hidraulica

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TABLA DE CONTENIDO ♦ • ∗ ∗

INTRODUCCION A LA OLEOHIDRAULICA Sistemas de Transmisión de Potencia Hidrostática Elementos de un Sistema Hidráulico

4 6 10 17

∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗

ACTUADORES Cilindros Hidráulicos De Simple Efecto De Doble Efecto Motores Hidráulicos De Engranajes De Paletas De Pistones

22 23 24 27 34 35 38 41

♦ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗

IMPULSORES Bombas De engranajes De Paletas De Pistones Acumuladores Multiplicadores de Presión

45 46 46 48 54 59 62

♦ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗

VALVULAS Válvulas de Retención Válvulas Direccionales Válvulas Direccionales Proporcionales Controles de Presión Válvulas de Alivio Válvulas de Secuencia Válvulas de Contrabalance Válvulas de Descarga Válvulas Reductoras de Presión Válvulas de Alivio-Descarga Válvulas Proporcionales de presión Controles de Caudal No Compensados o Simples Compensados Proporcionales

64 65 67 78 81 82 84 86 88 90 91 92 93 95 96 97

♦ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗

CIRCUITOS TIPICOS Circuito simple, 1 actuador Sistemas de Alta y Baja Circuito Regenerativo Circuito con varias direccionales Hidrotransmision Circuito para prensa de vulcanizado

100 100 100 104 106 107 109

♦ ♦

ACCESORIOS Solución de ejercicios

110 114 2

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PROLOGO La hidráulica es una de las ramas de la Ingeniería, que como muchas otras han venido desarrollando grandemente en las ultimas décadas y se ha venido convirtiendo en una herramienta cada vez más importante para los diseñadores de maquinas o profesionales trabajadores del ramo. Desde hace muchos siglos se uso la hidráulica para trasmitir potencia, aprovechando la energía del agua en una corriente para mover una rueda, que a su vez tomaba esa agua y la levantaba para poder transportarla y usarla para riego y otras cosas. El uso del fluido bajo presión para transmitir potencia y controlar movimientos complejos, es mas reciente. En el siglo pasado, durante la revolución industrial en Inglaterra, se empezó a utilizar agua confinada a alta presión para transmitir potencia y desde entonces su uso se ha venido generalizando cada vez más Un fluido confinado es uno de los medios más versátiles para modificar y controlar movimientos y transmitir potencia. Es tan resistente como el acero y, además, infinitamente flexible. Cambia de forma para adaptarse al cuerpo que resiste su empuje, se puede dividir en partes, cada parte haciendo el trabajo a su medida y puede ser reunido para que trabaje en conjunto. Las leyes que lo manejen son iguales o más sencillas que otras leyes de la mecánica o la electricidad y, sin embargo, hay una falta grande de orientación en este campo, lo cual hace que muchas personas no puedan gozar de los beneficios que ofrecen los sistemas hidráulicos. Por esta razón he querido elaborar esta guía general sobre las posibilidades que se pueden tener en cuenta con los distintos elementos que podrían intervenir en un sistema hidráulico, sin pretender que esta sea la información mas profunda y completa que haya sobre este tema tan extenso. Se tratara de explicar de la manera mas clara y sencilla posible, la forma como trabajan algunos de los elementos más comunes que conforman cualquier sistema hidráulico, sin distingo de marcas o tipos, ya que la estandarización es alta hoy en día. También se darán algunas pautas para el diseño de un circuito hidráulico. sobre todo con el fin de hacer comprender mejor la forma como trabajan los sistemas existentes Finalmente se tendrán algunas recomendaciones sobre como mantener en optimas condiciones un sistema hidráulico

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INTRODUCCION A LA OLEOHIDRAULICA

La óleo hidráulica se puede definir como la rama de la ingeniería mecánica que estudia el uso de fluidos incomprensibles (en este caso aceita y por esto el prefijo “óleo”), confinados y bajo presión, para transmitir potencia. En este capitulo se introducirán los elementos básicos que componen un sistema hidráulico y se estudiarán las leyes que determinan su comportamiento. Las siguientes son algunas de las representaciones que se utilizarán para los diferentes componentes de los sistemas hidráulicos.

CILINDRO

BOMBA

TANQUE

VALVULA DIRECCIONAL

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Estos son ejemplos de algunas de las maquinas en las que vemos la hidráulica aplicada hoy en día. Sus usos son tan diversos que es inconmensurable la variedad de opciones. El gato hidráulico, elemento que aunque su principio de funcionamiento es extremadamente simple , es muy versátil y confiable, además de ser indispensable para cualquier labor de mantenimiento mecánico.

La Inyectora de plástico, usada para inyectar plástico derretido en un molde y obtener así miles de elementos tales como vasos, tanques, platos, partes para autos, etc.

La prensa hidráulica, una de las maquinas mas usadas en la industria, para embutir, cortar, doblar, perforar, toda clase de metales. Capaces de desarrollar fuerzas tan bajas como 5 toneladas para operaciones pequeñas, y tan grandes como 2.000 ton. Como para cortar laminas de acero de gran calibre en acerías.

La excavadora hidráulica, maquina utilizada en la remoción de tierra para construir carreteras, edificaciones, etc. Maquina muy poderosa y versátil. Esta maquina pertenece a un segmento del mercado llamado “móvil” por su capacidad de moverse o desplazarse por si misma. Se caracteriza por tener un sistema hidráulico complejo.

La retroexcavadora o backhoe, maquina de tipo móvil, que cumple la misma función de la excavadora pero tiene pala adelante para arrastrar. Donde quiera que vayamos veremos equipos hidráulicos trabajando.

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SISTEMAS DE TRANSMISIÓN DE POTENCIA Existen diferentes tipos de sistemas de transmisión de potencia, como por ejemplo. -SISTEMAS ELECTRICOS

-SISTEMAS MECANICOS

-SISTEMAS NEUMATICOS

-SISTEMAS HIDRAULICOS o combinaciones de estos, pero todos tienen características similares. Todos tienen una entrada que normalmente consiste en una fuente con movimiento rotacional de velocidad constante o variable y que proporciona un toque que es variable y depende de la demanda del sistema. ♦

La carga o salida del sistema puede tener dos formas básicas:

•

Se puede necesitar mover una carga lineal, que requiere de una fuerza constante o variable a una velocidad determinada, que también puede ser variable o constante.

•

También se puede requerir mover una carga rotacional con un torque constante o variable, a una velocidad angular, también constante o variable.

Todos tienen una conformación parecida, que se puede dividir en los siguientes tres grupos: •

ENTRADA. Se tiene un transductor de entrada, que convierte la energía de la fuente en la energía que va a usar el sistema para transmitir (Vg.: eléctrica, mecánica, hidráulica, etc.).

•

SALIDA Existe igualmente, un transductor de salida, que convierte la energía propia del sistema en la energía que requiere la carga.

•

ELEMENTOS DE CONTROL Para poder aprovechar al máximo la energía de la fuente y para poder adecuarse lo mejor posible a la carga es indispensable tener la posibilidad de controlar los niveles de energía del sistema y la ruta de la energía dentro del sistema en cada momento del ciclo de la carga 6

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En el uso de un sistema eléctrico de transmisión de energía eléctrica, es necesario manejar la corriente y el voltaje. Si es para llevar energía eléctrica a través de grandes distancias, el voltaje debe ser alto para que la corriente sea baja y las perdidas sean menores. Pero ya para aplicarle esta energía por ejemplo, al motor de un electrodoméstico, se debe bajar el voltaje al requerimiento que esta último y la corriente dependerá de la potencia que necesite para efectuar el trabajo para el que fue diseñado. En un sistema mecánico, se utilizan elementos mecánicos, tales como piñones, ejes, rodamientos, etc. Para trasmitir el movimiento, se puede tener control sobre la velocidad y el torque o la fuerza de acuerdo a las necesidades. Este es unos de los sistemas de transmisión mas generalizado, en los últimos tiempos. En un sistema neumático, se utiliza aire comprimido como medio de transmisión de movimiento, se puede tener control sobre la fuerza ejercida manejando la presión del aire. Y se puede tener control de la velocidad del movimiento de salida, controlando el caudal de aire que fluye a través del sistema. En un sistema hidráulico, es necesario poder controlar el nivel de energía potencial en el sistema, por medio del control de la presión del fluido, también la energía cinética, controlando la cantidad del fluido en el sistema por unidad de tiempo, es decir, el caudal. Adicionalmente, controlar la dirección del fluido en el sistema. Gráficamente se tendría algo como lo que se muestra en la figura 1

ENTRADA MOTORES ELECTRICOS MOTORES A GASOLINA TURBINAS DE GAS MOTORES HIDRAULICOS MOTONES DE AIRE

SISTEMA DE TRANSMISION ELECTRICOS HIDRAULICOS MECANICOS NEUMATICOS CONBINACIONES DE LOS ANTERIORES

SALIDA FUERZA LINEAL TORQUE MOVIMIENTO LINEAL O ROTATIVO

Figura 1. Sistemas de transmisión de potencia Primero esta la fuente, que como se dijo, puede producir un torque a una determinada velocidad y que esta conectada con el transductor de entrada del sistema. Luego los elementos de control, que manejan los niveles de energía dentro del sistema y que le entregan al transductor de salida, una potencia que depende de la carga a la que está conectado.

En un sistema eléctrico, el transductor de entrada puede ser un generador de corriente, el control se hace con transformadores que aumentan o disminuyen el voltaje, o de controles de frecuencia y el 7

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transductor de salida de un motor eléctrico que da un torque a una velocidad angular, o un solenoide que da una fuerza a una velocidad lineal. El medio que sirve para la transmisión está conformado por líneas de cables conductores de electricidad. En un sistema mecánico, el transductor de entrada puede ser una polea o un piñón, el control se puede hacer cambiando el ancho de la polea para aumentar o disminuir su diámetro, o usando una serie de piñones de diferentes diámetros los cuales se usarían en diferentes momentos de un ciclo, según las necesidades de carga. El transductor de salida puede ser también una polea o un piñón, un eje, un convertidor de torque etc. El medio de transductor son correas, cadenas, palancas, etc. En un sistema hidráulico el transductor de entrada es una bomba que envía una cantidad determinada de aceite, que puede ser constate o varia con el tiempo. El control se hace a través de elementos que restringen la cantidad de aceite que circula en el sistema, otros que regulan las presiones máximas y otros que llevan el aceite a un punto u otro del sistema de acuerdo con el ciclo de carga. El transductor de salida puede ser un actuador hidráulico lineal (cilindro hidráulico), que genera una fuerza a una velocidad lineal o un actuador hidráulico rotacional (motor hidráulico) que genera un torque a una velocidad angular. El medio de transmisión es el fluido (generalmente aceite mineral) que se mueve a través de tuberías de alta presión. En la figura 2 se ve como un sistema de transmisión hidráulico está compuesto. La entrada de potencia que se acopla a la bomba que es el elemento que la recibe. La bomba la entrega a las válvulas por medio del aceite o fluido de transmisión y éstas se la entregan a los actuadores que pueden ser motores hidráulicos o cilindros.

RPM TORQUE

PRESION

BOMBA

FLUJO

PRESION

VALVULAS

FLUJO

MOVIMIENTO

ACTUADOR

FUERZA

Figura 2. Como se transmite la potencia hidráulica. En la figura 3 se ilustra un sistema básico de transmisión de potencia hidráulica. La curva en la parte inferior de la figura, indica el nivel de energía en el sistema: La fuente es un motor que mueve la bomba de caudal fijo y le suministra una cantidad de energía que depende de la carga. La bomba succiona aceite de un tanque, lo cual representa un trabajo para ella, por esto la curva se inicia debajo del nivel cero de energía.

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http://www.hidraulicapractica.com VALVULA DE ALIVIO

BOMBA

ACTUADOR LINEAL VALVULA DIRECCIONAL

Figura 3. Sistema Hidráulico de Transmisión de Potencia. Luego dependiendo del nivel de carga, la curva llega a un punto que es la suma de esta carga con la energía que se pierde en cada uno de los elementos y la tubería del sistema. En la figura 4 se pueden ver los diferentes niveles de energía y las ineficiencias generadas por cada componente del sistema hidráulico.

INEFICIENCIA

HP

ENTRADA

BOMBA

DIRECCIONALES

ALIVIO

ACTUADORES

MAQUINA

Figura 4. Niveles de energía e ineficiencias.

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HIDROSTATICA Una de las primeras aplicaciones que se hicieron de un fluido confinado bajo presión y se conoce como “palanca hidráulica” (fig. 5). Esta consta de dos cilindros de diferentes diámetros que están comunicados entre sí y tienen un fluido. Al cilindro de diámetro pequeño se le introduce un pistón, del mismo diámetro, que sostiene una carga determinada y al cilindro grande también se le introduce un pistón de su mismo diámetro sosteniendo otra carga.

Figura 5. Palanca Hidráulica Si el área del cilindro grande es diez veces mayor que la del pequeño, la carga que se requiere en el cilindro grande es diez veces mayor que la del pequeño para que el sistema esté en equilibrio. Pero al mover el pistón del cilindro pequeño una distancia de 10 “, el pistón en el cilindro grande solo sale 1”. Lo que se gana en fuerza se pierde en desplazamiento igual a como sucede en una palanca mecánica. Este efecto es resultado de la ley que rige la hidrostática, la ley de pascal que dice: “LA PRESION APLICADA A UN FLUIDO CONFINADO SE TRANSMITE SIN DISMINUCION DE FUERZA EN TODAS DIRECCIONES Y ACTUA CON FUERZA IGUAL Y EN AREAS IGUALES EN ANGULOS CORRESPONDIENTES” Un “"Fluido confinado” simplemente es un fluido que está aislado del exterior, es decir, de la presión atmosférica. En el caso que nos interesa, consideramos a este fluido aceite hidráulico, 10

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que tiene ciertas características especiales que veremos mas adelante y es prácticamente incomprensible. En realidad, si tenemos un determinado volumen de aceite, por ejemplo, 100 galones, lo colocamos en un recipiente cerrado y lo comprimimos de alguna forma, pasando de 0 PSI (libras por pulgada cuadrada) a 1000 PSI entonces el volumen se habrá disminuido en 0.5%, es decir, ya no habrá 100 galones sino 95.5 y por cada 100 psi adicionales, el volumen disminuirá otro 0.5% La presión se define como fuerza por unidad de área y se consigue comprimiendo el aceite. A mayor compresión mayor disminución de volumen y mayor presión. En el caso del “gato” a medida que se envía más aceite hacia el cilindro de “levante” éste se desplaza más y cuando empieza a levantar la carga y por lo tanto a requerir hacer fuerza, el aceite se va comprimiendo hasta que alcanza la presión necesaria para que, actuando sobre el área del cilindro, genere la fuerza suficiente para desplazar la carga. Esta presión sólo depende de la fuerza que debe hacer el cilindro y el área del mismo. Ella se transmite al cilindro pequeño pero como su área es menor la fuerza que es necesario aplicarle es igual a la carga dividido por la relación que hay entre el área del cilindro grande y la del pequeño Un sistema hidráulico muy común es el del “gato” hidráulico que se usa para levantar automotores u otros objetos pesados. Como se ve en la figura 6 éste consta de una bomba manual que succiona o ”chupa” aceite de un recipiente y lo envía hacia un actuador hidráulico lineal o cilindro hidráulico.

Figura 6. Gato hidráulico

En el “Gato” hidráulico el pistón que sirve de bomba es más pequeño que el que se usa para levantar la carga. De esta manera se logra levantar objetos pesados con una fuerza no muy grande, pero es necesario desplazar varias veces el pistón que sirve de bomba para que haya un desplazamiento apreciable de la carga. La figura 7 muestra una secuencia que describe el funcionamiento de un “gato” hidráulico 11

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SALIDA

SALIDA

ENTRADA

SALIDA

ENTRADA

SUCCION

ENTRADA

SUBIDA DE CARGA

RETORNO

Figura 7. Funcionamiento de un “Gato” Hidráulico Hasta ahora no hemos hablado de la cantidad de aceite involucrado. Si en lugar de una bomba manual se le coloca a este gato una bomba automática que envía un flujo continuo, se obtendrá un desplazamiento también continuo del cilindro de “levante” CILINDRO

MOTOR

BOMBA

TANQUE

Figura 8. “Gato” con bomba continua. La rapidez con que ocurra este desplazamiento va a depender de la cantidad de aceite que envíe la bomba, es decir, del caudal.

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El caudal es el volumen de aceite por unidad de tiempo normalmente expresado en Galones por Minuto (GPM). Si por ejemplo el cilindro del gato tiene un área efectiva de 3 in cuadradas y un recorrido de 9” como se muestra en la figura 8 y la bomba envía un galón (231 in cúbicas) por minuto, el cilindro se demorará aproximadamente 7 segundos.

Q= V t

t=

V = 3 in2 X 9 in = 0.117 min = 7 seg. Q in 231 min

Si la carga que tiene que levantar el cilindro es de 1500 lbf (libra-fuerza), la presión a la que tiene que llegar el aceite deberá ser de 500 libras por pulgada cuadrada (PSI) para lo cual deberán haber, al final del recorrido, 0.0675 in3 adicionales de aceite, es decir, 0,25% más:

Volumen adicional= V x 0.5% x

P 1000 psi

= 3 in2 x 9 in x 0.5% 500 psi 1000 psi

= 27 in3 x 0.25%

=0.0675 in3

8000 lbs

8000 lbs

LA PRESION ES IGUAL A :

SI 9 1/2" GPM SE FUGAN A TRAVES DEL PISTON DAÑADO

10 in2 F 8000 LBS = A 10 IN2 = 800 psi

800 psi

800 psi

MOTOR

10 in2

MOTOR

10 GPM

10 GPM

Figura 10. Aún cuando hay una fuga grande el pistón sube la carga.

Figura 9. No hay fugas en el sistema. 13

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Suponiendo que en este cilindro se presentara una fuga de aceite, por lo cual se perdieran 9 1/2 GPM de los 10 que envía la bomba, es decir, medio galón por minuto para subir la carga, como se ve en la figura 10 todavía habría suficiente aceite para adicionar ese 1/2 requerido para llegar y mantener la presión de 800 PSI necesaria para levantar la carga aunque como se está quedando solo con el 5% del caudal, el desplazamiento se hará al 5% de la velocidad. Aprovechando esto, se puede ocasionar una fuga “deliberada” con el fin de poder disminuir la velocidad de desplazamiento de un cilindro o un actuador hidráulico, desde un máximo que está determinado por caudal el total de la bomba.

Con esta combinación de restricción y válvula limitadora de la presión, se pude dejar la fuga “deliberada” mencionada anteriormente. Lo que se hace es que se coloca una restricción y un control de presión de tal forma, que no todo el aceite que viene de la bomba va al cilindro o actuador

EL ACTUADOR SOLO RECIBE 5 GPM Y AVANZA A LA MITAD DE LA VELOCIDAD

2

Mientras mayor sea la restricción, mayor será la caída de presión, y si se cierra del todo el aceite se comprimirá hasta que la fuerza ejercida por la presión dañe la bomba o la tubería o hasta que se abra una válvula de seguridad o de alivio colocada entre la bomba y la restricción y graduada a una presión máxima determinada

LA RESTRICCÓN LIMITA EL CAUDAL A 5 GPM

ni 01

Como se muestra en la figura 11 al ir restringiendo el paso de un caudal de aceite, éste se empieza a comprimir antes de la restricción originando un aumento de presión en esta zona y generando lo que se conoce como “caída de presión”.

EL EXCESO DE 5 G P M E S D ESV I AD O A TRAVES DE LA VALVULA DE

MOTOR

10 GPM

Figura 11. Caída de presión limitada por la valvula de alivio

En resumen se tienen dos conceptos importantes:

♦

La Presión. Que es fuerza por unidad de área P = F y que se logra por la resistenA cia que haya en el aceite y que lo comprime.

♦

El Caudal, que es el volumen de aceite por unidad de tiempo Q = V y que depende t de la bomba.

La relación entre los dos es la "caída de presión" que se genera por el paso de un caudal a través de una restricción. Existe otra relación entre la presión y el caudal y es la que puede obtener expresando la potencia requerida en un sistema hidráulico con base en las dos. 14

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La potencia es el trabajo hecho por unidad de tiempo. El trabajo es la fuerza por distancia, así que la potencia se puede expresar como fuerza por distancia sobre tiempo.

POTENCIA =

FUERZA x DISTANCIA TIEMPO

= FUERZA x VELOCIDAD

En un sistema hidráulico, la fuerza está relacionada con la presión y la velocidad con el caudal, así que se puede expresar la potencia como una relación de la presión y el caudal. Así que:

POTENCIA = CAUDAL (GPM) x PRESION (psi) Como un galón = 231 in3 y 12 in = 1 pie,

POTENCIA = GALONES x MINUTO

231 IN3 GALON

x

LIBRAS IN2

x

PIE 12 IN

POTENCIA = 19.25 LIBRAS-PIE MINUTO Que es la potencia necesaria para tener en un sistema hidráulico un GPM a un PSI de presión. Como un HP = 33000 libras-pie / minuto entonces:

POTENCIA =

19.25 33000

HP = 0.000583 HP

Es decir, que por cada GPM y por cada PSI que se requieran en un sistema, se necesitan 0.000583 HP

POTENCIA (HP)= CAUDAL (GPM) x PRESION (psi) x 0.000583 Tomando en cuenta la eficiencia del sistema que es el 80% aproximadamente, la potencia de entrada requerida en un sistema se puede calcular con la siguiente expresión:

POTENCIA (HP)= CAUDAL (GPM) x PRESION (psi) x 0.0007

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Ejemplo 1 Se tiene un sistema de las siguientes características: Diametro del cilindro 5 in Carrera de cilindro 8 in Tamaño de carga 9 toneladas Velocidad máxima subiendo: 1 in/s

◊ ◊ ◊ ◊

Calcule la presión, el caudal y la potencia del sistema. Para convertir de toneladas a libras multiplicamos por 2205, por lo que la fuerza es de:

F = 9 Ton x 2205

El

área

A=px

Lbs = 19845 Lbs Ton

efectiva del cilindro es de:

D2 =19.63 in3 4

Por lo tanto la presión que será necesario generar para levantar la carga esta dada por:

P = F = 19845 LBS =1011 PSI A 19.63 IN2

3 Q = V x A = 1 IN x 19.63 IN2=19.63 IN

SEG

El caudal necesario será:

SEG

Para expresarlo en GPM se divide por 231 in3/Galón y se multiplica por 60 Seg./Min. : 3 19.63 IN x 60 SEG SEG MIN Q= 3 231 IN GALON

= 5 GPM

La potencia requerida para tener un sistema con estas características será Potencia de entrada=5 GPM x 1011 PSI x 0.0007 =3.6 HP

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ELEMENTOS DE UN SISTEMA HIDRÁULICO Se han mencionado ya algunos de los elementos que componen un sistema hidráulico, con la bomba y el cilindro hidráulico que son los transductores de entrada y de salida del sistema. También se ha mencionado la válvula de alivio, que regula la presión máxima, y la restricción que sirve para regular el caudal. También existe un control para poder hacer que el cilindro se mueva empujando el vástago hacia fuera o que lo hale haciéndolo entrar. Este es un control "direccional”, que completaría un sistema sencillo, como se ven en la figura 12 y que puede ser el que sirva para resolver el problema planteado al final del apartado anterior. 9 Ton

CILINDRO DE 5” DE DIAMETRO

POSICION DE BAJADA

POSICION DE SUBIDA

VALVULA DE ALIVIO

MOTOR ELECTRICO DE 3.5 HP

MOTOR

BOMBA DE 5 10 GPM GPM

Figura 12. Sistema hidráulico empujando la carga de 9 toneladas a una velocidad de 1 in/seg. 17

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SIMBOLOGIA HIDRAULICA

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PALANCA

PEDAL

CONTROL DE FLUJO COMPENSADO CON CHECK

RUEDA

DIRECCIONAL 2 VIAS/2 POS

DETENTE

DIRECCIONAL 3 VIAS/2 POS

COMPENSADOR

DIRECCIONAL 4 VIAS/2 POS

SOLENOIDE

2 VIAS/3 POS C. CERRADO

SERVOMOTOR 2 VIAS/3 POS C. ABIERTO PRESION PILOTO

2 VIAS/3 POS C. CERRADO PROPORCIONAL

CHECK DE BOLA

ALIVIO

REDUCTORA DE PRESION

CONTROL DE FLUJO

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PREGUNTAS 1. En un sistema hidráulico, que hacen: -El transductor de entrada -El transductor de salida -Los elementos de control 2 ¿Qué ventajas cree usted que tenga un sistema hidráulico sobre un eléctrico o un mecánico? 3 ¿Qué ventajas tiene el uso del aceite como fluido, sobre el uso de otros líquidos inclusive mas baratos como agua por ejemplo? 4 ¿Qué características deben tener los pistones de un gato hidráulico para que la fuerza ejercida por el operario sea menor que la carga que debe levantar? ¿Cómo se compensa esta fuerza menor, para que el trabajo total se conserve? 5 ¿ Porque es tan importante la presencia de por lo menos una válvula de alivio en todo sistema hidráulico?

EJERCICIOS 1. Una bomba de 2 GPM se utiliza para llenar un cilindro de 6 in de diámetro y 12 in de longitud, ¿Cuanto tiempo tardará? 2. El cilindro mostrado tiene un diámetro de 5 pulgadas y sostiene una carga de 20 toneladas a una altura de 12 pulgadas. a)¿Cuánto subirá el pistón si se retira la carga? 20 Ton b)¿Cuánto bajara si la carga se duplica? (Suponga que la masa del pistón es despreciable)

3. Se desea mover una carga de 7 toneladas con un cilindro de 3,5 in de diámetro. El recorrido de 12 pulgadas debe completarse en menos de un minuto a)¿A cuanto subirá la presión en el sistema? b)¿Que caudal debe enviar la bomba como mínimo para lograr esto? 4 El cilindro mostrado debe levantar la carga de 50 toneladas a una altura de 8 pulgadas sobre su nivel actual. Encuentre la presión (en PSI) y el volumen adicional de aceite que habrá en el cilindro (en galones), si el diámetro del cilindro es: a) 5 Pulgadas 50 Ton b)8 Pulgadas c)10 Pulgadas ¿Debe tenerse en cuenta la compresibilidad de aceite para calcular el volumen adicional? 20

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5 Un cilindro de 5 pulgadas de diámetro mueve una carga de 25 toneladas. El recorrido total es de 11 pulgadas y se realiza en 8 segundos. a)¿Cuál es la presión del aceite en el cilindro? b)¿ Que caudal entra al cilindro? c)¿Cual es la potencia necesaria en este sistema hidráulico?

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ACTUADORES

Los actuadores son los elementos del sistema que utilizamos para convertir la energía almacenada en el fluido en un trabajo, es decir, los transductores de salida del sistema. Lo actuadores hidráulicos se clasifican de la siguiente manera:

◊

De Movimiento Rectilíneo o Cilindros Hidráulicos. 1 De simple efecto

2 De doble efecto

A Vástago sencillo

B Vástago doble

◊

De movimiento rotativo

1 Unidireccionales

2 Bidireccionales

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CILINDROS HIDRAULICOS Como se vio en el capitulo anterior, por definición la presión se puede determinar con la siguiente expresión:

P=

F A

El caudal se puede determinar como:

Q=VxA Si se trabaja la fuerza en libras y el área efectiva del pistón en el cilindro, en in2, entonces:

Presión (psi) =

Fuerza (lbs) Area (in2)

Si se tiene la presión y se desea saber la fuerza que desarrollará un determinado cilindro, entonces:

Fuerza (lbs) = Presión (psi) x Area (in2) Sí la velocidad está en in/seg. y el área es in2 y se quiere el caudal en GPM, entonces: seg

Caudal (GPM) = Area (in2) x Velocidad (

in seg

)x

60 min 3 231 in gal

Velocidad Caudal (GPM) = Area (in2) x

in seg

3.85

Si lo que se tiene es el caudal y se quiere encontrar la velocidad de un determinado cilindro, entonces:

Velocidad

in =Caudal (GPM) x seg

23

3.85 Area (in2)

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CILINDROS DE SIMPLE EFECTO

Los cilindros de simple efecto constan de un tubo cerrado en uno de sus lados dentro del cual va un émbolo o vástago que se desliza hacia dentro o hacia fuera. Entre los dos existe un buje que sirve de guía y unos empaques que no permiten que el aceite salga. No tienen sino una sola cámara y el área sobre la que actúa la presión, es el área del vástago. En la figura 13 se muestra un cilindro de simple efecto. CARGA

CARGA

AL TANQUE DE LA BOMBA

BAJADA

SUBIDA

Figura 13. Cilindro Hidráulico de simple efecto Dado que no tienen sino una cámara, al introducir el aceite el vástago saldrá, pero no será posible hacer que el vástago retorne, sino solo usando una fuerza externa.

En la figuras 14,15 y 16 hay tres tablas con las que se pueden hallar presiones y caudales o fuerzas y velocidades, para cilindros de diferentes diámetro o áreas. Por ejemplo, si se desea saber la fuerza que haría un cilindro de 4 in de diámetro, con una presión en el sistema de 500 PSI. miramos en la tabla en la columna de la izquierda, seleccionamos el primer 4”, miramos en la fila superior seleccionando 500 psi en ‘fuerza saliendo’ y en la intersección entre la columna de 500 psi y la fila de 4”, vemos el valor de 2.85 ton. Hacemos lo mismo para saber las velocidades saliendo y entrando.

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http://www.hidraulicapractica.com PISTON IN 1.5 1.5 2 2 2.5 2.5 2.5 3.25 3.25 3.25 4 4 4 5 5 5 5 6 6 7 7 8 8 8 10 10

VASTAGO IN 5/8 3/4 1 1 3/8 1 1 3/8 1 3/4 1 3/8 1 3/4 2 1/2 1 3/4 2 2 1/2 2 2 1/2 3 3 1/2 2 1/2 3 1/2 3 1/2 4 3 1/2 4 4 1/2” 4 1/2 5 1/2

100 0.08 0.08 0.14 0.14 0.22 0.22 0.22 0.38 0.38 0.38 0.57 0.57 0.57 0.89 0.89 0.89 0.89 1.28 1.28 1.75 1.75 2.28 2.28 2.28 3.57 3.57

FUERZA SALIENDO (TONELADAS) PRESION (PSI) 500 1000 1500 2000 3000 4000 5000 0.40 0.80 1.20 1.61 2.41 3.21 4.01 0.40 0.80 1.20 1.61 2.41 3.21 4.01 0.71 1.43 2.14 2.85 4.28 5.71 7.14 0.71 1.43 2.14 2.85 4.28 5.71 7.14 1.12 2.23 3.35 4.46 6.69 8.92 11.15 1.12 2.23 3.35 4.46 6.69 8.92 11.15 1.12 2.23 3.35 4.46 6.69 8.92 11.15 1.88 3.77 5.65 7.54 11.31 15.08 18.84 1.88 3.77 5.65 7.54 11.31 15.08 18.84 1.88 3.77 5.65 7.54 11.31 15.08 18.84 2.85 5.71 8.56 11.42 17.13 22.84 28.55 2.85 5.71 8.56 11.42 17.13 22.84 28.55 2.85 5.71 8.56 11.42 17.13 22.84 28.55 4.46 8.92 13.38 17.84 26.76 35.68 44.60 4.46 8.92 13.38 17.84 26.76 35.68 44.60 4.46 8.92 13.38 17.84 26.76 35.68 44.60 4.46 8.92 13.38 17.84 26.76 35.68 44.60 6.42 12.85 19.27 25.69 38.54 51.38 64.23 6.42 12.85 19.27 25.69 38.54 51.38 64.23 8.74 17.48 26.23 34.97 52.45 69.94 87.42 8.74 17.48 26.23 34.97 52.45 69.94 87.42 11.42 22.84 34.25 45.67 68.51 91.35 114.18 11.42 22.84 34.25 45.67 68.51 91.35 114.18 11.42 22.84 34.25 45.67 68.51 91.35 114.18 17.84 35.68 53.52 71.36 107.05 142.73 178.41 17.84 35.68 53.52 71.36 107.05 142.73 178.41

FUERZA ENTRANDO (TONELADAS) 100 500 1000 1500 2000 3000 4000 5000 0.07 0.33 0.66 1.00 1.33 1.99 2.65 3.32 0.06 0.30 0.60 0.90 1.20 1.81 2.41 3.01 0.11 0.54 1.07 1.61 2.14 3.21 4.28 5.35 0.08 0.38 0.75 1.13 1.51 2.26 3.01 3.76 0.19 0.94 1.87 2.81 3.75 5.62 7.49 9.37 0.16 0.78 1.56 2.33 3.11 4.67 6.22 7.78 0.11 0.57 1.14 1.71 2.27 3.41 4.55 5.69 0.31 1.55 3.09 4.64 6.19 9.28 12.38 15.47 0.27 1.34 2.68 4.01 5.35 8.03 10.70 13.38 0.15 0.77 1.54 2.31 3.08 4.62 6.16 7.69 0.46 2.31 4.62 6.92 9.23 13.85 18.47 23.08 0.43 2.14 4.28 6.42 8.56 12.85 17.13 21.41 0.35 1.74 3.48 5.22 6.96 10.44 13.92 17.39 0.75 3.75 7.49 11.24 14.99 22.48 29.97 37.47 0.67 3.35 6.69 10.04 13.38 20.07 26.76 33.45 0.57 2.85 5.71 8.56 11.42 17.13 22.84 28.55 0.45 2.27 4.55 6.82 9.10 13.65 18.20 22.75 1.06 5.31 10.62 15.92 21.23 31.85 42.46 53.08 0.85 4.24 8.47 12.71 16.95 25.42 33.90 42.37 1.31 6.56 13.11 19.67 26.23 39.34 52.45 65.57 1.18 5.89 11.78 17.66 23.55 35.33 47.10 58.88 1.85 9.23 18.47 27.70 36.93 55.40 73.86 92.33 1.71 8.56 17.13 25.69 34.25 51.38 68.51 85.64 1.56 7.81 15.61 23.42 31.22 46.83 62.44 78.05 2.85 14.23 28.46 42.68 56.91 85.37 113.83 142.28 2.49 12.44 24.89 37.33 49.78 74.66 99.55 124.44

Figura 14. Tabla de fuerzas y presiones en cilindros hidráulicos.

PISTON

VASTA GO

IN 1.5 1.5 2 2 2.5 2.5 2.5 3.25 3.25 3.25 4 4 4 5 5 5 5 6 6 7 7 8 8 8 10 10

IN 0.625 0.75 1 1.375 1 1.375 1.75 1.375 1.75 2.5 1.75 2 2.5 2 2.5 3 3.5 2.5 3.5 3.5 4 3.5 4 4.5 4.5 5.5

0.5 1.09 1.09 0.61 0.61 0.39 0.39 0.39 0.23 0.23 0.23 0.15 0.15 0.15 0.10 0.10 0.10 0.10 0.07 0.07 0.05 0.05 0.04 0.04 0.04 0.02 0.02

CAUDAL EN GPM VASTAGO SALIENDO 1 2 3 2.18 4.36 6.53 2.18 4.36 6.53 1.23 2.45 3.68 1.23 2.45 3.68 0.78 1.57 2.35 0.78 1.57 2.35 0.78 1.57 2.35 0.46 0.93 1.39 0.46 0.93 1.39 0.46 0.93 1.39 0.31 0.61 0.92 0.31 0.61 0.92 0.31 0.61 0.92 0.20 0.39 0.59 0.20 0.39 0.59 0.20 0.39 0.59 0.20 0.39 0.59 0.14 0.27 0.41 0.14 0.27 0.41 0.10 0.20 0.30 0.10 0.20 0.30 0.08 0.15 0.23 0.08 0.15 0.23 0.08 0.15 0.23 0.05 0.10 0.15 0.05 0.10 0.15

VELOCIDAD EN PULGADAS POR SEGUNDO 4 8.71 8.71 4.90 4.90 3.14 3.14 3.14 1.86 1.86 1.86 1.23 1.23 1.23 0.78 0.78 0.78 0.78 0.54 0.54 0.40 0.40 0.31 0.31 0.31 0.20 0.20

5 10.89 10.89 6.13 6.13 3.92 3.92 3.92 2.32 2.32 2.32 1.53 1.53 1.53 0.98 0.98 0.98 0.98 0.68 0.68 0.50 0.50 0.38 0.38 0.38 0.25 0.25

10 21.78 21.78 12.25 12.25 7.84 7.84 7.84 4.64 4.64 4.64 3.06 3.06 3.06 1.96 1.96 1.96 1.96 1.36 1.36 1.00 1.00 0.77 0.77 0.77 0.49 0.49

15 32.67 32.67 18.38 18.38 11.76 11.76 11.76 6.96 6.96 6.96 4.59 4.59 4.59 2.94 2.94 2.94 2.94 2.04 2.04 1.50 1.50 1.15 1.15 1.15 0.74 0.74

20 >40 >40 24.50 24.50 15.68 15.68 15.68 9.28 9.28 9.28 6.13 6.13 6.13 3.92 3.92 3.92 3.92 2.72 2.72 2.00 2.00 1.53 1.53 1.53 0.98 0.98

30 >40 >40 36.75 36.75 23.52 23.52 23.52 13.92 13.92 13.92 9.19 9.19 9.19 5.88 5.88 5.88 5.88 4.08 4.08 3.00 3.00 2.30 2.30 2.30 1.47 1.47

40 >40 >40 >40 >40 31.36 31.36 31.36 18.56 18.56 18.56 12.25 12.25 12.25 7.84 7.84 7.84 7.84 5.44 5.44 4.00 4.00 3.06 3.06 3.06 1.96 1.96

50 >40 >40 >40 >40 39.20 39.20 39.20 23.20 23.20 23.20 15.31 15.31 15.31 9.80 9.80 9.80 9.80 6.81 6.81 5.00 5.00 3.83 3.83 3.83 2.45 2.45

60 >40 >40 >40 >40 >40 >40 >40 27.83 27.83 27.83 18.38 18.38 18.38 11.76 11.76 11.76 11.76 8.17 8.17 6.00 6.00 4.59 4.59 4.59 2.94 2.94

70 >40 >40 >40 >40 >40 >40 >40 32.47 32.47 32.47 21.44 21.44 21.44 13.72 13.72 13.72 13.72 9.53 9.53 7.00 7.00 5.36 5.36 5.36 3.43 3.43

80 >40 >40 >40 >40 >40 >40 >40 37.11 37.11 37.11 24.50 24.50 24.50 15.68 15.68 15.68 15.68 10.89 10.89 8.00 8.00 6.13 6.13 6.13 3.92 3.92

90 >40 >40 >40 >40 >40 >40 >40 >40 >40 >40 27.56 27.56 27.56 17.64 17.64 17.64 17.64 12.25 12.25 9.00 9.00 6.89 6.89 6.89 4.41 4.41

Figura 15. Tabla de velocidades y caudales con el vástago saliendo.

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Camilo H. Rueda

http://www.hidraulicapractica.com PISTON IN 1.5 1.5 2 2 2.5 2.5 2.5 3.25 3.25 3.25 4 4 4 5 5 5 5 6 6 7 7 8 8 8 10 10

VASTAGO IN 0.625 0.75 1 1.375 1 1.375 1.75 1.375 1.75 2.5 1.75 2 2.5 2 2.5 3 3.5 2.5 3.5 3.5 4 3.5 4 4.5 4.5 5.5

0.5 1.32 1.45 0.82 1.16 0.47 0.56 0.77 0.28 0.33 0.57 0.19 0.20 0.25 0.12 0.13 0.15 0.19 0.08 0.10 0.07 0.07 0.05 0.05 0.06 0.03 0.04

CAUDAL EN GPM VASTAGO ENTRANDO 1 2 3 4 5 2.64 5.27 7.91 10.54 13.18 2.90 5.81 8.71 11.61 14.52 1.63 3.27 4.90 6.53 8.17 2.32 4.65 6.97 9.29 11.61 0.93 1.87 2.80 3.73 4.67 1.12 2.25 3.37 4.50 5.62 1.54 3.07 4.61 6.15 7.69 0.57 1.13 1.70 2.26 2.83 0.65 1.31 1.96 2.61 3.27 1.14 2.27 3.41 4.54 5.68 0.38 0.76 1.14 1.51 1.89 0.41 0.82 1.23 1.63 2.04 0.50 1.01 1.51 2.01 2.51 0.23 0.47 0.70 0.93 1.17 0.26 0.52 0.78 1.05 1.31 0.31 0.61 0.92 1.23 1.53 0.38 0.77 1.15 1.54 1.92 0.16 0.33 0.49 0.66 0.82 0.21 0.41 0.62 0.83 1.03 0.13 0.27 0.40 0.53 0.67 0.15 0.30 0.45 0.59 0.74 0.09 0.19 0.28 0.38 0.47 0.10 0.20 0.31 0.41 0.51 0.11 0.22 0.34 0.45 0.56 0.06 0.12 0.18 0.25 0.31 0.07 0.14 0.21 0.28 0.35

10 26.35 29.04 16.33 23.23 9.33 11.24 15.37 5.65 6.53 11.36 3.79 4.08 5.03 2.33 2.61 3.06 3.84 1.65 2.06 1.33 1.48 0.95 1.02 1.12 0.61 0.70

15 39.53 >40 24.50 34.84 14.00 16.86 23.06 8.48 9.80 17.04 5.68 6.13 7.54 3.50 3.92 4.59 5.76 2.47 3.09 2.00 2.23 1.42 1.53 1.68 0.92 1.05

20 >40 >40 32.67 >40 18.67 22.48 30.75 11.30 13.07 22.72 7.57 8.17 10.05 4.67 5.23 6.13 7.69 3.29 4.13 2.67 2.97 1.89 2.04 2.24 1.23 1.41

VELOCIDAD EN PULGADAS POR SEGUNDO 30 40 50 60 70 80 >40 >40 >40 >40 >40 >40 >40 >40 >40 >40 >40 >40 >40 >40 >40 >40 >40 >40 >40 >40 >40 >40 >40 >40 28.00 37.33 >40 >40 >40 >40 33.72 >40 >40 >40 >40 >40 >40 >40 >40 >40 >40 >40 16.95 22.60 28.25 33.90 39.55 >40 19.60 26.13 32.67 39.20 >40 >40 34.09 >40 >40 >40 >40 >40 11.36 15.15 18.94 22.72 26.51 30.30 12.25 16.33 20.42 24.50 28.58 32.67 15.08 20.10 25.13 30.15 35.18 >40 7.00 9.33 11.67 14.00 16.33 18.67 7.84 10.45 13.07 15.68 18.29 20.91 9.19 12.25 15.31 18.38 21.44 24.50 11.53 15.37 19.22 23.06 26.90 30.75 4.94 6.59 8.24 9.88 11.53 13.18 6.19 8.25 10.32 12.38 14.44 16.51 4.00 5.33 6.67 8.00 9.33 10.67 4.45 5.94 7.42 8.91 10.39 11.88 2.84 3.79 4.73 5.68 6.63 7.57 3.06 4.08 5.10 6.13 7.15 8.17 3.36 4.48 5.60 6.72 7.84 8.96 1.84 2.46 3.07 3.69 4.30 4.92 2.11 2.81 3.51 4.22 4.92 5.62

Figura 16. Tabla de velocidades y caudales con el vástago entrando.

También están los cilindros "telescópicos". En estos el vástago consta de dos o más etapas una dentro de la otra, como se muestra en la figura 17, de tal forma que van saliendo una a la vez (por diferencia de áreas). Lográndose un recorrido que es igual al que tendría si fuera una sola etapa, multiplicado por el número de etapas que tenga.

50 Ton

50 Ton

AL TANQUE BAJADA DE LA BOMBA SUBIDA

Figura 17. Cilindro telescópico. 26

Camilo H. Rueda

90 >40 >40 >40 >40 >40 >40 >40 >40 >40 >40 34.09 36.75 >40 21.00 23.52 27.56 34.59 14.82 18.57 12.00 13.36 8.52 9.19 10.08 5.53 6.32

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CILINDROS DE DOBLE EFECTO.

Los cilindros de doble efecto son en los que, tanto la salida como el retorno, se hacen por medio del aceite. Esto quiere decir que son capaces de suministrar potencia, tanto saliendo como entrando. El cilindro más común de doble efecto, consta de una camisa dentro de la cual va un pistón unido al vástago y dos tapas en los extremos que cierran la salida del aceite. Este pistón divide el cilindro en dos cámaras cuyas áreas sobre las que va actuar la presión son diferentes, debido a que una de ellas se encuentra el vástago. Durante el avance, el aceite ejerce presión sobre todo el área del pistón, mientras que en el regreso solo lo hace en el área anular, es decir, el área del pistón menos el área del vástago. Esto hace que a éstos cilindros se les conozca como"cilindros diferenciales". En la figura 18 se muestra el funcionamiento de un cilindro de doble efecto.

8000 lbs

8000 lbs

AL TANQUE

DE LA BOMBA

DE LA BOMBA

AVANCE DEL CILINDRO

AL TANQUE

RETROCESO DEL CILINDRO

Figura 18. Funcionamiento de un cilindro de doble efecto. En las tablas de la figura 14, y 15 se encuentran las características de los cilindros diferenciales, la tabla encontrada en el área efectiva de diferentes cilindros de tamaño estándar y la fuerza en libras para diferentes presiones de operación. Estas tablas sirven de ayuda cuando se necesita verificar el comportamiento de un sistema hidráulico Nuevo o cuando se desea verificar el funcionamiento de uno que esta fallando. En las tablas se puede apreciar como varia la fuerza y la velocidad de un cilindro saliendo o entrando.

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Camilo H. Rueda

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En la figura 20 se muestra el corte de un cilindro hidráulico de doble efecto y se pueden ver todos sus componentes.

RETENEDOR

BUJE RASPADOR

EMPAQUE PISTON CAMISA BRUÑIDA

“O” RING CAMISA AMORTIGUADOR

PISTON

VASTAGO

GUIA ANTIFRICCION TUERCA DEL TENSOR TAPA TRASERA TAPA DELANTERA

Figura 20. Corte de un cilindro de doble efecto Si a un cilindro de doble efecto se le hace vástago en los dos extremos, las áreas en las dos cámaras serán iguales. Este es un "cilindro de doble vástago". Este se usa cuando se requiere acoplar una carga en cada extremo o cuando se necesita el mismo desplazamiento, la misma fuerza o la misma velocidad en ambas direcciones. Cualquier cilindro de doble efecto se puede usar como uno de simple efecto conectando la salida de la cámara del vástago, o la que este inactiva, al tanque. Existen varias opciones en los cilindros de doble efecto, en lo que se refiere a su construcción, según las especificaciones de la carga. Primero, en lo que se refiere a la velocidad, se usan empaques de poliméricos si no se sobrepasa de 1 (un) pie por segundo. Por encima de esta velocidad se deben usar empaques metálicos, parecidos a los que se usan en los motores de combustión interna. Además, si esta velocidad es muy alta, es recomendable usar amortiguadores en los extremos, para que no se presenten golpes en los finales de carrera. 28

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El amortiguador lo que hace es restringir la salida del aceite cuando el cilindro llega al extremo disminuyendo la velocidad en ese punto. En la figura 2.7 se muestra el funcionamiento de en amortiguador.

Típico amortiguador recto

Presión de amortiguación

Amortiguador perfilado Amortiguador Ideal

Carrera de amortiguador

Figura 21. Funcionamiento de un amortiguador en un cilindro Otro parámetro importante que debe ser tenido en cuenta cuando se escoge un cilindro es el diámetro mínimo del vástago. Existen diferentes tablas para escogerlo de acuerdo a la fuerza del trabajo del cilindro. Estas se basan en el efecto de "columna" que debe soportar el cilindro y dependen del tipo de montaje que se use. En la figura 22 se muestran los diferentes tipos de montajes de cilindros.

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Frontal

Pies

Posterior

Tornillos largos

Pivote frontal

Pivote trasero-macho

Pivote trasero-hembra

Doble vastago

Pivote intermedio

Pivote trasero-rotula

Pivote trasero sin tirantes

Figura 22. Tipos de montaje

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Los pasos para la selección adecuada del diámetro del vástago son los siguientes: 1 Seleccione el diámetro del pistón basándose en el valor de la carga y la presión de operación de la línea de transmisión 2 Determine la longitud "L" entre los puntos de montaje y el correspondiente valor de "K" de acuerdo con la figura 2.8 3 Con esto valores se consulta la tabla de la figura 2.9 para seleccionar el diámetro adecuado del vástago 4 Si obtiene un diámetro sobre diseñado revise los valores de "L" y "K" K= 4L

K= 4L

FLANCHE POSTERIOR

FLANCHE FRONTAL

K=L/2

K=L

GUIA CORTA

GUIA LARGA

K=L

K=4L

SIN GUIA

PIVOTADA AL FRENTE K=L

K=L

PIVOTADA ATRAS

PIVOTADA ATRAS

Figura 23. Tipos de montaje y valores de “K” 31

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Si la carrera del cilindro es muy larga, al salir el vástago completamente, una fuerza axial sobre este, debida a su propio peso en caso de estar en posición horizontal o cualquier otra que se pueda presentar, ocasionara un esfuerzo muy grande en el buje guía del vástago, lo cual disminuirá la vida del mismo.

DIAMETR O FUERZA (LBS)

5/8”

1”

1 3/8”

400

35

64

134

DE

1 3/4”

2”

VASTAGO 2 1/2”

3”

3 1/2”

4”

4 1/2”

5”

5 1/2”

6”

700

30

68

119

1000

26

60

105

156

190

1400

24

54

93

144

175

244

306

1800

27

46

84

127

160

230

294

366

2400

18

45

75

114

145

214

261

347

3200

16

40

68

103

131

195

252

329

398

4000

12

36

63

93

119

174

240

310

373

445

5000

9

36

60

87

112

163

225

289

359

426

6000

30

56

82

102

152

209

274

342

411

476

8000

25

51

76

93

136

186

244

310

375

446

10000

21

45

70

89

125

172

221

279

349

412

12000

17

41

64

85

117

155

210

270

306

388

455

16000

35

57

75

110

141

166

233

291

350

421

20000

28

52

66

103

136

173

218

276

325

385

30000

39

56

87

120

156

190

232

285

330

40000

24

43

75

108

142

177

210

248

293

30

65

97

131

165

201

234

269

405

60000

57

88

119

154

191

226

256

384

80000

36

71

104

136

170

204

240

336

100000

56

91

120

154

199

224

324

120000

45

76

106

145

174

207

313

140000

64

95

129

162

194

301

160000

47

87

118

149

182

279

65

96

131

160

260

72

109

143

236

300000

85

120

212

350000

53

100

195

72

182

50000

200000 250000

400000 500000

152

600000

114

700000

72

Fig. 24. Tabla de selección de diámetros de vástago

Para que este efecto sea mínimo, se usa lo que se conoce como "tubo de parada". Este es un espaciador que lleva el vástago al lado del pistón, con el fin de no permitir la salida completa del primero. En la figura 24 se observa como es el tubo de parada.

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1 in

3 in 10 lbs

14 in

10 lbs

12 in

150 lbs Reacción

50 lbs Reacción

SIN TUBO DE PARADA

CON TUBO DE PARADA

TUBO DE PARADA

CARGA

Figura 25. Tubo de parada Cuando la distancia "L" que aparece en la tabla de la figura 22 excede 40 pulgadas es recomendable usar el tubo de parada. La longitud de éste deberá ser de una pulgada por cada 10 pulgadas o fracción que esté por encima de las 40 pulgadas. Es decir:

TUBO DE PARADA =

L - 40 IN 10

Así, si por ejemplo se tiene un cilindro de 4" de diámetro pivotado en los extremos y de 25 pulgadas de carrera, "L" seria igual a 50 pulgadas mas la longitud de las tapas el pistón y los pivotes del cilindro que pueden ser de unas 13 pulgadas aproximadamente, es decir, 63 pulgadas en total. Por lo tanto como son 23 pulgadas por encima de las 40 básicas, el tubo de parada deberá ser de 3 pulgadas.

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MOTORES HIDRAULICOS Se denominan motores hidráulicos a los actuadores que tienen movimiento rotatorio. En cuanto su construcción se parece mucho a las bombas pero en lugar de enviar caudal son movidos por éste a una velocidad que depende del mismo. Se distinguen dos clases principales, los motores unidireccionales y los bi direccionales En los motores unidireccionales la salida del aceite está conectada al retorno del sistema (tanque). En los bi direccionales existe la posibilidad de enviar aceite por cualquiera de las conexiones, con lo cuál se logra que el motor gire en una dirección o en otra según la entrada del aceite, en estos últimos se requiere tener un dreno eterno que permita enviar las fugas de aceite al tanque y evitar así daños al motor. El tamaño de los motores se establece por su "desplazamiento". El desplazamiento es la cantidad o volumen de aceite que requiere un motor para girar una vez. Es decir, la capacidad de cada cámara del motor multiplicada por el numero de cámaras. Los fabricantes también clasifican los motores de acuerdo con al "porcentaje de torsión". Este se define como el torque en Ib-in que da el motor por cada 100 PSI de presión en el aceite con este parámetro, se puede encontrar fácilmente el torque que proporcionará un motor a una presión determinada. multiplicándolo por la presión de trabajo y dividiendo por 100.

TORQUE DE SALIDA=

PORCENTAJE DE TORSION x PRESION (psi) 100

Para averiguar el caudal necesario para que un determinado motor gire a la velocidad necesaria, se multiplica la velocidad por el desplazamiento. Si la velocidad esta en RPM y el desplazamiento en in3/revolución, el caudal será: 3 VELOCIDAD ANGULAR (RPM) x DESPLAZAMIENTO ( in ) Rev Q (GPM) = 3 231 ( in ) gal

También se puede hallar el torque teniendo el desplazamiento con la siguiente formula: 3 PRESION (psi) x DESPLAZAMIENTO( in ) Rev TORQUE (Lb-in) = 2 p ( Rad ) Rev

En cuanto a la conformación física, existen tres tipos básicos de motores: ♦ ♦ ♦

De engranajes De paletas De pistones

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MOTORES DE ENGRANAJES Normalmente constan de engranajes que trabajan juntos dentro de una cavidad sellada del motor. La presión del aceite actúa sobre las superficies de los dientes de uno de los engranajes generando así un torque en el eje de salida, que es el eje de los mismos engranajes. En la figura 26 se muestra en el corte transversal de uno de estos motores y la forma como actúa el aceite ENTRADA LA PRESION EMPUJA ESTOS DOS DIENTES Y PRODUCE UNA FUERZA CON UN BRAZO DE PALANCA IGUAL AL RADIO MEDIO DEL PIÑON.

EL ACEITE ES TRANSPORTADO E N E S T A S CAVIDADES DESDE LA ENTRADA HASTA LA SALIDA SALIDA

Figura 26. Corte de un motor de engranajes El desplazamiento de este motor es igual a la cantidad de aceite que cabe entre dos dientes de un engranaje multiplicado por el número de dientes de los dos engranajes. Sello del eje Piñón motriz

Sección central de aluminio de alta resistencia Hecho de bronce de alta resistencia Sello “O” Tapa trasera hecha de aleaciones de aluminio

Tapa frontal hecha de aleaciones de aluminio Anillo “O”

Conjunto diseñado para mantener alta eficiencia y compensar el desgaste

Piñón auxiliar

Figura 27. Motor hidráulico de piñones

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También hay motores de engranajes internos, en los cuales se tiene uno de los engranajes rotando dentro del otro. Uno muy especial de este tipo es el motor de "ge rotor", en el que existe un rotor (conocido como ge rotor) normalmente de seis dientes o lóbulos que gira dentro de un estator que tiene siete dientes o lóbulos internos. Entre los dos quedan espacios o cámaras dentro de los cuales va el aceite y por diferencias en las áreas en las que actúa la presión . La figura 28 muestra a la izquierda un motor en corte donde se aprecian todas las partes internas. A la derecha en la misma figura, se ve un motor montado en su área de trabajo con las conexiones hidráulicas. En la parte inferior se muestran características típicas de estos motores En la figura 28A, parte superior izquierda se aprecian las cámaras de presión, el rotor y el estator, y en el centro el eje. Este ultimo esta descentrado con respecto al estator, lo cual hace que el centro del eje “orbite” alrededor del centro del estator. Por cada rotación del eje se logran 6 orbitas, lo cual conduce a que cada cámara esta sometida a presión y retorno 6 veces en cada vuelta, actuando como un reductor de velocidad planetario, es decir logrando el efecto de una reducción de velocidad de 6 a 1 y una multiplicación del torque 6 veces.

Figura 28. Motor G rotor, vista y características. En la misma figura en la parte superior derecha, vemos que para poder hacer que el aceite se distribuya correcta y sincronizadamente se utiliza el bloque distribuidor o “manifold” y el con36

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mutador. El bloque tiene 7 agujeros correspondientes a 7 cámaras, lo mismo que el conmutador. Este ultimo, esta expuesto a una de las entradas de presión en su exterior y a la otra en su interior, lo cual hace que al orbitar sobre el bloque, queden expuestas siempre 3 cámaras a un puerto, otras 3 al otro y una queda cerrada en transición. Bloque Alimentador

Cámara neutral (1)

Conjunto Rotativo

Eje de Salida

Cámaras en Baja Presión (retorno)

Cámaras en Alta Presión

Conmutador

Posición 1

Posición 3 eje

eje

Rotación de la Presión

Rotación de la Presión

Posición 2

Posición 4

eje

eje

Rotación de la Presión

Rotación de la Presión

Figura 28A. Como funciona el motor ge rotor.

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MOTORES DE PALETAS Un motor de paletas está compuesto por un rotor que tiene una serie de orificios radiales dentro de los cuales se mueven unas paletas que a su vez se desplazan por una pista que tiene una forma parecida a una elipse, con la cual se logra que las paletas salgan y entren dentro del orificio del rotor, . La presión actúa sobre el área de la paleta que esta fuera del rotor, generando una fuerza que a su vez se convierte en un torque en el eje del rotor que es el mismo del motor como se puede ver en la figura 29

Cámara de Retorno

Anillo

Paleta

Retorno

Cámara de Entrada de Presión

Rotor

Entrada Figura 29. Funcionamiento de un motor de paletas En un motor de paletas el desplazamiento es el volumen que hay entre dos paletas multiplicado por el número de paletas. Teniendo en cuenta el recorrido neto de la paleta al entrar y salir del rotor.

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Brazo de Pivote Rodamiento Plato de presión

Sello del Eje Rodamiento

Paleta

Anillo Retenedor

Rotor

Chaveta

Tapa Trasera Eje de Salida

Anillo Cuerpo Frontal

Figura 30. Motor de paletas Este volumen se puede aumentar si se hace que las paletas salgan más del orificio del rotor, es decir, si el agujero con forma elíptica del anillo externo se hace mayor. También se hace mayor el volumen si el rotor y, por tanto, las paletas y el anillo, se hacen más anchos. Debido a esto con un mismo cuerpo o carcaza se puede tener motores de diferentes desplazamientos.

Figura 31 Resortes para mantener las paletas salidas 39

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Existen diferentes formas de lograr que las paletas se mantengan rozando con la pista. La más sencilla es usando resortes que empujan las paletas como se ve en la figura 31. También se puede usar la misma presión del aceite para empujarlas como se ve en la figura 32. En los motores de alta eficiencia se usan las dos opciones. Arandela Ondulada Tapa Conjunto Rotativo

Asiento

Asiento

Válvula Selectora

Cuerpo

Figura 32. Motores de paletas con presión piloto

Rotor Hueco

Esquinas cuadradas

Figura 33. Motor de paletas de alto torque

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MOTORES DE PISTONES Existen dos tipos de motores de pistones, los axiales y los radiales. Los motores de pistones axiales constan de un tambor con una serie de orificios dentro de los cuales se mueven entrando y saliendo, los pistones a medida que el tambor va rotando. En la figura 34 se muestra como es y como funciona este tipo de motor

Figura 34. Motor de pistones axiales. Vista externa Grupo de Pistones

Ranura de Plato de distribución Puerto de Salida

Puerto de Entrada

Plato de Deslizamiento

Eje de Salida Agujero del bloque de pistones

Figura 35. Motor de pistones axiales. Funcionamiento. El tambor por su parte frontal, gira rozando una tapa que es la que tiene los orificios de entrada y de salida del motor y que están separados entre sí por un sello que hace el tambor contra la tapa. Al haber presión de aceite en la entrada, los pistones que están comunicados con esta son empujados hacia dentro. Los pistones que están comunicados con el orificio de salida, van moviéndose hacia fuera y expulsando el aceite que llevan.

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Figura 36. Motor de pistones axiales. Vista lateral

Angulo Máximo del plato (Máximo desplazamiento)

Angulo parcial del plato (Parcial desplazamiento)

Angulo cero del plato (Mínimo desplazamiento)

Figura 37. Variación del desplazamiento en un motor de pistones axiales Así que el desplazamiento de un motor de pistones axiales será igual al área de cada pistón multiplicada por el número de pistones y por el recorrido que hacen dentro del tambor. Los pistones van apoyados en una pista que esta inclinada con respecto al plano de la tapa sobre la que gira el rotor. Si se varía la inclinación de la pista entonces varía también el desplazamiento. El torque y la velocidad dependen tanto de esta inclinación y del área de los pistones. En la figura 27 se muestra este efecto. Debido a esta característica los motores de pistones axiales se pueden hacer compensados. El compensador es una válvula de control de presión que se utiliza para cambiar la inclinación de la pista, es decir, el desplazamiento del motor cuando se presentan cambios en la carga de trabajo. Físicamente el compensador consta de un pistón que está sujeto a la tensión de un resorte por un lado, y a la presión del aceite por el otro. A su vez la presión también está actuando sobre otro pistón como se ve en la figura 37A que empuja la horquilla sobre la que va la pista aumentando la inclinación de la misma. Cuando la tensión sobrepasa el taraje del compensador, el primer pistón es empujado y algo de aceite logra salir hacia la carcaza del motor que está comunicada al tanque a través del dreno, limitando así la presión. Con el compensador se logra ajustar el desplazamiento del motor de manera que éste proporcione el 42

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máximo de rendimiento bajo todas las condiciones de carga, ya que cuando ésta aumenta la presión sube haciendo que el desplazamiento sea mayor y por lo tanto el torque también aumente. Pistón que varia el desplazamiento

Figura 37A. Variación de desplazamiento. En el motor de pistones radiales. Estos están ubicados perpendicularmente con respecto al eje del motor. La presión sobre cada uno independiente, empujándolos hacia el centro el cual está desfasado con respecto al centro del eje y por lo tanto hace que se genere un torque en el mismo. Son motores normalmente de alto desplazamiento. Esto implica que el torque de salida es grande y la velocidad es relativamente baja, por lo cual se conocen como motores de alto torque y baja velocidad o motores HTLS (high torque low speed), por las iniciales en ingles, igual que los de ge rotor, siendo estos de menor tamaño. En la figura 38 se les y un corte del mismo

Figura 38. Motor de pistones radiales

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Preguntas 1 ¿Qué factores limitan la longitud del vástago? 2 ¿Por qué se utilizan tubos de parada? 3 El fabricante de un cilindro de 4 pulgadas de diámetro recomienda que la presión interna no exceda 2500 PSI. ¿Cuál es la fuerza máxima que puede hacer el cilindro? 4 Se necesita un cilindro capaz de levantar 7 toneladas en el mínimo de tiempo sin que la presión del sistema sea mayor que 2500 PSI. ¿Qué diámetro recomienda usted para el pistón? 5 ¿Cómo se establece el tamaño de los motores hidráulicos? Ejercicios 1.Se tiene una bomba de 4 GPM. El fabricante de la bomba recomienda que la presión a la salida sea menor de 3000 PSI. La bomba se conecta a un actuador que debe levantar una carga de 35 toneladas. ¿ Cuál es el diámetro del pistón con el que se logra levantar la carga en el mínimo tiempo? 2 Un actuador de doble efecto tiene un pistón de 5 pulgadas de diámetro y un vástago de 2.5 pulgadas de diámetro. El vástago sale 12 pulgadas en 30 segundos. a)¿Cuánto demorará en entrar? b)¿Qué caudal suministra la bomba? 3 Un sistema hidráulico en el que la presión no debe sobrepasar los 3000 PSI se diseña para levantar un peso de 3.5 toneladas. Se utilizará un montaje de flanche posterior. Sabiendo que el diámetro del vástago es la mitad del diámetro del pistón estime la longitud máxima del vástago que puede utilizarse. 4 El motor hidráulico de un winche puede llegar a necesitar hasta 60 lbf-ft. ¿Cuál debe ser su desplazamiento (en in3/Rev.) si la presión no debe exceder los 1500 PSI? 5 Un motor hidráulico es utilizado para mover una banda sin fin. El motor debe lograr un torque de 500 NM y girar a 100 RPM. La presión del sistema es de 1750 PSI. a) Calcule el desplazamiento necesario. b)¿Qué caudal necesita el motor?

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IMPULSORES Dentro de un sistema hidráulico, los impulsores son los elementos encargados de suministrar el aceite según los requerimientos. El más importante de estos es la bomba hidráulica, que se requiere en todos los sistemas. También se puede obtener aceite a presión guardándolo en un acumulador y tomándolo en el momento preciso en el que debe hacer un caudal extra en el sistema. El acumulador también sirve para amortiguar golpes cuando hay cambios muy bruscos de presión o para mantener una presión constante en la línea. Otro elemento impulsor es el multiplicador de presión, que sirve para cambiar caudal de presión, ya que por diferencia de áreas un actuador doble, multiplica (como su nombre lo indica) la presión pero disminuye la cantidad de aceite desplazado. Los símbolos con que se representan estos elementos son:

♦

BOMBAS

∗

De desplazamiento fijo

∗

De desplazamiento variable

♦

ACUMULADORES

∗

De resorte cargado

∗

Cargado de gas

♦

MULTIPLICADORES DE PRESION

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BOMBAS La bomba es el transductor de entrada del sistema hidráulico Convierte la energía mecánica en hidráulica empujando el aceite dentro del sistema. Se distinguen dos tipos básicos de bombas -Hidrodinámicas -Hidrostáticas Las hidrodinámicas o de desplazamiento no positivo, tales como el diseño de turbina o centrifugas, se usan principalmente para transferir fluidos en donde la única resistencia encontrada es la creada por peso y fricción del mismo fluido En ellas no existe una separación física entre la entrada y la salida, no hay sello positivo entre los dos orificios y la capacidad de presión es a causa del impulsor de velocidad. Las bombas hidrostáticas o de desplazamiento positivo tienen un sello “o” que separa la entrada de la salida haciendo que ésta sea totalmente independiente de la presión del fluido (excepto por las perdidas por fuga): Por esto, la cantidad de aceite que envían es constante en cada ciclo o revolución y por ello se especifican por la cantidad de aceite que envían a una determinada velocidad. BOMBAS DE ENGRANAJES En la bomba de engranajes, el aceite es llevado de la entrada hacia la salida en el espacio que hay entre dos dientes de cada engranaje. Uno de los engranajes es impulsado por la fuente de entrada del sistema y éste a su vez mueve el otro engranaje. Los dos se hallan dentro de una cámara conformada por un "anillo" que forma parte de la carcaza de la bomba y dos platos laterales, llamados platos de presión. En la figura 39 se muestra el corte de una bomba de engranajes

LA PRESION DE LA SALIDA GENERA UNA CARGA RADIAL SOBRE LOS EJES COMO LO INDICAN LAS FLECHAS.

SALIDA

EL ACEITE ES TRANSPORTADO E N E S T A S CAVIDADES DESDE LA ENTRADA HASTA LA SALIDA

Figura 39. Bomba de engranajes.

ENTRADA

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EL ACEITE ES FORZADO HACIA FUERA POR EL ORIFICIO DE P R E S I O N CONFORME LOS DIENTES SE VAN ENCONTRANDO

UN VACIO SE VA GENERANDO EN LA MEDIDA QUE LOS DIENTES SE ALEJAN EN LA ENTRADA

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También se encuentran bombas de engranajes de tipo lóbulo, bombas de engranajes internos, es decir, un engranaje dentro de otro o bombas de ge rotor, aunque no son tan comunes. En la figura 40 y 41 se muestran estas bombas.

SALIDA

ENTRADA

Figura 40. Bomba de lóbulos

Figura 41. Bomba de engranajes internos.

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Engranaje exterior Engranaje interior

Entrada

Salida

Figura 42. Bomba de ge rotor. Las bombas de engranaje en general, son las de menor costo y tienen muy buena capacidad para soportar impurezas en el aceite, sin embargo, con el desgaste aumentan mucho las fugas internas y se baja la eficiencia. Por otro lado, una bomba de engranajes con muchas cámaras de bombeo genera alta frecuencia, lo que produce mucho ruido.

BOMBAS DE PALETAS Las bombas de paletas también se parecen mucho a los motores. Constan de un rotor ranurado que gira dentro de una cámara conformada por un anillo que sirve de pista para las paletas que van dentro de las ranuras del rotor, entrando y saliendo con el movimiento, y los platos de presión, en los cuales está el orificio de entrada en uno y de salida en el opuesto, tal como se muestra en la figura 43

Figura 43. Bomba de paletas sencilla y doble.

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Para hacer que a esta bomba se le pueda variar el caudal, se deben acercar los centros del rotor y del anillo, con el fin de disminuir el volumen existente entre dos paletas disminuyendo el desplazamiento de la bomba. Además, se puede tener una bomba "compensada por presión", es decir, que cuando se llegue a una presión predeterminada en el sistema, la bomba deje de enviar todo el caudal y envíe sólo el necesario para mantener dicha presión disminuyendo el consumo de potencia. Esto se logra aprovechando la fuerza que se genera en el anillo debida a la misma presión en el aceite, enfrentada a la fuerza de un resorte que se puede comprimir por medio de un tornillo de graduación. Cuando la fuerza del anillo es mayor que la tarada en el resorte, éste se desplazará y la cámara de bombeo disminuirá. La presión en las paletas produce una fuerza radial en el eje de la bomba. Esta fuerza se puede evitar si se coloca otra paleta en el lado opuesto del rotor soportando la misma presión de la primera. Este sistema se utilizó para el diseño de las bombas de paletas "balanceadas", que se muestran en la figura 3.7. En ellas, el anillo tiene un orificio interno con una forma elíptica en lugar de circular, igual a la que se vio en los motores de paletas, y en lugar de tener un orificio en cada plato de presión para la entrada y salida del aceite tiene dos que están ubicados a 180 grados el uno del otro, logrando en medio giro succionar y expulsar el aceite.

Tapa de Entrada Agujero pasante succión Anillo

Salida

Sello cuadrado Tapa de salida Plato soporte salida

Plato soporte - entrada Paleta Paleta - inserto Rotor Sellos

Rodamiento eje Sello Rotor

Entrada

Platos flexibles Eje Paleta

Figura 43. Bombas de paletas "Balanceada" En la figura 44 se muestra un dibujo en corte de la parte posterior de la misma bomba.

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http://www.hidraulicapractica.com Descarga

Anillo

Paleta Presión del sistema Efectiva aquí

Rotor Eje Resorte

Tapa Trasera Presión en Cartucho

Plato de Presión

Figura 44. Bomba de paletas. El plato de presión hace sello contra el rotor. Igual que en los motores, el tamaño de las bombas de paletas se puede aumentar haciendo más amplio el orificio del anillo o haciendo más anchos el anillo, rotor y paletas (estos tres elementos se conocen como el conjunto rotativo de la bomba de paletas). A diferencia de los motores, en las bombas las paletas se mantienen contra la pista por la fuerza centrifuga y no por los resortes, aunque se usa la presión del aceite en algunas bombas de alto rendimiento, para aumentar esta fuerza. En la figura 45 se muestra una bomba de paletas de alta eficiencia y en la figura 46 la forma como trabaja el sistema de presión en las paletas para mejorar la eficiencia de la bomba. Se usa una "doble paleta" para que la fuerza sobre el anillo no sea mayor de la que realmente se necesita.

Figura 45. Corte de una bomba de alta eficiencia.

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http://www.hidraulicapractica.com Salida Entrada

Rotación

Inserto

Anillo

Rotor

Entrada Salida

Salida

Eje

Entrada

Paleta

Presión de salida o de entrada

Presión de salida

Figura 46. Detalle de funcionamiento de una bomba de alta eficiencia. Tanto en las bombas de engranajes como en las de paletas, existe la posibilidad de tener una bomba con varias salidas y entradas de aceite. En algunos casos se logra uniendo entre sí varias bombas que tienen ejes que las atraviesan de un lado a otro, Pero son más comunes las bombas que tienen un solo cuerpo y que constan de dos o más salidas o entradas de aceite. Las que más se usan son las bombas dobles, 51

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que frecuentemente tienen una entrada y dos salidas una de alto caudal y la otra de bajo. En la figura 47 se muestran unas bombas dobles de paletas.

Figura 47. Bomba doble de paletas

Figura 48. Partes internas de las bombas de paletas, Conjunto rotativo

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Se usan mucho las bombas dobles para tener un caudal grande a baja presión y uno pequeño a alta presión, con el fin de poder tener en aquellos sistemas en los que hay un recorrido del cilindro en el que no efectúa ningún trabajo, sino que se aproxima a la pieza sobre la que va a trabajar, una gran velocidad inicial y al final una gran fuerza, pero con un consumo de potencia bajo. En éste caso se determina la potencia necesaria para tener la presión de trabajo con el caudal bajo, y luego se encuentra la máxima presión que puede lograr con los dos caudales (el bajo y el alto) y la potencia hallada. Para lograr éste funcionamiento, que se conoce como sistema de "alta y baja", se usan unos controles de presión específicos, que se verán en detalle en el próximo capitulo. Comparadas de las bombas de engranajes, las de paletas son un poco más costosas, pero producen menos ruido y no disminuyen tanto su eficiencia con el desgaste, ya que las paletas pueden salirse más de su orificio en el rotor.

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BOMBAS DE PISTONES Al igual que los motores existen dos tipos básicos de bombas de pistones, las de pistones axiales y las radiales. Las de pistones axiales constan también de un tambor dentro del cual se mueven los pistones (generalmente nueve) y que está en contacto con la tapa de presión que tiene las conexiones de entrada y salida. Por el lado opuesto los pistones se apoyan en una pista que tiene determinada inclinación con respecto a la tapa de presión. En la figura 49 se muestra el conjunto del tambor, los pistones, la placa de presión y la pista colocada sobre el plato inclinado.

Figura 49. Bomba de pistones 54

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Con el movimiento unos pistones al retraerse van succionando mientras los otros expulsan el aceite a través de los orificios de la placa de presión. En la figura 50 están los cortes de una bomba de pistones axiales y se pueden observar todas sus piezas. Como se ve el plato inclinado tiene una posición fija, pero se puede conseguir cambiar esta inclinación, para lograr una variación en el desplazamiento de la bomba. Pistón

Bloque de conexión

Plato de las zapatas de los pistones

Descarga

Succión Eje Bloque de pistones

Figura 50. Bomba de pistones axiales Al variar el desplazamiento, el caudal de la bomba cambia (Figura 51). Este se pude hacer manualmente con un dispositivo que esté conectado al plato de inclinación. Ya sea una palanca o una rueda o se puede hacer con un actuador hidráulico manejado con un regulador de presión, como en el caso de los motores compensados, solo en este caso, cuando la presión llega al valor tarado en el regulador, el plato se coloca en posición casi vertical, haciendo que la bomba disminuya el caudal y envíe sólo el necesario para mantener la presión, con el objeto de bajar el consumo de potencia mientras se sostiene la presión. Este tipo de bomba es muy usado en algunos sistemas en lo que se requiere el sostenimiento de la presión, durante períodos largos del ciclo, o en sistemas en los que se requiere diferentes 55

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caudales en diferentes momentos del ciclo, ya que la bomba se compensa y no envía sino el caudal requerido según la presión.

Figura 51. Al variar la inclinación varía el desplazamiento. En la figura 52 se muestra el funcionamiento de este sistema, conocido como compensador de presión. Existe una comunicación desde la conexión de salida de la bomba, es decir, la línea de presión hasta la entrada del regulador o compensador de presión, en el que hay un pistón que está siendo empujado por un resorte al que se puede aumentar o disminuir la compresión. Cuando la presión actuando sobre el pistón, vence la fuerza que le hace el resorte, se abre un paso hacia un pequeño actuador que empuja el plato de inclinación que esta montado sobre una horquilla y que se mantiene inclinada por la acción de otro resorte dentro de la carcasa. Si la presión se baja entonces la horquilla tiende a volver a su inclinación original y el caudal vuelve a aumentar. La bomba de pistones no es tan común. En ella los pistones están colocados perpendicularmente con respecto al eje, que tiene una leva para poder hacer mover los pistones dentro de cada cámara. La bomba de pistones son las más costosas y las más eficientes de las bombas, ya que los sellos son mucho mejores que en las demás. También son las más delicadas con respecto a la contaminación y las impurezas del aceite, debido a las tolerancias tan pequeñas que hay entre sus elementos. Por su alta eficiencia, son las que más se usan cuando se requiere presiones mayores de 3000 o 3500 PSI.

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Servo pistón

Horquilla Resorte de la horquilla

Compensador

Plato oscilante Sello del eje

Rodamiento

Conexiones de los puertos

Tapa trasera Conjunto rotativo

Pivote del plato oscilante

Eje Motriz

Carcaza

Bomba compensada Compensador de Presión

Bomba sin compensar Carrete del compensador

Retorno a tanque

Pistón servo

Presión de la bomba Plato oscilante Succión

Figura 52A. Compensador de presión, funcionamiento.

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Tapa trasera Rodamientos

Eje

Bloque de pistones

Plato de conexión

Pistón servo de compensador

Figura 52B. Bomba de pistones compensada, vista en corte, exterior e interior.

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ACUMULADORES Los acumuladores son los elementos en los cuales se almacena cierta cantidad de aceite a presión, con el fin de utilizar esa energía acumulada posteriormente. Los principales usos de los acumuladores son: ♦

Incrementar la velocidad de un actuador en una maquina.

♦

Atenuar picos de presión

♦

Para compensar las perdidas de presión debido a fugas de aceite.

♦

Disminuir el tamaño de la potencia instalada utilizando los tiempos muertos.

Para lograrlo, se aprovecha la compresibilidad de los gases, en este caso el Figura 53. Acumuladores hidráulicos. nitrógeno (no se debe usar oxigeno, pues tiende a explotar al quedar en contacto con el aceite), el cual se tiene en una cámara que es comprimida por el aceite a presión. Al comprimirse disminuye su volumen, luego parte de este volumen se recupera disminuyendo la presión en el aceite hasta la presión de trabajo del sistema. Así que se tienen tres presiones involucradas en este proceso. Una es la presión inicial a la que se encuentra el nitrógeno (llamada presión de precarga), la segunda es la presión a la que debe llegar el sistema para obtener el volumen deseado (presión máxima) y la tercera es la presión mínima requerida en el sistema para efectuar el trabajo deseado. La cámara en la que se encuentra el nitrógeno puede estar separada de la cámara del aceite en el acumulador por un pistón, similar al de un cilindro hidráulico (Fig. 53A) o pueden quedar los dos en contacto (figura 54). Las más comunes tienen una vejiga de caucho dentro de la cual esta el nitrógeno (figura 55) y (figura 55A).

Entrada de aceite

Seguro

Tapa Aceite

Tubo

Pistón

Sello

Guía

Válvula de carga de N2 Cubierta de válvula

Figura 53A. Acumuladores de pistón.

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Figura 54. Acumulador sin separación entre el nitrógeno y el aceite. Tapa protectora. Para asegurar que no haya fuga de Nitrógeno

Cuerpo compacto. Fabricado de dos secciones hemisféricas de lamina de acero de alta resistencia soldadas entre si con el proceso “Rayo de electrones”. Retenedor de Diafragma. Sistema de seguridad que mantiene el diafragma en la posición adecuada para extender su duración. Tapón Anti-Extrusión. Esta moldeado en el diafragma para evitar que el diafragma se extruya entre la conexión de aceite. Conexión hidráulica amplia. Asegura que la descarga del acumulador se puede hacer evacuando grandes caudales.

Figura 55. Acumulador de Diafragma También se encuentran acumuladores que usan la fuerza de resortes o de pesos muertos en lugar del gas aunque son los menos comunes como se ve en la Fig. 54.. Otras funciones útiles de los acumuladores son como absorsores de vibraciones y de choques. Las primeras debidas a las pulsaciones de las bombas, que pueden ocasionar problemas en instrumentos sensibles o incluso dañar líneas de tubería o válvulas, o en instalaciones que utilicen servo válvulas para evitar que el valor de presión se mantenga siempre constante. Los choques se presentan por cambios muy bruscos de presión que pueden haber en cualquier sistema o por el cierre rápido del paso del aceite, generando una onda de presión debida a la rápi60

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http://www.hidraulicapractica.com Válvula de carga N2

Vejiga de caucho Nitrógeno Cuerpo Aceite Válvula anti-extrusión

Figura 55A. Acumulador de Vejiga. da desaceleración del aceite y que se queda vibrando en la línea. El choque produce un gran ruido y crea un pico de presión que puede ser muchas veces mayor que la presión máxima del sistema. La escogencia del tamaño de los acumuladores se hace frecuentemente con curvas que suministran los fabricantes, en las cuales se tiene la variación de volumen para diferentes presiones de precarga y de operación. Los acumuladores son elementos que relativamente son muy durables. Los mayores problemas se presentan cuando la presión de precarga de Nitrógeno se baja por fugas del gas hacia el sistema hidráulico o al ambiente, debido a fallas en los sellos del pistón en el caso de los acumuladores de pistón y a la rotura de la membrana o vejiga en los otros. Dependiendo del tipo de aplicación, los efectos de la falta de precarga se pueden ver de la siguiente forma: Baja dramática en la velocidad del actuador o de la maquina, aumento en la vibración o inestabilización de la presión.

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MULTIPLICADORES DE PRESIÓN El multiplicador de presión es una palanca hidráulica. El aceite de la bomba entra en una cámara como la de un cilindro, que está separada de otra cámara (figura 57) de la que va a salir el aceite hacia el actuador. El pistón de la primera cámara es de mayor diámetro que el de la segunda, por tanto, por diferencia de áreas la presión en la segunda cámara va ser mayor que en la primera en una proporción igual a la relación entre las dos áreas. La cantidad de aceite que va a salir (caudal) en cambio va disminuir en la misma proporción.

Figura 57 Multiplicador o intensificador de presión de simple y doble efecto.

Por ser básicamente fabricados de la combinación de dos cilindros hidráulicos, tienen algunas limitaciones en cuanto a la cantidad de aceite que van a manejar debido al diámetro y carrera de los cilindros. Se debe tener en cuenta que el volumen desplazado por el pistón de salida debe ser mayor que el del actuador de la maquina.

Figura 57A. Intensificador comercial.

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Preguntas 1¿porqué en los accionamientos hidráulicos se emplean bombas de desplazamiento positivo y no de otro tipo? 2 A 1200 RPM una bomba 8 GPM. ¿cuál será el caudal suministrado a: -1500 RPM -1800 RPM 3 Describa el funcionamiento de una bomba de pistones compensada por presión. 4 Compara las bombas de engranajes, las de paletas y las de pistones. ¿Cuándo escogería bombas de un tipo y cuando no? 5 Explique tres motivos por los cuales emplearía acumuladores en un sistema hidráulico. Ejercicios 1.Una inyectora tiene una presión máxima de cierre de 100 toneladas y realiza una carrera de 200 Mm. en 0.8 segundos. Entre el diámetro del pistón, el caudal y la potencia necesarios, si la presión del sistema no debe sobrepasar los 3000 PSI. 2 Una prensa de embutido debe ser capaz de ejercer una fuerza equivalente a 550 toneladas moviéndose a una velocidad de 10 Mm./s. la presión del sistema debe estar alrededor de 4000 PSI, a) Encuentre el diámetro del pistón, la presión del sistema y el caudal necesario. b)¿Que tipo de bomba emplearía? 3 Algunas perforadoras necesitan al final del recorrido una pequeña cantidad de aceite a una presión varias veces mayor. Para ello puede emplearse un multiplicador de presión. Se tiene una perforadora con un pistón de 8 in de diámetro una bomba de 12 GPM y un multiplicador de presión con una relación de áreas de 5.1 si desea que la presión en las líneas de transmisión no supere los 300 PSI Calcule a) fuerza máxima y velocidad de avance normal del sistema. b) fuerza máxima y velocidad de avance del sistema utilizando el multiplicador de presión. 4 Para una operación de doblado se necesita una prensa de 50 Mp (megaponds) con una velocidad de 60 Mm./s. El recorrido debe poderse ajustar hasta 500 mm. Si la presión no debe exceder de 200 bar. Calcule el diámetro del pistón, el tamaño de bomba requerido y la potencia requerida por el sistema. 5 Una prensa tiene las siguientes características Fuerza nominal 150 toneladas Diámetro del pistón 12 in Potencia máxima consumida por el motor eléctrico: 16 KW Presión máxima del sistema: 3000 PSI Estime el caudal de la bomba y la velocidad del trabajo 63

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VALVULAS En un sistema de transmisión de potencia hidráulico, el medio usado es teóricamente incomprensible, en estas conferencias se ha hablado de aceite hidráulico. Así que para obtener la salida deseada en el sistema se hace necesario controlar el sentido, el caudal y la presión de aceite. Para lograr esto, se deben usar diferentes elementos diseñados para elaborar distintas funciones. Controlando el sentido del aceite con controles o válvulas direccionales, se puede hacer que un actuador se mueva en una dirección o en otra. Controlando el caudal se regula la velocidad con la que se va a mover un actuador y controlando la presión, se puede ajustar la fuerza o el torque máximo que se va a efectuar en este actuador

♦

VALVULAS CHECK

∗

SENCILLOS

∗

PILOTADOS

♦

VALVULAS DIRECCIONALES

∗

DOS, TRES Y CUATRO VIAS

∗

DOS Y TRES POSICIONES

♦

CONTROLES DE PRESION

∗

VALVULAS DE ALIVIO

∗

VALVULAS DE SECUENCIA

∗

♦

VALVULAS REDUCTORAS DE PRESION

CONTROLES DE CAUDAL VARIABLES

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VALVULAS CHECK O DE RETENCION Las válvulas más sencillas son las de una vía y dos posiciones. La vía de aceite es entre una entrada de presión "P" y la salida "A". En una posición no hay paso de aceite y en la otra posición si hay paso. Esta se conoce como válvula de retención o válvula check, ya que debido a que se acciona con la presión del aceite, da paso a una dirección pero no permite paso en la dirección opuesta y su representación esquemática se simplifica con el dibujo que se muestra en la parte izquierda de la figura 58 Esta representación tiene la ventaja que indica que hay sello entre la salida y entrada de aceite, es decir, que no se van a representar fugas de aceite cuando la válvula esté cerrada.

Figura 58. Válvula check en línea.

Flujo Retenido

Flujo Libre Figura 59. Válvula de retención o check (una vía, dos posiciones) en Angulo.

Físicamente se pueden encontrar válvulas de retención como la de la figura 58,es decir, con la entrada y la salida alineadas, o también se construyen en forma de codo (figura 59) Para que exista paso de aceite a través de la válvula la presión debe vencer la fuerza que hace el resorte, más la fuerza que origina la presión que hay a la salida. Si se requiere paso de la salida hacia la entrada en algún momento del ciclo de un sistema, se pueden usar válvulas de retención pilotadas, en las cuales se tiene una conexión de presión que va a un pequeño pistón que empuja el cono que hace el sello, abriendo la válvula (Fig. 60). 65

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Existen también válvulas de retención pilotadas para cerrar, es decir, que la válvula permanece abierta hasta que se aplica una presión en la línea piloto que hace que la válvula se cierre. Este tipo de válvula también puede ser muy útil en algunos sistemas.

Pistón piloto

Empujador

Pistón principal

Presión piloto

Figura 60. Check pilotado para abrir.

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VALVULAS DIRECCIONALES Las válvulas direccionales o distribuidoras tienen dos o más vías y dos o tres posiciones normalmente, aunque se pueden conseguir válvulas de muchas más posiciones. La válvula de dos vías y dos posiciones tiene tres conexiones, una entrada de presión "P" y dos salidas "A" y "B”. En una posición se comunican P con A, y B permanece cerrada, y en la otra posición se comunican P con B, y A queda cerrada (figura 61). En la válvula de dos posiciones y cuatro vías se comunican P con A y B con T, que es la conexión de retorno al tanque, en la primera posición y P con B y A con T en la segunda posición (figura 61). AL CILINDRO AGUJERO "A" DE LA BOMBA AGUJERO "P"

AL CILINDRO AGUJERO "B"

AL TANQUE AGUJERO "T"

VALVULAS DE 2 VIAS

VALVULAS DE 4 VIAS

Figura 61. Válvula de tres y cuatro vías y dos posiciones Existen varios tipos de válvulas direccionales en cuanto a su construcción. Las más comunes son las de tipo carrete o "spool". Estas constan de un carrete cilíndrico que se desplaza dentro de un orificio del cuerpo de la válvula. A este orificio llegan las diferentes conexiones de entrada y salida de la válvula. En la figura 62 se ve como es una válvula de cuatro vías y dos posiciones. 67

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Presión a “B” y “A” al Tanque

Presión a “A” y “B” al Tanque

Figura 62. Válvula de carrete o “spool” de cuatro vías También existen diversas formas de accionar (cambiar de posición) las válvulas direccionales. Se pueden hacer manualmente, con una palanca o una leva, con resorte (figura 64), neumáticamente, hidráulicamente (Fig. 65) o eléctricamente (Fig. 66) A

A

P

T

P

T

A

A

A

P

B

T

P

T A

T

B

P

T

A

B

P

T

P

T

T

A

B

P

T

A

B

T

P

T

A

B

P

T

Figura 63. Válvulas direccionales de 2 y 3 vías.

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En la figura 64 se ve como es realmente el cuerpo y el carrete (spool) de una válvula. Siempre la entrada de presión queda en el centro de la válvula, las salidas "A" y "B" a ambos lados de "P" y en los extremos dos salidas hacia el tanque, que generalmente están unidas entre sí dentro del mismo cuerpo como se ve: Carrete de válvula piloto

Puerto de drenaje piloto externo

Actuador manual del carrete para chequeo

Conducto de drenaje piloto interno La presión piloto actúa sobre los dos extremos del carrete principal

Figura 64. Válvula direccional eléctrica y pilotada en corte.

T

A

P B

T

A

P B

Figura 65. Funcionamiento de válvula de carrete eléctrica y pilotada hidráulicamente.

Se pueden distinguir diferentes tamaños de válvulas estándar, la menor es la de ¼” Que se usa principalmente para manejar líneas de presión piloto y cuyo caudal nominal es de 5 GPM.

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Caja de conexiones eléctricas Actuador manual Núcleo húmedo Cuerpo

Pin empujador

Núcleo de solenoide

Tapa, solo para válvulas de 1 bobina

Tapa, 2 bobinas Bobina Carrete o spool

Figura 66. Válvula direccional eléctrica de 1/4” se monta en una placa a la que llegan las líneas de tubería o manguera de presión. Su accionamiento es eléctrico; esto se hace por medio de una bobina que tiene un núcleo que se desplaza. Cuando la corriente llega a la bobina, la fuerza ejercida por el flujo magnético sobre el núcleo hace que éste empuje el carrete de la válvula, logrando así el cambio de posición en la misma. (Fig. 67)

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BOBINA ARMADURA CUANDO LA BOBINA SE ENERGIZA, LA ARMADURA SE ENTRA Y EMPUJA EL PIN

CARRETE

PIN EMPUJADOR

Figura 67 La bobina del solenoide origina la fuerza para desplazar el carrete en válvulas pequeñas. La siguiente válvula en tamaño es la de 10 GPM nominal. Esta también es de accionamiento eléctrico y montaje en placa. La placa tiene una distribución de los orificios estandarizada mundialmente así como la válvula anterior. Se pueden ver los diferentes tipos de montaje para válvulas direccionales en el Apéndice 1. En la siguiente Figura podemos ver varias vistas de esta válvula y además otra en corte. Tapa, 1 bobina Actuador manual

Segundo solenoide

Solenoide de núcleo húmedo

Figura 68. Válvula direccional de 10 GAL/min.

La siguiente válvula ya no puede ser accionada directamente por un solenoide, ya que resultaría muy grande, así que lo más frecuente es usar la misma presión del aceite, manejada con una válvula de 5 GPM. Esta es una válvula de 3/4", que está hecha para 50 GPM de caudal nominal. La distribución de los orificios es similar a la que se ve en el apéndice 1 con P en el centro de la válvula y T en el extremo. Con esta misma configuración existen válvulas hasta de 3” de diámetro. 71

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El corte que se muestra es de la válvula de tres posiciones. Detente

Dos posiciones, con detente

Tres posiciones, centrado por presión

Tres posiciones, centrado por resorte

Solenoide a energizado

Figura 69. Válvula de 50 GPM. Varias configuraciones , en corte.

Las válvulas direccionales pilotadas además de los cuatro orificios ya relacionados tienen dos conexiones adicionales llamadas presión piloto y drenaje. 72

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La presión piloto externa se usa cuando existe la posibilidad de que no halla presión suficiente (75 PSI mínimo) en la entrada de la válvula “P”, para que el carrete sea desplazado y por lo tanta se necesite tomar presión de otro punto del sistema. El dreno externo se usa cuando en el retorno de la válvula existe mucha presión.

Figura 70. Agujeros para presión piloto y drenaje Cuando la válvula tiene tres posiciones, las dos de los extremos son las mismas que tienen las de dos posiciones. La adicional es la posición central que puede ser de diferentes formas. Esta posición adicional se logra haciendo que el carrete se ubique en un punto intermedio de su recorrido dentro del cuerpo de la válvula. Esto se puede hacer con resortes colocados en los extremos del carrete. Variando el ancho de las partes del carrete que hacen sello contra el cuerpo de la válvula, se pueden tener conexiones entre los diferentes orificios de entrada y de salida. En la figura 71 se muestran algunos de los tipos de posiciones centrales o "centros" que se pueden obtener. Cuando en la posición central, P esta con T, entonces se requiere la presión piloto externa. Esta se puede obtener de diferentes formas, se puede colocar una válvula de retención de 75 PSI a la salida de la bomba y tomar la línea de presión piloto de un punto anterior a la válvula con lo cual se asegura que halla la presión suficiente.

Centro abierto P y B cerrados, A hacia T

Centro abierto, todos los puertos parcial

B Cerrado, P y A hacia T

P hacia T, A y B cerrados

A Cerrado, P y B hacia T

Todos los puertos cerrados

P cerrado, A y B hacia T

P y A cerrado, B hacia T

Figura 71. Tipos de centro de válvulas de tres posiciones y 4 vías. 73

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Figura 72. Diferentes tipos de centros y sus carretes correspondientes, según uno de los fabricantes.

Otra forma de obtener presión piloto es colocar una válvula de retención a la salida de la válvula y tomar la presión piloto internamente, ya que hay presión en toda la línea. En la figura 4.14 se muestran las dos posibilidades. Algunas válvulas traen incorporada una válvula de retención en 74

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la línea de tanque. En la figura 73 están dibujadas las representaciones de una válvula pilotada de tres posiciones y una de dos posiciones. A la derecha se ven los dibujos completos de las dos y a la izquierda está la forma simplificada de representación en un plano, donde sólo se muestra la válvula pilotada, accionada eléctrica e hidráulicamente. CENTRO ABIERTO CENTRADA POR RESORTE

POSICIONADA POR RESORTE Drenaje Del piloto

Drenaje Del piloto Presión piloto

Presión piloto

P

T

A

B

Presión del sistema

Presión del sistema

Para crear la presión piloto A

P

B

A

T

P

B

T

Figura 73. Representación de válvulas direccionales pilotadas accionadas eléctricamente.

Se pueden encontrar otros tipos de válvulas direccionales o variaciones de estas mismas como válvulas de accionamiento mecánico que se usan para desacelerar un cilindro, válvulas de más de tres posiciones o válvulas con aditamentos para hacer que respondan más rápido o más lento. Igualmente existen válvulas direccionales diseñadas para ser usadas en equipos móviles tales como (grúas, tractores, excavadoras, volquetas, etc.) que en industriales. Dadas las limitaciones de espacio y peso en los equipos móviles, tienen incorporados controles de presión, con las conexiones para acoplar directamente al cuerpo de la válvula y a las que se pueden adicionar cuerpos que tienen una entrada y salida común y hacer direccionales múltiples como las de la figura 74. Se pueden lograr arreglos de válvulas que contienen casi todo lo necesario para un equipo hidráulico, pero en un paquete muy pequeño y liviano, aunque cuando se trata de encontrar un problema puede ser mas dispendioso especialmente si no hay información de los componentes contenidos en dicha válvula.

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Cuerpo de entrada

Cuerpo central

Orificio para censar presión de carga Control de flujo de by pass Cavidad de Presión

Carrete Tensores

Sellos “O”

Afuera Centro adentro

Retorno

Cuerpo de salida Presión

Resorte de centrar

Porta switch

Válvula de alivio y Limitador de flujo

Cavidad del by-pass Cavidad del retorno Puertos al cilindro

Figura 74. Válvula direccional de varios cuerpos usada en equipo móvil. La configuración mas sencilla de válvula direccional de equipo móvil es como sigue: ♦

♦

♦

Cuerpo de entrada que incorpora la válvula de alivio y un limitador de caudal, con la conexión de presión que viene de la bomba. Se pueden encontrar con válvulas de descarga eléctricas o neumáticas. Uno o mas cuerpos de trabajo que manejan cilindro o motor hidráulico. Generalmente de 3 posiciones con carrete centrado por resorte. En algunas aplicaciones puede haber 4 posiciones y además con actuadores hidráulicos o neumáticos para cambiar la posición del carrete. Algunas otras adiciones a este cuerpo son, válvulas de alivio en los puertos A y B, válvulas anti cavitacion y válvulas de contrabalance. Cuerpo de salida o retorno, generalmente no tiene válvulas pero adicional al retorno puede tener una conexión adicional conocida como “Power Beyond” que se usa para conectar otra válvula direccional que use la misma bomba. 76

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Cilindro de levante

aire

Cilindro de inclinar

Cavidad de presión

Válvula de alivio

Hacia circuito auxiliar

Cavidad de retorno

Cavidad de by-pass

Retorno

Figura 75. Esquema de una válvula direccional para mover 2 actuadores en un montacargas. Internamente, las válvulas direccionales de equipo móvil tienen 3 cavidades que se pasan de cuerpo a cuerpo: ♦

♦

♦

Presión. Conecta la entrada de presión a la conexión de presión de cada cuerpo de trabajo, para que cada uno de ellos reciba presión de la bomba simultáneamente (conexión en paralelo) o consecutivamente (conexión en serie). En la primera todos los actuadores pueden trabajar al mismo tiempo. En el segundo, cada vez que se cambia la posición de un carrete, solo ese puede trabajar. Retorno. Conecta los retornos de cada cuerpo de trabajo al tanque, lo mismo que el retorno de la válvula de alivio y el flujo que sobra si el cuerpo de entrada tiene limitador de flujo. By-Pass. Esta conexión es muy importante en las válvulas de equipo móvil, porque en un arreglo de muchos cuerpos de trabajo cuando no esta actuado ningún carrete, se quiere que la bomba envié el aceite al tanque sin levantar presión. Cada vez que se actúa un carrete, se cierra esta cavidad para permitir que se suba la presión. Esta cavidad se conecta con el retorno en el cuerpo de salida en general, con la salvedad de que si se requiere alimentar otra válvula direccional, u otro sistema, se coloca un tapón interno para separarlos.

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VALVULAS DE DIRECCIONALES PROPORCIONALES La válvula direccional proporcional es básicamente una direccional que controla el flujo en todas las vías controlando la posición del carrete. Las válvulas direccionales vistas hasta ahora son de dos, tres o más posiciones definidas. Las válvulas proporcionales tienen un número infinito de posiciones, desde la posición central hasta el extremo, permitiendo que el actuador (cilindro o motor) se mueva con cualquier velocidad desde cero hasta el máximo de la bomba. Son actuadas por solenoide con configuración especial, y con un amplificador electrónico. Estas válvulas se han desarrollado en las ultimas dos décadas, con el fin de acortar la distancia que existía entre las servo válvulas y las válvulas direccionales convencionales. Como lo hacen las servo válvulas, las proporcionales dan una salida que es proporcional al voltaje suministrado a la entrada y no siendo tan precisas como las servo, realmente son una buena y poco costosa alternativa para muchos sistemas que requieren un control de la aceleración o desaceleración, o que requieren control remoto o programable con PLC o computador, o que son de cierta precisión y se deben conectar en circuito cerrado. Existen tres tipos básicos de válvulas direccionales proporcionales . La primera es de accionamiento directo y sin sensor de posición del spool o carrete. Es casi como una válvula direccional convencional de 1/4" o 3/8” pero la posición del spool depende del voltaje de entrada que puede ser de 12 o 24 voltios. DC máximo. El segundo tipo de válvula es el de acción directa con sensor de posición en el spool. Esta es de mayor precisión que la anterior. En la figura 76 se muestra un corte de una de estas válvulas . El tercer tipo de válvula proporcional es la pilotada o de dos etapas con sensor de posición, que se usa cuando hay caudales de más de GPM. El sensor de posición sirve para mantener el carrete de la válvula en una posición casi exacta, de acuerdo con la señal de entrada.

Figura 76. Válvula direccional proporcional de acción directa con sensor de posición en el carrete. 78

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Figura 76A. Válvula direccional proporcional pilotada sin sensor y sus curvas características. Con la válvula proporcional se puede hacer que el actuador que está manejando se mueva en una dirección o en otra y, además, que se mueva a la velocidad que se desee en cada dirección o incluso a más de una velocidad en cada dirección. También se puede lograr que los cambios de velocidad sean muy suaves, haciendo que la respuesta no sea instantánea, ni brusca, sino que la respuesta en el momento del cambio sea una rampa, como se ve en una curva característica de respuesta como la de la figura 76A. 79

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Figura 77. Válvulas direccionales proporcionales, Válvula y amplificador.

Estas válvulas se manejan con amplificadores electrónicos especiales, que lo que hacen es suministrar a la válvula una señal de pulso de voltaje cuya amplitud es modulada con el fin de obtener en la bobina de la válvula una corriente que es proporcional al voltaje de entrada en el amplificador. En los amplificadores se pueden graduar las inclinaciones de las rampas, tanto de aceleración como de desaceleración, así como la ganancia y la zona muerta que hay en el centro de la válvula. Estas características permiten hacer sistemas que se mueven más rápidamente y con mayor precisión. Para saber que tan rápido se puede acelerar o desacelerar el sistema debe encontrar su frecuencia natural mínima considerando la elasticidad o compresibilidad del aceite y tomando como tiempo mínimo de aceleración de 4 a 6 veces el período correspondiente a esa frecuencia. En otras palabras, si se acelera muy rápido la carga va a vibrar o golpear (brusquedad). Cuando se acelera despacio se sobrepasa este punto y lo que se consigue es que la carga no vibre o golpee.

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CONTROLES DE PRESION Las válvulas de control de presión tienen diferentes funciones dentro de un sistema. Sirven para limitar la presión máxima, es decir, como válvulas de seguridad o para reducir la presión en determinados puntos del sistema, para generar una caída de presión en algún otro punto del mismo o para descargar parte del aceite al tanque cuando el sistema sobrepasa una determinada presión. Para lograr estas diversas funciones se usan distintos tipos de controles. Los controles de presión son básicamente válvulas de una vía y dos posiciones, accionadas hidráulicamente y posicionadas por resorte. Su representación esquemática es un cuadrado con una flecha que lo cruza y un resorte en la parte superior con otra flecha indicando que es regulable. Si la flecha del cuadrado está en la mitad de éste, uniendo la entrada y la salida, quiere decir que la válvula es normalmente abierta y si está un poco más abajo, entonces la válvula es normalmente cerrada (Fig. 78). RESORTE PARA GRADUACION

DRENAJE

SALIDA O SECUNDARIO

ENTRADA O PRIMARIO

PRESION PILOTO

Figura 78. Representación general de una válvula de control de presión. Tipos de controles hidráulicos: Válvulas de alivio. Válvulas de secuencia. Válvulas de descarga. Válvulas de contrabalance o “holding valve”. Válvulas de Alivio-Descarga. Válvulas proporcionales de presión.

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VALVULAS DE ALIVIO Las válvulas de alivio o de seguridad limitan la presión máxima del sistema. Hay de dos tipos, la sencilla o de acción directa (Fig. 79) que es parecida a una válvula de retención pero con regulación de la fuerza del resorte. Cuando la presión sobre el pistón vence la fuerza ajustada en el resorte, la válvula se empieza a abrir y permite paso de aceite de la entrada a la salida. Para que haya más paso de aceite, la presión debe ser mayor, ya que el resorte se ha comprimido inicialmente. Esto hace que cuando el sistema llegue a la presión máxima, Haya una sobrecarga de entre el 10-15%, generando una pérdida adicional que en algunos casos puede ser apreciable. Perilla de ajuste

Tornillo

Resorte

Pistón o dardo

Retorno

Presión

Figura 79. Válvula de alivio de acción sencilla. En la válvula doble acción o de "pistón balanceado" (Fig. 80), se tienen dos cámaras separadas por un pistón que tiene un pequeño orificio a través del cual l pasa muy poco aceite. Inicialmente las dos cámaras están a la misma presión, cuando se vence la fuerza del resorte de la válvula de acción simple que se encuentra en la parte superior, algo de aceite de la cámara de arriba se va hacia el tanque a través del orificio interno del pistón, bajándose la presión de esta cámara y "desbalanceando" el pistón, que por diferencia de presión se desplaza dando paso directo del aceite de la entrada hacia la salida. El resorte que hay en el pistón hace que se necesite una diferencia de presión de 20PSI aproximadamente. Además, la diferencia de presión desde el momento de entrada que se abre hasta cuando está pasando todo el caudal es mucho menor que en la válvula de acción simple por la cual se usan las de acción dobla para caudales mayores. Las de simple acción son de una 1/4"y máximo para 5 GPM. Las dobles son de 3/4" para 60 GPM, 1 1/4"para 125 GPM y 2" para 200 GPM.

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Dardo

Resorte fuerte

Dardo

Tornillo de ajuste

Conexión De venteo Resorte suave Orificio

Pistón balanceado

Orificio

Presión de sistema

Tanque

Figura 80. Válvula de alivio pilotada o de pistón balanceado Gracias a su diseño, es posible conectarle una válvula de acción simple a la cámara superior para poderla comandar a distancia, siempre y cuando la presión de la válvula remota sea menor que la de la que se va a controlar (Fig. 81). Igualmente se puede "ventear" la válvula conectándole a esta cámara una válvula direccional (fig. 81) que en una posición le conecte al tanque con lo cual el aceite del sistema pasaría a través de la válvula de alivio, hacia el tanque con una presión menor a los 20 PSI del resorte del pistón. Además, esto da la posibilidad de tener dos presiones diferentes y el venteo con la misma válvula, ya que la direccional para el venteo puede ser de tres posiciones: La central para el venteo, una extrema cerrando el paso, con lo cual el sistema queda con la presión de la válvula y la otra posición conectada a otra válvula de alivio con otra presión diferente.

P

T

P

P P

P Tanque

T

T

Figura 81. Conexión de una válvula para control remoto. Conexión de venteo eléctrico con válvula direccional.

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VALVULAS DE SECUENCIA Existe un tipo de válvula que ofrece diferentes posibilidades de acuerdo a la forma como este armada. Es una válvula de dos posiciones y una vía, controlada por presión y con retorno por resorte, normalmente cerrada. Consta de un cuerpo (Fig. 82) dentro del cual va el carrete y dos tapas, una de las cuales la superior, tiene un tornillo de graduación del resorte. Según la colocación de las tapas en el l cuerpo, la presión piloto y el dreno pueden ser internos o externos. Tipo 1

Alineado con el agujero del cuerpo

Drenaje tapado

Tipo 2

Tipo 3

Tipo 4 Alineado con el agujero del cuerpo

Desalineado con el agujero del cuerpo

Conexión de Drenaje externo

Drenaje tapado

Conexión piloto externa

Puerto de control piloto cerrado

Desalineado con el agujero del cuerpo

Alineado con el agujero del cuerpo

Figura 82. Control de presión, tipo general. Puede tener presión piloto interna o externa, al igual que la conexión de drenaje. Las válvulas de secuencia (Fig. 83) son controles de presión que dan paso al aceite desde la entrada o puerto primario, a la salida o puerto secundario, después que éste llega a una presión determinada en el primario por el ajuste del resorte. Son controles normalmente cerrados, accionados por presión piloto que puede ser tomada a la entrada de la válvula y por tanta sería de presión piloto interna, o puede operarse a distancia y entonces sería de presión piloto externa, y deben tener un drenaje externo, ya que el secundario también va a haber presión y para que no interfiera con el funcionamiento de la válvula, el aceite de las fugas se debe dejar salir al tanque a través del drenaje. Esta válvula se usa generalmente con dos cilindros hidráulicos cuando es necesario asegurar que haya movimiento en uno de ellos antes que el otro. Logrando el movimiento de los dos en ‘Secuencia’ . Por ejemplo se usa cuando se requiere aprisionar una pieza y luego hacerle algún trabajo con el mismo sistema utilizando 2 cilindros. Como vemos en la Fig. 84 queremos que el 84

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Tornillo de ajuste

Resorte

carrete

Pistón Piloto

Cilindro perforador 1

P

A

T

B

Paso 2

2 Paso 1

Cilindro sujetador

Figura 83. Válvula de secuencia. Circuito perforador con sujetador. cilindro sujetador se mueva primero para sujetar la pieza. Luego de esto, sin que este pierda la fuerza que esta ejerciendo queremos que el segundo cilindro (perforador), realice esa operación. Cuando se energiza la bobina 1 de la válvula direccional el aceite de la bomba se comunica con la salida A quedando este flujo con dos posibilidades, o abre la válvula de secuencia o se va directo al cilindro sujetador. Queda claro que si queremos esta ultima opción, deberemos ajustar la válvula de secuencia a un valor de presión mayor del necesario para mover el cilindro sujetador. 85

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VALVULAS DE CONTRABALANCE Las válvulas de contrabalance son controles de presión normalmente cerrados, con presión piloto interna y dreno interno (como una válvula de alivio), pero con una válvula de retención que permite el paso en el sentido contrario a la válvula. Estas válvulas se usan para mantener el control cuando se tiene un cilindro vertical que tiende a caerse por la acción de la gravedad. En este caso, se genera una contrapresión en la cámara inferior del cilindro para que éste baje controlado. Esta contra presión se logra colocando la válvula entre la salida del cilindro y la válvula direccional que controla su movimiento (Fig. 84) La contrapresión generada debe ser apenas suficiente para que el cilindro baje controlado, en el momento en el que el aceite llegue a la cámara superior del cilindro. En la fig.84 vemos del lado izquierdo que la presión de la bomba empuja el cilindro hacia abajo y que la válvula de contrabalance se abre generando una contrapresion que sostiene la carga del cilindro al bajar. La presión que necesita la bomba para bajar Check el cilindro es apenas lo necesario para mover el aceite, puesto que el trabajo de bajar lo esta realizando básicamente, la gravedad. Para subir, la presión necesaria será Carrete la del peso. Para el retorno del cilindro, el aceite pasa a través de la válvula de retención y aunque en ese momento haya presión en la salida de la válvula de contrabalance y, por tanto, en el dreno, ya no tiene importancia puesto que el

Resorte

750 psi

8000 lbs

100 psi

Figura 84. Válvula de contrabalance y circuito de aplicación.

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aceite no está pasando por el carrete de la válvula, que es el que se encontraría inmovilizado por la presión. La válvula de contra balance también se usa con los motores hidráulicos, para controlar el frenado sin que se presente un exceso de presión a la salida del motor o que siga moviéndose por la inercia de la carga. Para esto se usa una combinación de presión piloto interna y externa. La externa se conecta directamente a la parte inferior del carrete de la válvula. (Fig., .85) y no al pistón pequeño que se encuentra en tapa inferior de la misma. Esto hace que la presión externa deba ser menor que la interna (unas siete u ocho veces) para abrir la válvula. La línea de presión piloto externa se conecta a la línea de entrada del motor, de tal forma que mientras haya presión para moverlo, no existe restricción a la salida. Pero en cuanto deje de haber presión a la entrada entonces se genere una contrapresion a la salida que tienda a parar el motor rápidamente, pero sin que se presente un exceso de presión. Nótese que esta válvula tiene dos pilotos, el primero que es el interno actúa sobre el pistón pequeño como en las válvulas anteriores, pero el segundo actúa sobre la parte inferior del pistón principal que tiene una

Presión piloto interna Presión piloto externa

sección transversal mas grande y por lo tanto, se requiere menos presión para abrirla. Esto es lo que los fabricantes llaman relación de área entre el área del pistón pequeño y el área del pistón principal. Generalmente 1 a 4.

Figura 85. Válvula de contrabalance en un motor hidráulico.

En las graficas de la izquierda vemos como se comporta el sistema, cuando el motor trabaja con carga, la presión de la carga mantiene abierta la válvula utilizando el piloto externo. Cuando se desea parar, que se centra la válvula direccional el motor no va a responder inmediatamente . La presión de la carga desaparece y la válvula de contrabalance se cierra restringiendo el paso al aceite que viene del motor, generándose una contra presión en la salida del motor que lo va a obligar a parar, pudiéndose ajustar este valor con el tornillo de regulación.En este momento solo hay presión piloto interna. 87

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VALVULAS DE DESCARGA Las válvulas de descarga son controles de presión normalmente cerrados, con presión piloto externa y dreno interno que se utilizan cuando se necesita que una línea del sistema quede comunicada al tanque cuando la presión en otra parte del sistema sobrepasa un determinado valor. Su uso más frecuente es en los llamados sistemas de alta y baja. En un sistema de alta y baja se toma inicialmente el caudal de dos bombas o de una bomba doble y se envía hacia el sistema, pero cuando la presión pasa la regulación de la válvula de descarga una de las bombas queda conectada al tanque a través de ella y la otra bomba sigue enviando aceite haciendo que la presión siga subiendo hasta la regulación de la válvula de alivio. El sistema de alta y baja es muy usado en maquinaria que requiera un avance rápido de un cilindro a baja presión, y un trabajo a alta presión que no requiera un gran caudal. Aplicaciones

Figura 86. Circuito con válvula de descarga. Circuito de alta y baja. 88

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típicas, vemos en las maquinas de vulcanizado, donde se fabrican suelas de zapato por ejemplo. El cilindro avanza rápido por el caudal de las dos bombas sumado y cuando el cilindro cierra los moldes la presión sube y cuando llega a 300 psi la válvula de descarga se abre enviando el caudal de bomba grande al tanque y el cilindro termina de cerrar hasta la máxima presión de 3000 psi. La forma como se debe conectar este sistema se muestra en la figura 86 y el funcionamiento detallado de la válvula de descarga esta en la figura 87 Tornillo de ajuste

Resorte

Puerto de retorno

Drenaje interno

Carrete

Presión suficiente para vencer el resorte Puerto de presión Pistón piloto Puerto de presión piloto externa

Figura 87. Funcionamiento de una válvula de descarga.

Este sistema se usa cuando se requiere tener un caudal inicial alto, es decir, una velocidad inicial o de aproximación alta y luego una velocidad de trabajo lenta o simplemente una fuerza al final del recorrido, como en el caso de una prensa de vulcanizado de caucho. Un sistema de alta y baja permite tener un caudal alto y una presión alta con un consumo de potencia bajo ya que el caudal alto es a baja presión, y la presión alta es a bajo caudal. Este tipo de válvula, con todas estas posibilidades, comercialmente se encuentra en 3/8",3/4", 1 1/4" y 2”,más o menos con las mismas capacidades que tienen las válvulas de alivio.

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VALVULAS REDUCTORAS DE PRESION. Las válvulas reductoras (Fig. 88) son controles de presión normalmente abiertos, accionados por presión piloto interna, pero a la salida y con dreno externo. Como lo indica su nombre, estas válvulas se usan para reducir la presión del sistema o alguna parte de él, en el que se requiera trabajar con una presión menor que la general o en el que se requiera un control independiente de la presión siempre y cuando sea menor que la presión general. Cuando la presión a la salida o en el puerto secundario de la válvula llega al valor de taraje, se cierra el paso de aceite con lo cual la presión en el secundario no puede seguir aumentando y de esa forma, con el ajuste del resorte se limita la presión. También hay reductoras con válvulas de retención en el retorno, es decir, para que pueda haber paso del secundario hacia el primario o de reversa, cuando la presión en el primero es mayor que en el segundo. Esta válvula también se encuentra en los mismos tamaños que las anteriores válvulas y con las mismas capacidades en cuanto a caudal. Resorte

Tornillo de ajuste de presión

Carrete piloto

Drenaje externo Linea piloto interna Primario o entrada de presión

Secundario o salida de presión

Carrete principal

Figura 88. Válvula reductora de presión. Mirando la válvula de la Fig. 88 podemos ver que cuando fluye aceite de la entrada a la salida, no hay ninguna restricción porque la presión a la salida esta baja, pero cuando esta sube y alcanza el valor de ajuste del resorte piloto, la presión piloto interna abre el carrete piloto dejando pasar aceite hacia el tanque a través del drenaje generando un desbalance entre los extremos del carrete principal que hace que el carrete suba restringiendo el paso al aceite del primario al secundario, sin impedir que siga pasando el mismo caudal pero limitando la presión en el puerto secundario sin importar que presión haya en el puerto primario.

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VALVULAS DE ALIVIO-DESCARGA Estas válvulas de alivio especiales, son usadas principalmente en los sistemas en los que se tiene uno o varios acumuladores. En ésta válvula la presión piloto esta tomada despues de la válvula de retención que va en la salida de ella hacia el sistema y que tiene por objeto separar la válvula de alivio los demás componentes. En la figura 89 se muestra como trabaja esta válvula. Cuando la presión despues del check llega al valor de taraje la válvula se abre permitiendo que la bomba se quede trabajando en vacío mientras el resto del sistema sigue presurizado. Cuando la presión después del check se bajo la válvula se vuelve a cerrar. En la figura se muestra como se produce la apertura de la válvula piloto porque la presión proveniente del sistema actúa sobre el pistón pequeño, el cual empuja a su vez el cono de la válvula piloto. El pequeño pistón tiene un área transversal de un 15% mayor que la del cono en su asiento. Cuando la presión en el acumulador cae hasta el 85% del valor máximo, el cono de la válvula piloto se cierra y la bomba carga el acumulador de nuevo. Pistón piloto alivio Acumulador Al sistema hidráulico

Pistón piloto diferencial Check para acumulador

Válvula de alivio-Descarga Conexión de acumulador Carrete principal

Al tanque

Conexión de venteo Flujo de La bomba

Drenaje externo

Conexión de presión

Conexión de retorno

Figura 89. Válvula de alivio descarga. Aplicación y corte. Esta válvula, al igual que las de alivio de dos etapas tiene asiento cónico en el pistón y por lo tanto no tiene fugas, lo que hace que su velocidad de respuesta y precisión sea mejor que la de descarga como la que se vio anteriormente.

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VALVULAS PROPORCIONALES DE PRESION Las válvulas proporcionales de presión son válvulas que regulan la presión del sistema en forma proporcional al voltaje de entrada. Ellas tienen un amplificador con el cual son manejadas. El amplificador recibe señales de 0 a 10 voltios DC y dependiendo del rango de presión la válvula entrega presión de 100 psi hasta 3.000 o 5.000 psi en forma proporcional. Generalmente éstas válvulas por su tamaño son solo para pilotar otras más grandes o bombas compensadas que tengan control remoto de presión. Con ellas se pueden programar diferentes presiones en un ciclo de un sistema y se pueden tener infinitos valores de presión con una sola válvula.

Amplificador electrónico incorporado

Conector eléctrico

Solenoide proporcional Dardo o pistón

Retorno al tanque

Símbolo

Asiento de pistón Entrada de presión

Como vemos en la grafica, la válvula proporcional de presión es como una válvula de alivio pero sin el resorte y el tornillo para ajustar el valor, envés tenemos un solenoide que de acuerdo a la corriente eléctrica que recibe ejerce una fuerza sobre el dardo opuesta a la entrada de aceite, generando una presión proporcional a la corriente con la que el amplificador alimenta el solenoide. A su vez, el amplificador recibe señal externa de muy baja potencia, generalmente de 12 voltios DC y menos de 10 miliamperios. 92

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CONTROLES DE CAUDAL Los controles de caudal o de cantidad de flujo, se usan para regular generalmente la velocidad de los actuadores como cilindros y motores hidráulicos, pero en algunas ocasiones se usan para controlar la velocidad de apertura de otras válvulas de control como direccionales, check pilotados etc. Esta regulación se logra por la restricción que se le hace al paso del aceite dentro de la válvula, así que si ella tiene tornillo de regulación, la velocidad del actuador puede ir desde 0 hasta un máximo, que es cuando pasa todo el caudal de la bomba. ¿Qué ocurre con el aceite que no puede pasar por el control? .Este debe irse al tanque a través de alguna válvula o la bomba debe dejar de enviar todo el aceite que esta mandando. El control de flujo no puede actuar solo, el funciona con la válvula de alivio del sistema o con el compensador de la bomba. Para que el control de flujo pueda controlar el flujo la presión antes del mismo debe estar en el máximo (regulación de la válvula de alivio) de tal forma que el control de flujo deje pasar el flujo deseado y lo que sobra se vaya al tanque a través de la válvula de alivio. Cuando un fluido pasa por un orificio, se genera una caída de presión debida a las pérdidas por fricción por el cambio de área. Esta caída de presión es proporcional al cuadrado del caudal que pasa por el orificio. En el caso del aceite, el caudal que cruza por el orificio cuya área transversal es igual a A (en In2), se puede hallar con la siguiente expresión: Q (GPM = 24.12 x A x P (psi) Donde P es la caída de presión entre la entrada y salida del orificio. Existen tres formas básicas de utilizar el control de flujo según su colocación en el circuito. La primera, controlando el flujo a la entrada del actuador (meter-in), la segunda, controlando el flujo a la Flujo controlado salida del actuador (meter-out) y la Presión de carga tercera, controlando el flujo de entrada al actuador en derivación o en “sangría”. Si el control del cauControl de flujo dal se coloca antes del actuador Válvula de alivio (Fig. 90), la caída de presión hace que hasta antes del control la prePresión máxima sión sea suficiente para abrir en Actuador parte la válvula de alivio a través de la cual sale parte del caudal que sobra. Este tipo de control se Flujo sobrante usa cuando la carga ofrece resistencia al movimiento del actuador durante todo el recorrido, como en el caso de levantar una carga o empujarla horizontalmente o en el caso de un motor, cuando hay una fricción constante. Figura 90. Control de flujo a la entrada o “meter-in” 93

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En el segundo caso, al colocar la válvula despues del actuador (meter-out) (fig.91). Se genera una presión a la salida del actuador que produce un aumento de la presión a la entrada, hasta el punto que la parte sobrante del caudal sale por la válvula de alivio. Este tipo de control se usa sobre todo cuando se tiene un cilindro vertical y se tiene que bajar, o cuando la carga en el motor tiene una alta inercia. Si el control en alguno de estos dos casos, se coloca antes de la válvula direccional, éste solo controla la velocidad en ambas direcciones. Si se desea control de caudal independiente en los dos sentidos, se deben colocar dos controles, cada uno con una válvula de retención que permita el flujo libre en la dirección contraria a la del caudal controlado.

Flujo controlado

10 in2

Control de flujo

Válvula de alivio

Contra presión

Presión máxima

Flujo sobrante

MOTOR

Figura 91. Control de flujo a la salida o “meter-out”

La última forma de controlar la velocidad es colocando el control en derivación al tanque antes del actuador (Fig. 92). La caída de la presión a través del control debe ser aproximadamente igual a la presión que se necesita para mover la carga. La ventaja de este tipo de control es que el valor de la presión del sistema es solamente la que se requiere para hacer el trabajo, lo cual implica menos perdidas de potencia, con la desventaja de que la graduación es más sensible.

10 GPM

Presión de carga

Flujo controlado

Control de flujo

Válvula de alivio

Presión de carga

Actuador

Flujo sobrante

Existen tres tipos diferentes de controles de caudal básicos. Los no compensados, los compensados, y los de control proporcional. Su representación esquemática se puede apreciar en la parte izquierda superior de la figura 93. Las líneas curvas re presentan la restricción, que con la flecha indica que es variable y el check indica que hay flujo libre en una dirección.

Figura 92. Control de flujo en sangría.

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CONTROLES NO COMPENSADOS O SIMPLES Estos son básicamente restricciones graduables en una dirección y válvulas de retención para flujo libre en la otra dirección (Fig. 93). Estos se usan cuando la presión de la carga es relativamente constante y la presión no es muy critica o no es importante que haya variaciones en la velocidad del actuador. Se encuentran en muy variados tamaños desde 1/4" hasta 2”, también tiene formas muy diversas, por ejemplo con conexiones NPT, rosca recta, en línea o a 90 grados etc.

Anillo “O” Para fricción

Abierto Cerrado

Figura 93. Controles de caudal no compensado.

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CONTROLES DE CAUDAL COMPENSADOS Los controles de flujo compensados son los que regulan el flujo y simultáneamente ajustan los cambios de presión que se presenten en la entrada y en la salida para mantener el flujo constante. Existen dos tipos de compensaciones. Por temperatura, y por presión. Los controles compensados por temperatura tienen un elemento sensible al calor que hace que cuando la temperatura del aceite sube, el orificio interno del control se cierra para mantener el flujo en el mismo valor. El compensador de presión es una válvula reguladora de presión que está incorporada dentro del control de flujo, la cual compara la presión a la entrada, con la salida y mantiene la diferencia entre las dos en 20 PSI aproximadamente. Esto lo logra con el pistón interno. En la figura 94 se puede observar el funcionamiento de un control que tiene compensador de presión y de temperatura. Presión de salida

Pistón compensador Presión antes del restrictor Flujo controlado Flujo de entrada Restrictor Restrictor para compensar presión

Check de retorno Elemento sensible a la temperatura

Tornillo de regulación

Figura 94. Control de caudal compensado por temperatura y presión El pistón tiene una conexión en sus extremos y la salida de la válvula, cuyas presiones ejercen fuerzas en direcciones opuestas y que con la ayuda de un resorte hacen que el pistón esté en equilibrio, hasta que una de las presiones cambia y entonces el pistón se desplaza aumentando o disminuyendo la restricción del paso de aceite. Si la presión a la salida aumenta (la carga sube), la velocidad del actuador tiende a bajarse, ese aumento en la presión hace que el pistón se mueva y el paso de aceite aumente compensando así la disminución en la velocidad. Si la carga disminuye sucede exactamente lo contrario. Cuando se tiene un control de caudal, de cualquier tipo y se quiere que tenga compensación de presión, se le puede agregar la válvula externamente, la cual recibe el nombre de hidróstato.

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CONTROL DE CAUDAL PROPORCIONAL El control de caudal proporcional es básicamente una válvula proporcional direccional, pero de dos posiciones. La válvula permite el paso de flujo controlándolo desde 0 hasta el máximo en forma proporcional a la señal de control de entrada. (figura 95).

Carrete con muescas para lograr variar el flujo en forma proporcional

Solenoide proporcional

Figura 95. Control de caudal proporcional. Hay dos formas de conectar una proporcional de caudal, en paso sencillo o doble (figura 96). En el sencillo se usa una sola de las vías, es decir, conectando la presión a P y la salida conectada A y no se usan las otras conexiones (A con T).En el doble paso se conectan P y T con la presión y A y B con la salida controlada con el fin de poder manejar el doble caudal con la misma válvula.

Figura 96. Diferentes conexiones para una válvula proporcional.

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Las Características de estas válvulas son las mismas que las otras proporcionales que se han mencionado. Se pueden tener respuestas en rampa, valores infinitos de control, programación, conexión en lazo cerrado, etc. Se pueden usar hidróstatos que comparan la presión de la entrada y la salida con el fin de compensar los cambios del caudal debido a cambios en la carga. También se pueden usar con las proporcionales direccionales. Además hay proporcionales del caudal más parecidas a los controles de caudal compensados, pero que en lugar de ser graduados manualmente cuentan con un motor de torque que permite hacer los ajustes por medio de una señal eléctrica. Existe un tipo de válvula proporcional de caudal muy popular por su bajo precio y versatilidad, es la llamada de “cartucho”. Recibe su nombre porque es muy compacta y porque se puede enroscar en el manifold o bloque de montaje. También necesita un amplificador para alcanzar toda su capacidad.

Solenoide proporcional

Pin empujador

Carrete

Rosca para el manifold Salida

Muescas de control

Entrada

Figura 97. Control de caudal proporcional tipo cartucho enroscable en manifold.

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Preguntas 1 ¿Cuáles son las diversas formas en que se puede accionar una válvula proporcional?

5 To n

2 En un sistema hidráulico que determina la presión en la línea? 3 Nombre y explique el funcionamiento de cuatro válvulas de control de presión. 4 En el circuito mostrado, cuanta presión hay en el punto A, si el caudal es de 7 GPM y el área del orificio es de 0.01 in2? A

5 Explique dos formas diferentes de controlar la velocidad de un actuador hidráulico. Ejercicios 1 En una prensa de vulcanizado se necesita una fuerza de 100 toneladas. La fuerza debe mantenerse durante varios minutos y la prensa puede bajar por gravedad. La presión no debe exceder los 3000 PSI. Las velocidades de aproximación y de trabajo deben ser tan altas como sea posible, sin que el consumo de energía eléctrica supere los 18 KW. Una prensa pequeña de embutido tiene las siguientes características: Fuerza de embutido =40 toneladas Fuerza de retroceso =8.5 toneladas Velocidad de aproximación =100 Mm./s Velocidad de trabajo =26 Mm./s Velocidad de retorno =150 Mm./s Estime un valor de la presión cercano a la 3000 PSI y halle los diámetros de presión y del vástago, el caudal necesario en cada caso y la potencia máxima utilizada por el sistema. Diseñe el sistema utilizando un sistema de alta y de baja. 3 Una prensa requiere un actuador con una fuerza de 5 toneladas para sujetar las piezas. Una vez se logra esto, actúa un cilindro de simple efecto que prensa las piezas con una fuerza de 30 toneladas y baja por gravedad. Diseñe el sistema hidráulico dado que la presión del mismo no debe alcanzar los 3000 PSI y la potencia del motor disponible es de 9 HP. 4 Una prensa de curvado ejerce una fuerza de 100 Mp. La velocidad del pistón debe poderse regular desde 20 hasta 30 Mm./s. Pero la presión del sistema no debe exceder 3500 PSI. Diseñe el sistema. 5 Se desea tener una prensa de 50 toneladas con una velocidad de trabajo cercana a los 10 Mm./s y una velocidad de aproximación superior a los 50 Mm./s. La prensa baja por la gravedad y la presión del sistema no debe ser superior a 2500 PSI. Diseñe el sistema. 99

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CIRCUITOS TIPICOS. El circuito hidráulico de una máquina es la interconexión de los diferentes elementos hidráulicos que le permiten a ella cumplir con las funciones diseñadas. Aunque en cada caso se requiere un análisis concreto de la forma como deben emplearse los diferentes elementos descritos, existen algunos circuitos que son comunes a muchos sistemas. En este capitulo se van a describir algunos de estos y se mostrarán ejemplos de algunas aplicaciones reales. CIRCUITO SIMPLE PARA UN ACTUADOR

Figura 98. Circuito hidráulico simple. Movimiento de cilindro hidráulico.

En la figura 98 se muestra un circuito típico de un sistema que se usa para mover un cilindro (o un motor) hacia delante y hacia atrás. Con una velocidad máxima dada por el caudal de la bomba, el cual se determinó por las necesidades del trabajo a realizar. Esta velocidad se puede disminuir con controles de caudal. Este es el mismo circuito básico visto en el capitulo 1. Nótese que se adicionan algunos accesorios importantes, como los filtros de 100

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succión, de retorno y el de aire que va en el tanque. También se adicionó el control de presión y el manómetro para poder graduar la presión. En la siguiente grafica podemos ver el recorrido que hace el fluido hidráulico por todo el circuito. Primero, en verde el aceite siendo succionado por la bomba, impulsado a través de la descarga hacia la válvula direccional y simultáneamente o en paralelo, hacia la entrada de presión de la válvula de alivio que va a limitar la presión máxima del sistema, en rojo. Al energizar la bobina del lado izquierdo de la válvula direccional se abren los pasos de P hacia A y B hacia T, permitiendo que el aceite se dirija a la cámara de la izquierda del cilindro hidráulico para que este empiece a salir, en color rojo. El aceite que va siendo descargado en la sali- Figura 99. Extensión del cilindro. da del vástago hacia la derecha pasa por el pasaje B-T de la válvula direccional y se dirige al tanque sin ninguna restricción excepto en el paso a través del filtro de retorno. Todo este recorrido se pinta en azul para indicar flujo sin presión. Cabe anotar que si la presión necesaria por la carga alcanza el valor ajustado en la válvula de alivio, el aceite se empieza a desviar al tanque a través de la válvula de alivio y por consiguiente, el cilindro se va a detener por sobrecarga, puesto que se alcanzo el limite de presión. En la figura de abajo, podemos ver como se logra invertir el movimiento del cilindro cuando energizamos la bobina de la derecha de la válvula direccional. Todas las condiciones y limitaciones son idénticas a las de la grafica superior con la única diferencia que el cilindro va en sentido contrario.

MOTOR ELECTRICO 4.8 H.P. 1800 RPM

TANQUE DE 100 LITROS

Figura 100. Retracción del cilindro hidráulico.

101

Camilo H. Rueda

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SISTEMA DE "ALTA Y BAJA" Otro circuito, uno de los más usados es el sistema de alta y baja (Fig. 101) del cual ya se ha hablado. Dos bombas, una de alto caudal (3 o 4 veces el caudal de la otra) y la otra de bajo caudal, están separadas por una válvula de retención. La de bajo caudal esta conectada en una válvula de descarga, cuya presión piloto se toma de la línea que sale de la otra bomba que tiene una válvula de alivio. Inicialmente el caudal de las dos bombas va hacia el sistema y cuando la presión llega al valor del taraje de la válvula de descarga, la bomba de alto caudal queda conectada al tanque, mientras que la otra sigue enviando aceite al sistema haciendo que la presión siga subiendo y que pueda llegar al máximo dado por el taraje de la válvula de alivio. La velocidad inicial será la dada por la suma del caudal de las dos bombas y la de trabajo la dada por el caudal de la bomba pequeña. Como dijimos anteriormente, este sistema fue creado para ahorrar potencia o para aumentar la velocidad de un sistema ya existente. Se puede aplicar en los casos en que el cilindro en la ca-

V=

Q Aefectiva

Figura 101. Circuito de un sistema de alta y baja. rrera de avance la mayor parte del recorrido la carga es mínima o muy baja debido a que se están acercando las caras de un molde, por ejemplo. Como sabemos la potencia es el producto de la presión y el caudal x una constante, si la presión es baja (en el avance o retroceso) el caudal puede ser alto. Pero, cuando se desea que el cilindro realice toda la fuerza a la máxima presión, entonces nos sobra flujo. 102

Camilo H. Rueda

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A

B

1

2 P

400 psi

T

2.200 psi

MOTOR ELECTRICO 4.8 H.P. 1800 RPM

12

3

TANQUE DE 100 LITROS

Con las 3 figuras de esta pagina vamos a explicar lo que le sucede a este sistema. Fig. 102. En la Fig. 102A tenemos el avance rápido. La presión necesaria para el avance es