 1 está cerrado). Se pueden utilizar varios accesorios para conectarse a los puertos de entrada y salida. Se puede instalar un silenciador en el orificio de escape para reducir el ruido acústico. La huella de la válvula (agujeros de montaje) está especificada por el fabricante o por las normas, como la norma NAMUR o ISO. Las válvulas también pueden montarse en la base o en el colector.
Dimensionamiento de las válvulas
Para especificar el tamaño adecuado de la válvula, hay que calcular el consumo de aire del sistema neumático y el caudal de aire necesario. Para el cálculo se puede utilizar la ley de Boyle-Charles (pV=nRT). En el caso de un cilindro de simple efecto, el volumen del cilindro, la longitud de la tubería, la frecuencia de funcionamiento y las pérdidas del sistema son relevantes para el cálculo.
donde:
- A: superficie receptora de presión [mm2 ]
- a: área de la sección interior del tubo [mm2 ]
- p: presión de alimentación [MPa] (1MPa = 10bar)
- N: frecuencia de funcionamiento [ciclo/min].
- L:carrera del cilindro [mm]
- l: longitud de la tubería [mm]
- t: tiempo total de carrera [s]
- T: temperatura [K] (K = °C + 273,15)
Las fórmulas anteriores son válidas para las condiciones A.N.R. El símbolo A.N.R. es una abreviatura francesa de "conditions de l'atmosphère normale de rèfèrence", que significa "condiciones atmosféricas estándar de referencia" (20℃, 1013mbar, humedad (relativa) del 65%).
Figura 5: Circuito neumático con un cilindro de retorno por muelle de simple efecto y una válvula NC de 3/2 vías.
Ejemplo
En este ejemplo, un sistema neumático contiene un cilindro de retorno por muelle de simple efecto, con los siguientes parámetros:
- Presión del sistema = 0,5 MPa (5 bar)
- Temperatura = 293K (20°C)
- Recorrido del cilindro (L) = 50 mm
- Diámetro del agujero / diámetro del pistón = 40 mm
Para conectar el cilindro con la válvula 3/2, se utiliza el siguiente tubo:
- Longitud de la tubería (l) = 2 m
- Diámetro interior del tubo (d) = 4 mm
La frecuencia de funcionamiento requerida (N) es de 50 ciclos/min.
El área de recepción de la presión puede calcularse a partir del tamaño del orificio:
El área interior de la tubería es:
Ahora se puede calcular el consumo de aire en el momento de la extrusión (Q). En este caso, se trata también del consumo de aire para un ciclo:
El consumo de aire/minuto es:
El tiempo total de recorrido (t) es de 0,6 s.
El caudal de aire necesario:
Cuando se calcula el consumo de aire y el caudal de aire necesario, se puede seleccionar la válvula. Hay que comprobar las hojas de datos de las válvulas para encontrar las válvulas adecuadas. Todas las fichas técnicas contienen información sobre el caudal de las válvulas (véase la imagen siguiente). El caudal de la válvula seleccionada debe ser mayor que el caudal de aire requerido por el sistema. Por favor, tenga en cuenta que todos los sistemas neumáticos tienen alguna pérdida de aire y presión
Figura 6: Ejemplo de diagrama de caudal con el caudal nominal (L/min) frente a la presión de entrada y la pérdida de carga.
En el ejemplo, el caudal de aire de la válvula debe ser superior a 50 dm3/min mientras que la presión del sistema es de 0,5 MPa. El caudal en dm3/min es igual a l/min. El valor en MPa también puede cambiarse a bar, por lo que 0,5 MPa equivale a 5 bar de presión. Con la ayuda del diagrama de flujo se puede encontrar que la válvula más pequeña (tipo PS-32AS-AM5) es lo suficientemente grande para este sistema. A 5 bares, la válvula es capaz de suministrar unos 300 l/min de aire comprimido.
La válvula seleccionada es capaz de accionar el cilindro de simple efecto, pero la frecuencia de funcionamiento del cilindro (velocidad del pistón) puede ser superior a la requerida, ya que el caudal de la válvula no coincide con el caudal requerido calculado. La velocidad del pistón puede ajustarse mediante una válvula de mariposa que se monta en el puerto de escape de la electroválvula. El material de la válvula, el entorno (polvo, agua u otras gotas químicas, temperatura del medio, temperatura del entorno), el nivel de IP, la presión mínima y máxima y la tensión son otros factores importantes para la selección. El tamaño correcto de la válvula no es suficiente para construir un sistema neumático adecuado.
