ELEMENTOS DE CONTROL Y MANDO EN CIRCUITOS HIDRÁULICOS • Diagramas de sistemas hidráulicos • Representación esquemática de elementos de hidráulica • Válvulas de vías con posición discretas • Válvulas reguladores de presión • Válvulas reguladores de caudal © Christian Schindler
Elementos de control y mando Representación de un circuito hidráulico en diagramas A1.0
Estándar de Representación (ISO 1219) de circuitos hidráulicos 1. Usar Usar símbol símbolos os de de compon component entes es segú según n la norm norma a ISO ISO 1219 1219 2. Una repre represen sentac tación ión de de un diagram diagrama a no consid considera era el el arreglo arreglo físi físico co actual de los componentes 3. Represe Representa ntació ción n de compon component entes es en direcc dirección ión de de flujo flujo de energía energía 1V1
desde abajo hacia arriba: tanque → bomba → elementos de control → actuador .
4. El diagr diagrama ama se repres represent enta a en el esta estado do inic inicial ial de de la secuen secuencia cia.. 5. Cilindros Cilindros y valúas valúas direccio direccionale naless represen representado tadoss en en posición posición horizontal horizontal 6. Todo eleme elementos ntos representado representadoss llevan llevan una identi identificac ficación ión con una una numeración sistemática:
1S1
• Actuadores representados representados con A1.0, A2.0, A2.0, • Válvulas de control para el cilindro 1.0 números 1V1, 1V2 etc • Válvulas para cilindro 2V0 V, 2V1 etc
1V0
• Sensores y sensores de limite limite para actuador A1.0: 1S0, Sensor que actúa
sobre el cilindro A2.0: S2.3 etc..)
7. Toda las las conexi conexione oness están están numer numerado adoss según según estánd estándar ar ISO ISO • P conexión de presión alta
1Z0
• T conexión de tanque
conexiones al actuador • Ay B conexiones
8. Los diagram diagramas as eléctr eléctricos icos y hidráuli hidráulicos cos en en sistema sistema electrohid electrohidráuli ráulicos cos se representa por separado
Elementos de control y mando Representación de un circuito hidráulico en diagramas Estándar de Representación (ISO 1219) de circuitos hidráulicos Arreglo de los componentes en un diagrama hidráulico
Actuadores
A1.0
Elementos de control final
1V1
Elementos de procesamiento 1S1
a í g r e n e e d o j u l F
Elementos de entrada (sensores)
1V0
Fuentes de energía
1Z0
Denominación de los elementos A1.0: Actuador 1V1: Válvula 1S1: Sensor 1Z1: Fuente de energía y indicadores de control
Elementos de control y mando Representación de un circuito hidráulico en diagramas Estándar de Representación (ISO 1219) de circuitos hidráulicos Denominación de los elementos en un circuito hidráulico múltiple
Elementos de control y mando Representación de un circuito hidráulico en diagramas Estándar de Representación (ISO 1219) de circuitos hidráulicos Representación de un diagrama electrohidráulico
Diagrama Hidráulico
Diagrama Eléctrico
Elementos de control y mando Válvulas hidráulicas Clasificación de válvulas en Válvulas de control de presión, Control de caudal y Válvulas de vías • La válvula es el componente de control principal en un circuito hidráulico • Es el componente de dosificación del flujo del fluido • La dosificación en las válvulas se logra con el movimiento de un carrete que ajusta el área del orificio
Los dos parámetros principales de la salida de válvula que se controla son: 1. Flujo: Caudal y Dirección) 2. Presión Si el movimiento del carrete o cabezal tiene el objetivo de mantener un cierto caudal,
la válvula se llama válvu la de co ntr ol d e fluj o
Si se cambia la dirección de flujo entre puertos (o vías), la válvula se llama v álv u la d e v ías . Si el movimiento del carrete o cabezal tiene el objetivo de mantener una cierta presión,
la válvula se llama válvu la de co ntr ol d e pres ión .
Elementos de control y mando Válvulas hidráulicas Válvulas ON/OFF con posiciones discretas y Válvulas proporcionales •
Si la parte móvil de la válvula se puede posicionar únicamente en posic iones discretas definidas (dos o tres posiciones), se llaman válv ul as O N/OFF
•
Si se puede trasladar y permanecer en cualquier posic ión entre totalmente abierta y totalmente cerrada, se llama válvu la prop or ci on al
La diferencia principal entre válvulas ON/OFF y válvulas proporcionales son: •
El solenoide en las válvulas proporcionales tiene una relación corriente –fuerza constante y lineal mientras en válvulas ON/OFF es solamente importante generar la fuerza máximo
•
Solenoide de desplazamiento variable en una válvula proporcional
Q (l/min)
El constante de resorte de válvulas proporcionales son normalmente mas grandes que en válvulas ON/OFF
•
El embolo de válvulas proporcionales tiene una geometría
Relación Corriente – Caudal de una válvula proporcional
que permite un flujo proporcional al desplazamiento del embolo a condición de presión constante
I (A)
Elementos de control y mando Válvulas de vías Simbología y nomenclatura de válvulas de vías Número de puertos o vías: dos, tres, cuatro
Número de posiciones discretas: dos y tres
Válvulas proporcionales (dosificación variable)
Válvulas normalmente cerrado, normalmente abierto
Válvulas de tres vías con varios posiciones discretas
Válvulas de 4 vías y 3 posiciones en posición centrada Método de actuación: manual, pilotado, solenoide y combinaciones
Elementos de control y mando Válvulas de vías Control directo del cilindro con una válvula de vías
Válvula de vías 4/2
Válvula de vías 4/2
Posición desactivada
Diagrama hidráulico
Posición activada
(Estado 0)
con símbolos ISO
(Estado 1)
Elementos de control y mando Válvulas de vías Nomenclatura de válvulas de vías Número de puertos Número de posiciones
Válvula de 2/2 vías Posición inicial cerrado (tope)
Válvula de 2/2 vías Posición inicial abierto
Número de puertos Número de posiciones
Válvula de 4/2 vías
Válvula de 5/2 vías
Válvula de 3/2 vías Posición inicial cerrrada Válvula de 4/3 vías Posición céntrico en bloqueado
Elementos de control y mando Válvulas de vías Accionamiento de válvulas de vías Accionamiento Esfuerzo muscular
Accionamiento Mecánico
• General
• Retorno de muelle
• Con botón
• Centrado con muelle
• Con palanca
• Con rodillo • Rodillo con accionamiento
• Pedal
Accionamiento eléctrico / hidráulico
unidireccional
Ejemplos:
• Electrico (solenoide)
• Hidraulico • Combinado Electro-
hidraulico
Válvula de 4/3 vías con dos solenoides, accionamiento directo, posición central cerrada, centrada por muelle
Válvula de 4/3 vías, accionamiento hidráulico, posición central a descarga, centrada por muelle
Elementos de control y mando Válvulas de vías Actividad 1: Circuitos hidráulicos control directo con válvulas de vías Elaborar tres circuitos de control directo en FluidSIM con las configuraciones indicadas En simulación: 1. Activar con un impulso los botones 2. Activa los botones hasta que el cilindro llega a su punto de extensión máxima 3. Observar el comportamiento del movimiento del cilindro en cada situación 4. Observar las presiones en la ramas
Cilindro de simple efecto Carga de 500N Válvula de 2/2 vías con botón y retorno con muelle, normalmente cerrada Manómetro Grupo motriz
Cilindro de simple efecto Carga de 500N Válvula de 3/2 vías con botón y retorno con muelle, normalmente cerrada Manómetro Grupo motriz
Cilindro de simple efecto Carga de 500N Válvula de 3/2 vías con botón y retorno con muelle, normalmente abierto Manómetro Grupo motriz
Elementos de control y mando Válvulas de vías Actividad 2: Circuitos hidráulicos control directo con válvulas de vías Elaborar tres circuitos de control directo en FluidSIM con las configuraciones indicadas En simulación: 1. Activar con un impulso los botones 2. Activar los botones hasta que el cilindro llega a su punto de extensión máxima 3. Variar la carga: 0N, 500N, 1200N, mayor que 1200N 4. Observar el comportamiento (posiciones intermedio si /no, velocidades) del movimiento del cilindro en cada situación 5. Observar las presiones en cada rama
Cilindro de doble efecto Carga de 500N Válvula de 4/2 vías accionada con dos botones Grupo motriz
Cilindro de doble efecto Carga de 500N Válvula de 4/3 vías posición central cerrada, centrada por muelle, accionada con dos botones Grupo motriz
Cilindro de doble efecto Carga de 500N Válvula de 4/2 vías, posición central a descarga, centrada por muelle, accionada con dos botones Grupo motriz
Elementos de control y mando Válvulas de bloqueo Válvula check (Válvula antiretorno) Válvulas de bloqueo forman un subgrupo de válvulas direccionales. En general válvulas de bloqueo permite el flujo solamente de un sentido Válvulas de bloqueo se accionan de manera directo o por pilotaje
Válvula de antiretorno.
Válvula Bypass: Válvula de antiretorno
Reduccion de caudal
con muelle.
en un sentido Válvula Antiretorno con muelle
Caudal completo en otro sentido
Elementos de control y mando Válvulas de bloqueo Aplicaciones de la válvula check (Válvula Anti-retorno)
Aplicación de la válvula check en el
Aplicación de la válvula check en el ducto de
ducto cerca de la bomba hidráulica:
regreso al tanque para hacer contrapresión al
Evitar el vaciado de la bomba.
cilindro: Evita el cambio abrupto de presión al abrir la válvula de control
Elementos de control y mando Válvulas de bloqueo Válvula check (Válvula antiretorno) piloteado con control remoto Control remoto Válvula check desbloqueable Entrada A
(«Pilot to open»): • Sin señal en la válvula piloto: Válvula actúa
Válvula piloto: (Control remoto para cerrar «pilot to close»)
Entrada P
como válvula check • Con señal en la válvula piloto : Válvula abre
en dos direcciones
Símbolo («Pilot to open»)
Drenaje (tanque)
Control remoto Válvula check desbloqueable («Pilot to close»): • No hay señal en la válvula piloto: válvula
Drenaje (tanque)
Válvula piloto: (Control remoto para abrir «pilot to open»)
actúa como válvula check • Si hay señal en la válvula piloto : Válvula
permite un flujo en ninguna dirección
Símbolo («Pilot to close»)
Elementos de control y mando Válvulas de bloqueo Válvula de simultaneidad (AND) y Válvula Selectora (OR) Válvula de simultaneidad • Salida únicamente si hay presión
en ambas entradas (estado 1) • Compuerta lógica AND
Válvula selectora • Salida cuando por lo menos en una
entrada hay presión alta (estado 1) • Compuerta lógica OR
Elementos de control y mando Válvulas de bloqueo Actividad 3a: Circuitos con válvulas antiretorno Elaborar y simular los dos circuitos de control directo en FluidSIM con las configuraciones indicadas 1. Observar el comportamiento (velocidad ) del cilindro en cada situación 2. Observar las presiones en la ramas 3. Formular conclusiones Válvula antiretorno estranguladora abertura 100% Porque las velocidades de ida y vuelta son diferentes? Anotar presiones de los manómetros y concluir el comportamiento
Simular con 30% de abertura (estrangulamiento 70%) Observar las velocidades de ida y vuelta y describir el comportamiento de la válvula antiretorno-estrangulador Anotar presiones de los manómetros y concluir el comportamiento. Cambiar la posición de la válvula antiretorno-estranguladora que las velocidades ida y vuelta sean iguales
Elementos de control y mando Válvulas de bloqueo Actividad 3b: Circuitos con válvulas antiretorno Elaborar y simular los dos circuitos de control directo en FluidSIM con las configuraciones indicadas 1. Observar el comportamiento (velocidad ) del cilindro en cada situación 2. Observar las presiones en la ramas 3. Formular conclusiones Circuito con cilindro con carga de 0N: Observar el cambio de presión en la ida y la vuelta en la entrada del cilindro: Calcular la presión diferencial ida-vuelta
Circuito con válvula antiretorno 5bar carga 0N: Observar presión de ida y vuelta en la entrada del cilindro. Calcular presión diferencial de ida y vuelta. (La válvula antiretorno actúa como un freno evitando el cambio de presión brusco)
Elementos de control y mando Válvulas de bloqueo Actividad 4: Circuitos con válvula selectora Elaborar y simular los dos circuitos de control directo en FluidSIM con las configuraciones indicadas 1. Activar con un impulso los botones 2. Observar el comportamiento del movimiento del cilindro en cada situación 3. Formular conclusiones
Cilindro de simple efecto con una carga de 100N
Instalar una válvula selectora.
El cilindro debe avanzar con la señal en una de
Señal en una o en dos de las válvulas de 3/2 vías
las dos válvulas de 3/2 vías.
Observar el comportamiento
Observar el comportamiento
Elementos de control y mando Válvulas de control de presión
Válvulas de control de presión
Con válvulas de control de presión se limita (se controla) la fuerza que se genera en el sistema o en los actuadores.
Válvulas de control de presión tienen dos o tres puertos (vías). Tipos de válvula de control de presión: •
Válv ul a de aliv io :
Es una válvula que se encuentra en todos los circuitos hidráulicos. Limita la presión del sistema salida, descargando el exceso de flujo al deposito. Es una válvula importante que aumenta la seguridad . Es una válvula normalmente cerrada •
Válvu la red uc tor a de p resi ón
Regula la presión del sistema a un valor contante, descargando el exceso de flujo al deposito. Es una válvula normalmente abierta
Elementos de control y mando Válvulas de control de presión
Válvula de alivio
Resorte
Tronillo de ajuste de la presión
Posición abierta
Tanque Símbolo
Circuito con válvula de vías 4/3 posición central cerrada: La presión aumenta ……
hasta se revienta el ducto
Como evitar un daño en el circuito ? Paso paralelo con una válvula de alivio entre la bomba y el tanque para descargar el fluido.
La válvula de alivio de actuación directa: Válvula de cabezal donde la presión de alivio establecido por la fuerza del resorte
Elementos de control y mando Válvulas de control de presión Funcionamiento válvula de alivio actuación directa y válvula de alivio actuación indirecta Resorte
Válvula de actuación directa:
La válvula de alivio de actuación directa podría ser ruidosa por inestabilidades Se utiliza para presiones bajas
Cabezal
Símbolo
La presión de inicio de abertura (cracking pressure) es más alta que la presión de funcionamiento (working pressure)
Válvula de actuación indirecta:
Línea de flujo Resorte 2
La fuerza generado por la presión del fluido que entra por el orificio A través y la fuerza del resorte 1 mantienen la válvula de carrete cerrada. Aumentando la presión la válvula de cabezal se abre el drena el pequeño flujo al tanque ( ≈ 0) La presión en B baja abruptamente y se abre la válvula de embolo Ventajas: Menos sensible en relación del caudal (mas cerca de la característica ideal); mas estable
Válvula de Cabezal Resorte 1 Válvula de embolo
Elementos de control y mando Válvulas de control de presión Tipos de válvula de alivio Válvula de alivio simple de actuación directo (simple direct-acting relief valve) no tiene un tornillo de ajuste de la presión , por lo cual se abre con una presión dada por la fuerza del resorte
Válvula de alivio ajustable de actuación directa (adjustable, direct-acting relief valve) bloquea el flujo a través de la válvula hasta la fuerza del sistema sobre el cabezal es igual a la fuerza del resorte ajustable con el tornillo
La válvula de alivio pilotado (Pilot-operated relief valve) con un orificio en el pistón se mantienen cerrada por la fuerza de un resorte ligera y la presión del sistema hasta que se abre la válvula del piloto
Elementos de control y mando Actividad 5: Válvula de alivio
Válvulas de control de presión
Elaborar y simular el circuito de control directo en FluidSIM con las configuraciones indicadas 1. Limitar la presión en la válvula de alivio a 35bar y 2l/min y grupo motriz 60bar y 2l/min 2. Simular funcionamiento observar presiones y apertura de la válvula de alivio 35bar 3. Aumentar el flujo del grupo motriz a 8l/min: simular el funcionamiento observar presiones y apertura de la válvula de alivio 4. Reducir el caudal de la motriz de nuevo a 2l/min 5. Aumentar carga a 1000N 6. Ajustar presión de la válvula de alivio hasta que el cilindro se mueve de nuevo: Cuál es la presión? 7. Conclusiones
Elementos de control y mando Válvula reductora de presión
Válvulas de control de presión
Limita y mantiene la presión de salida, incluso cuando la presión de entrada sea mayor. Es una válvula normalmente abierta En el caso de mayor presión en la entrada se descarga el exceso de flujo se descarga al tanque . descargando el exceso de flujo al deposito Característica de funcionamiento: Cuando la presión de salida es menor que la presión establecido por el resorte la válvula esta abierta y el embolo no se mueve Cuando la presión de salida aumenta debido al aumento de la presión de entrada o la presión de carga, el embolo empieza a moverse en contra de la fuerza del resorte y restringe el paso (Diagrama de presión IN / OUT)
Símbolo
Elementos de control y mando Diferencias: Válvula de alivio - Válvula reductora de presión Válvula de alivio
Válvulas de control de presión
Válvula reductora de presión
Normalmente cerrado
Normalmente abierto
Sensado de la presión en la entrada de la
Sensado de la presión en la salida de la válvula
válvula (IN).
(OUT).
Drenado interno
Drenado externo al tanque Montaje mas cercano que posible al dispositivo donde se requiere la reducción del la presión
La válvula reductora de presión de actuación directa se mantiene abierta por la fuerza de un resorte. Al incrementar la presión en la
Sensado
salida el embolo se mueve a la derecha cerrando parcialmente la salida
pIN
pOUT
Drenado
Elementos de control y mando Válvulas de control de presión
Funcionamiento de la válvula reductora de presión
Funcionamiento: Mientras la presión es p IN es mas baja que la presión limite (Setpoint) el embolo de la válvula no se mueve se mantiene completamente abierta La presión actúa también sobre el embolo (sensado) Presión IN
Drenaje (Tanque)
En el punto de la presión limite el embolo empieza a desplazarse por la igualdad de
Presión OUT
fuerzas del resorte vs fuerza debido a la presión en el sistema) Partes del fluido se drena al Tanque manteniendo pOUT constante
Elementos de control y mando Válvulas de control de presión Aplicación de la válvula de alivio y la válvula reductora de presión en un circuito hidráulico
Válvula reductora de presión (b) Función: Reducir la presión en una parte del circuito (Cilindro B)
Válvula de alivio (a) Función: • Limitar presión máxima en el sistema • Evitar que la bomba trabaja contra
válvulas cerradas • Evitar sobrepresión en el sistema
Elementos de control y mando Válvulas de control de presión
Actividad 6: Válvula reductora de presión
Tarea: Elabora un circuito con dos cilindros de 2.01cm 2 de superficie. El cilindro A debe tener una fuerza máxima de 1000N el cilindro B debe tener una fuerza máxima de 400N Diseña el circuito de control directo con una válvula 4/3 posición central cerrada centrada con muelle una válvula limitadora y una válvula reguladora de presión con una válvula antiretorno. Visualiza las presiones 1. Cálculos de presión en el cilindro =
=
=
=
1000 0.002 400 0.002
= 5 ∙ 10
= 2 ∙ 10
= 50
= 20
2. Circuito
Elementos de control y mando Válvulas de control de caudal Válvulas de control de caudal: Válvulas estranguladoras no compensados
Válvulas de control de presión
La fuerza de los actuadores
controlan / regulan Válvulas de control de caudal
Caudal reducido
Válvula estranguladora
La velocidad de actuadores
Caudal reducido
Caudal no reducido
Válvula estranguladora con válvula antiretorno
Elementos de control y mando Actividad 7: Válvulas de control de caudal
Válvulas de control de caudal
Elaborar en FluidSIM el circuito mostrado con un medidor de flujo y una válvula estranguladora Simulación: 1. Carga CERO: Anotar las presiones antes del estrangulador, en el cilindro, la diferencial, y el flujo 2. Carga 1000N: Anotar las presiones antes del estrangulador, en el cilindro, la diferencial, y el flujo
= 1.16/
= 0.46/
= 3.52
= 59.39
∆ = − = 54.81
∆ = − = 8.52
= 58.33
= 50.87
Conclusión •
El caudal es en función de la presión diferencial sobre la válvula estranguladora
•
Presión diferencial alto: Caudal grande
•
Presión diferencial pequeño: Caudal reducido
Elementos de control y mando Válvulas de control de caudal Válvulas de control de caudal no compensado El caudal depende de la presión diferencial generado por la válvula estranguladora La válvula no puede realmente controlar el caudal con variaciones de la presión diferencial, debido de cargas variables en el actuador. Las válvulas de caudal no compensado se especifican a menudo en función del la presión diferencial:
/
Cilindro con poca carga: Presión diferencial grande = 50
= 10
= 40 ∙
1/ 1
∆ = 40
= /
;
Ejemplo:
∆
1/ 1
Cilindro con carga: Presión diferencial pequeña = 50
= 40
= 10 ∙
1/ 1
∆ = 10
= /
Conclusión: El control de la velocidad uniforme de actuadores con cargas variables no se puede lograr con válvulas de caudal con presión no compensadas.
Elementos de control y mando Válvulas de control de caudal
Válvula reguladora de caudal con compensación de presión
La válvula reguladora de caudal con compensación de presión es un dispositivo que también se ajusta el caudal con una aguja manualmente ajustable o por control remoto. Cuenta adicionalmente con un embolo que regula la diferencia de presión Dp sobre la válvula de tal manera que se mantiene el caudal constante a pesar de cambios de presión en la entrada o salida . pSalida=10bar
Émbolo regulador de caudal
pSalida=10bar
Fresorte
FpEntrada
FpEstragulador
pSalida=10bar
pSalida=30bar
p=40bar
D
p=20bar
D
Aguja reguladora de caudal pEntrada=30bar
pEntrada=50bar
El aumento de la presión en la entrada genera una presión diferencial mayor. En consecuencia aumentaría el caudal. Pero el embolo se desplaza a la derecha debido al la mayor fuerza sobre el embolo y estrangula adicionalmente el caudal compensando el efecto del aumento de presión diferencial
Elementos de control y mando Válvulas de control de caudal Válvula reguladora de caudal con compensación de presión El cambio en la carga genera un cambio de presión diferencial Dp sobre la válvula no
Tornillo de ajuste de flujo
Embolo de compensación Entrada
Resorte de 100 psi
compensada y por tanto, disminuye el caudal. En el caso del cambio de carga en una válvula Salida Sensado de la presión de salida
reguladora de caudal con compensación de presión, el embolo del compensador se
1. Cambio de carga
desplaza •
a la izquierda, cuando aumenta la presión en la salida
•
3. ..y el embolo compensador se traslada, aumentando o disminuyendo el flujo…
4. manteniendo la diferencia entre los dos presiones a un valor constante (fuerza del resorte)
se desplaza a la derecha cunado disminuye la presión de salida
Se mantiene la presión diferencial sobre el tornillo de ajuste de caudal constante
2. Genera un cambio de presión en la salida…
Elementos de control y mando Válvulas de control de caudal Característica de flujo –Válvula reguladora de caudal con compensación de presión El caudal a través de un orificio o cualquiera restricción como válvulas es en función del área de la apertura y la presión diferencial a través del dispositivo (o orificio) El diagrama muestra la característica del caudal en válvulas reguladora de caudal con presión compensada y no compensada La relación entre caudal y apertura y presión
Q l a d u a C
Característica sin compensación de presión
diferencial no es lineal:
Q K A( x s ) Característica con compensación de presión
Q
Caudal (l/min)
D p
Presión diferencial Dp
A( x s ) Apertura A en función de distancia xS K
Presión diferencial Dp
D p
Constante de la válvula
Elementos de control y mando Válvulas de control de caudal
Diseños de válvulas de control de caudal
1. Válvula no compensada (válvula estranguladora): • Aguja con ajuste manual. • Área de orificio aproximadamente proporcional a la posición de la aguja. •
Cambios en la presión en la entrada o salida, provocan variaciones del caudal.
2. Válvula de control de caudal con compensación de presión: •
Para el control de flujo exacto
•
Válvula de regulación de caudal hidromecánica
•
Compensación de presión: Δp sobre un orificio (presión
compensada), constante, ►caudal constante. 3. Válvula tipo bypass •
Apertura de embolo en función de la señal de presión (Feedback) pin y pout
•
Caudal excesivo se drena al tanque.
•
Δp constante
