UNIT2L1S

Sistemas hidráulicos de detección de carga y compensación de presión (LS/PC)

Introducción Esta unidad presenta los principios de los sistemas hidráulicos de detección de carga y compensación de presión (LS/PC) y también considera los diversos sistemas hidráulicos LS/PC usados en las máquinas Caterpillar. Objetivos Al terminar esta unidad, el estudiante podrá: 1. Identificar y explicar la función de los componentes básicos del sistema hidráulico LS/PC. 2. Explicar la operación de las bombas LS/PC. 3. Demostrar y entender el sistema hidráulico de dirección LS/PC del Cargador de Ruedas 950G. 4. Demostrar y entender el sistema hidráulico de los implementos LS/PC de los Tractores de Cadenas D6R/D7R. 5. Demostrar y entender el sistema hidráulico de los implementos LS/PC de las Retroexcavadoras Cargadoras de las Series C y D. Material de referencia Información de servicio sobre las máquinas usadas en las prácticas de taller. Herramientas Herramientas apropiadas, según la información de servicio de las máquinas usadas en las prácticas de taller.

Unidad 2: Sistemas hidráulicos de detección de carga y compensación de presión (LS/PC)

Unidad 2

NOTAS

Introducción Esta lección presenta los principios de los sistemas hidráulicos de detección de carga y compensación de presión (LS/PC). La información aprendida en esta lección hará que los estudiantes entiendan los sistemas hidráulicos LS/PC usados en muchas máquinas Caterpillar. Objetivos Al terminar esta lección, el estudiante podrá: 1. Identificar los componentes básicos de los sistemas hidráulicos LS/PC. 2. Demostrar y entender la compensación de presión de un sistema hidráulico. 3. Demostrar y entender la señal de detección de carga en un sistema hidráulico. 4. Explicar la operación de un sistema hidráulico LS/PC con una bomba de caudal fijo. 5. Explicar la operación de una bomba de caudal variable LS/PC. Material de referencia La información de servicio de las máquinas usadas en las prácticas de taller. Herramientas Las herramientas apropiadas, según la información de servicio de las máquinas usadas en las prácticas de taller.

Lección 1: Sistemas hidráulicos LS/PC básicos

Lección 1:Sistemas hidráulicos LS/PC básicos

Unidad 2 Lección 1

2-1-2

Sistemas Hidráulicos de la Máquina

SISTEMA HIDRÁULICO BÁSICO CILINDRO

TANQUE

CARGA MOTOR BOMBA DE CAUDAL FIJO

MANÓMETRO

VÁLVULA DE CONTROL DE CENTRO ABIERTO

Fig. 2.1.1 Sistema hidráulico básico

En varias máquinas Caterpillar se usan los sistemas hidráulicos de detección de carga y compensación de presión. Esta lección mostrará la evolución desde un sistema hidráulico básico de centro abierto hasta un sistema hidráulico de compensación de presión de centro cerrado y, finalmente, un sistema hidráulico de detección de carga y compensación de presión. La figura 2.1.1 muestra un sistema hidráulico básico, que consta de los siguientes componentes: (1) Depósito/tanque (2) Bomba de caudal fijo (3) Orificio de toma de presión (mostrado con manómetro) (4) Válvula de control accionada por palanca, de centro abierto (5) Cilindro hidráulico de accionamiento doble En un sistema de centro abierto, el flujo completo de la bomba de aceite se envía a través de la válvula de control en todo momento, bien sea directamente al tanque o al cilindro. Este flujo constante de gran volumen de aceite tiene el potencial de generar grandes cantidades de calor si hay alguna restricción en la trayectoria del flujo, como en las válvulas. El calor reduce la vida útil de los componentes. El calor se puede disminuir usando válvulas de control grandes para minimizar la restricción o un enfriador de aceite para eliminar el calor. Sin embargo, esto puede que no sea práctico por razón del costo extra o de componentes muy grandes para la máquina.

Unidad 2 Lección 1

2-1-3

Sistemas Hidráulicos de la Máquina

SISTEMA HIDRÁULICO BÁSICO SE ADICIONÓ VÁLVULA DE ALIVIO CILINDRO

TANQUE CARGA MOTOR BOMBA DE CAUDAL FIJO

MANÓMETRO

RESORTE 3.000 lb/pulg2 VÁLVULA DE ALIVIO PRINCIPAL

VÁLVULA DE CONTROL DE CENTRO ABIERTO

Fig. 2.1.2 Sistema hidráulico básico con válvula de alivio

Si un cilindro está calado, bien sea porque el cilindro ha llegado al fondo o por razón de una carga extremadamente grande, se producen presiones altas en el sistema. Para proteger el sistema, se adiciona una válvula de alivio principal (como se muestra en la figura 2.1.2). Sin embargo, a presión alta, el sistema se descarga, lo que resulta en acumulación de calor. Las presiones muy altas también pueden reducir la vida útil de los componentes o dificultar el movimiento del carrete de control. La velocidad del cilindro también variará con la velocidad del motor o con los cambios en la carga del orificio de trabajo. Estas condiciones hacen que cambie la tasa de flujo.

Unidad 2 Lección 1

2-1-4

Sistemas Hidráulicos de la Máquina

FUERZAS DE FLUJO

SUMINISTRO ORIFICIO DE TRABAJO

FUERZA

FUERZA

RESULTANTE

Fig. 2.1.3 Fuerzas de flujo

Lo que se conoce comúnmente como "fuerzas de flujo" hace que una válvula de control "se pegue". Las fuerzas de flujo son las que actúan sobre un carrete de control. En la figura 2.1.3, las fuerzas de flujo tienden a mantener el carrete en la posición abierta, mientras haya flujo que pase por el orificio creado por el carrete abierto. Estas fuerzas de flujo son directamente proporcionales a la velocidad del flujo, por razón de la diferencia de presión en el área del carrete. Es decir, a medida que aumenta la velocidad del flujo causado por la diferencia de presión, también aumentan las fuerzas que tratan de mantener el carrete abierto. La fuerza, que actúa paralela (vertical) a la línea central de la válvula de control, es la fuerza que trata de mantener el vástago en la posición abierta. En esta válvula simple, cuanto más cerca esté el carrete de cerrar el suministro de aceite (disminuyendo el tamaño del orificio), mayor será la velocidad del flujo entre el aceite de suministro y el del orificio de trabajo. Las fuerzas de flujo se pueden comparar con cerrar una puerta contra un viento fuerte. A medida que la puerta se empuja, se crea una restricción al flujo de aire. Cuanto más se cierre la puerta, mayor será la resistencia o las fuerzas que trabajan contra la puerta. Cerrar la puerta contra el viento demuestra el efecto del flujo a través de un orificio, conocido como fuerzas de flujo.

Unidad 2 Lección 1

2-1-5

Sistemas Hidráulicos de la Máquina

SISTEMA HIDRÁULICO BÁSICO SE ADICIONÓ RESORTE CENTRADOR

CARGA MOTOR BOMBA DE CAUDAL FIJO

RESORTE 3.000 lb/pulg2 VÁLVULA DE CONTROL DE CENTRO ABIERTO VÁLVULA DE ALIVIO PRINCIPAL

RESORTE CENTRADOR

Fig. 2.1.4 Sistema hidráulico básico con resorte centrador en la válvula de control

Es muy importante que en las válvulas de control hidráulicas el carrete de control se centre por sí mismo. Adicionando un resorte centrador por debajo del carrete, el orificio se cerrará cuando el operador libere la palanca. Sin embargo, cuanto mayores sean la velocidad del flujo y la diferencia de presión, mayores serán las fuerzas de flujo y por lo tanto, más pesado deberá ser el resorte centrador. Los resultados son mayor esfuerzo de la palanca y fatiga más rápida del operador. Las fuerzas de flujo se relacionan tanto con el flujo como con la diferencia de presión. Si uno o ambos factores se pueden minimizar, se necesitará menor fuerza del resorte centrador, lo que reducirá el esfuerzo de la palanca. En un circuito simple (figura 2.1.4), la cantidad de flujo a través del carrete de control depende de la velocidad del cilindro. La velocidad del cilindro puede verse afectada por la velocidad del motor, la carga en el orificio de trabajo, el desplazamiento de la palanca y la salida de la bomba. Para mantener una velocidad constante del cilindro a medida que cambia la velocidad del motor o la carga en el orificio de trabajo, se deberá cambiar continuamente el desplazamiento de la palanca (variando el tamaño del orificio) para mantener el mismo flujo a través del carrete de control. Es difícil mantener una velocidad constante del cilindro en este tipo de sistemas, porque exige que el operador mueva continuamente la palanca para mantener la velocidad constante del implemento. Si se adiciona este movimiento al mayor esfuerzo de la palanca, el operador se fatigará rápidamente.

Unidad 2 Lección 1

2-1-6

Sistemas Hidráulicos de la Máquina

COMPENSACIÓN DE PRESIÓN

CARGA MOTOR BOMBA DE CAUDAL FIJO VÁLVULA DE RETENCIÓN DOBLE

RESORTE 50 lb/pulg2

RESORTE 3.000 lb/pulg2 VÁLVULA DE REDUCCIÓN DE PRESIÓN

VÁLVULA DE CONTROL DE CENTRO CERRADO

Fig. 2.1.5 Sistema hidráulico de compensación de presión (sistema de centro cerrado)

En la figura 2.1.5 se adicionó una válvula de reducción de presión para controlar el flujo de aceite, y la válvula de control es ahora una válvula de centro cerrado. También se adicionó una válvula de retención doble, que detecta la presión del orificio de trabajo bien sea en el extremo de la cabeza o en el extremo del vástago del cilindro y envía esta presión del orificio de trabajo a la válvula de reducción de presión. Esta presión se llama de "señal" y es siempre igual a la presión del orificio de trabajo. Como mencionamos antes, la única manera de reducir las fuerzas de flujo es disminuir el flujo y/o la diferencia de presión a través del carrete de control. Puesto que el flujo lo determinan la bomba (de caudal fijo) y las demandas del orificio de trabajo, que no se pueden cambiar, la única variable restante es la diferencia de presión a través del carrete. La válvula de reducción de presión detecta la presión en el "orificio de trabajo". Esta presión trabaja con el resorte de la válvula de reducción de presión para controlar la presión corriente abajo. La presión corriente abajo es igual a la presión en el orificio de trabajo más la presión del resorte. Desde la válvula de reducción de presión, esta presión corriente abajo alimenta al carrete direccional (control principal). Si la presión del carrete de control principal es igual a la presión en el orificio de trabajo más el valor del resorte en la cámara del resorte, la diferencia de presión (diferencia entre la presión de suministro al carrete de control principal y la presión en el orificio de trabajo) a través del carrete de control principal es igual al valor del resorte. Si el resorte tiene una fuerza de 345 kPa (50 lb/pulg2), esta diferencia de presión de 345 kPa (50 lb/pulg2) a través del carrete de control principal minimizará las fuerzas de flujo y permitirá un menor tamaño de resorte centrador, lo cual reducirá los esfuerzos de la palanca.

Unidad 2 Lección 1

2-1-7

Sistemas Hidráulicos de la Máquina

Esta misma válvula de reducción de presión también actúa para anular el efecto de variar la velocidad del motor con la velocidad del cilindro. A medida que se incrementa la velocidad del motor, aumenta el flujo de la bomba. La válvula de reducción de presión reaccionará ante este aumento de flujo de aceite de la bomba y restringirá el flujo de entrada para mantener la misma diferencia de presión a través del carrete de control principal. El flujo de aceite al cilindro se mantiene constante. Si la velocidad del motor disminuye, sucederá la acción opuesta. La válvula de reducción de presión también anulará el efecto de cargas variables en el orificio de trabajo. Las cargas de trabajo variables tampoco afectarán la velocidad del implemento. La velocidad del implemento será constante. NOTA: Esta válvula de reducción de presión, a veces, se denomina "compensadora de presión", "válvula de control de flujo" o "compensadora de flujo", mientras la válvula de retención doble, en ocasiones se llama "válvula de lanzadera" o "resolvedor de bola". Algunas válvulas de los implementos LS/PC transfieren la presión del orificio de trabajo por medio de tres conductos perforados transversales y un conducto perforado axialmente en el vástago de control de dirección principal, en lugar de una válvula de retención doble o de un resolvedor de bola.

Unidad 2 Lección 1

2-1-8

Sistemas Hidráulicos de la Máquina

COMPENSACIÓN DE PRESIÓN CARGA MOTOR BOMBA DE CAUDAL FIJO VÁLVULA DE RETENCIÓN DOBLE

RESORTE 50 lb/pulg2

550 lb/pulg2 500 lb/pulg2

RESORTE 3.000 lb/pulg2 VÁLVULA DE REDUCCIÓN DE PRESIÓN

VÁLVULA DE CONTROL DE CENTRO CERRADO

Fig. 2.1.6 Sistema hidráulico de compensación de presión (presión en el orificio de trabajo = 500 lb/pulg2)

En el diagrama 2.1.6, la presión del orificio de trabajo es igual a 3.450 kPa (500 lb/pulg2). Esta presión trabaja con el resorte de 345 kPa (50 lb/pulg2) en la válvula de reducción de presión, y produce 3.795 kPa (550 lb/pulg2) en el carrete de control principal. La diferencia de presión a través del carrete de control principal es de 345 kPa (50 lb/pulg2), que corresponde al valor del resorte. COMPENSACIÓN DE PRESIÓN CARGA MOTOR

BOMBA DE CAUDAL FIJO VÁLVULA DE RETENCIÓN DOBLE

RESORTE 1.050 50 lb/pulg2 lb/pulg2 1.000 lb/pulg2

RESORTE 3.000 lb/pulg2 VÁLVULA DE REDUCCIÓN DE PRESIÓN

VÁLVULA DE CONTROL DE CENTRO CERRADO

Fig. 2.1.7 Sistema hidráulico de compensación de presión (presión del orificio de trabajo = 1.000 lb/pulg2)

La presión del orificio de trabajo aumentó a 6.900 kPa (1.000 lb/pulg2), como se muestra en la figura 2.1.7. Esta presión trabaja, una vez más, con el resorte de 345 kPa (50 lb/pulg2) en la válvula de reducción de presión, y produce 7.245 kPa (1.050 lb/pulg2) en el carrete de control principal. La diferencia de presión a través del carrete de control principal es todavía de 345 kPa (50 lb/pulg2), que corresponden al valor del resorte. Aunque la carga cambió, la diferencia de presión a través del carrete de control principal permaneció igual, lo cual resulta en un flujo constante. NOTA: Aunque la carga cambia, la diferencia de presión a través del carrete de control principal permanece igual, a menos que la carga sea mayor que aquélla para la cual se diseñó el sistema, o que la bomba no pueda producir flujo adecuado para cumplir con las demandas de flujo.

Unidad 2 Lección 1

2-1-9

Sistemas Hidráulicos de la Máquina

COMPENSACIÓN DE PRESIÓN Sistema de control que proporciona una velocidad constante del implemento para un desplazamiento de palanca dado.

Fig. 2.1.8 Definición de compensación de presión

La compensación de presión en un sistema hidráulico proporciona una velocidad constante del implemento para un desplazamiento de palanca dado. Esto es posible si se mantiene una diferencia de presión controlada a través del carrete principal o direccional en cada circuito en que se use un resorte en la válvula de reducción de presión (que controla el flujo). Con la compensación de presión, como se describe aquí, hay realmente dos diferencias de presión: -

Una, a través de la misma válvula de reducción de presión. Esta diferencia de presión varía dependiendo de la diferencia entre la presión de suministro de la bomba y la presión del orificio de trabajo (más el valor del resorte).

-

La otra, a través del carrete de control principal, limitada o controlada por el resorte en la válvula de reducción de presión.

Unidad 2 Lección 1

2-1-10

Sistemas Hidráulicos de la Máquina

COMPENSACIÓN DE PRESIÓN 5 gal EE.UU./min MOTOR

LOAD

30 gal EE.UU./min BOMBA DE CAUDAL FIJO

VÁLVULA DE RETENCIÓN DOBLE

RESORTE 50 lb/pulg2 1.050 lb/pulg2

RESORTE 3.000 lb/pulg2

VÁLVULA DE REDUCCIÓN DE PRESIÓN

1.000 lb/pulg2

VÁLVULA DE CONTROL DE CENTRO CERRADO

Fig. 2.1.9 Sistema hidráulico de compensación de presión (presión diferencial)

La figura 2.1.9 muestra un ejemplo de compensación de presión. Un implemento requiere 19 l/min (5 gal EE.UU./min) y desarrolla 6.900 kPa (1.000 lb/pulg2) en el orificio de trabajo. La bomba de caudal fijo tiene capacidad de suministrar 114 l/min (30 gal EE.UU./min). El resorte de la válvula de reducción de presión es igual a 345 kPa (50 lb/pulg2), de modo que el resorte más la presión del orificio de trabajo limitan la presión corriente abajo al vástago de control principal a 7.245 kPa (1.050 lb/pulg2). Como el implemento no necesita flujo completo, la presión de suministro aumenta a 20.700 kPa (3.000 lb/pulg2) y el flujo en exceso pasa al tanque a través de la válvula de alivio principal. La primera presión diferencial a través de la válvula de reducción de presión será de 20.700 kPa (3.000 lb/pulg2) menos 7.245 kPa (1.050 lb/pulg2), iguales a 13.455 kPa (1.950 lb/pulg2). La segunda presión diferencial es 7.245 kPa (1.050 lb/pulg2) menos 6.900 kPa (1.000 lb/pulg2), iguales a 345 kPa (50 lb/pulg2), o sea el valor del resorte. Cuando se requiere movimiento lento del cilindro, el carrete de control de centro cerrado se abrirá ligeramente, para permitir que pase al cilindro sólo una pequeña parte del flujo total de la bomba. Con una bomba de caudal fijo, la presión de suministro de la bomba aumenta y el exceso del flujo de la bomba regresa al tanque. Esta tasa de flujo alta a presión alta a través de la válvula de alivio acumula rápidamente calor, que puede acortar la vida útil de los componentes. Como vimos anteriormente, para reducir el calor en el sistema se puede adicionar un enfriador de aceite. Hay, al menos, otras dos opciones: - Adicionar una válvula de control o de descarga de flujo al sistema. - Reemplazar la bomba de caudal fijo con una bomba de caudal variable.

Unidad 2 Lección 1

2-1-11

Sistemas Hidráulicos de la Máquina

DETECCIÓN DE CARGA Sistema de control que mantiene la presión de suministro de la bomba a un valor fijo mayor que la demanda de presión máxima del sistema.

Fig. 2.1.10 Definición de detección de carga

Para regular el flujo del sistema con el fin de cumplir las demandas de presión, se puede usar, con una válvula de control de bomba, una válvula de control de flujo (descarga) o una bomba de caudal variable. La detección de carga es un sistema de control que mantiene una presión de suministro de la bomba a un valor fijo mayor que la demanda de presión máxima del sistema. En ambos sistemas se usa una red de señal que envía la presión del orificio de entrada más alta (detecta la carga) de regreso a la válvula de control de flujo (descarga) o a una válvula de control de bomba. Dentro de esta red de señal hay varias válvulas de retención doble llamadas válvulas "resolvedoras" o "de lanzadera".

Unidad 2 Lección 1

2-1-12

Sistemas Hidráulicos de la Máquina

DETECCIÓN DE CARGA Y COMPENSACIÓN DE PRESIÓN

5 gal EE.UU./min

LOAD

30 gal EE.UU./min MOTOR

BOMBA DE CAUDAL FIJO VÁLVULA DE RETENCIÓN DOBLE

RESORTE 300 lb/pulg2

VÁLVULA DE CONTROL DE FLUJO

RESORTE 50 lb/pulg2

1.200 lb/pulg2

1.050 lb/pulg2

1.000 lb/pulg2

RESORTE 3.000 lb/pulg2 VÁLVULA DE REDUCCIÓN DE PRESIÓN

VÁLVULA DE CONTROL DE CENTRO CERRADO

Fig. 2.1.11 Sistema hidráulico con detección de carga y compensación de presión

En la figura 2.1.11, al sistema hidráulico se adicionó una válvula de control de flujo (descarga). El implemento requiere 19 l/min (5 gal EE.UU./min) y produce 6.900 kPa (1.000 lb/pulg2) en el orificio de trabajo. La bomba de caudal fijo tiene la capacidad de suministrar 114 l/min (30 gal EE.UU./min). El resorte de la válvula de control de flujo es igual a 2.070 kPa (300 lb/pulg2), de modo que el resorte más la presión del orificio de trabajo, al ser igual a 8.970 kPa (1.300 lb/pulg2), actúa contra la presión de suministro de la bomba, y la limita también a 8.970 kPa (1.300 lb/pulg2). El flujo en exceso que no requiere el implemento se descarga al tanque a cierta presión (mayor de la que se necesita en el orificio de trabajo). Esta diferencia es igual a la del resorte, o sea 2.070 kPa (300 lb/pulg2). Este valor es la presión "de margen", que asegura una buena respuesta del implemento. Si el implemento está en la posición FIJA, la presión de suministro del sistema actuará contra la del resorte de la válvula de control de flujo de 2.070 kPa (300 lb/pulg2) (que tiene una presión del orificio de trabajo de 0 kPa o 0 lb/pulg2 que actúa con él), y descarga todos los 114 l/min (30 gal EE.UU./min) al tanque a una presión de suministro de la bomba de 2.070 kPa (300 lb/pulg2). En ambos casos, el aceite de suministro retorna al tanque a una presión menor que la del valor de la válvula de alivio principal. La válvula de control de flujo minimizará la acumulación de calor y prolongará la vida útil de los componentes. Sin embargo, con este sistema la bomba siempre suministra flujo máximo independientemente de la demanda del implemento. El aceite en exceso fluye de regreso al tanque. Esto significa que se desperdicia energía.

Unidad 2 Lección 1

2-1-13

Sistemas Hidráulicos de la Máquina

BOMBA DE CAUDAL VARIABLE SALIDA DE LA BOMBA

ACCIONADOR GRANDE

HORQUILLA PLANCHA BASCULANTE

EJE MOTRIZ COMPENSADOR DE FLUJO (CARRETE DE MARGEN)

COMPENSADOR DE PRESIÓN (CORTE DE PRESIÓN)

ACCIONADOR PEQUEÑO Y RESORTE DESPLAZADOR

Fig. 2.1.12 Bomba de caudal variable

Se puede disminuir la energía desperdiciada en un sistema LS/PC de bomba de caudal fijo reemplazándola con una bomba de caudal variable. En la bomba de caudal variable se usa una válvula para controlar el flujo de la bomba, cambiando el ángulo de la plancha basculante. El orificio de trabajo o la presión de señal actuarán con el resorte de compensación de flujo en la válvula de control de la bomba para suministrar presión de la bomba a "presión de margen", que es mayor que la presión del orificio de trabajo. El carrete de compensación de flujo detecta la presión de suministro de la bomba y la presión del orificio de trabajo en forma similar a la válvula de control de flujo de bomba de caudal fijo. A medida que las demandas de flujo cambian por razón del movimiento en la palanca de control, la diferencia de presión entre la presión del orificio de trabajo y la de suministro de la bomba también cambiará, como reacción al movimiento de la palanca. Esto hará que cambie la posición del carrete de compensación de flujo. El carrete enviará mayor o menor flujo de aceite al pistón accionador grande en la bomba. Esto cambiará el ángulo de la plancha basculante de la bomba, lo que alterará a su vez, la salida de la bomba. Normalmente, hay un vástago de control secundario (compensador de presión o carrete de corte de presión) en la válvula de control de la bomba, que también reacciona a la presión de suministro de la bomba y que se ajusta para abrirse a la presión máxima especificada. Esto hace que la bomba disminuya su caudal (reduzca el flujo de la bomba) para mantener una presión máxima del sistema sin usar una válvula de alivio principal. Al ajustar la bomba y la válvula de control de la bomba para que produzcan exactamente el flujo de aceite necesario para atender las demandas de presión del orificio de trabajo del sistema, éste trabajará mucho más eficientemente (en comparación con un sistema de bomba de caudal fijo).

Unidad 2 Lección 1

2-1-14

Sistemas Hidráulicos de la Máquina

DETECCIÓN DE CARGA Y COMPENSACIÓN DE PRESIÓN 5 gal EE.UU./min LOAD MOTOR

30 gal EE.UU./min BOMBA DE CAUDAL FIJO VÁLVULA DE RETENCIÓN DOBLE

RESORTE 200 lb/pulg2

VÁLVULA DE CONTROL DE FLUJO

1.200 lb/pulg2 RESORTE 3.000 lb/pulg2

RESORTE 50 lb/pulg2 1.050 lb/pulg2

VÁLVULA DE REDUCCIÓN DE PRESIÓN

1.000 lb/pulg2

VÁLVULA DE CONTROL DE CENTRO CERRADO

Fig. 2.1.13 Sistema hidráulico con detección de carga y compensación de presión

Los siguientes cálculos muestran la ventaja de potencia al usar una bomba de caudal variable. La fórmula de la potencia hidráulica es: gal EE.UU./min x lb/pulg2 x 0,000583. Cuando se usa un sistema hidráulico con una bomba de caudal fijo de 114 l/min (30 gal EE.UU./min), una presión del orificio de trabajo de 6.900 kPa (1.000 lb/pulg2), una válvula de control de flujo (descarga) que detecte la presión en el orificio de trabajo y actúe con un resorte (margen) de 2.070 kPa (300 lb/pulg2), se obtiene una potencia hidráulica del motor de: 30 gal EE.UU./min x (1.000 lb/pulg2 + 300 lb/pulg2) x 0,000583 = 22,74 hp Sin embargo, si el flujo de aceite se dosifica al cilindro solamente con 19 l/min (5 gal EE.UU./min) de flujo de aceite, la potencia usada es: 5 gal EE.UU./min x (1.000 lb/pulg2 + 300 lb/pulg2) x 0,000583 = 3,8 hp La potencia adicional de 18,94 hp (22,74-3,8) obtenida del motor se desperdicia y se descarga nuevamente al tanque en forma de calor. Si se usa una bomba de caudal variable, se desperdicia muy poca energía porque la bomba suministra exactamente el flujo necesario a una presión ligeramente mayor de la requerida. Lo que la bomba suministra es: 5 gal EE.UU./min x 300 lb/pulg2 x 0,000583 = 0,87 hp (potencia desperdiciada, que se usa para la presión de margen). Dos ventajas de usar una bomba de caudal variable son: - Se produce menos calor, lo que prolonga la vida útil de los componentes. - Se desperdicia menos potencia del motor, lo que economiza combustible.

Unidad 2 Lección 1

2-1-15

Sistemas Hidráulicos de la Máquina

DETECCIÓN DE CARGA OPERACIÓN DE DOS VÁLVULAS MOTOR CARGA

CARGA RESORTE 300 lb/pulg2

2.000 lb/pulg2

2.300 lb/pulg2 RESORTE 3.000 lb/pulg2

A

2.300 lb/pulg2

500 lb/pulg2

DP=200 lb/pulg2

B DP=1.700 lb/pulg2

Fig. 2.1.14 Detección de carga solamente (operación de dos válvulas)

La figura 2.1.14 incluye dos válvulas de control, indicadas como “A” y “B”. Éste es un circuito de detección de carga, pero no un circuito de compensación de presión, puesto que ninguna válvula de control incluye una válvula de reducción de presión en su circuito. Entre el vástago y el extremo de la cabeza de cada cilindro se encuentra una válvula de retención doble (resolvedora). Si se opera uno o ambos implementos, otra válvula de retención doble enviará la mayor de dos señales del orificio de trabajo desde los dos cuerpos de la válvula nuevamente a la válvula de control de flujo (descarga). La válvula A tiene una presión en el orificio de trabajo de 13.800 kPa (2.000 lb/pulg2) y la válvula B tiene una presión de 3.450 kPa (500 lb/pulg2). La mayor de las dos presiones en el orificio de trabajo, que es 13.800 kPa (2.000 lb/pulg2), moverá la bola de la válvula de retención doble y actuará en la válvula de control de flujo a través de la red de señal. Esta mayor presión en el orificio de trabajo y el resorte de 2.070 kPa (300 lb/pulg2) en la válvula de control de flujo limitarán la presión de suministro del sistema a 15.870 kPa (2.300 lb/pulg2). La presión de suministro de 15.870 kPa (2.300 lb/pulg2) estará presente en los carretes de control principal de las válvulas A y B. En la válvula A se requieren 13.800 kPa (2.000 lb/pulg2) en el orificio de trabajo. El suministro de la bomba es de 15.870 kPa (2.300 lb/pulg2). La diferencia entre las dos presiones es de 2.070 kPa (300 lb/pulg2). Esta pequeña diferencia relativa de presión a través del carrete de control de la válvula “A” no ocasionará esfuerzos elevados de la palanca ni fatiga del operador.

Unidad 2 Lección 1

2-1-16

Sistemas Hidráulicos de la Máquina

La válvula B de la figura 2.1.14 requiere 15.870 kPa (2.300 lb/pulg2) en el orificio de trabajo. El suministro de la bomba es de 15.870 kPa (2.300 lb/pulg2). La diferencia de presión a través del carrete de control principal es de 12.400 kPa (1.800 lb/pulg2). Esta diferencia de presión mayor producirá una velocidad de flujo que tratará de abrir más el orificio en el carrete de control principal para admitir más flujo del requerido, porque ésta es la trayectoria de menor resistencia en el circuito. El flujo a través del orificio (creado en el carrete de control principal) no permanecerá constante a medida que varíe la demanda de carga (inclusive, si el control principal del carrete se mantiene en posición fija). El operador deberá ajustar constantemente el carrete de la válvula principal para mantener una velocidad constante. Las mayores fuerzas de flujo a través de esta válvula necesitarán resortes de centrado más pesados para evitar el pegado del carrete. Esto resultará en mayores esfuerzos de la palanca y fatiga del operador.

RED DE SEÑAL PLUMA

ESTABILIZADOR IZQUIERDO

ESTABILIZADOR DERECHO

MOTOR GIRO

CUCHARÓN

BRAZO RESOLVEDOR PRIMARIO RESOLVEDOR SECUNDARIO

RESORTE 300 lb/pulg 2

VÁLVULA DE CONTROL DE FLUJO

A LAS VÁLVULAS DE CONTROL DEL IMPLEMENTO

RESORTE 3.000 lb/pulg2

VÁLVULA DE ALIVIO

Fig. 2.1.15 Red de señal de la retroexcavadora cargadora

La figura 2.1.15 muestra el ejemplo de una red de señal encontrada en las Retroexcavadoras Cargadoras de la Serie C. Cada válvula de control del implemento tiene un resolvedor primario y uno secundario. El resolvedor primario compara la presión entre los dos orificios de trabajo del circuito del implemento cuando el carrete de la válvula del implemento se desplaza para proporcionar flujo de aceite directo a un cilindro. La presión alta libera la bola y hace que el aceite fluya al resolvedor secundario. El resolvedor secundario compara la presión de señal del resolvedor entre las secciones de la válvula. La mayor presión del resolvedor se envía a la válvula de control de flujo. Cuando la válvula de control está en la posición FIJA, ambos lados del resolvedor primario se abren al drenaje. Cuando todas las válvulas de control están en la posición FIJA, la red de señal se descarga al tanque.

Unidad 2 Lección 1

2-1-17

Sistemas Hidráulicos de la Máquina

DETECCIÓN DE CARGA Y COMPENSACIÓN DE PRESIÓN OPERACIÓN DE DOS VÁLVULAS MOTOR CARGA

RESORTE 300 lb/pulg2

VÁLVULA DE CONTROL DE FLUJO

CARGA

RESORTE 50 lb/pulg2 2.050 lb/pulg2

2.000 lb/pulg2

2.300 lb/pulg2

RESORTE 3.000 lb/pulg2

DP=50lb/pulg2

DP=250 lb/pulg2

A

2.300 lb/pulg2

RESORTE 50 lb/pulg2 550 lb/pulg2

500 lb/pulg2

DP=50 lb/pulg2 DP=1.750 lb/pulg2

B

Fig. 2.1.16 Detección de carga y compensación de presión (dos válvulas – bomba de caudal fijo)

La figura 2.1.16 incluye dos válvulas de control, indicadas como "A" y "B". Éste es un circuito de detección de carga y compensación de presión, gracias a que ambas válvulas de control incluyen una válvula de control de flujo y una válvula de reducción de presión en sus circuitos. Entre el vástago y el extremo de la cabeza de cada cilindro se encuentra una válvula de retención doble. Si se opera uno o ambos implementos, otra válvula de retención doble enviará la mayor de dos señales del orificio de trabajo desde los dos cuerpos de válvula hasta la válvula de control de flujo. La válvula A tiene una presión en el orificio de trabajo de 13.800 kPa (2.000 lb/pulg2) y la válvula B tiene una presión en el orificio de trabajo de 3.450 kPa (500 lb/pulg2). La mayor de las dos presiones en el orificio de trabajo, 13.800 kPa (2.000 lb/pulg2), moverá la bola de la válvula de retención doble y actuará sobre la válvula de control de flujo a través de la red de señal. Esta presión más alta en el orificio de trabajo y en el resorte de 2.070 kPa (300 lb/pulg2) de la válvula de control de flujo limitará la presión de suministro del sistema a 15.870 kPa (2.300 lb/pulg2). La presión de suministro de 15.870 kPa (2.300 lb/pulg2) estará presente en las válvulas reductoras de presión A y B. En ambas válvulas reductoras de presión se usa un resorte de 345 kPa (50 lb/pulg2). Las válvulas reductoras de presión determinan la presión en el orificio de trabajo. Esta presión actúa con el resorte de la válvula de reducción de presión. La presión corriente abajo resultante de la válvula de reducción de presión es igual a la del orificio de trabajo más la presión del resorte. En la válvula A, esta presión es la del orificio de trabajo de 13.800 kPa (2.000 lb/pulg2) más 345 kPa (50 lb/pulg2) del resorte, o sea, 14.145 kPa (2.050 lb/pulg2) en el lado de suministro del carrete de control principal.

Unidad 2 Lección 1

2-1-18

Sistemas Hidráulicos de la Máquina

La presión de suministro de la bomba de 15.870 kPa (2.300 lb/pulg2) menos 14.145 kPa (2.050 lb/pulg2) es igual a la presión diferencial (∆ P) de 1.725 kPa (250 lb/pulg2) a través de la válvula de reducción de presión. La segunda presión diferencial a través del carrete principal de control es de 14.145 kPa (2.050 lb/pulg2) menos la presión del orificio de trabajo de 13.800 kPa (2.000 lb/pulg2), lo cual es igual a 345 kPa (50 lb/pulg2). En la válvula B, la presión en el orificio de trabajo de 3.450 kPa (500 lb/pulg2) más el valor del resorte de 345 kPa (50 lb/pulg2) de la válvula de reducción de presión limita la presión de suministro en el carrete de control principal a 3.795 kPa (550 lb/pulg2). La presión de suministro de la bomba de 15.870 kPa (2.300 lb/pulg2) menos 3.795 kPa (550 lb/pulg2) es igual a la presión diferencial de 12.075 kPa (1.750 lb/pulg2) a través de la válvula de reducción de presión. La segunda presión diferencial a través del carrete principal de la válvula B es de 3.795 kPa (550 lb/pulg2) menos la presión del orificio de trabajo de 3.450 kPa (500 lb/pulg2), lo que es igual a 345 kPa (50 lb/pulg2). Hay una presión diferencial controlada máxima de 345 kPa (50 lb/pulg2) a través de cada carrete de control principal, por razón del resorte de 345 kPa (50 lb/pulg2) de las válvulas reductoras de presión (inclusive, con cargas variables). Las válvulas reductoras de presión minimizan las fuerzas de flujo en los carretes de control principal, independientemente de la presión de suministro del sistema, y permiten un tamaño reducido de resorte centrador, que disminuye los esfuerzos de la palanca y la fatiga del operador. DETECCIÓN DE CARGA Y COMPENSACIÓN DE PRESIÓN OPERACIÓN DE DOS VÁLVULAS

MOTOR

VÁLVULA DE CONTROL DE LA BOMBA

CARGA

CARGA RESORTE 50 lb/pulg2

A

RESORTE 50 lb/pulg2

B

Fig. 2.1.17 Detección de carga y compensación de presión (dos válvulas – bomba variable)

Para obtener todos los beneficios del sistema de detección de carga, se debe usar una bomba de caudal variable, lo que reducirá la cantidad de energía desperdiciada. El efecto sobre las válvulas de control individual de "detección de carga y compensación de presión" será el mismo que se explicó anteriormente de la válvula de control de flujo (descarga).