Strong Pneumatics

El poder del aire comprimido

Un poco de historia

Ya en el siglo III a. C., el matemático e inventor griego Ctesibio se dedicó a estudiar el aire comprimido y las interesantes oportunidades que surgían de él. Así fue como inventó las primeras máquinas propulsadas por aire comprimido, como por ejemplo una catapulta que utilizaba aire comprimido para lanzar balas y lanzas. Una instalación de aire comprimido muy conocida es la de Herón de Alejandría, la cual generaba aire comprimido con el fuego del altar y con ello abría como por arte de magia las grandes puertas del templo.

Con el calor del fuego del altar se calentaba el aire en un recipiente a presión, el cual estaba lleno hasta la mitad con agua. Cuando el aire se calienta, este se expande y la presión del aire aumenta. El aire en expansión necesitaba más espacio y presionaba el agua fuera del recipiente a presión a un depósito de agua, el cual con el aumento de peso descendía y, de ese modo, abría las puertas.

Desde comienzos del siglo XX, la neumática se emplea como tecnología de accionamiento y control en la industria. En las industrias de la maquinaria de construcción y la maquinaria agrícola, la neumática es aplicada, por ejemplo, para el accionamiento de martillos y taladros. La neumática de aspiración y presión también es empleada en la técnica del transporte, por ejemplo, en molinos de granos para aspirar el cereal o transportar harina. Incluso en la industria de la música podemos encontrar la neumática, por ejemplo, en la construcción de órganos. En una pianola, un piano de ejecución automática, las teclas se controlan de forma neumática. En la industria automotriz, en las industrias textil y alimenticia, en la ingeniería eléctrica, incluso en el espacio y en muchos otros ámbitos de la vida cotidiana encontramos aplicaciones de la neumática.

¿Qué ventajas presenta la neumática?

Las ventajas de la neumática son las siguientes:

El aire comprimido se puede almacenar.
El aire comprimido se puede transportar a largas distancias a través de tuberías y tubos flexibles o en contenedores adecuados.
El aire comprimido es limpio y no causa ninguna contaminación.
Con aire comprimido se pueden realizar movimientos rápidamente.
Con los cilindros neumáticos se pueden realizar muchos movimientos sin una mecánica compleja.
Es a prueba de explosiones.

Queremos explicar estas ventajas y muchos otros aspectos interesantes con el kit de montaje Strong Pneumatics. También queremos mostrarte cómo funcionan los componentes neumáticos. Para ello, explicaremos paso a paso los componentes individuales y su funcionamiento. Además, el kit de montaje contiene numerosos ejemplos de modelos que ilustran cómo se puede utilizar la neumática.

Una instalación neumática está compuesta por cinco subsistemas:

Generación de aire comprimido
Distribución del aire comprimido
Tratamiento del aire comprimido
Generación de movimiento a través de cilindros neumáticos
Control del movimiento mediante válvulas

El aire comprimido puede generarse con un compresor, un compactador o una bomba de aire y almacenarse en cilindros de aire comprimido y otros recipientes a presión.

La bomba de membrana como compresor

Tu compresor fischertechnik es una bomba de membrana. Esta suministra el aire comprimido necesario para poder controlar los modelos individuales. En la industria se conoce como fuente de aire comprimido.

Funcionamiento:
Una bomba de membrana se compone de dos cámaras separadas entre sí por una membrana; de allí proviene el nombre del componente. En una de ellas, la membrana elástica se mueve hacia arriba y hacia abajo mediante un pistón y una excéntrica. Al bajar, la membrana es tirada hacia atrás y en la segunda cámara se aspira aire a través de la válvula de entrada. Al subir el pistón, la membrana presiona el aire a través de la válvula de salida fuera del cabezal de la bomba.

Nota:
La sobrepresión generada por el compresor es de aproximadamente 0,7 a 0,8 bares. La bomba de membrana no requiere mantenimiento. Es importante que utilices una batería alcalina de 9 V como fuente de alimentación para el compresor. Por supuesto, aún mejor es el Accu Set de fischertechnik, que tiene una potencia considerablemente mayor que el bloque de 9 V, mayor duración y puede recargarse una y otra vez.

Distribución del aire comprimido
Las mangueras azules son el medio de transporte del aire comprimido. Estas transportan el aire comprimido a donde se lo necesite. Puedes colocar los conductos de aire desde el compresor hasta las válvulas y los cilindros.

Tratamiento del aire comprimido
A fin de que los componentes neumáticos funcionen correctamente en la industria, es importante que el aire comprimido reciba el correspondiente tratamiento. Para ello, el aire debe filtrarse, refrigerarse, deshumidificarse y, de ser necesario, debe eliminarse el aceite. Sin embargo, esto no es necesario en los modelos del kit de montaje Strong Pneumatics.

Cilindros neumáticos

Para generar movimiento con aire utilizamos cilindros neumáticos. Podemos distinguir fundamentalmente entre los cilindros de «simple efecto» y los de «doble efecto». El kit de montaje Strong Pneumatics contiene dos cilindros neumáticos de distinto tamaño con el mismo modo de funcionamiento de «doble efecto».

La biela azul es móvil y el cilindro está sellado. Al soplar aire en el cilindro a través de una de las dos conexiones de manguera, la biela se mueve. Al soplar del lado opuesto, el pistón se retrae. Por lo tanto, el pistón puede trabajar activamente en ambas direcciones de movimiento. La conexión a través de la cual se extrae la biela se denomina conexión A; la conexión para introducirla se denomina conexión B. Ya que la biela del cilindro puede introducirse y extraerse con aire,
el cilindro recibe el nombre de «cilindro de doble efecto». Para observar esto en la práctica, realiza una prueba.

Prueba:

Fija a la conexión A de un cilindro una parte de la manguera azul y conéctala a la conexión de manguera del compresor que ya se encuentra conectada al soporte de la batería. Entonces cuando enciendas el compresor, la biela saldrá hacia afuera. Ya que se trata de un cilindro de doble efecto, el pistón regresará cuando fijes la manguera a la conexión B y suministres aire comprimido con el compresor.

Como se mencionó anteriormente, hay también «cilindros de simple efecto». En estos cilindros, la biela solo puede moverse en una dirección. Para moverla en la otra dirección suele utilizarse un resorte.

Para comprobar que se puede comprimir el aire, realiza otra prueba.

Prueba:

Ahora extraes nuevamente el pistón del cilindro, fijando la manguera azul, que está conectada al compresor, a la conexión A y suministrando aire comprimido. Luego de extraer la biela, cambias a la conexión de manguera B y tapas la conexión A con el dedo.

Observación:

La biela se introducirá solo un poco. ¿Sabes por qué?

Explicación:

Al haber tapado la conexión de aire A con el dedo, no puede escaparse el aire del cilindro. Pero el aire puede comprimirse. Por este motivo, se ha introducido un poco la biela. Cuanto más aire se comprima, mayor será la presión en el cilindro. Esta presión puede medirse con un manómetro. La unidad de medida de presión es el «bar» o el «pascal». La magnitud de la presión también puede medirse. La fórmula para calcular la magnitud de la presión es:
Presión = Fuerza/Superficie o, brevemente, p=F/S
Con esta fórmula puedes reconocer que la magnitud de la presión depende de qué tanta fuerza se aplique sobre la superficie redonda del cilindro.

Como has podido comprobar en las pruebas, es bastante molesto cambiar las mangueras de posición una y otra vez. Este trabajo lo asumirán las válvulas, como se explicará claramente en el próximo capítulo.

Válvulas

En la neumática, la función de una válvula es la de controlar la corriente de aire al cilindro neumático, de modo que el cilindro se despliegue o se retraiga. Una válvula puede accionarse de forma mecánica, eléctrica, neumática o manual.
El kit de montaje Strong Pneumatics contiene válvulas manuales. Cada una de estas válvulas tiene cuatro conexiones:

A través de la conexión central se suministra el aire comprimido desde el compresor. Los empalmes de tubo izquierdo o derecho dirigen el aire comprimido a las conexiones del cilindro. La conexión inferior de la válvula actúa como ventilación. A través de este es expulsado el aire que regresa del cilindro. Para comprobar el funcionamiento de la válvula, realice la siguiente prueba.

Prueba:

Conecte el compresor, que ya se encuentra conectado al soporte de la batería, a una de tus válvulas. Para ello, coge una parte de la manguera azul y fíjala a la conexión de manguera del compresor y a la conexión P de la válvula. Deja las otras conexiones libres. Coloca el interruptor azul de la válvula manual en el centro y enciende el compresor.

Observación:

No sucede absolutamente nada.

Explicación:

Cuando colocas el interruptor de la válvula manual en el centro, las conexiones están cerradas y el aire no fluye por ningún sitio.

Siguiente prueba:

Ahora gira el interruptor de la válvula hacia la derecha y vuelve a encender el compresor. Mientras tanto, pulsa con un dedo sobre los empalmes A y B que han quedado libres. Haz lo mismo al girar el interruptor de la válvula hacia la izquierda.

Observación:

El aire circulará siempre a través de la conexión A si giras el interruptor azul de la válvula hacia la derecha y a través de la conexión B si giras el interruptor hacia la izquierda.

Explicación:

La imagen te ayudará a comprender cómo circula el aire a través de la válvula cuando giras el interruptor en las diferentes direcciones. La línea azul, en este caso, representa el aire comprimido que circula por la válvula. Las líneas negras indican cómo circula el aire que regresa del cilindro.

La válvula posee cuatro conexiones y tres posiciones de interruptor (centro – izquierda – derecha). Por este motivo, la válvula se conoce en la neumática como válvula de 4/3 vías.

Válvula reguladora de caudal

¿Alguna vez has pisado o doblado la manguera en el jardín? Si es así, probablemente habrás notado que repentinamente sale menos agua de la manguera. ¿Pero por qué sucede esto? Al doblarse la manguera, el agua tiene menos espacio para fluir, por lo que se reduce y enlentece. Lo mismo sucede en la neumática cuando el aire se ve limitado en el medio de transporte, en nuestro caso, la manguera azul, y tiene menos espacio para circular.

Ahora probablemente te preguntes por qué habríamos de hacerlo intencionalmente.
Al regular el caudal de aire, los distintos movimientos pueden realizarse de una forma más lenta y controlada.

La neumática de aplicación industrial suele funcionar con una presión de entre 6 y 8 bares. Esto permite que los cilindros neumáticos se desplieguen con gran potencia y rapidez cuando sea necesario. A menudo se requiere un movimiento potente pero lento y controlado. Un movimiento demasiado rápido podría dañar las piezas de la máquina, los elementos de trabajo o incluso a las personas. Así que para que los cilindros trabajen lentamente, se reduce el caudal de aire comprimido. Para que circule menos aire a través de la manguera o el tubo, simplemente estrechamos el diámetro del conducto.

Prueba

Monta el modelo funcional y realiza las siguientes pruebas:

No limites el aire de salida. Para ello, enrosca el tornillo regulador azul en la carcasa solo lo necesario como para no comprimir la manguera. Observa qué tan rápido se despliega y se retrae el cilindro.
Reduce cada vez más el caudal de aire de salida enroscando progresivamente el tornillo regulador azul. Vuelve a observar el cilindro. ¿Qué notas?

Como ves, la válvula reguladora de caudal te ayuda a ajustar la velocidad de despliegue y retracción del cilindro.

Ahora queremos observar con mayor precisión todo lo aprendido recientemente aplicándolo a modelos fabricados por nosotros mismos, que en la realidad también suelen funcionar de forma neumática. Para ello, montaremos los modelos uno tras otro y realizaremos una o dos pruebas con cada uno, para poder comprender mejor cómo funciona todo.

Mesa elevadora de tijera

Las mesas elevadoras son utilizadas como un medio para elevar cargas pesadas. Estas se utilizan principalmente para cargar piezas de trabajo. Una plataforma elevadora de este tipo se compone de una base sobre la cual se coloca la carga. A esta se fijan las tijeras de igual largo. Estas tijeras se mueven en el centro de un eje que también está fijado a la base.

Para comprender la estructura de la mesa elevadora de tijera, monta el primer modelo como indica el manual de instrucciones.

Mesa elevadora de tijera – Tarea n.º 1:

Luego de conectar el compresor y colocar las mangueras como indica el manual de instrucciones, gira el interruptor azul de la válvula hacia la derecha. ¿Qué sucede? La mesa elevadora de tijera se eleva. ¿Pero por qué?
Al haber conectado las mangueras en el modelo de tal modo que el aire comprimido es conducido desde la conexión A de la válvula a la conexión A del cilindro, el pistón del cilindro se despliega hacia afuera. Este despliegue empuja el eje central de la mesa elevadora hacia la derecha, enderezando las tijeras y empujándolas hacia arriba.
Puedes mover la plataforma elevadora nuevamente hacia abajo al girar la válvula hacia la izquierda, de modo que el pistón del cilindro se retraiga.

Mesa elevadora de tijera – Tarea n.º 2:

Pero ¿qué sucede cuando la mesa elevadora de tijera debe llevar una carga más pesada como, por ejemplo, una taza o un libro? ¿Todavía puedes lograr que la plataforma elevadora se eleve? Intenta averiguar cuánto peso puedes cargar en la plataforma elevadora para que esta pueda levantarlo. A tal fin, introduce los valores en la siguiente tabla.

Mesa elevadora de tijera – Tarea n.º 3:

¿Tienes idea de cómo la plataforma elevadora puede levantar pesos aún más pesados? Piensa en cómo se puede aumentar la capacidad de carga de la mesa elevadora de tijera.

Solución:

Si la fuerza de un cilindro no alcanza para levantar cargas más pesadas, entonces adiciona un segundo cilindro neumático.
Incorpora el segundo cilindro en la plataforma elevadora como indica el manual de instrucciones y conéctalo conforme al diagrama de mangueras allí ilustrado.
Repite el paso Mesa elevadora de tijera – Tarea n.º 2 con tu modelo nuevo y analiza qué ha cambiado.

En el capítulo «cilindros neumáticos» has aprendido que la fuerza aplicada depende de la presión y de la superficie sobre la cual se ejerce esa presión (superficie redonda del cilindro). Dado que la presión producida por el compresor es constante, debemos ampliar la superficie sobre la cual se ejerce la presión. Esto lo logramos al utilizar dos cilindros. Por lo tanto, la presión ejercida tendrá efecto sobre la doble superficie (dos superficies redondas de cilindros). De esta manera se duplica también la fuerza y con ello el peso que puede levantarse. Esto significa que podemos generar mayor fuerza aumentando la superficie.

Dispositivo de sujeción

¿Tienen un tornillo de banco en sus casas? Entonces puedes utilizarlo para sujetar las piezas que quieres trabajar. Limar, perforar o simplemente presionar. Realmente muy práctico, si no tuvieras que girar tantas veces la manivela. Ya habrás notado que necesitamos una solución neumática.

Dispositivo de sujeción – Tarea n.º 1:

Diseña y monta un dispositivo de sujeción neumático propio con un cilindro (sin manual de instrucciones). ¿Tienes una idea de cómo podría funcionar? Si la respuesta es «no», puedes encontrar nuestra sugerencia en el manual de instrucciones.

Luego de haber montado el modelo, probablemente ya habrás encendido el compresor y girado el interruptor de la válvula.

Interruptor hacia la derecha = tensar
Interruptor en el centro = mantener tensión
Interruptor hacia la izquierda = aflojar tensión

Al apagar nuevamente el compresor, siguiendo la Tarea 2, puedes sujetar correctamente una pieza de trabajo (bloque de construcción 30) en tu dispositivo de sujeción neumática como lo hace un profesional.

Dispositivo de sujeción – Tarea n.º 2:

El compresor está apagado.

Girar el interruptor de la válvula hacia el centro
Colocar la pieza.
Encender el compresor.
Girar el interruptor de la válvula hacia la derecha
Girar el interruptor de la válvula hacia el centro
Apagar el compresor.

Tu pieza de trabajo ya está sujeta de forma neumática para poder trabajar.
Te preguntarás: «¿Para qué mover el interruptor a la posición central?»
Toda conexión neumática y todo conducto pierden un poco de aire. En la posición central, el conducto al compresor está desconectado, de modo que la pérdida de aire comprimido de este lado se reduce.

Para abrir completamente el dispositivo de sujeción en el primer modelo, deberías encender nuevamente el compresor. Esto es molesto. ¿No te parece? En el primer modelo, tu compresor sin acumulador de aire estaba conectado directamente a la conexión central de la válvula manual. En nuestro siguiente modelo montaremos dos acumuladores de aire. Esto significa que en el siguiente modelo el aire comprimido no es transmitido directamente a la válvula manual, sino a los otros cilindros. Por consiguiente, estos cilindros se llenarán de aire comprimido y lo almacenarán.

Ahora monta en tu modelo básico dos cilindros como acumuladores de aire. Si no sabes exactamente cómo montar los acumuladores de aire en tu modelo, consulta el manual de instrucciones.

Luego de reformar el modelo, coloca tu pieza de trabajo (bloque de construcción) en el dispositivo de sujeción. Gira el interruptor de la válvula manual a la posición central. Enciende el compresor y observa cómo se mueven hacia arriba los pistones en el cilindro a medida que se llenan de aire comprimido. Si el compresor emite un zumbido uniforme significa que se ha generado el suficiente aire comprimido y puedes volver a apagarlo.

Hemos llegado al momento en que la reforma ha merecido la pena.

Dispositivo de sujeción – Tarea n.º 3:

El interruptor de la válvula está en la posición central; el acumulador de presión está lleno y el compresor está apagado.

Colocar la pieza
Girar el interruptor de la válvula hacia la derecha
Girar el interruptor de la válvula hacia el centro –> la pieza de trabajo está sujeta
Para aflojar la tensión, simplemente debes girar el interruptor de la válvula hacia la izquierda

Observación:

¿Has notado la diferencia con el primer modelo? Al aflojar la tensión, el cilindro se retrae completamente sin volver a encender el compresor. Incluso puedes sujetar y soltar una segunda vez tu pieza de trabajo. ¿Sabes por qué?

Explicación:

Tu compresor puede almacenar un volumen de aire adicional en los dos cilindros y suministrarlo al cilindro de sujeción en caso de ser necesario.

Todos estos temas y pruebas te han acercado al mundo de la neumática. Como puedes ver, la neumática es muy valiosa e interesante. En el siguiente capítulo puedes dedicarte a los modelos de juego del kit de montaje Strong Pneumatics.

El kit de montaje Strong Pneumatics contiene, además de los modelos funcionales, otros tres modelos con fascinantes funciones de juego. Se trata en este caso de los modelos realistas de cargador frontal, tractor e hileradora rotativa doble. También aquí debes volver a montar el compresor en tu modelo y conectarlo con tus válvulas y cilindros neumáticos. Con las válvulas manuales tienes la posibilidad de, por ejemplo, manejar manualmente los brazos de agarre de tu tractor. La válvula reguladora de caudal también contribuye con la formación de una imagen realista al permitir controlar la velocidad de los movimientos.

Este tipo de funciones en la realidad no se realizan de forma neumática, sino con la ayuda de la hidráulica. En la hidráulica se utiliza aceite en lugar de aire para mover los cilindros. A diferencia del aire, el aceite no puede comprimirse, por lo que pueden transmitirse fuerzas considerablemente mayores. Sin embargo, para tus modelos de juego del kit de montaje Strong Pneumatics la fuerza neumática es absolutamente suficiente. Además, esta es especialmente limpia, veloz, confiable y, ante todo, emocionante.

Diviértete creando y jugando.