Hidraulica Industrial.123

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Cilind ros hidr áulico s

Figura 33 - Longitud según el método de fijación

El funcionamiento de los cilindros está previsto solamente para fuerzas longitudinales. Las fuerzas transversales deben ser compensadas mediante guías.

Figura 34 - Ejemplos de casos de fijación

De ser posible deben evitarse los montajes de los casos 3 y 4, puesto que en ellos no se guía correctamente el movimiento y, además, pueden producirse deformaciones por tensiones.

Hidráulica Industrial H-511

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Cilind ros hidr áulico s

Simbología. Cilindros hidráulicos de simple efecto:

Cilindros hidráulicos de doble efecto:


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Motores hidr áulico s

7. MOTORES HIDRÁULICOS. Los motores hidráulicos son componentes del grupo de accionamiento, se trata de elementos de trabajo. Transforman la energía hidráulica en energía mecánica y generan movimientos rotativos. El volumen de absorción de motores hidráulicos se obtiene con base en la presión del sistema y el momento de giro deseado: V

=

M p

El caudal que necesita el motor es calculado con base en el volumen de absorción y las revoluciones deseadas: Q

=

n⋅ V

La fórmula para calcular la potencia mecánica del motor hidráulico: P

=

2π ⋅ n ⋅ M

Para calcular la velocidad angular tenemos: ω =

2π ⋅ n

Los motores hidráulicos se clasifican de la siguiente manera: • •

Motores de accionamiento constante: volumen de absorción constante. Motores regulables: volumen de absorción regulable.


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Motores hidr áulico s

Figura 35 - Clasificación de motores hidráulicos

Simbología. Motores hidráulicos de accionamiento constante:


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Válvul as

8. VÁLVULAS. En los sistemas hidráulicos, la energía es transmitida a través de tuberías entre la bomba y las unidades de trabajo. Para alcanzar los valores requeridos en dichas unidades y para acatar las condiciones operativas prescritas del sistema, se incorporan válvulas en las tuberías para que actúen como unidades de control de la energía. Las válvulas controlan o regulan la presión y el caudal.

Dimensiones nominales. Las dimensiones nominales de las válvulas son determinadas por los siguientes parámetros: • • •

•

• •

Tamaño nominal NG: Diámetros nominales en mm. Presión nominal ND: presión de trabajo expresada en bar o Pascal. Caudal nominal Qn: Cantidad de aceite (l/min) que provoca una pérdida de 1 cuando atraviesa la válvula. Caudal máximo Qmax: cantidad máxima de aceite que puede fluir a través de la válvula. Régimen de viscosidad: de 20 a 230 mm2/s. Régimen de temperatura del fluido: 10° hasta 80°C.

Las válvulas son clasificadas según diversos criterios: • • •

Funciones. Tipo constructivo. Forma de accionamiento.

En concordancia con las funciones que asumen las válvulas en los sistemas hidráulicos, pueden utilizarse las siguientes: • • • •

Válvulas reguladoras de presión. Válvulas de vías. Válvulas de cierre. Válvulas reguladoras de caudal.

Por su tipo de construcción, puede diferenciarse entre válvulas de asiento y válvulas de corredera. Las características de conmutación de las válvulas dependen, además, de las superposiciones de sus superficies y de la geometría de su perfil.


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Válvul as

Válvulas de asiento. Las válvulas de asiento tienen una bola, un cono o con menor frecuencia un disco que hacen las veces de elemento de cierre que es presionado sobre la superficie del asiento respectivo. Las válvulas de este tipo cierran herméticamente.

Figura 36 - Válvulas de asiento

Válvulas de corredera. Estas se clasifican en válvulas de correderas longitudinales y en las de correderas giratorias. Estas últimas están compuestas de uno o más émbolos que giran en un cilindro.

Figura 37 - Válvula de corredera giratoria

Las válvulas de corredera longitudinal están compuestas de uno o más émbolos conectados entre sí y que son desplazados axialmente en un cilindro.


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Válvul as

Figura 38 - Válvula de corredera

Para accionar las válvulas de corredera longitudinal, solo es necesario superar la resistencia que ofrecen la fricción y el muelle. Las fuerzas resultantes de la presión son compensadas por las superficies contrapuestas.

Figura 39 - Fuerza de accionamiento

La corredera debe tener cierta holgura, la que por su parte permite un flujo constante de aceite de fuga, produciéndose así pérdidas del caudal en la válvula. Para evitar que el émbolo no sea presionado contra la pared cilíndrica de la válvula, esta está provista de ranuras en espiral.


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Válvul as

Principio de corredera • • • • •

Flujo de aceite de fuga. Sensible frente a la suciedad. Configuración sencilla. Compensación de presión. Tramos de accionamiento largos.

Principio de asiento • • • • •

Cierre hermético. Indiferente frente a la suciedad. Configuración complicada. Necesidad de prever un sistema de compensación de presión. Tramos de accionamiento cortos.

Sobreposiciones del émbolo. Las características de conmutación de una válvula están determinadas por los perfiles sobrepuestos del émbolo. La sobreposición puede ser positiva, negativa o cero.

Figura 40 - Sobreposición del émbolo

Los tipos de sobreposiciones son un parámetro importante en todas las válvulas y deberán seleccionarse según la aplicación: •

Conmutación con sobreposición positiva: todas las conexiones están bloqueadas brevemente durante el proceso de conmutación. No se produce caída de presión, golpes ocasionados por picos de presión, arranque duro.


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•

•

•

•

Válvul as

Conmutación con sobreposición negativa: todas las conexiones están brevemente conectadas entre sí durante el proceso de conmutación. Se produce una caída de presión breve. Apertura hacia la tubería de presión: la bomba es conectada primero con el elemento de trabajo y a continuación se conecta el elemento de trabajo con la tubería de descarga que lleva al depósito. Apertura hacia la tubería de descarga: el elemento de trabajo es conectado primero al depósito y a continuación se conecta la tubería de alimentación con la bomba. Conmutación con sobreposición cero: posición de canto sobre canto. Característica para conmutaciones rápidas, tramos cortos de conmutación.

En las válvulas de corredera, la sobreposición está determinada por los cantos de control y por la conexión rígida de los émbolos. En las válvulas de asiento se obtiene el tipo de sobreposición deseada en cada momento, puesto que es factible ajustar el tiempo de respuesta de cada una de las válvulas, así mismo, también es posible cambiar los tiempos de respuesta efectuando los ajustes correspondientes.

Perfiles d el émbolo. El perfil de émbolo suele ser de ángulo recto, cónico o provisto de muescas axiales. Estos dos últimos perfiles de los cantos de control permiten que no se estrangule abrupta sino paulatinamente el caudal.

Figura 41 - Perfiles del émbolo

Identificación de las conexiones.


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Válvul as

Existen dos formas de denominar las conexiones: ya sea con las letras P, T, A, B y L ó mediante letras correlativas. Las válvulas tienen diversos estados de conmutación. Para indicar que conexiones están conectadas entre si y cuales bloqueadas, se aplica lo siguiente: •

•

Un guión entre dos letras indica que el paso entre dichas conexiones está abierto. (P-A). Una letra separada de las demás por una coma significa que la conexión en cuestión está bloqueada. (P-A, T).

Ac cionam ien tos d e las válvul as. Existen diversos modo de accionar una válvula, cada uno de los cuales está representado por su correspondiente símbolo: accionamiento manual, mecánico, eléctrico, neumático o hidráulico. Simbología de accionamientos manuales:


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Válvul as direccionales

9. VÁLVULAS DIRECCIONALES. Las válvulas direccionales o de vías son elementos constructivos que modifican, abren o cierran los pasos del flujo en sistemas hidráulicos. Estas válvulas permiten controlar la dirección del movimiento y la parada de los elementos de trabajo.

Figura 42 - Composición de una válvula de vías

Representación gráfica y simbolo gía. Se aplican los siguientes criterios: • • • •

•

•

Cada posición es representada por un cuadrado. Las direcciones y los pasos de flujo son representados por flechas. Las conexiones bloqueadas son representadas por líneas transversales. Las conexiones son representadas por líneas ubicadas en la posición de conmutación respectiva. Las conexiones para el aceite de fuga son representadas por líneas interrumpidas y, además, son caracterizadas con (L) para diferenciarlas de las conexiones de mando. Las posiciones de conmutación son caracterizadas cada una por separado.


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Posiciones de conmutación: Las válvulas de vías pueden ser de funcionamiento continuo (válvulas proporcionales y servoválvulas) o de funcionamiento digital (hidráulica convencional). Las válvulas de vías se clasifican según la cantidad de conexiones y de posiciones:

Figura 43 - Posiciones de conmutación

Figura 44 - Posiciones de conmutación


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Figura 45 – Posiciones de conmutación

Válvul a de 2/2 vías. La válvula de 2/2 vías está provista de una conexión de trabajo (A) y de una de presión (P) y permite un control del caudal cerrado o abriendo el paso. • •

Posición normal: paso de P hacia A bloqueado. Posición conmutada: paso de P hacia A abierto.

Figura 46 - Válvula de 2/2 vías


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Válvula de 2/2 vías, versión con asiento:

Figura 47 - válvula de 2/2 vías, versión con asiento

Válvul a de 3/2 vías. La válvula de 3/2 vías está provista de una conexión de trabajo (A), una de presión (P) y de una para el depósito (T) y permite un control del caudal volumétrico mediante las siguientes posiciones: • •

Posición normal: Conexión P bloqueada y paso abierto de A hacia T. Posición conmutada: Salida T bloqueada y paso abierto de P hacia A.

Las válvulas 3/2 vías también pueden estar abiertas en posición normal, es decir, con paso abierto de P hacia A.

Figura 48 - Válvula de 3/2 vías

Válvul a de 4/2 vías. La válvula de 4/2 vías está provista de dos conexiones de trabajo (A, B), de una de presión (P) y de una conexión para el depósito (T). • •

Posición normal: paso abierto de P hacia B y de A hacia T. Posición conmutada: paso de P hacia A y de B hacia T.


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Figura 49 - Válvula de 4/2 vías con tres posiciones de control

Las válvulas de 4/2 vías también pueden estar provistas de tan solo dos émbolos de maniobra. En ese caso, dichas válvulas no necesitan conexiones para aceite de fuga y, además, la conexión T del depósito y las conexiones de trabajo A y B son controladas por la culata de la válvula.

Figura 50 - válvula de 4/2 vías con dos émbolos

En las fichas técnicas de estas válvulas siempre se indica una presión máxima para la conexión hacia el depósito que es menor a la presión máxima del lado de trabajo, ya que en la conexión T la presión actúa contra la culata. Las posiciones intermedias (sobreposición) son un criterio importante para la elección de una válvula. Tratándose de posiciones que no son realmente efectivas, los cuadrados son más estrechos y tienen líneas intermitentes.


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Figura 51 - Posición de solapamiento válvula de 4/2 vías

Válvulas de 4/3 vías. Las válvulas de 4/3 vías tienen una estructura sencilla si son válvulas de corredera, si son válvulas de asiento su estructura es mas complicada. La posición intermedia está perfectamente definida y es determinada por la aplicación concreta del mando hidráulico. • • • • •

Válvula de 4/3 vías con posición central tandem. Válvula de 4/3 vías con posición central cerrada. Válvula de 4/3 vías con posición central abierta. Válvula de 4/3 vías con posición central de descarga. Válvula de 4/3 vías con posición central de recirculación.

Figura 52- Simbología válvulas 4/3 vías


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En las válvulas de 4/3 vías también suele indicarse las posiciones intermedias (sobreposición).

Figura 53 - Posiciones de solapamiento

Válvula de 4/3 vías con posición central tandem:

Figura 54 - Válvula 4/3 vías, centro tandem

Válvula de 4/3 vías con posición central cerrada:

Figura 55 - Válvula 4/3 vías, centro cerrado


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Válvul as antirretorn o

10. VÁLVULAS ANTIRRETORNO. Las válvulas antirretorno bloquean el caudal en un sentido y permiten el flujo en sentido contrario. El bloqueo debe ser totalmente hermético y sin fugas, por lo que estas válvulas siempre son de asiento.

Construcción. El elemento de cierre (por lo general una bola o un cono) es presionado sobre una superficie de cierre correspondiente. La válvula debe abrir el paso para el caudal, separando el elemento de cierre de su asiento.

Clasificación y simbo logía. Las válvulas de cierre se clasifican en: • •

Válvulas antirretorno con o sin resorte. Válvulas antirretorno bloqueables y desbloqueables.

Figura 56 - Clasificación de válvulas antirretorno

Funcionamiento. Si sobre el cono actúa una presión (p1), este se separa del asiento y abre el paso si la válvula no tiene muelle. En esta operación, p1 tiene que ser superior a p2.


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Válvul as antirretorn o

Figura 57 - Válvula antirretorno con muelle

En una válvula antirretorno con muelle, en la que el cono de cierre no es expuesto solamente a la presión p2, sino también a la fuerza que ejerce el resorte, la válvula abre si: p1 > p2 + pF

La presión que ejerce el resorte es la siguiente: pF

=

Fresorte A cono

Válvula antirretorno desbloqueable. Las válvulas desbloqueables permiten abrir el paso cerrado separando el cono de su asiento.


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Válvul as anti rretorn rret orn o

Funcionamiento. Paso abierto de A hacia B; paso bloqueado de B hacia A.

Figura 58- Funcionamiento de una válvula antirretorno desbloqueable

Si el caudal ha de fluir de B hacia A, deberá separarse el cono de la válvula de su asiento por acción del émbolo desbloqueador. Este recibe presión de la conexión X. Para que el desbloqueo sea seguro, es indispensable que la superficie activa del émbolo de desbloqueo sea mayor a la superficie activa del elemento de cierre. La relación entre estas superficies suele ser de 5:1.


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Válvul as de pres ión

11. VÁLVULAS VÁLVUL AS DE PRESIÓN. PRESIÓN. Las válvulas de presión tienen la función de controlar y regular la presión en un sistema hidráulico en circuitos parciales. •

•

Válvulas limitadoras de presión: permiten ajustar y limitar la presión en un sistema hidráulico. La presión de mando es consultada en la entrada de la válvula. Válvula reguladora de presión: reducen la presión de salida, siendo mas elevada y variable la presión de entrada. La presión de mando es consultada en la salida de la válvula.

Válvulas limitadoras de presión (VLP). Las válvulas limitadoras de presión pueden ser válvulas de asiento o de corredera. En su posición normal actúa un resorte que presiona un elemento de cierre sobre la conexión de entrada o que desplaza una corredera sobre la conexión con el depósito.

Funcionamiento.

Figura 59 - Válvula limitadora de presión

La presión de entrada (p1) actúa sobre la superficie del elemento de cierre de la válvula y genera una fuerza (F). F

=

p1 A1 ⋅

La fuerza del resorte que presiona el elemento de cierre de la válvula sobre su asiento puede regularse.


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Si la fuerza de la presión de entrada es superior a la fuerza del muelle, la válvula empieza a abrir. Entonces, una parte del caudal fluye hacia el depósito. Si la presión de entrada continúa subiendo, la válvula sigue abriendo hasta que la totalidad del caudal fluye hacia el depósito. Las resistencias en las salidas actúan en la superficie A 2. La fuerza generada por estas resistencias tienen que sumarse a la fuerza del resorte. La salida de la válvula también puede estar provista de una compensación de presión. Para evitar oscilaciones causadas por la presión, las válvulas limitadoras de presión frecuentemente están provistas de émbolos de amortiguación y de elementos de estrangulamiento. El sistema de amortiguación genera una apertura rápida de la válvula y un cierre mas lento de la válvula.

Figura 60 - Válvula limitadora de presión con amortiguación

Las válvulas limitadoras de presión con sistema de amortiguación también pueden presentarse con sistemas de control externo.


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Figura 61 - Válvula limitadora de presión, controlada externamente

Ap licacion es d e las VLP. Las válvulas limitadoras de presión son utilizadas como: •

•

•

• •

•

Válvulas de seguridad: una válvula limitadora de presión es calificada de válvula de seguridad, si está montada sobre la bomba para protegerla de una sobrecarga. Válvulas de contrapresión: estas válvulas actúan contra la inercia de las masas oponiéndoseles una carga. La válvula debe tener una compensación de presiones y además, la conexión al depósito debe soportar una carga. Válvulas de freno: estas válvulas evitan picos de presión que pueden surgir a causa de fuerzas de inercia de masas cuando cierra repentinamente otra válvula. Válvulas de secuencia. Válvulas de desconexión: se encargan de desviar una parte del fluido hidráulico hacia el tanque cuando la presión rebasa el valor ajustado en ellas. La desviación del circuito parcial se produce por efecto de una válvula de antirretorno. Válvula de compensación: mantienen la presión de un circuito hidráulico a un nivel constante, incluso si en un circuito parcial baja la presión.

Válvulas regul adoras de pr esión (VRP). Las válvulas reguladoras de presión reducen la presión de entrada hasta alcanzar el valor de una presión de salida previamente ajustada.


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Estas válvulas solo cumplen debidamente con su función si el sistema hidráulico respectivo trabaja con diversas presiones.

Funcionamiento. En posición normal, la válvula está abierta. La presión de salida actúa sobre la superficie del émbolo (1) a través del conducto de mando (3). La fuerza respectiva actúa sobre un resorte ajustable. Si la fuerza sobre el émbolo es mayor que la fuerza ajustada en el resorte, empieza a cerrar la válvula puesto que la corredera de la válvula se desplaza en contra del resorte hasta que vuelva a establecerse un equilibrio de fuerzas.

Figura 62 - Válvula reguladora de presión de 2 vías

De esta manera se reduce el tamaño de la ranura de estrangulamiento, con lo que disminuye la presión. Si aumenta nuevamente la presión en (A), el émbolo cierra totalmente. Sobre la entrada (P) actúa la presión del primer circuito de control. Sobre la salida (A) actúa la presión ajustada en la válvula reguladora de presión. Tratándose de válvulas de corredera, la configuración de los perfiles de control permite adicionalmente regular las características de apertura de tal manera que la ranura abra paulatinamente. De este modo es posible obtener una regulación más exacta y disminuir las vibraciones. Para reducir los aumentos de presión en la conexión de salida, puede utilizarse una válvula de 3 vías reguladora de presión.


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Figura 63 - Válvula reguladora de presión de 3 vías

La válvula de 3 vías provoca un desplazamiento adicional del émbolo al aumentar la presión en la salida (A) por encima del valor ajustado. De este modo se activa la función de limitación de presión abriéndose el paso de A hacia T.

Simbología. Válvulas de presión:


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Válvulas de caudal

12. VÁLVULAS DE CAUDAL. Las válvulas de control y regulación de caudal tienen la finalidad de disminuir la velocidad de un actuador. En consecuencia se aplica el siguiente método para disminuir el caudal dirigido hacia el elemento de trabajo: Una reducción de la sección en la válvula de caudal provoca un aumento de la presión delante de dicha válvula. Esta presión abre la válvula limitadora de presión, con lo que se produce una bifurcación del caudal, la que por su parte tiene como consecuencia que hacia el elemento de trabajo fluya la cantidad necesaria para reducir su velocidad, mientras que el excedente de caudal pasa con la presión máxima a través de la válvula limitadora de presión, con lo que se desaprovecha mucha energía. Para ahorrar energía, puede recurrirse a bombas ajustables mediante presión. Las válvulas que se usan con ese fin se clasifican según su función de control o regulación: • •

Válvulas de control de caudal. Válvulas reguladoras de caudal.

Figura 64 - Clasificación de válvulas de caudal

Válvulas de estrangulamiento y de diafragma. Estas válvulas ofrecen resistencia al flujo. Dicha resistencia es determinada por la sección de la válvula, por su forma geométrica y por la viscosidad del fluido. Cuando este atraviesa la válvula se produce una fricción y un aumento de velocidad, por lo que disminuye la presión. La reducción de la presión causada por la fricción puede compersarse ampliamente mediante la geometría del diafragma. Para obtener una resistencia determinada en el diafragma, es necesario que el


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Válvulas de caudal

caudal se vuelva turbulento aumentando la velocidad del flujo. De este modo, la resistencia del diafragma depende de la turbulencia y es independiente de la viscosidad. En consecuencia, en aquellos casos en los que es necesario que el flujo no dependa de la temperatura y, por lo tanto, de la viscosidad, se recurre a válvulas de diafragma.

Figura 65 - Estrangulamiento y diafragma

No obstante, en muchos sistemas hidráulicos se necesita una reducción considerable y definida de la presión. En esos casos se utilizan válvulas de estrangulamiento. El caudal que atraviesa la válvula de estrangulamiento es determinado por la diferencia de presiones. La relación es la siguiente: Δp =

Q2elemento de trabajo

La válvula limitadora de presión mantiene constante la presión en la tubería de alimentación de la válvula. Al cambiar la solicitación de carga del elemento de trabajo, también cambia la diferencia de presión. En consecuencia, cambia el caudal hacia el elemento de trabajo. Ello significa que estas válvulas no son adecuadas para ajustar el caudal si no es constante la carga.

Válvulas de estrangulamiento regulables. Criterios a tener en cuenta en las válvulas de estrangulamiento regulable: • • • •

Formación de una resistencia. Resistencia constante al cambiar la temperatura del fluido, es decir, independencia de la viscosidad. Ajuste fino. La sensibilidad del ajuste depende de la relación entre las superficies de la sección y de la circunferencia. Método económico.


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Válvulas de caudal

Los diversos tipos constructivos cumplen de diversas formas con estos criterios: • • • • •

Válvula de aguja. Válvula de ranura periférica. Válvula longitudinal. Válvula de sección oblicua. Válvula helicoidal.

Figura 66 - Válvulas de estrangulamiento regulables

Válvula de estrangulamiento y antirretorno. Es una válvula de control del caudal unidireccional. La válvula de estrangulamiento modifica el caudal en un sentido de flujo y en función de la carga. En sentido contrario está abierto totalmente el paso, con lo que no hay variación de caudal. La estrangulación del flujo en la dirección de A hacia B. De B hacia A no se produce estrangulamiento debido a que el cono de cierre de la válvula antirretorno está separado de su asiento, quedando totalmente abierto el paso.


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Válvulas de caudal

Figura 67 - Válvula de estrangulamiento con antirretorno

Válvulas reguladoras de caudal. Si se necesita un caudal constante hacia el elemento de trabajo aunque cambie la carga, es necesario mantener constante la diferencia de presión en el segmento de estrangulamiento. Por esta razón, las válvulas reguladoras de caudal llevan un elemento de estrangulación ajustable (2) y además otro elemento de estrangulamiento regulador (1) que modifica sus resistencias en función de la presión puesta en la salida de la válvula para mantener constante la diferencia de presión en el elemento de estrangulación ajustable (2). La bifurcación del caudal, a carga de la válvula limitadora de presión, es el resultado de la resistencia total de los dos elementos de estrangulamiento.


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Válvulas de caudal

Figura 68 - Válvula reguladora de caudal con compensación de presión de carga

El elemento de estrangulación (1) puede estar incorporado delante o detrás del elemento de estrangulamiento ajustable (2). En posición normal, la válvula está abierta. Cuando fluye el aceite, se forma la presión de entrada p1 delante del elemento de estrangulamiento (2). En el se obtiene una diferencia de presiones Δp; concretamente: p2 < p1. P ara mantener el equilibrio en el elemento de estrangulamiento (1), es necesario incorporar un resorte en F 2. Este resorte proporciona una diferencia de presiones constante por acción del elemento de estrangulamiento (1). Si una carga proveniente del elemento de trabajo actúa sobre la salida de la válvula, el elemento de estrangulamiento (1) reduce la resistencia por un valor equivalente al aumento de la carga. Entonces, el elemento de estrangulamiento (1) se encuentra en estado de equilibrio y la válvula ofrece una determinada resistencia, ajustable mediante el elemento de estrangulamiento (2) según el caudal que se desee obtener. Si aumenta la presión en la salida de la válvula, también aumenta la presión p 2. En consecuencia, cambia la diferencia de presión en el elemento de estrangulamiento ajustable (2). Simultáneamente, p2 actúa sobre la superficie A K2 del cilindro de la válvula. Esta fuerza y la fuerza del resorte actúan sobre el elemento de estrangulación (1). Este abre hasta que vuelva a establecerse un equilibrio entre las fuerzas F 1 y F2, es decir, hasta que la diferencia de presiones en el elemento de estrangulamiento (2) vuelva a ser la original.


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Hidraulica Industrial.123

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