Cómo sincronizar los componentes neumáticos para obtener la máxima eficacia

En la automatización industrial, la eficiencia suele tratarse como una especificación a nivel de componente. Los ingenieros pueden seleccionar un actuador de alto rendimiento o una válvula de bajo consumo y suponer que el sistema funcionará con eficacia. Sin embargo, las máquinas construidas con piezas eficientes pueden seguir consumiendo un exceso de energía si esos componentes no están sincronizados.

La pérdida de energía en neumática suele deberse a la arquitectura del sistema más que al fallo de un componente individual. Un actuador eficaz no puede rendir de forma óptima si se alimenta por una tubería restringida o se controla por una válvula sobredimensionada. Por lo tanto, el ahorro de energía se consigue armonizando toda la cadena neumática para minimizar las restricciones y el volumen muerto en cada interfaz. Este artículo esboza un enfoque a nivel de sistema para el diseño neumático, demostrando cómo la sincronización de seis categorías de componentes clave puede mejorar la eficiencia energética.

Reducir la caída de presión inicial mediante una mejor preparación

La eficiencia del sistema comienza en la fase de preparación del aire. Las unidades de preparación de aire subdimensionadas u obstruidas pueden crear una caída de presión. Si un filtro regulador provoca una caída de presión debido a la restricción del caudal, el compresor debe funcionar a una presión más alta para superar esa resistencia. Un movimiento de este tipo hace que la energía se utilice únicamente para empujar el aire a través de una restricción en lugar de para mover la carga.

El primer paso en un sistema sincronizado es una unidad de preparación de aire de alto caudal. El regulador de filtro de la serie MS (MS6-LFR) de Festo, que se muestra en la figura 1, está diseñado para minimizar esta restricción inicial. Con un caudal nominal normal de 4000 l/min (normalizado según DIN 1343), el MS6-LFR mantiene un suministro constante a los componentes descendentes, incluso durante los picos de demanda.

Figura 1: El filtro regulador MS6-LFR combina una filtración de gran caudal (4000 l/min) con una regulación precisa de la presión para eliminar los cuellos de botella en la entrada. (Fuente de la imagen: Festo)

El regulador también cuenta con un rango de regulación de 0.5 bar a 12 bar, lo que permite ajustar la presión de base de la máquina al nivel exacto necesario. Con el mismo fin, el regulador de precisión LRP (figura 2) ofrece una histéresis de presión máxima de 0.02 bar para aplicaciones que requieren una gran estabilidad, garantizando una presión constante en el sistema.

Figura 2: El regulador de precisión LRP-1/4-4 presenta una histéresis de 0.02 bar para una regulación de la presión ultra estable en aplicaciones sensibles. (Fuente de la imagen: Festo)

Ambos reguladores incluyen también un escape secundario. Si la presión descendiente aumenta (por ejemplo, debido a fuerzas externas sobre un actuador), el regulador ventila el exceso de presión, evitando la contrapresión que se opone al movimiento. El uso de un regulador que proporcione un caudal constante mantiene la presión de la línea principal en el nivel mínimo necesario, lo que reduce el consumo total de energía.

Optimizar la energía con la regulación del punto de uso

Muchos sistemas alimentan toda la máquina a la presión requerida por su único actuador más exigente. Por ejemplo, si una prensa pesada requiere 6 bares, todo el circuito se presuriza a menudo a 6 bares, incluso para las carreras ligeras de sujeción o retorno que sólo requieren 3 bares. Esto desperdicia casi el 50% de la energía para esas tareas más ligeras.

La regulación descentralizada consiste en crear zonas de presión directamente en el punto de uso con el regulador de presión MS2-LR, como se muestra en la figura 3. El regulador es compacto (tamaño 2) y admite caudales de hasta 350 l/min, por lo que resulta ideal para aislar grupos específicos de máquinas. En otras palabras, instalando un MS2-LR localmente puede alimentar el colector principal a 6 bares, pero regular un ramal específico hasta 3 bares para tareas más ligeras.

Figura 3: El regulador de presión MS2-LR lleva el control de la presión directamente al actuador. (Fuente de la imagen: Festo)

A diferencia de los reguladores básicos, el MS2-LR incluye una función de caudal de retorno y un escape secundario. Esto garantiza que el exceso de presión pueda evacuarse rápidamente durante la carrera de retorno o durante la purga del sistema, evitando el bloqueo neumático y garantizando la seguridad.

El modelo MS2-LR-QS6-D6-AR-BAR-B (figura 4) incluye un manómetro integrado, que permite a los operarios verificar visualmente que la zona está funcionando en su ajuste reducido y de bajo consumo. Por otro lado, para aligerar aún más el peso (28.3 g), la variante A8 ofrece un puerto preparado para calibres personalizados.

Figura 4: La supervisión integrada permite verificar al instante las zonas de presión que ahorran energía. (Fuente de la imagen: Festo)

Minimizar el volumen muerto en la transmisión de aire

La tubería entre la válvula y el actuador es una fuente importante de pérdida de energía. El volumen dentro de la tubería debe presurizarse y despresurizarse en cada ciclo. Este volumen muerto consume aire comprimido sin realizar trabajo. Además, las fugas en las tuberías aumentan la carga base del compresor.

La eficacia de la transmisión se consigue mediante la selección de materiales y la optimización geométrica.

• Integridad del material: El tubo PUN-H está fabricado con TPE-U (poliuretano) resistente a la hidrólisis. A diferencia del PVC estándar, que puede degradarse y presentar fugas con el tiempo, el PUN-H mantiene la flexibilidad y la integridad del sellado en diversos entornos, con una gama de temperaturas de funcionamiento de -35 °C a +63 °C. Su pared interior lisa minimiza la fricción, favoreciendo el flujo laminar.
• Estrategia de geometría: Colocar las válvulas más cerca de los actuadores y conectarlas con tubos cortados a medida reduce el volumen de aire necesario por ciclo. La serie PUN-H permite identificar los circuitos mediante un código de colores y las variantes negra y azul ofrecen un radio de curvatura mínimo superior de 9.7 mm para enrutamientos estrechos. Tenga en cuenta que la variante de color natural tiene un radio de curvatura ligeramente mayor (14 mm), por lo que la selección del producto debe ajustarse al espacio de instalación disponible.

Optimización de la selección de válvulas para la eficiencia energética

A veces, las válvulas se seleccionan en función del tamaño del orificio y no de las características del caudal. Las válvulas sobredimensionadas suministran un volumen de aire excesivo a cilindros pequeños, lo que provoca ineficacia. Por el contrario, una válvula restrictiva ralentiza el actuador, obligando a los operarios a aumentar la presión para compensar. La válvula debe equilibrar la velocidad con el consumo.

La electroválvula VUVG, mostrada en la figura 5, está diseñada para este fin.

• Relación caudal-tamaño: La VUVG proporciona un caudal elevado (por ejemplo, 660 l/min para el tamaño de 14 mm) en un diseño compacto, impulsando las cargas sin crear una restricción.
• Velocidad y precisión: Con un tiempo de conmutación de 8 ms (para la variante biestable) y una frecuencia de conmutación máxima de 2 Hz, la VUVG proporciona una respuesta rápida. Como tal, esta precisión ayuda a prevenir la sobrepresurización de la línea causada por el retraso en el cierre de la válvula.
• Bajo consumo de energía: La bobina VUVG consume 0.8 W (a 24 V CC). Combinado con un grado de protección IP65, garantiza la fiabilidad en entornos industriales sin consumir una corriente excesiva.

Figura 5: La elevada relación caudal/tamaño de la electroválvula VUVG garantiza el accionamiento de cargas sin restricciones. (Fuente de la imagen: Festo)

La selección de una válvula adaptada al volumen del actuador garantiza que el cilindro reciba el volumen de aire necesario sin derroches.

Reducir la carga energética con actuadores más ligeros

Las piezas móviles más pesadas requieren más fuerza (y presión) para moverse. Por lo tanto, el uso de un cilindro sobredimensionado aumenta la energía necesaria para la aceleración, en contra del principio de reducción de peso. Además, cada milímetro de diámetro interior innecesario aumenta el volumen de aire necesario para llenar el cilindro, lo que conlleva un desperdicio de energía agravado en cada carrera, independientemente de la carga real que se mueva. El actuador debe optimizarse para la aplicación.

El cilindro ISO DSBC está diseñado para ofrecer un alto rendimiento con una masa reducida. La figura 6 muestra el DSBC-32-25-PPVA con una masa móvil de 133 g. Proporciona una fuerza de avance teórica de 483 N a 6 bar. Esta relación potencia-peso reduce la fuerza necesaria para acelerar el pistón en comparación con otras alternativas más pesadas.

Figura 6: El cilindro ISO DSBC combina una baja masa en movimiento con una amortiguación eficaz para maximizar el uso de la energía cinética. (Fuente de la imagen: Festo)

La familia DSBC presenta opciones de amortiguación neumática que mejoran la eficacia. El DSBC-32-25-PPVA dispone de una amortiguación ajustable con una longitud de 17 mm para desacelerar suavemente la carga (energía de impacto < 0.4 J). Para una simplicidad aún mayor, el DSBC también ofrece una variante autoajustable (PPSA) que elimina la necesidad de tornillos de ajuste manual, reduciendo el mantenimiento y el riesgo de fugas.

Minimizar la fricción en el movimiento guiado

En las aplicaciones de precisión, la fricción reduce la eficacia. Las guías deslizantes estándar crean resistencia, por lo que requieren una mayor presión de aire para superar la fricción estática y mantener el movimiento. Esto se opone al objetivo de reducir la fricción. Con el tiempo, el desgaste en los puntos de contacto deslizantes puede degradar la precisión de posicionamiento y crear una resistencia incoherente, obligando al sistema a trabajar más para mantener la velocidad.

Para las tareas guiadas, el minicorredera DGST-10-20-E1A (figura 7) utiliza elementos rodantes para mejorar la eficacia.

• Rodamientos de bolas recirculantes: El carro DGST utiliza una guía de rodamientos de bolas de precisión en lugar de casquillos deslizantes. Este movimiento reduce el coeficiente de fricción, lo que permite un funcionamiento suave a velocidades de hasta 0.5 m/s.
• Eficacia de doble pistón: El diseño de doble pistón aumenta la fuerza de salida en una unidad compacta. La corredera proporciona 94 N de fuerza teórica (avanzando a 6 bar) con una masa en movimiento de 134 g.
• Yugo integrado: La integración de la corredera y el yugo en una unidad rígida elimina la desalineación. La unidad maneja cargas con un par máximo de 3 Nm y una fuerza máxima de 480 N, convirtiendo la presión del aire directamente en movimiento lineal.

Figura 7: El minicorredera DGST utiliza cojinetes de bolas recirculantes para reducir la fricción, superando drásticamente a las guías de deslizamiento. (Fuente de la imagen: Festo)

Conclusión

La optimización de un sistema neumático requiere un enfoque arquitectónico más que el cambio de un único componente. Al considerar el sistema como una cadena sincronizada, los ingenieros pueden lograr ganancias de eficiencia acumulativas que superan con creces las mejoras de las piezas individuales. Cuando se armonizan estos seis elementos mencionados en el artículo, se puede mejorar la eficacia, bajar la presión, reducir la duración de los ciclos y minimizar las fugas. Este fenómeno refuerza así las conexiones de los componentes y mejora el rendimiento general.