Manual de Hidraulica Industrial

<

<

081 MICRO CAPACITACIÓN

WWW.MICRO.COM.AR

> CURSO 081

>

HIDRÁULICA INDUSTRIAL

< 4

MICRO

Automación Micromecánica s.a.i.c M. Moreno 6546 B1875BLR Wilde . Buenos Aires . Argentina [email protected] . www.micro.com.ar Tel. Ventas: 011 4227 0595 y líneas rotativas . Fax: 011 4206 6281 Conmutador: 0114206 6285 y líneas rotativas . Fax: 011 4206 0228

< PREFACIO

5

Como forma de transmisión de energía, moderna y ratificada en la práctica, la Hidráulica ha ganado un lugar fundamental. Propulsiones y controles hidráulicos han logrado con el correr del tiempo una mayor importancia, en especial en la automatización y la mecanización. Gran cantidad de las más modernas máquinas e instalaciones son controladas -parcial o totalmente- en forma hidráulica. En muchos casos han sido posibles nuevos procesos de automatización sólo con el empleo de controles y regulaciones hidráulicas. El objetivo del curso de “Hidráulica industrial” es conocer los principios físicos, base para el entendimiento de los procesos en los dispositivos y sistemas hidráulicos, asimismo exponer algunas de sus aplicaciones en la industria. Esperamos que el curso sea una herramienta que les permita apropiarse significativamente de las nuevas destrezas y conocimientos. Para contribuir al logro de los objetivos reseñados, sus comentarios al final del curso serán de inestimable utilidad.

Departamento de Capacitación [email protected] www.micro.com.ar

<

MICRO

6

CURSO 081 Hidráulica Industrial 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 1.10 2 2.1 2.2 2.3 3 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 4 4.1 4.2 5 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8

Conceptos fundamentales de la Hidráulica Conceptos básicos. Definiciones Definición de fluido Mecánica de los fluidos Flujos incompresibles y sin rozamiento. Teorema de Bernoulli Ecuación de Continuidad Energía. Energía potencial Tipos de flujo Ventajas de un sistema hidráulico Funciones y características de los fluidos hidráulicos Forma básica de un sistema hidráulico Generadores de presión hidráulica Bombas hidráulicas Clasificación y tipos constructivos Fórmulas de cálculo Depósitos, Filtros y Acumuladores Depósitos Filtros Códigos de contaminación sólida Eficacia de los sistemas Eficiencia de los filtros Acumuladores Actuadores Hidráulicos Actuadores Hidráulicos Clasificación Válvulas Hidráulicas Válvulas Configuración simbólica de una válvula Válvula antirretorno o de retención Tipos constructivos de válvulas direccionales Válvulas a presión Válvulas de caudal Válvulas especiales Tipos de mando

< INDICE

6.8

Accesorios Componentes de enlace Conectores y accesorios para tubos y mangueras Recomendaciones de instalación Cierre y fugas Juntas dinámicas Materiales de las juntas y anillos Prevención de fugas Instrumentos

7

MICRO Capacitación

6 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7

7

8

1

Conceptos fundamentales de la Hidráulica

Introducción 1.1

Conceptos básicos. Definiciones ¿Qué es la hidráulica? La palabra hidráulica procede del vocablo griego “hydor” que en castellano significa “agua”; trataba todas las leyes en relación con el agua. Actualmente se la entiende como la transmisión y control de fuerzas y movimientos por medio de líquidos. Esto quiere decir que se utiliza líquidos para la transmisión de energía. En general se trata de aceite mineral, pero también pueden ser líquidos sintéticos, agua o una emulsión aceite-agua.

En la técnica, instalaciones y mecanismos hidráulicos suelen ser de frecuente empleo. Los encontramos por ejemplo en: • • • • • • 1.1.1

La construcción de máquinas herramientas. La construcción de prensas. La construcción de instalaciones. La construcción de vehículos. La construcción de aviones. La construcción de barcos.

Particularidades especiales que destacan a la hidráulica • • • •

Grandes fuerzas o momento de giro, producidos en reducidos espacios de montaje. Las fuerzas se gradúan automáticamente a las necesidades. El movimiento puede realizarse con carga máxima desde el arranque. Graduación continua simple (ya sea de control o regulación) de la velocidad, momento o fuerza.

La hidráulica combinada con la electrotecnia, la mecánica y la neumática, pueden otorgar buenas soluciones para problemas planteados en las técnicas de automatización.

1.2

<

< 1

CONCEPTOS FUNDAMENTALES DE LA HIDRÁULICA

9

Definición de fluido Un fluido es una sustancia que se deforma continuamente, o fluye, cuando se somete a esfuerzos. El término fluido abarca tanto a gases como a líquidos. Una masa dada de líquido, siempre ocupará un volumen definido (aunque cambie de forma), mientras que el gas siempre ocupará el volumen del recipiente que lo contenga. Los gases son compresibles, mientras que la baja compresibilidad (o deformación volumétrica elástica) de los líquidos, es generalmente despreciada en cálculos, excepto en aquellos relacionados con grandes profundidades (océanos) o en los cambios de presión ocurridos en las tuberías.

1.2.1

Propiedades de los fluidos Los fluidos -como todos los materiales- tienen propiedades físicas que permiten caracterizar y cuantificar su comportamiento, así como distinguirlos de otros. Algunas de estas propiedades son exclusivas de los fluidos y otras son típicas de todas las sustancias. Características como la viscosidad, tensión superficial y presión de vapor sólo se pueden definir en los líquidos y gases. Sin embargo, la masa específica, el peso específico y la densidad son atributos de cualquier materia.

1.2.1.1

Masa Específica, Peso Específico y Densidad Se denomina masa específica a la cantidad de materia por unidad de volumen de una sustancia. Se designa por

y se define: = m/v

El peso específico corresponde a la fuerza con que la tierra atrae a una unidad de volumen. Se designa por _. La masa y el peso específico están relacionados por:

Donde: g

intensidad del campo gravitacional

Se denomina densidad a la relación que existe entre la masa específica de una sustancia cualquiera y una sustancia de referencia. Para los líquidos se utiliza la masa especifica del agua a 4°C como referencia, que corresponde a 1g/cm3, y para los gases se utiliza al aire con masa especifica a 20°C,1,013 bar de presión es 1,204 kg./m3. Viscosidad Imaginemos un bloque sólido (no-fluido) sometido a una fuerza tangencial, por ejemplo una goma de borrar sobre la que se sitúa la palma de la mano que empuja en dirección paralela a la mesa, en este caso el material sólido opone una resistencia a la fuerza aplicada, pero se deforma, tanto más cuanto menor sea su resistencia. Si imaginamos que la goma de borrar está formada por delgadas capas unas sobre otras, el resultado de la deformación es el desplazamiento relativo de unas capas respecto de las adyacentes.

< 10

MICRO

En los líquidos, el pequeño rozamiento existente entre capas adyacentes se denomina viscosidad. Es su pequeña magnitud la que le confiere al fluido sus peculiares características; así por ejemplo si arrastramos la superficie de un líquido con la palma de la mano como hacíamos con la goma de borrar, las capas inferiores no se moverán, o lo harán mucho más lentamente que la superficie, ya que son arrastradas por efecto de la pequeña resistencia tangencial, mientras que las capas superiores fluyen con facilidad. Los fluidos de alta viscosidad presentan una cierta resistencia a fluir; los fluidos de baja viscosidad fluyen con facilidad. La fuerza con la que una capa de fluido en movimiento arrastra consigo a las capas adyacentes de fluido determina su viscosidad, que se mide con un recipiente (viscosímetro) que tiene un orifico de tamaño conocido en el fondo. La velocidad con la que el fluido sale por el orifico es una medida de su viscosidad. 1.3

Mecánica de los fluidos La mecánica de los fluidos es el estudio del comportamiento mecánico de los fluidos, tanto si se encuentran en estado de agregación líquido como gaseoso. A su vez ésta se divide en: • Hidromecánica. • Aeromecánica. En el presente tratado nos ocuparemos únicamente del primer aspecto. La hidromecánica analiza los líquidos y gases en reposo a bajas velocidades en las que pueden ser considerados incompresibles. A su vez comprende la: a) Hidrostática. b) Hidrodinámica. a) Hidrostática. La hidrostática es la parte de la física que estudia los fluidos (líquidos) en equilibrio. En la mayoría de los casos, las fuerzas que actúan sobre un punto del fluido son las de presión y de gravedad. Algunos cuerpos pueden flotar en un líquido y otros se hunden. Cuando el empuje del líquido es mayor que el peso del cuerpo, éste es sacado a flote. Si el empuje es menor que el peso, el cuerpo se hunde. El equilibrio se produce cuando el empuje es igual a su peso. Ejemplo Los elevadores hidráulicos (“gato” hidráulico) en los puestos de gasolina; o los sistemas de frenos. Dentro del campo de la hidrostática es necesario definir algunos conceptos base, que facilitarán la comprensión de la misma.

<

< 1


11

Presión hidrostática ¿Qué es la presión? ¿Cómo actúa? Para no hundirse en la nieve es conveniente usar unas raquetas especiales de mayor superficie de apoyo que los zapatos. Por el contrario, los zapatos de tacón fino deforman el suelo y se hunde con mucha facilidad. Teniendo en cuenta lo anteriormente dicho podemos afirmar lo siguiente: Si una fuerza actúa sobre una superficie pequeña, su efecto deformador es grande. Si una fuerza actúa sobre una superficie grande, su efecto deformador es pequeño.

P=F S

El poder deformador de una fuerza se “reparte” en la superficie sobre la que actúa. La magnitud escalar que mide este “reparto” es la presión, que se define como la “fuerza aplicada” perpendicularmente sobre cada unidad de superficie. Se obtiene dividiendo la Fuerza perpendicular (F) entre la Superficie (S).

Un fluido pesa y ejerce presión sobre las paredes, sobre el fondo del recipiente que lo contiene y sobre la superficie de cualquier objeto sumergido en él. Esta presión, llamada presión hidrostática, provoca en fluidos en reposo una fuerza perpendicular a las paredes del recipiente o a la superficie del objeto sumergido, sin importar la orientación que adopten las caras. Si el líquido fluyera, las fuerzas ya no serían perpendiculares a las superficies. Expresión matemática La presión hidrostática en un punto del interior de un fluido en reposo es directamente proporcional a la densidad (d) del fluido, y a la profundidad (h).

Donde: P presión densidad g gravedad h altura

< 12

MICRO

Observando esta expresión podemos decir que, comparando recipientes con el mismo líquido, la presión pasa a ser solamente función de la altura de la columna (h).

Estudiando los recipientes de la figura siguiente que contienen el mismo líquido, deducimos que ejercen la misma presión sobre las bases, ya que todos tienen iguales superficies de apoyo y alturas de columna.

Ley de Pascal La ley más elemental de la física -referida a la hidráulica y neumática- fue descubierta y formulada por el físico-matemático francés Blas Pascal en 1653, y denominada Ley de Pascal, que dice: “La presión hidrostática ejercida sobre un líquido en reposo, es la misma en cualquier punto y dirección, y se transmite ejerciendo fuerzas iguales sobre superficies iguales del recipiente.” El Principio de Pascal se usa frecuentemente en dispositivos que multiplican una fuerza aplicada y la transmiten a un punto de aplicación. Los ejemplos más comunes incluyen el gato hidráulico, el freno de aire, los frenos hidráulicos y la silla de los dentistas, entre otros tantos.

<

< 1


13

Presión por fuerza externa Observando la fuerza (F) de la figura anterior que actúa sobre el pistón de sección A, ésta produce una presión (P) en toda la masa liquida, que es proporcional al valor de la fuerza e inversamente proporcional al área del pistón.

Se desprecia la presión de la columna, ya que ésta es ínfima.

10 m de columna H2O = 1 bar Como la unidad de presión Pascal [Pa] es muy pequeña, se utiliza el bar siendo 1 Bar = 100.000 Pa. Recuerde que... La fuerza es una influencia capaz de producir un cambio en el cuerpo de una masa, mientras que la presión es la intensidad de una fuerza. Prensa Hidráulica Las prensas hidráulicas en general son sistemas multiplicadores de fuerza, construidas sobre la base del Principio de Pascal. Una de sus tantas aplicaciones, como mencionamos anteriormente, la encontramos en los puestos de gasolina. El denominado “gato” hidráulico empleado para elevar coches en los talleres es una prensa hidráulica. Consiste en un depósito con dos émbolos de distinta sección conectados a él, que permite amplificar la fuerza aplicada en el émbolo pequeño; otorgando por consiguiente una ventaja mecánica. La prensa no solo amplifica la fuerza, sino que cambia la dirección de aplicación.

Realizando una fuerza (F1) sobre el émbolo de sección (A1) producimos una presión (P), que actúa uniformemente en todo el líquido contenido en el dispositivo, por lo tanto, sobre la sección (A2) del émbolo mayor. Las fuerzas son proporcionales a las superficies en que actúan. En estos sistemas la presión depende de la carga actuante y de la superficie del pistón. Lo que equivale a decir que ésta aumentará hasta vencer a la carga (F2).

< 14

MICRO

Los espacios recorridos por los émbolos S1 y S2 están en relación inversa a sus superficies, por lo tanto lo que se gana en fuerza se pierde en desplazamiento.

Principio de transmisión de presión Dos émbolos de distintos tamaños están unidos por una barra. Si sobre la superficie (A1) actúa la presión (p1), se obtiene en el émbolo grande la fuerza (F1). Esta fuerza es transmitida por la barra al émbolo pequeño y actúa sobre la superficie (A2) produciendo la presión (p2).

b) Dinámica de los fluidos o Hidrodinámica La hidrodinámica trata los movimientos de los fluidos que están sometidos a la acción de fuerzas y de los cuerpos en ellos sumergidos. Para desplazarse a través del líquido, además de la fuerza de empuje, el cuerpo se encuentra con una fuerza de resistencia que se opone a su avance. Es por eso que, para facilitar su desplazamiento, el cuerpo debe tener la forma más adecuada posible para reducir al mínimo la resistencia del líquido durante el avance (forma hidrodinámica). Ejemplo La transformación de la energía de movimiento (cinética) en las turbinas de las usinas eléctricas. 1.4

Flujos incompresibles y sin rozamiento. Teorema de Bernoulli Estos flujos cumplen el llamado Teorema de Bernoulli, que afirma que la energía mecánica total de un flujo es incomprensible y no viscosa (sin rozamiento) es constante a lo largo de una línea de corriente. Las líneas de corriente son líneas de flujo imaginarias que siempre son paralelas a la dirección del flujo en cada punto, y en el caso de flujo uniforme coincide con la trayectoria de las partículas individuales de fluido.

<

<

1


15

El Teorema de Bernoulli implica una relación entre los efectos de la presión, la velocidad y la gravedad, e indica que la velocidad aumenta cuando la presión disminuye. Este principio es importante para predecir la fuerza de sustentación de un ala en vuelo. 1.5

Ecuación de Continuidad La Ecuación de Continuidad o Conservación de Masa es una herramienta muy útil para el análisis de fluidos que fluyen a través de tubos o ductos con diámetro variable. En estos casos, la velocidad del flujo cambia debido a que el área transversal varía de una sección del ducto a otra. Si se considera a un fluido con un flujo estable a través de un volumen fijo como un tanque con una entrada y una salida, el caudal que pasa a través de él deber ser constante. La ecuación de continuidad es empleada para el análisis de boquillas, toberas y altura de alabes de turbina a reacción, entre otros.

1.6

Energía. Energía potencial Se dice que un objeto tiene energía cuando está en movimiento y realiza una fuerza, pero también puede tener energía potenciada, que es la energía asociada con la posición del objeto. Ejemplos Un ladrillo pesado sostenido en alto tiene energía potencial debido a su posición con relación al suelo. Posee la capacidad de efectuar trabajo porque si se suelta caerá al piso debido a la fuerza de gravedad; pudiendo realizar trabajo sobre otro objeto que se interponga en su caída. Un resorte comprimido tiene energía potencial.

< 16

MICRO

1.6.1

Ecuación de la energía (Ecuación de Bernoulli) Todo flujo de líquido que circula en una cañería se encuentra sometido a un valor de energía total; que resulta de la suma de la energía potencial y energía cinética o del movimiento. A su vez la energía total está compuesta por: • Energía potencial: Energía de posición, Ee, en función de la altura de la columna de fluido. Energía de presión, Ep, (presión estática). La energía potencial resulta de la suma de la de posición (Ee) y de la presión (Ep). •∑ Energía cinética, energía en movimiento en función de la velocidad del flujo (presión dinámica). La ecuación de la energía nos dice que en un flujo el valor total de la energía permanece constante, siempre que no haya intercambio con el exterior.

1.6.2

Pérdida de energía por fricción o pérdida de carga La pérdida de carga (o energía) se manifiesta cuando el fluido está en movimiento, ya que provoca una fricción contra las paredes del conducto, que produce calor, y por lo tanto una transferencia de energía con el medio a través de las paredes del conducto, transformándose esta pérdida energética en caída de presión de la masa fluida.

<

<

1


17

Las pérdidas por fricción en una cañería dependen de los siguientes parámetros: • • • • • • •

Rugosidad del caño. El material de que está construido el tubo. El estado de la tubería (nueva, vieja, con incrustaciones, etc.). Longitud del caño. Cantidad de accesorios (codos, curvas, tes, reducciones, etc.). Diámetro del caño. Caudal circulante.

A la caída de presión que provocan los rozamientos se la denomina _p (delta p).

La caída se genera solamente en fluidos en movimiento, por lo tanto si se cierra la circulación (v=0), no se produce ningún rozamiento, entonces la presión es la misma antes y después del punto de circulación.

< 18

MICRO

1.7

Tipos de flujos Cuando entre dos partículas en movimiento existe gradiente de velocidad, o sea que se mueve más rápido que la otra, se desarrollan fuerzas de fricción que actúan tangencialmente a las mismas. Las fuerzas de fricción tratan de introducir rotación entre las partículas en movimiento, pero simultáneamente la viscosidad trata de impedir la rotación. Dependiendo del valor relativo de estas fuerzas se pueden producir diferentes estados de flujo. a) Flujo Laminar Cuando el gradiente de velocidad es bajo, la fuerza de inercia es mayor que la fricción, las partículas se desplazan pero no rotan, o lo hacen pero con muy poca energía. El resultado final es un movimiento en el cual las partículas siguen trayectorias definidas y todas las partículas que pasan por un punto en el campo del flujo siguen la misma trayectoria. Este tipo de flujo fue identificado por Reynolds y se denomina “Laminar”, queriendo significar con ello que las partículas se desplazan en forma de capas o láminas.

b) Flujo Turbulento Al aumentar el gradiente de velocidad se incrementa la fricción entre partículas vecinas al fluido, y éstas adquieren una energía de rotación apreciable, la viscosidad pierde su efecto, y debido a la rotación las partículas cambian de trayectoria. Al pasar de unas trayectorias a otras, las partículas chocan entre sí y cambian de rumbo en forma errática. Este tipo de flujo se denomina “Turbulento”.

<

<

1


19

El flujo “Turbulento” se caracteriza porque: • Las partículas del fluido no se mueven siguiendo trayectorias definidas. • La acción de la viscosidad es despreciable. • Las partículas del fluido poseen energía de rotación apreciable, y se mueven en forma errática chocando una con otras. • Al entrar las partículas de fluido a capas de diferentes velocidades, su momento lineal aumenta o disminuye, y el de las partículas vecina lo hacen en forma contraria. Cuando las fuerzas de inercia del fluido en movimiento son muy bajas, la viscosidad es la fuerza dominante y el flujo es laminar. Cuando predominan las fuerzas de inercia el flujo es turbulento. Para números de Reynolds bajos el flujo es laminar, y para valores altos el flujo es turbulento. Reynolds, mediante un aparato sencillo, fue el primero en demostrar experimentalmente la existencia de estos dos tipos de flujo. Mediante colorantes agregados al agua en movimiento, Reynolds demostró que en el flujo laminar las partículas de agua y colorante se mueven siguiendo trayectorias definidas sin mezclarse, en cambio en el flujo turbulento las partículas de tinta se mezclan rápidamente con el agua. Experimentalmente se ha encontrado que en tubos de sección circular, cuando el número de Reynolds pasa de 2.400, se inicia la turbulencia en la zona central del tubo, sin embargo este límite es muy variable y depende de las condiciones de quietud del conjunto. Para números de Reynolds mayores de 4.000 el flujo es turbulento. Recuerde que... La inercia es la tendencia de los cuerpos a mantener su estado de movimiento, el cual no se modifica a menos que actúen fuerzas externas. 1 . 7. 1

Número de Reynold Para determinar cuándo por una tubería circula un flujo laminar o un flujo turbulento se recurre a un factor adimensional llamado Número de Reynold; cuya expresión para una sección circular es la siguiente.

V = Velocidad del flujo [m/s]

Diámetro hidráulico [m]. En sección circular coincide con el diámetro del conducto. Donde:

< 20

MICRO

El Número de Reynold conocido como crítico, característico de la sección circular, es aquel en el cual el flujo pasa de laminar a turbulento.

Re < Rc

Régimen laminar

Re > Rc

Régimen turbulento

Cálculo de pérdida de carga:

Donde:

Establecido el tipo de flujo (laminar o turbulento) se calcula el coeficiente de resistencia. Para flujo laminar:

Para flujo turbulento:

La longitud equivalente (Le) se determina como la suma de los metros de cañería recta (L) más los metros equivalentes definidos por los accesorios y elementos que influyen en la circulación del fluido (Lac).

De la siguiente expresión se obtiene la longitud equivalente de accesorios:

<

<

1


21

Donde (K) es un coeficiente adimensional que se calcula experimentalmente, varía en forma sensible del tipo de anomalía localizada en el tubo o de cualquier manera a lo largo del tubo; como ser reducciones, ramificaciones, asientos, cursores, válvulas, etc. Las siguientes figuras muestran algunos valores de este factor, considerados aceptables para usar con aceite mineral.

Figura

k

Desc

0,5

Entrada

1

Salida

0,15

Desvío

0,05

1

0,5

1,3

0,1

< 22

MICRO

Obtenido el valor de K determinamos Lac, que sumado los metros de cañería recta L, nos permite obtener Le. Se determina así que la longitud equivalente depende de las características geométricas de la cañería (factor K), como del coeficiente de resistencia (µ). Para simplificación del cálculo se admite un valor de µ = 0.045, que generalmente es correcto para valores de (Re) entre 1500 y 4000. 1.8

Ventajas de un sistema hidráulico • Velocidad variable A diferencia de los sistemas neumáticos, los hidráulicos pueden operar a velocidad constante o variable según sea requerido. Esto se puede conseguir con bombas de caudal variable o con válvulas reguladoras de caudal. • Reversibilidad Los actuadores hidráulicos (cilindros, motores, etc.) pueden invertir el sentido de funcionamiento sin parada previa, ya sea a través de una válvula direccional o una bomba reversible. • Protección contra sobrecargas Mediante un simple elemento, como la válvula de seguridad, el sistema hidráulico se haya protegido contra sobrecargas de presión, por bloqueos u otros defectos. • Reducidas dimensiones Dadas las altas velocidades y altas presiones, los componentes hidráulicos permiten transmitir elevados esfuerzos con mínimo peso y espacios reducidos. • Parada instantánea Por sus características, los equipos hidráulicos pueden pararse instantáneamente, ya que las sobrecargas son absorbidas por la válvula de seguridad o el acumulador.

1.9

Funciones y características de los fluidos hidráulicos El tipo y las características del fluido hidráulico son de primordial importancia para la efectividad y vida útil del sistema y sus componentes. El primer fluido utilizado para transmisiones hidrostáticas fue el agua, pero con el transcurso del tiempo las máquinas se perfeccionaron y aumentaron de potencia, por lo cual se evidenció la necesidad de recurrir a líquidos que poseyeran propiedades de las que el agua carecía en particular. Por consiguiente, rápidamente el agua fue reemplazada por el aceite mineral, ya que las características de viscosidad, anticorrosión y lubricación superan las prestaciones de su antecesor, haciendo a todo el sistema mucho más confiable. ¿Por qué justamente el aceite -y no otro medio menos caro, de más fácil obtención-es utilizado como fluido en los sistemas hidráulicos? Por su... • elevado poder lubricante de partes móviles; • ausencia de acciones corrosivas y de depósitos;

<

<

1


• • • •

23

ausencia de evaporación y de ebullición incluso a elevadas temperaturas; presenta una resistencia ilimitada a la presión y al desgaste; capacidad de disipación del calor generado por rozamientos; transmisión de energía.

Requerimientos de calidad Junto con las características anteriores, los requerimientos de calidad son parte fundamental para determinar las características de los fluidos hidráulicos. Entre estos requerimientos hallamos: • • • • •

Antioxidante. Escasa formación de espuma. Buen índice de viscosidad. No soluble en agua. Compatible con los materiales de las juntas.

Clasificación: Existen fundamentalmente tres tipos de fluidos para sistemas hidráulicos: • Derivados del petróleo. • Líquido de base acuosa. • Líquido sintético. Sus características más importantes son: a) Derivados del petróleo Estos son los derivados de la destilación del petróleo con el agregado de aditivos. Ventajas: • Forman una buena película lubricante. • Buen control y resistencia ante la corrosión. • Buena estabilidad ante la temperatura. Desventajas: • Tendencia a la precipitación por rotura interna, con formación de barros. • Frente a la presencia de partículas metálicas que actúan como catalizadores, se produce la rotura de las moléculas; con deterioro de sus propiedades, inclusive en los aditivos. Estos precipitados tienden a tapar los filtros, con el consecuente perjuicio. b) Con base de agua Los más difundidos son: • Agua más glicol (más aditivos). • Con alta concentración de agua (95%) y aceite soluble.

< 24

MICRO

Ventajas: • Seguras para trabajar en zonas con alta temperatura o cercanas al fuego. • Costos reducidos frente a los anteriores. Desventajas: • • • •

Evaporación del agua. Bajas presiones. Requieren agua de mucha pureza. Inestabilidad de los emulsionantes.

c) Fabricados en base a síntesis químicas Ventajas: • Resistentes al fuego. • Estables a altas temperaturas. Desventajas: • Alto costo. • Generalmente peligrosos en su manejo. Recuerde que... Para cada equipo hidráulico, el fabricante especifica el fluido más adecuado, que debe responder a los requerimientos de calidad, a las condiciones de trabajo y ser compatibles con los materiales del equipo. 1.9.1

Viscosidad de un fluido hidráulico La viscosidad es la medida de la resistencia o roce interno que presentan los líquidos en circulación. Los fluidos con alta viscosidad, llamados duros, circulan con mayor dificultad que los blandos o de baja viscosidad. Un elevado valor de viscosidad es deseable para obtener una buena estanqueidad de las piezas en movimiento. Pero es necesario tener en cuenta que un valor elevado aumenta la fricción al punto de provocar consecuencias negativas como ser: • • • • •

Alta pérdida de carga. Alto consumo de potencia. Disminución de velocidad. Aumento de la temperatura. Dificultad para eliminar el aire contenido.

En el caso de un valor muy bajo de viscosidad, las posibles consecuencias serían: • • • • •

Excesivo desgaste mecánico. Aumento de fugas por filtración. Aumento de la temperatura como consecuencia del punto anterior. Disminución del rendimiento de la bomba (baja estanqueidad). Riesgo de agarrotamiento mecánico.

<

<

1


25

Por lo tanto, la viscosidad adecuada de un fluido hidráulico debe ser un valor intermedio entre los extremos mencionados. Viscosidad dinámica Se define como la resistencia de un líquido al fluir. Matemáticamente se expresa como: la relación entre el esfuerzo aplicado para mover una capa de aceite (tensión de corte) y el grado de desplazamiento conseguido. Para deslizar dos láminas paralelas de líquido de área (ds) a la velocidad relativa (dv) separados por una distancia (dy), es necesario una fuerza tangencial (df) tal que:

Donde representa al factor de proporcionalidad entre ambos miembros, denominado viscosidad dinámica. En otras palabras, cuanto mayor es , mayor es la fuerza a aplicar a igualdad de las otras condiciones. Tomando la fuerza en [N], la superficie en [m2], la velocidad en [m/s], la distancia en [m], derivamos en la unidad llamada centipoise, adoptada por el sistema internacional (SI). 1 cp = 0.001 N . s/m2 Para ubicarnos cuantitativamente, podemos decir que la viscosidad cinemática (relación entre la viscosidad dinámica y la densidad) del agua es de 1 cp, mientras que la de un aceite para sistemas hidráulicos puede variar entre 20 a 40 cp. Tabla de conversión de viscosidad

< 26

MICRO

¿Cómo se altera un aceite? Por: Envejecimiento del aceite: El envejecimiento del aceite se produce por causas naturales de reacción entre el oxígeno de la atmósfera y hidrocarburos que forman los aceites; provocando la formación de lodos y depósitos. Esto se acelera en presencia de altas temperaturas. O por: Contaminación del aceite: La contaminación puede producirse por contacto directo entre el aceite y otros elementos como agua, restos de otros aceites diferentes o igual ya contaminados, o también por partículas sólidas como silicio, polvo metal desgastado de las piezas en movimiento. Aditivos en aceites industriales: Son productos químicos que se incorporan al aceite para modificar alguna condición no deseada que caracteriza al aceite. Entre las cuales podemos mencionar las siguientes: • • • • •

Aumenta el IV. (índice de viscocidad) Mejora la acción anticorrosiva. Reduce el desgaste mecánico. Evita la formación de espumas. Demora el envejecimiento.

<

<

1


27

Tabla comparativa de aceites comerciales para uso hidráulico SHELL TELLUS 22 (EX23)

TELLUS 37 (EX27)

ESSO

YPF

TEXACO

HIDRÁULICO BP22 (EX 13) RANDO N22

NUTO H32


NUTO H37

PEX LI 37)

TELLUS 46 (EX29)

RANDO N37


TELLUS 68 (EX33)

NUTO H68

HIDRÁULICOBP68 (EX 39) RANDO N68

TELLUS100 (EX41)

NUTO H100 HIDRÁULICO BP 100 (EX 43) RANDO N100

TELLUSC150 (EX69) NUTO H150 HIDRÁULICO BP 150 (EX 45) RANDO N150 TELLUS C220

HIDRÁULICO BP 220 (EX 47) RANDO N220 HIDRÁULICO BP 320 (EX 49) RANDO N320

ESSTIC 32

HIDRÁULICO BP32 (EX 30) REGAL 32

ESSTIC 68

HIDRÁULICO BP37 (EX 32) REGAL 37 HIDRÁULICO BP46 (EX 34) REGAL 46 HIDRÁULICO BP68 (EX 68) REGAL 68

Simbología normalizada para representación de circuitos Los símbolos representados corresponden a la Organización Internacional de Normalización (International Standard Organization) conocida como ISO Nº 1219/1. Los símbolos básicos se pueden combinar entre sí, con una gran cantidad de variaciones. A continuación se muestran un detalle de las simbologías más importantes:

< 28

MICRO

<

<

1


1.10

Forma básica de un sistema hidráulico

29

Observando la primera figura correspondiente a la sección primera, se puede analizar un sistema hidráulico dividiéndolo en tres subconjuntos de estudio: a) Generador de presión. b) Dispositivos de mando y regulación. c) Elementos de accionamiento. Estos subconjuntos de estudio están compuestos por una cantidad de elementos que describiremos técnicamente en las sucesivas secciones del tratado, como ser: bombas, válvulas, cilindros, accesorios, etc. La figura a continuación, representa la forma básica de un circuito hidráulico:

< 30

MICRO

La bomba (1) aspira fluido del depósito (2), para impulsarlo hasta la válvula (3), que de acuerdo a su posición produce el avance o el retroceso del cilindro (4), pudiendo actuar el sistema hasta una presión máxima controlada por una válvula reguladora (5).

Mientras no se opone ninguna resistencia al flujo, el líquido es solamente desplazado y la presión es mínima, para vencer las resistencias internas. En este caso el cilindro (4) tiene una carga y la presión aumenta hasta vencerla, es decir hasta que el cilindro toma movimiento. Siendo el valor de presión dependiente del calor de la carga. En la sección subsiguiente se desarrollará el estudio de los generadores de presión hidráulica o hidrobombas.

<

<

2

GENERADORES DE PRESIÓN HIDRÁULICA

2

Generadores de presión hidráulica

31

Introducción Las bombas son los elementos encargados de transformar la energía mecánica en energía hidráulica; impulsando el fluido al sistema. Se fabrican en varios tamaños y con muchos sistemas diferentes de bombeo. Cada tipo de bomba posee un rango de presión de aplicación, siendo las bombas de paleta para presiones bajas (hasta 100 bar), engranajes para presiones medias (hasta 180 bar), y de pistón para altas presiones (hasta 300 bar). Por supuesto que estos valores son sólo nominales, existiendo desde ya bombas que superan a las mismas, pero se toman estos datos como referencia general. Respecto al tamaño de la bomba, éste dependerá del caudal requerido que depende de los volúmenes a desplazar y las velocidades de los accionamientos. 2.1

Bombas hidráulicas

2.1.1

Consideraciones generales Todas las bombas pueden clasificarse por sus principios funcionales en dos categorías básicas: hidrostáticas e hidrodinámicas. • Las bombas hidrodinámicas, también conocidas como turbobombas, se caracterizan porque el líquido que es tomado de un depósito, es puesto primero en movimiento dentro de la bomba, a una velocidad considerable, experimentando luego una disminución de velocidad que permite adquirir presión, venciendo así las resistencias. Ejemplo En las bombas centrífugas, el fluido entra por el centro del cuerpo y es expulsado hacia el exterior por medio de un rotor que gira rápidamente. No existe ninguna separación entre los orificios de entrada y salida del líquido. La presión alcanzada depende de la velocidad y del tamaño del rotor. • Las bombas hidrostáticas, también llamadas volumétricas, se caracterizan porque el líquido adquiere la presión sin experimentar en el interior de la bomba ningún aumento considerable de velocidad, ya que únicamente es aspirado y transportado. El caudal suministrado no depende simplemente de la presión, lo que las hace muy adecuadas para la transmisión de potencia. Ejemplo Las bombas de engranajes son las más difundidas.

2.1.2

Características Una de las especificaciones más importantes de una bomba es la presión nominal o presión continua admitida, o sea aquel valor de presión que la bomba soporta en funcionamiento continuo. La presión nominal de una bomba está dada por el fabricante y basada en una durabilidad razonable en condiciones determinadas de funcionamiento; es decir que el límite de presión está dado por la solución constructiva.

< 32

MICRO

El segundo parámetro característico de una bomba es su caudal nominal que se refiere al valor de caudal que desplaza la bomba sin tener en cuenta rendimiento alguno. Estos rendimientos son: el volumétrico, el mecánico y el total (que resulta de la suma de ambos). El rendimiento volumétrico se refiere a la relación entre el caudal real que desplaza la bomba y el caudal nominal (o ideal) que teóricamente debe mover la misma. El caudal se expresa en Lts/min. para un número determinado de rpm para las bombas de caudal fijo. Para las de caudal variable se suele publicar en el mismo catálogo el caudal máximo a que ésta llega o bien el valor de cilindrada por vuelta, cm3/rpm, que desplaza, más la indicación de rpm máxima a que se puede operar. La forma en que varía el caudal en función de la variación de presión la tabulan o grafican los fabricantes de bombas en sus catálogos de productos. A los gráficos se los denomina curva característica de la bomba. Bomba a paletas serie 25. Características a 1450 r.p.m. Referencia

7 KG/cm2

70 KG/cm2

140 KG/cm2

L/M

H.P

L/M

H.P

L/M

H.P

12G.

57

1

55

9,5

51

16

14G.

65

1,25

62

10,5

59

19

17G.

80

1,5

77

12

73

23

21G.

100

2

97

15,5

92

29

Presión máxima 140 kg./cm2

<

<

2


33

Como ya mencionamos, el caudal varía con la presión, esto es debido a que las bombas no son máquinas ideales, sino por el contrario son reales y poseen rendimiento. El rendimiento total de una bomba es la suma del rendimiento volumétrico y el rendimiento mecánico. La solución constructiva tiene gran influencia sobre el rendimiento volumétrico, resultando por regla general más bajo para las bombas a engranajes y de paleta; teniendo valores más altos en las bombas de pistones. Además, a medida que aumenta la presión, las fugas desde la salida de la bomba hacia la entrada o al drenaje también aumentan por lo que disminuye el ritmo volumétrico. El rendimiento mecánico es la relación entre la potencia entregada a la bomba y la obtenida a la salida de ésta. 2.2

Clasificación y tipos constructivos

< 34

MICRO

Los valores publicados en la tabla precedente son orientativos y corresponden a bombas de fácil obtención en el mercado. • Bombas rotativas Con engranajes Bomba de engranajes con dentado exterior Una bomba de engranajes desplaza el caudal, transportando el fluido entre los dientes de los engranajes acoplados, como se puede observar en la figura. Uno de los engranajes tiene el eje prolongado para conectarse a través de un acoplamiento elástico, al motor de accionamiento, mientras el otro es conducido por éste. Las cámaras de bombeo contenidas entre los dientes, están cerradas por las placas laterales o placas de presión y el cuerpo de la bomba.

<

<

2


35

En este tipo de bomba se produce una carga no equilibrada sobre los cojinetes y los engranajes, debido a la diferencia de presión entre la entrada y salida que provoca una fuerza no compensada hidráulicamente. Bomba de engranajes con dentado interior Para este tipo de bomba los elementos activos son también dos ruedas dentadas, una con dientes externos y la otra con dientes internos (corona). A costa de cierta complicación constructiva, esta solución permite alcanzar valores de presión superiores al modelo anterior, juntamente a un menor nivel de ruidos y mayor uniformidad de flujo. Son limitados en cambio los caudales y el rendimiento volumétrico.

Bomba de tornillos Esta bomba puede considerarse una variante de la bomba de engranajes externos. Un tornillo conductor central acoplado a dos tornillos no acoplados. El aceite es tomado en un extremo de la bomba y es transportado a través de los vacíos de los tornillos externos hasta la extremidad opuesta; esto ocurre sin interferencias en el flujo y a un nivel muy bajo de ruidos.

< 36

MICRO

A paleta Bombas de paletas fijas No se aplica actualmente esta solución constructiva -que podemos observar en la siguiente figura- ya que no brinda altos valores de presión ni de caudal que justifiquen los altos costos constructivos.

En la figura siguiente vemos su funcionamiento. Compuesta por un rotor ranurado que aloja las paletas en forma radial y acoplado al eje de accionamiento, girando todo el conjunto dentro del anillo o estator fijo, con una excentricidad entre ambos para producir el desplazamiento del fluido.

La fuerza centrífuga y la presión actuante en la parte inferior de las paletas las mantienen apoyadas contra el anillo. Las cámaras de bombeo se forman entre éstas y las dos placas laterales. A continuación se observa una bomba a paletas de diseño no equilibrado hidráulicamente por lo que el eje de ésta soporta cargas laterales, producto de la presión actuante sobre el rotor. Este diseño se usa primordialmente para las bombas de cilindrada variable, con regulación de presión.

<

<

2


37

Bomba a paletas compensada Esta solución constructiva es utilizada por la mayoría de los fabricantes de bombas a paletas de desplazamiento fijo.

En ellas el anillo tiene forma elíptica en lugar de circular, lo cual permite utilizar los conjuntos de orificios internos. Los de salida se disponen opuestos (180º) para que se anulen las fuerzas hidráulicas sobre el rotor, y no se produzcan cargas sobre eje y cojinetes. • Bombas alternativas Excéntricas Bomba a pistón manual Utiliza el principio de palanca hidráulica. Este tipo de bombas tiene gran difusión, ya que se las utiliza para ser usadas como prensas y como criques.

< 38

MICRO

Bomba de pistones en línea Es un tipo de bomba que no posee aplicaciones en oleohidráulica, pero sí en la impulsión del agua, y en inyección de combustible de motores a explosión. Bomba de pistones radiales Los elementos de bombeo o pistones alojados en los cilindros correspondientes están ubicados en posición radial en torno a un eje central provisto de excéntrica (montaje estrella). A través de la excéntrica se infiere a los pistones un movimiento alternativo, comandado por válvulas de retención o por lumbreras para conseguir desplazar el caudal, que podrá ser constante o variable según el tipo constructivo. El grado de irregularidad disminuye aumentando el número de émbolos y mejora usando un número impar (3, 5, ó 7), para el mayor de los casos. Las bombas podrán ser de pista interna (los pistones bombean hacia fuera), o de pista externa (los pistones bombean hacia adentro). La mayor difusión son las primeras con cilindrada constante.

<

<

2


39

Bomba de pistones axiales En este tipo de bombas un cierto número de pistones (en general siete) se disponen en forma simétrica y paralela al eje de rotación. El caudal es proporcional al número de revoluciones y a la cilindrada.

Detalle de la bomba de pistones axiales.

El movimiento alternativo de los pistones que provoca el bombeo se consigue con dos soluciones cinemáticas distintas. • Eje inclinado. • Plato inclinado.

Eje inclinado.

< 40

MICRO

Plato inclinado.

Función del plato distribuidor y el grupo de pistones.

Para variar el caudal se dispone de un mecanismo que modifica el ángulo de inclinación del eje o el plato, según corresponda, para obtener una variación de la cilindrada.

<

<

2


En la siguiente figura se detalla una bomba de eje inclinado del tipo de caudal fijo.

2.3

Fórmulas de cálculo

41

< 42

MICRO

3

Depósitos, Filtros y Acumuladores

Introducción El acondicionamiento del fluido implica proporcionar el espacio necesario para almacenar todo el fluido incluida una reserva; mantener a éste limpio y a una temperatura adecuada de trabajo. Al espacio físico para almacenar al fluido se lo denomina depósito. La limpieza del mismo se realiza mediante el uso de filtros de membrana o magnéticos, según lo requieran las condiciones de funcionamiento. El dimensionamiento, el diseño del circuito, el depósito, así como un buen mantenimiento de los filtros del sistema tiene gran influencia sobre la temperatura del fluido. 3.1

Depósitos Existe gran flexibilidad en el diseño del depósito, ya que en general no se presentan problemas de ubicación o de dimensionamiento. Su función principal es el almacenamiento del fluido (emulsionado), se refrigera el aceite y se sedimentan los contaminantes. Está constituido por las siguientes partes: Recipiente - placa desviadora - tapa de limpieza - control de nivel y termómetro - línea de aspiración - línea de retorno - montaje de bomba y motor - boca de carga con filtro de aire - filtro de aspiración y retorno - conexión de drenaje.

3.1.1

Construcción del depósito En la siguiente figura se muestra un depósito estándar.

El proyecto de un sistema hidráulico tiene la gran ventaja de poseer una gran flexibilidad en el diseño del depósito, contenedor del fluido de transmisión.

<

<

3

DEPÓSITOS, FILTROS Y ACUMULADORES

43

Funciones de un depósito estándar Prácticamente sin problemas de situación, el depósito debe diseñarse de forma que cumpla las siguientes funciones: • Servir de almacenamiento para el fluido que va a circular por el sistema. • Dejar en su parte superior un espacio libre suficiente para que el aire pueda separarse del fluido. • Permitir que los contaminantes se sedimenten. • Disipar el calor generado en el sistema. Tamaño del depósito Es deseable un depósito grande para facilitar el enfriamiento y la separación de los contaminantes. Como mínimo, el depósito debe contener todo el fluido que requiera el sistema, manteniendo un nivel lo suficientemente alto para que no se produzca un efecto torbellino en la línea de aspiración de la bomba. Si esto ocurriese, entraría aire en el sistema deteriorándolo rápidamente. Es importante que el nivel no sea inferior al de la succión de la bomba, y la cantidad de fluido sea tal que no produzca remolinos cerca del filtro de aspiración, ya que éstos introducen aire en el sistema. En aplicaciones industriales convencionales se suele determinar el volumen del depósito según una expresión de origen empírico, con la cual se llega a valores considerados adecuados. Vol. Del tanque [lts] = (2 a 4) x Q de la bomba [lts/min.] Se toma entre dos o cuatro, según el fabricante y las condiciones particulares de funcionamiento. En general si se toma dos es conveniente la utilización de enfriador de aceite y cuatro para los casos en que no existen problemas de espacio, para evitar el uso del enfriador. Cada caso se debe analizar por separado para un diseño adecuado. La dilatación del fluido por el calor, las variaciones de nivel debidas al funcionamiento del sistema, la superficie interna del tanque expuesta a la condensación del vapor de agua, y la cantidad de calor generado en el sistema, son factores que hay que tener en consideración. Como norma general se acostumbra a emplear un depósito cuya capacidad en litros sea por lo menos dos o tres veces la capacidad de la bomba expresada en litros por minuto. En la mayoría de los depósitos se utiliza un respiradero al que se le incorpora también un filtro, normalmente de malla metálica (adecuado para el caudal requerido por la bomba). Asimismo, debe disponer de una placa desviadora que se extienda a lo largo del centro del tanque. Esta placa tiene generalmente 2/3 de la altura del nivel del aceite y se usa para separar la línea de entrada de la bomba de la línea de retorno, de forma que el mismo fluido no pueda recircular continuamente, sino que antes debe realizar una decantación en el interior del tanque. De esta forma, la placa desviadora: • • • •

Impide que se origine turbulencias. Permite que las materias extrañas se sedimenten en el fondo. Ayuda a disipar el calor a través de las paredes del tanque. Mejora la separación del aire disuelto en el aceite.

< 44

MICRO

La mayoría de las conexiones que van al depósito deben terminar bajo el nivel de aceite. Tanto las líneas de aspiración como las de retorno deben estar más bajas que el nivel del fluido. Las conexiones situadas encima del nivel del fluido deben estar bien cerradas para impedir que entre aire en el sistema. Las conexiones situadas bajo el nivel de fluido deben estar apretadas lo suficiente para que no haya pérdidas de fluido. 3.2

Filtros Son elementos imprescindibles para obtener un buen funcionamiento de una instalación hidráulica, pues controlan la contaminación del fluido. Todos los componentes del circuito requieren de una eficiente lubricación para lograr un buen funcionamiento y una vida útil razonable; esto se consigue con el mismo fluido transmisor de energía, ya que salvo aplicaciones especiales (como ser el agua o aceites solubles) siempre se usa aceite mineral que cumplen ambas funciones. Los sistemas de purificación son en general filtros, que tienen la función de remover del fluido los materiales extraños (contaminantes) que dañan los componentes o interfieren en su normal funcionamiento. Es muy difícil eliminarlos totalmente, por lo que el objetivo principal es el control de la contaminación. La siguiente tabla nos muestra una clasificación de contaminantes típicos:

<

<

3


45

Resumiendo, el control de la contaminación se obtiene a partir de un sistema que controla la concentración de sustancias contaminantes a un nivel en el cual el daño a los mecanismos en operación es mínimo o aceptable con relación a una vida útil razonable. Como podemos apreciar en la tabla anterior se mencionan los tipos más importantes de partículas contaminantes, las condiciones bajo las cuales estas partículas se producen o se introducen en los sistemas y los problemas que provocan. 3.2.1

Niveles de contaminación Estos se determinan en función de dos parámetros fundamentales: a) Distribución por tamaño. b) Concentración de partículas. El sistema de clasificación más conocido y aceptado es el ISO Code, también existe otro llamado NAS 1638 pero de menor difusión. La International Standard Organization estableció un acuerdo en la forma de representar los códigos de limpieza en las llamadas ISO Solid Contaminant Code, conocido comúnmente como Código de Limpieza ISO.

3.3

Código de contaminación sólida A través de un eje vertical se indica la cantidad de partículas por mililitro, del tamaño indicado o mayor. Y en un eje horizontal se indican los tamaños de partículas, en micrones. Los tamaños más importantes son 5 y 15 micrones, ya que conociendo la cantidad de partículas de estos tamaños se determinan los dos números de códigos ISO. Los distintos fabricantes de aceites y componentes hidráulicos tabulan los códigos ISO aceptables para ellos; éstos varían desde 20/15 a 13/9 para la mayoría de las aplicaciones. La norma es muy precisa al respecto, recomendando para el control de partículas finas lo siguiente: • Partículas de 5µ o más Máximo código ISO 14. Mínimo código ISO 10. • Partículas de 15µ o más Máximo código ISO 12. Mínimo código ISO 7.

< 46

MICRO

La siguiente tabla nos indica los números ISO en función de la cantidad de partículas por mililitro: Código de Limpieza ISO

3.4

Cantidad de partículas por mililitro.

Número de códigos.

40.000

22

20.000

21

10.000

20

5.000

19

2.500

18

1.300

17

640

16

320

15

160

14

80

13

40

12

20

11

10

10

5

9

2

8

1

7

Eficiencia de los sistemas Partiendo de sistemas correctamente dimensionados y construidos, la eficiencia o rendimiento de los mismos está ligada a los efectos de la contaminación del fluido. Como pudimos apreciar, la contaminación produce fallas que se pueden agrupar en dos formas básicas, a saber: a) Fallas por degradación: Ocurren como consecuencia de un deterioro gradual de los componentes del sistema, frecuentemente acelerado hacia el final; que ocasiona la disminución del rendimiento global con el transcurso del tiempo.

<

<

3


47

b) Fallas catastróficas o terminales: Ocurren en forma abrupta, violenta, el componente se destruye o cesa en su funcionamiento en un tiempo muy corto. 3.4.1

Modos de desgaste Los modos de desgaste se pueden dividir en dos grandes grupos: a) Desgaste por causas mecánicas. b) Desgaste por causas químicas.

Modos de desgaste 1) Abrasión Causas mecánicas

2) Fatiga 3) Adherencia

Causas químicas

4) Corrosión 5) Rotura de la película

a) Causas mecánicas 1) Abrasión Es provocada por una partícula dura que puede estar en el aceite o incrustada en la superficie, que actúa sobre una superficie más blanda provocando el arrastre del mismo, incrementando el número de partículas en acción y la consiguiente aceleración de los efectos. 2) Fatiga La fatiga superficial se produce por interacción de las partículas con las superficies de trabajo, produciendo deformación plástica, sin remover las partículas de material. La superficie se torna rugosa, aumentando la concentración de tensiones, y la posibilidad de cortes en los puntos más débiles. 3) Adherencia Es la consecuencia de la incrustación de partículas sobre las superficies de trabajo, provocando ondulaciones, cavidades y aumento de rugosidad, que derivan en el aumento del desgaste y la merma de rendimiento.

< 48

MICRO

b) Causas químicas 4) Corrosión Es la consecuencia del ataque químico de agentes extraños sobre la superficie de los componentes metálicos, que provoca la erosión de los mismos. Los componentes químicos que producen corrosión se pueden presentar de dos formas: disueltos en el fluido o libres, como por ejemplo el agua y el aire, que se presentan de ambas formas. 5) Rotura de película Al producirse la alteración de las condiciones químicas del fluido, se puede producir la rotura de la película, ya sea por corte o calentamiento. Algunos mecanismos de rotura llevan a la producción de una cantidad considerable de partículas carbonosas que pueden obturar los orificios o luces de los componentes. 3.4.2

Control de la contaminación Como ya hemos podido ver, la performance de los sistemas hidráulicos está íntimamente ligada con el nivel de contaminación y la sensibilidad de los componentes a la concentración y tipo de contaminante. El control de los contaminantes, se efectúa con filtros, que se seleccionan teniendo en cuenta confiabilidad y economía. Si la selección es adecuada se obtendrá una sensible reducción de paradas de emergencia, aumento de vida útil y mejora de la productividad. Para esto es imprescindible contar con ensayos y controles adecuados de los filtros que nos determinen la eficiencia de los mismos.

3.5

Eficiencia de los filtros Mencionaremos las formas de eficiencia más difundidas: • Eficiencia nominal Así se denomina al valor arbitrario del grado de filtración, que adopta cada fabricante y corresponde en general al tamaño de partícula separada por el medio filtrante con 98% de eficiencia de peso. Ocurre que, concentraciones de partículas contaminantes variables nos darán resultados de ensayos distintos. Por lo antedicho el valor de retención nominal no es más que orientativo para la selección del filtro. Para completar el análisis es necesario conocer la eficiencia absoluta que pasamos a definir. • Eficiencia absoluta Se define como el diámetro mayor de partícula sólida que atravesará el medio filtrante bajo ciertas condiciones de ensayo. Este valor es de suma importancia para determinados procesos en donde las partículas no deben superar un determinado diámetro. • Factor ß Se denomina así a la relación entre la cantidad de partículas mayores a un tamaño determinado (en micrones), en el fluido antes del elemento filtrante y la cantidad de partículas mayores del mismo tamaño luego del filtro.

<

<

3


49

Existen equipos especiales desarrollados para efectuar el conteo de partículas, como así también el ensayo del elemento, según se observa a continuación.

1. Válvula de regulación. 2. Caudalímetro. 3. Filtro de limpieza. 4. Contadores automáticos de partículas. 5. Tanque. 6. Bomba. 7. Sistema inyección de contaminante. 8. Bomba de velocidad variable. 9. Filtro de limpieza. 10. Sistema de ensayo. 11. Difusor. 12. Intercambiador de calor. 13. Manómetro. 14. Filtro de ensayo. 15. Válvulas esféricas.

Con los datos obtenidos en los ensayos se grafican curvas que representan los distintos valores de ßx, para los distintos micronajes, dichas curvas se pueden transformar a rectas con gráfico logarítmico. Si superponemos representaciones de distintos aceites podremos obtener aceites en los cuales coincide algún punto de las rectas, por lo cual se deduce que es necesario otra relación para determinar la calidad de un aceite hidráulico, este valor se define como eficiencia porcentual (%). Cociente beta: ßx = (nin = X µm) : (nout = X µm) Donde "n" es el número de partículas = x µm antes y después del filtro.

< 50

MICRO

50

Por ejemplo, si tenemos 100.000 partículas = 10 µm antes del filtro y 1.000 partículas después del filtro: ß10 = 100.000 : 1.000 = 100

Eficiencia de filtración (%): = 100 - (100 : ß) Es decir: ßx = 2 ue significa = 50,00 % ßx = 20 ue significa = 95,00 % ßx = 75 ue significa = 98,67 % ßx = 100 ue significa = 99,00 % ßx = 200 ue significa = 99,50 % ßx = 1.000 ue significa = 99,90 % 3.5.1

Principios de la filtración La filtración es el proceso de hacer pasar un fluido determinado por un medio permeable, a efectos de remover las partículas contaminantes. El tamaño de las partículas se mide en micrones [µ] (milésima parte del milímetro), tienen tamaños dispares según el tipo de contaminante. A efecto de ubicarnos en el tamaño relativo de las partículas podemos dar algunos ejemplos:

<

<

3


• • • • •

51

100 µ diámetro de un grano de arena. 70 µ diámetros de un cabello humano. 40 µ límite de visibilidad del ojo humano. 25 µ diámetro de un glóbulo blanco. 0,1 µ máximo tamaño para un virus.

A continuación descubriremos los procesos de remoción de las partículas contaminantes: Intercepción directa Un medio filtrante característico está compuesto por una matriz de fibras u otros elementos estructurales, a través de los cuales están conformados las aberturas o poros. Cuando el fluido atraviesa la malla, las partículas cuyo tamaño es mayor que el del poro, quedarán bloqueadas y retenidas. En un filtro de tamiz simple, los poros están todos ubicados en un plano sobre la superficie del material. En los medios de profundidad los poros efectivos están distribuidos a través del espesor del material; en éstos la restricción más pequeña se define como el poro efectivo.

Intercepción directa en medios de superficie.

Intercepción directa en medios de profundidad.

< 52

MICRO

Impacto y adhesión Como se ve, dos son los fenómenos que se combinan: El impacto de las partículas contra la superficie del medio (dentro de los pasajes), seguido de la adhesión de las mismas a la superficie interna del medio. Por estos fenómenos una partícula menor que el tamaño de poro efectivo también puede ser retenida. La adhesión se produce en distintas medidas en todos los medios filtrantes, principalmente en los medios de profundidad en los cuales éste es el principal mecanismo de filtración.

En resumen, apoyados en los fenómenos de intercepción, impacto y adhesión, los filtros de profundidad retendrán partículas menores que el diámetro de poro efectivo. Medios filtrantes Diversos son los materiales empleados para la fabricación de filtros: • • • • • • • •

Fieltros. Fibras prensadas. Rollos de papel. Mallas de alambre tejido. Paños. Metales porosos. Filamentos enrollados. Rejillas fibrosas, etc.

Un filtro hidráulico típico está formado por una lámina filtrante, soportada por una malla, en general plisada para aumentar la superficie filtrante, enrollada sobre una chapa cilíndrica perforada, conformando un cilindro. Medios lavables y no lavables Los medios filtrantes lavables son aquellos que por algún procedimiento de limpieza se les extrae la suciedad retenida, de tal forma que puede ser vuelto a utilizar en otro ciclo. Los no lavables o descartables se deben eliminar después de cumplido su ciclo. Como vimos anteriormente los medios de superficie retienen las partículas contaminantes en la superficie de entrada; y en los medios de profundidad las partículas son atrapadas en los medios sinuosos a lo largo de la profundidad del medio. En general son lavables los medios de superficie, no así los de profundidad que se descartan.

<

<

3


3.5.2

Clasificación

53

Son tres posibilidades de montaje de un filtro en un sistema hidráulico: • En la línea de aspiración de la bomba. • En la línea de presión. • En la de retorno. Filtro de aspiración Tiene la ventaja, que por su ubicación asegura el filtrado del fluido antes de su ingreso al circuito. El filtro colocado en el conducto de aspiración de la bomba determina una resistencia con la consecuente pérdida de carga, justamente donde la diferencia de presión disponible es solamente 1 bar. En tales condiciones cualquier pérdida de carga tiene una influencia decisiva, a tal punto que para cierto tipo de bombas esto es inadmisible, como ser las de pistones radiales con resortes antagónicos. Por lo mencionado, la redención de estos filtros comúnmente no es menor que los 100 µ. Las instalaciones más sofisticadas cuentan con una válvula de retención calibrada, montada en by - pass para el caso de obturación del filtro.

Filtro de presión El filtro instalado en el conducto de presión es mucho menos peligroso que los de aspiración en cuanto a la pérdida de carga, por lo que sus mallas pueden ser más cerradas (< 10 µ), confieriéndole una elevada eficacia. La colocación de estos filtros inmediatamente después de la bomba asegura la alimentación de todos los demás órganos mediante aceite altamente depurado. Presentan la desventaja de estar sometidos a una presión de servicio, por lo que exigen una construcción especialmente robusta y perfectamente hermética.

< 54

MICRO

Filtro en la línea de presión.

Filtro de retorno La colocación de un filtro en el conducto de retorno puede decirse que es empleada actualmente con mayor frecuencia, en los circuitos industriales. Tiene la ventaja de poder soportar cierta contrapresión sin crear dificultades en el funcionamiento de los órganos ni en la instalación. Su construcción es simple dado que no está sometido a la presión de trabajo.

Filtro en la línea de retorno.

Para circuitos con bombas de alto rendimiento que tienen huelgos muy finos, y que no pueden ser fatigadas por filtros de aspiración, se recomienda la aplicación del filtro de retorno. Resultan muy útiles para los sistemas con depósitos pequeños que no permiten el sedimento de los contaminantes. Sin embargo, también existen aspectos negativos, en primer lugar el filtrado se produce luego que el fluido atravesó todos los órganos del circuito; en segundo el tamaño del filtro debe elegirse teniendo en cuenta, no sólo el caudal de la bomba, sino el caudal multiplicado que puede ser por ejemplo 50% mayor. Dicho caudal se puede entender si analizamos las diferencias de volumen desplazado por un cilindro hidráulico, en sus carreras de avance y retroceso, provocados por la presencia del vástago. 3.6

Acumuladores A diferencia de los gases, los fluidos hidráulicos no son compresibles, por lo cual es dificultoso su almacenamiento. Los acumuladores son medios para almacenar fluidos bajo presión.

<

<

3


55

Funcionan como: • Reserva de fluido a presión: Para el caso de circuitos en donde la bomba seleccionada no cubra los caudales máximos esporádicos, por lo que existe un ahorro de energía. • Compensador de fugas: Para mantener la presión del sistema pese a la eventual presencia de fugas. • Compensador de volumen: Para el caso de variaciones de volumen por cambios bruscos de temperatura. • Generador auxiliar: Para completar ciclos o secuencias en caso de avería de la bomba o el motor eléctrico. • Amortiguador de presión: Para absorber pulsaciones e irregularidades de presión. Los acumuladores son construídos en distintas versiones constructivas, como muestra la siguiente tabla:

Tipos de acumuladores Mecánico

Gaseoso

De peso

No se emplea en la actualidad, sólo lo mencionamos a título informativo.

De resorte

Ídem al anterior, pero puede ser que lo encontremos en algún equipo en funcionamiento.

De pistón

Es el más utilizado para grandes volúmenes. La interfase fluido - gas la forma un pistón que se desplaza libremente dentro del cilindro, con sello por guarniciones.

De vejiga

Es el más difundido en las aplicaciones industriales.

De membrana

Se lo utiliza para volúmenes pequeños, para la eliminación de picos y pulsaciones de presión.

Acumulador de pistón.

Desarrollaremos los tipos de membrana y vejiga, que son los de aplicación más frecuente.

< 56

MICRO

3.6.1

Funcionamiento Mientras que en la neumática puede comprimirse directamente el aire para acumular energía, los fluidos hidráulicos apenas pueden ser comprimidos. Para poder almacenarlos no obstante, en este caso de nitrógeno. El gas se comprime en un depósito a presión bajo el efecto del líquido hidráulico y se descomprime en caso de necesidad bajo entrega de líquido. Para que el gas no se mezcle con el fluido (formando espumas y emulsiones), el depósito a presión se divide en dos cámaras mediante una pared de separación, elástica.

Acumulador de membrana.

Acumulador de vejiga.

Fórmulas de cálculos Para realizar el cálculo de acumuladores, las presiones cumplen un papel fundamental. P0 = Presión previa del gas a temperatura ambiente y cámara de líquido vacía. P0t = Presión de precarga del gas a temperatura de servicio. P1 = Sobrepresión mínima de servicio. P2 = Sobrepresión máxima de servicio. Validez de las siguientes relaciones La presión previa del gas debe ser un poco menor a la presión hidráulica mínima, de modo que cuando está vacío el acumulador, la vejiga no dé golpes continuamente contra la válvula de aceite, ya que se dañaría en forma prematura.

La presión hidráulica mayor no debe superar a cuatro u ocho veces la presión de llenado, ya que de lo contrario se somete a excesiva solicitud a la elasticidad de la vejiga o de la membrana, y la modificación demasiado grande de la compresión lleva consigo un calentamiento intenso del gas. La duración de la vejiga del acumulador es tanto mayor, cuanto menor sea la diferencia entre P1 y P2. Sin embargo disminuye también correspondientemente el grado de aprovechamiento de la capacidad máxima del acumulador.

<

<

3


57

Acumulador de vejiga o membrana:

Sobre demanda:

Volumen del aceite En función de las presiones P0...P2 resultan los volúmenes de gas V0...V2. V0 es aquí al mismo tiempo el volumen nominal del actuador. El volumen del aceite disponible corresponde a la diferencia entre los volúmenes de gas V1 y V2 .

El volumen de gas variable dentro de una diferencia de presión queda determinado por las siguientes ecuaciones: En caso de transformaciones isotérmicas del estado de los gases, es decir, cuando la modificación del relleno de gas se produce tan lentamente, que se dispone del tiempo suficiente para el intercambio completo de calor entre el nitrógeno y su entorno, permaneciendo así constante la temperatura, tiene validez la ecuación:

En caso de transformación adiabática del estado, es decir, cuando el relleno de gas se modifica rápidamente, modificándose también la temperatura del nitrógeno, tiene validez la siguiente ecuación:

Donde: X=

Relación de los calores específicos del gas (exponente adiabático), para nitrógeno = 1,4.

En la práctica, las transformaciones de estado se producen más bien según leyes adiabáticas. Frecuentemente, la carga se produce isotérmicamente y la descarga adiabáticamente. Considerando las ecuaciones arriba señaladas, DV está entre el 50% y el 70% del volumen nominal del acumulador. Como línea de referencia tiene validez la siguiente fórmula:

< 58

MICRO

Diagrama de cálculo En la figura subsiguiente podemos observar las aplicaciones del diagrama de cálculo.

Factores de corrección Ki y Ka En el comportamiento de los gases reales resultan sin embargo a presiones de servicio superiores a 200 bar, notables divergencias que deben considerarse mediante factores de corrección. Estos factores pueden consultarse en los siguientes diagramas. Los factores de corrección con los cuales debe multiplicarse el volumen de extracción ideal DV se encuentran dentro de un margen de 0,6....1.

<

<

3


Modificaciones adiabáticas del estado.

59

< 60

4

MICRO

Actuadores Hidráulicos

Introducción Los actuadores son dispositivos capaces de generar una fuerza a partir de líquidos, de energía eléctrica y gaseosa. El actuador recibe la orden de un regulador o controlador y da una salida necesaria para activar a un elemento final de control, como lo son las válvulas. Existen tres tipos de actuadores: • Hidráulicos. • Neumáticos. • Eléctricos. Los actuadores hidráulicos, neumáticos, eléctricos son usados para manejar aparatos mecatrónicos. Por lo general, los actuadores hidráulicos se emplean cuando lo que se necesita es potencia, y los neumáticos son simples posicionamientos. Sin embargo, los hidráulicos requieren demasiado equipo para suminitros de energía, así como de mantenimiento periódico. Por otro lado, las aplicaciones de los modelos neumáticos también son limitadas desde el punto de vista de precisión y mantenimiento. Los actuadores eléctricos también son muy utilizados en los aparatos mecatrónicos, como por ejemplo los robots. Por todo esto es necesario conocer muy bien las características de cada actuador, para utilizarlos correctamente de acuerdo a su aplicación específica. 4.1

Actuadores Hidráulicos Los actuadores hidráulicos, que son los de mayor antigüedad, pueden ser clasificados de acuerdo con la forma de operación, función sobre la base de fluidos a presión. Existen tres grandes grupos: • Cilindros hidráulicos. • Motor hidráulico. • Motor hidráulico de oscilación. Función y principales características Los actuadores hidráulicos son los encargados de transformar la energía hidráulica en trabajo mecánico. Su tipo constructivo, cilindro o motor, simple o doble efecto y tamaño (diámetro y carrera), dependerán del tipo de esfuerzo y la magnitud de éste. Todo esto es necesario para la clasificación del actuador. Se deduce de lo anterior que recién luego de determinado el actuador, se podrán seleccionar los restantes elementos del circuito (depósitos, bombas, válvulas, etc.), ya que su tamaño deberá ser compatible con el actuador. El actuador está compuesto esencialmente por: la tapa trasera, la camisa, la tapa delantera, tensores (en algunos tipos constructivos solamente), el pistón, el vástago, el buje guía de vástago y el montaje (en este caso brida). La tapa trasera, la camisa y la tapa delantera están empotrados entre sí y son sujetados por cuatro tensores. La estanqueidad entre las cámaras y es garantizada por la junta.

<

<

4

ACTUADORES HIDRÁULICOS

61

Actuador con todos sus componentes.

4.2

Clasificación Actuadores hidráulicos Lineales

Simple efecto

Buzo Resorte Telescópico

Doble efecto

Vástago simple Vástago doble

Rotativos

Oscilantes Continuos

Engranajes Paletas Pistones Axiales Pistones Radiales

A continuación definiremos a los tipos de actuadores y para qué son utilizados cada uno de ellos. 4.2.1

Tipos de actuadores

4.2.1.1

Actuadores lineales

4.2.1.1.1

Actuador de simple efecto

< 62

MICRO

• Actuador tipo buzo o sumergido Se podría decir que es el más sencillo de todos los actuadores. Éste consta de una única cámara para el fluido y puede ejercer fuerza en una única dirección. Éstos son los montados por lo general verticalmente, de tal modo que no se aprovecha la acción de la gravedad para su retorno. Ellos son usados en elevadores, gatos para automóviles, etc., ya que tienen la ventaja de tener carreras largas.

• Actuador a resorte Este tipo de actuador está conformado por dos cámaras, en una de ellas se encuentra un resorte. Si se ejerce una presión por una de las cámaras, ya sea para llevarlo al final de la carrera o al principio de la misma, el resorte ayudará al retorno del vástago.

•

Actuador telescópico

Estos actuadores pueden ser de simple efecto o de doble efecto, en la mayoría de los casos se utilizan los primeros mencionados. Éste es utilizado ya que su longitud comprimida es menor a la que se puede obtener en un actuador estándar. Son muy usados en maquinaria vial.

<

<

4


4.2.1.1.2

Actuador estándar de doble efecto

63

Estos actuadores son definidos así ya que el fluido lo acciona en ambos sentidos. También son llamados diferencial puesto a que la diferencia de áreas. Estas diferencias se producen debido a que en una de las cámaras se encuentra el vástago y esto produce que las áreas de las cámaras difieran. Este es el actuador más difundido por su amplio espectro de utilizaciones.

• Actuador de doble vástago Estos actuadores son utilizados en donde es necesario movilizar cargas a ambos lados del actuador, y donde se requiera la misma velocidad de desplazamiento en ambos sentidos. Éstos también son actuadores de doble efecto, pero no son diferenciales, ya que en cada cámara se encuentra el vástago, obteniendo la misma área en ambos lados.

Características constructivas de los actuadores lineales Materiales: • Para el tubo se emplea acero estirado en frío (trafilado), sin costura y bruñido interiormente. El pistón es, generalmente, de fundición o acero. • El vástago es de acero al carbono, en general sin tratar, con un baño de cromo duro o bien de acero inoxidable. • Las empaquetaduras son en general juntas tóricas (O’ Ring), de acrilo nitrilo.

< 64

MICRO

Montajes: Los fabricantes de cilindros hidráulicos poseen en su línea distintos tipos de montajes, de acuerdo a las opciones de movimientos o posición de trabajo requerido.

Amortiguación: Como su nombre lo indica, sirven para el frenado de las masas en movimientos, de tal forma que se consiga un movimiento suave del conjunto. Se instalan en uno o en ambos extremos del actuador. La amortiguación empieza cuando la parte cónica del vástago se introduce en un orificio de la tapa, restringiendo el paso del caudal de retorno al tanque. Mientras que se produce la amortiguación del caudal se desplaza por un orificio ajustable. El actuador también incluye una válvula antirretorno permitiendo el paso libre para la salida del vástago. Limitador de carrera: Se utiliza para disminuir la reacción provocada por esfuerzos laterales, o en bujes guías de un vástago. Esto quiere decir que si tenemos un actuador con una carrera de vástago larga y éste soporta una carga lateral, tendríamos problema si no utilizamos un limitador de carrera, ya que el vástago tendería a doblarse y desgastaría el casquillo.

<

<

4


65

< 66

MICRO

4.2.1.2

Actuadores rotativos Motor oscilante Los motores oscilantes son utilizados para realizar momentos de rotación con un ángulo de giro limitado. El motor oscilante tiene un vástago dentado con dos émbolos. Si se ingresa presión a algunas de las cámaras, la barra se desplaza arrastrando a un piñón que se encarga de producir el momento de giro. También posee un tornillo que permite modificar el ángulo de giro del piñón.

1. Cámara del cilindro. 2. Tope fijo que delimita carrera. 3. Vástago. 4. Carcasa. 5. Topes regulables que delimitan el ángulo. 6. Entradas y salidas de fluidos a la cámara. 7. Émbolos. 8. Eje giratorio donde se hace la aplicación. 9. Piñón transmisor del esfuerzo. 10. Tuerca tapón de relleno. 11. Carcasa. 12. Aceite.

Motores continuos • Motor de engranajes El esfuerzo de par motor que se desarrolla, es debido a la presión que ingresa por la entrada aplicada a la superficie de los dientes de los engranajes. Estos dos engranajes están acoplados y giran conjuntamente, pero sólo uno de ellos está conectado directamente al eje de accionamiento. Los motores de engranajes tienen un desplazamiento fijo y es, aproximadamente, igual al volumen comprendido entre dos dientes. El sentido de la rotación depende del lado donde ingrese la presión. Estos motores no están equilibrados. Las altas presiones a su entrada y la baja presión a la salida originan elevadas cargas laterales sobre los ejes y los engranajes. ‘

<

<

4


67

Motor de engranajes.

• Motor de paleta El par motor se desarrolla por la presión, que actúa sobre la superficie de las paletas expuestas, las cuales entran y salen practicadas por el rotor, que está acoplado al eje de accionamiento. Las dos entradas de presión están ubicadas en lugares opuestos para equilibrar las cargas laterales en el rotor.

Motor de paletas no equilibrados.

• Motor de pistones Los motores de pistones probablemente son los más eficaces, ya que desarrollan altas velocidades, grandes presiones y están equilibrados. Sus diseños básicos son en línea, radial y axial. Los diseños radial y axial se pueden encontrar en el mercado con desplazamiento fijo o variable. • Motores de pistones axiales Motores de pistones axiales horizontales: El giro se produce con la presión que se ejerce en los extremos de los pistones que se mueven alternativamente en el barrilete. El desplazamiento del motor es fijo o variable. Este desplazamiento está determinado por el grado de inclinación de la placa. Al aumentar el grado de inclinación de la placa estamos aumentando la velocidad de giro del rotor. Existen topes, para que el par y la velocidad permanezcan dentro de los límites operativos.

< 68

MICRO

Motores de pistones axiales en ángulo: El bloque de cilindros y el eje de accionamiento están montados formando un ángulo entre sí y la reacción se ejerce contra la brida de accionamiento. También en este caso existen modos de desplazamiento fijo y variable.

• Motores de pistones radiales Estos motores son de baja velocidad y de par elevado. Su funcionamiento se basa en cilindros telescópicos de autoalineación que transmiten la potencia a través de una excéntrica formada en el eje. Algunos tipos admiten la regulación del caudal, variando la excentricidad.

Recuerde que... El concepto de par de un motor expresa su capacidad de trabajo. Fórmulas de cálculo

<

<

5

VÁLVULAS HIDRÁULICAS

5

Válvulas Hidráulicas

69

Introducción Las necesidades crecientes que se presentan en el campo de la automatización industrial, en cuanto a lo que hace a la fabricación de maquinarias, dispositivos y diversos elementos accionados hidráulicamente, ha hecho pensar -hace algunas décadas atrás- lo útil que resultaría comandar circuitos hidráulicos vía automatizaciones eléctricas. En su momento, esto determinó la creación de la válvula de control direccional accionada por solenoides y/o electroimanes. Actualmente, estas válvulas son indispensables para comandar cualquier máquina hidráulica, automática o no, por medio de cualquier tipo de accionamiento eléctrico y/o electrónico. Las válvulas que a continuación estudiaremos, son las más populares en el campo de la válvula de control direccional de flujo hidráulico accionada eléctricamente. 5.1

Válvulas La función de las válvulas es permitir, orientar o detener un flujo. Constituyen los órganos de mando de un circuito. También son utilizados en sus tamaños más pequeños como emisoras o captoras de señales para el mando de las válvulas principales del sistema, y aún en funciones de tratamiento de señales.

5.1.1

Clasificación Las válvulas pueden clasificarse en cuatro grandes grupos según su función: • • • •

Válvula de retención o antirretorno. Válvulas direccionales. Válvulas de control de la presión. Válvulas de control del caudal.

Dos de las características principales que posibilitan su clasificación son el número de vías y de posiciones definidos a continuación: Vías: Llamaremos así al número de orificios controlados en la válvula, exceptuando los de pilotaje. Podemos así tener 2, 3, 4, 5 ó más vías (no es posible un número de vías inferior a 2). Posiciones: Es el número de posiciones estables del elemento de distribución. Pueden tenerse válvulas de 2, 3, 4 ó más posiciones (no es posible un numero de posiciones inferior a 2). 5.2

Configuración simbólica de una válvula El símbolo representa la función de la válvula y su forma de accionamiento. No representa de ninguna manera la válvula, desde el punto de vista constructivo, sólo representa su función. El símbolo se compone de un bloque central, en el que se identifican las posiciones estables del elemento de conmutación y las vías de conexión para cada posición, y de dos bloques extremos que representan los modos de actuación, es decir el tipo de mando.

< 70

MICRO

Cada posición de la válvula se representa con un cuadrado. Habrá tantos cuadrados adyacentes como posiciones de distribución tenga la válvula. 1) Las bocas de conexión se representan por trazos unidos al cuadrado correspondiente a la posición normal de reposo de la válvula. 2) Las vinculaciones entre bocas se representan con líneas y flechas, indicando el sentido de circulación. Las bocas cerradas se indican con líneas transversales. Dicha representación se realiza para cada posición.

Las canalizaciones de escape se representan con un triángulo. Atendiendo a las funciones del bloque central tendremos los siguientes esquemas:

El símbolo se completa con los esquemas correspondientes a los mandos de las válvulas, siendo éstos el medio por el cual se logra la conmutación de sus posiciones. 5.3

Válvula antirretorno o de retención Las válvulas antirretorno o de retención tienen la misión de permitir la circulación en un sentido e impedirla en el sentido contrario, evitando así que el aceite pueda recorrer en ambos sentidos las tuberías. También puede funcionar como una válvula direccional o como controladora de presión. Dentro de este tipo de válvulas podemos mencionar: •

Válvula antirretorno simple es aquella en la cual el fluido circula a través de la misma en línea recta.

<

<

5


71

El cuerpo de la válvula se rosca directamente a la tubería formando un asiento para un vástago cónico o una bola; permitiendo, en parte, que el fluido circule en una sola dirección en el muelle. En la dirección donde el pasaje es libre, el muelle cede y la válvula se abre a una presión determinada. El muelle no es ajustable, pero hay disponibles muelles que son específicos para distintos valores de presión, por ejemplo 0.2 bar; 0.5 bar; 2 bar; etc. Aunque estas válvulas admiten presiones elevadas, no son recomendables para aplicaciones en donde se someten a caudales de retorno de gran velocidad.

Funcionamiento básico de una válvula sin retorno.

•

Válvula antirretorno de ángulo recto, es llamada así porque el aceite fluye a través de la misma formando un ángulo recto. Se constituye por un vástago de acero y un asiento endurecido incrustado en un cuerpo de fundición.

•

Válvula antirretorno con retorno restringido, en lo único que cambia con respecto a las antirretorno comunes, es que esta válvula tiene un pequeño orificio en el vástago para permitir un caudal restringido en la posición normalmente cerrada.

< 72

MICRO

•

5.4

Válvula antirretorno piloteda, son diseñadas para permitir el paso libre del fluido en una dirección, y para bloquear el caudal de retorno en la dirección opuesta, hasta que la válvula se abra debido a la acción de un pilotaje exterior.

Tipos constructivos de válvulas direccionales Con una válvula direccional se controla el arranque, la detención y la dirección de un fluido, así como también las posiciones de detención de un consumidor (cilindro o motor hidráulico). La denominación de las válvulas direccionales se realiza en base al número de las conexiones de trabajo y al número de las posiciones factibles.

<

<

5


5.4.1

Clasificación de válvulas direccionales

73

Válvulas de asiento esférico Son generalmente utilizadas para funciones secundarias dentro de un sistema, construyéndose normalmente como válvula 2/2 ó 3/2.

Válvulas de asiento de disco (Poppet) Se construyen como válvulas 2/2, 3/2, 4/2, 5/2. La estanqueidad puede lograrse mediante discos de cierre elásticos y asientos de metal, o directamente discos de cierre y asientos de metal.

Válvulas de distribuidor axial plano Poseen un émbolo para la conmutación de la válvula, pero las bocas son controladas por un distribuidor plano adicional. En la figura se esquematiza una válvula 4/2 de este tipo, aunque también se las encuentra en versiones 2/2, 3/2, 5/2 y 5/3, entre otras.

< 74

MICRO

Válvulas de distribuidor rotante Se fabrican como válvulas de mando manual del tipo 3/2, 4/2, y también 4/3. La vinculación entre las bocas de utilización y descarga se realiza a través de un disco rotante con canalizaciones. Válvulas de distribuidor axial o corredera (Spoll) La distribución del aire comprimido a las diferentes bocas se logra a través de un distribuidor cilíndrico que se desplaza en sentido axial. Válvulas metal–metal Empleada comúnmente en hidráulica, requiere un ajuste preciso entre el distribuidor y el cuerpo de la válvula. Juntas tóricas (O´Rings) en el cuerpo de la válvula Es una de las disposiciones más comúnmente adoptada, con el fin de evitar el alto costo que implican las anteriores. Válvula direccional de corredera Esta válvula direccional posee una corredera cilíndrica que se desliza en ambas direcciones dentro de la válvula. La corredera tiene ranuras circulares que habilitan distintas secciones dependiendo de su dirección. Los orificios de entrada y salida del caudal pueden estar conectados o bloqueados dependiendo de la corredera que posee los salientes cilíndricos.

Válvulas de cuatro vías tipo corredera deslizante.

<

<

5


75

Tipos de centros de corredera La gran mayoría de los fabricantes de válvulas construyen el modelo 4/3, de tal forma que posean pasaje idéntico en las posiciones extremas, pero distintos centros, obtenidos de un simple cambio de correderas. Los casos extremos son el centro totalmente abierto y el centro totalmente cerrado. Sus combinaciones nos permiten disponer de los centros mostrados a continuación.

Válvula rotativa de 4 vías El principio de funcionamiento, se basa en un rotor que gira dentro del cuerpo de una válvula. Cuando el rotor gira, conecta o bloquea los orificios de la válvula para poder obtener las cuatro conexiones del caudal. Éstas poseen mandos mecánicos o manuales, y son usadas como válvulas piloto para controlar otras válvulas.

< 76

MICRO

Válvulas direccionales pilotadas Para aquellas válvulas que por razones de caudal su tamaño exige fuerzas importantes en la corredera para su inversión, se procede a la construcción de la llamada válvula de mayor tamaño comandada por otra menor.

La válvula pilotada está compuesta por la válvula principal (2) y la piloto (1), está generalmente comandada por mandos eléctricos. La válvula piloto es alimentada a través del canal, dicha alimentación puede ser interna o externa. 5.4.1.1

Principios de funcionamiento de válvulas Número de vías–número de posiciones (N° de vías / N° de posiciones) Como vías se consideran las conexiones de entrada o alimentación, conexión/es de utilización para el consumidor y orificios de purga (escape). Se llama posición a las maniobras que toman las partes móviles internas de una válvula, tras incluirla en un equipo y establecer la presión de una red. A continuación se presenta una descripción general de los tipos de válvulas direccionales, usualmente empleados en hidráulica: Válvulas 2/2 Pertenecen a este grupo todas las válvulas de cierre que poseen un orificio de entrada y otro de salida (2 vías) y dos posiciones de mando. Únicamente se utilizan en aquellas partes de los circuitos hidráulicos donde no es preciso efectuar por la misma válvula la descarga del sistema alimentado, sólo actúan como válvulas de paso.

<

<

5


77

Válvulas 2/2 NC Son aquellas válvulas que en su posición normal de reposo (aquella determinada por su reacción o resorte) no permiten la circulación de fluido. Conducen cuando su mando (muscular, hidráulico, mecánico, eléctrico, etc.) es accionado.

Válvula 2/2 NC monoestable, mando manual, reacción a resorte.

Válvulas 2/2 NA En su posición normal de reposo permiten la circulación del fluido, interrumpiéndolo al ser accionado su mando. .

Válvula 2/2 NA monoestable, mando manual, reacción a resorte.

Válvulas 3/2 Pertenecen a este grupo de válvulas aquellas que poseen un orificio de alimentación, uno de utilización y otro de escape (3 vías) y dos posiciones de mando. Sus funciones dentro de un circuito hidráulico pueden ser muy variadas, y van desde el manejo de señales hasta el comando de cilindros de simple efecto. A diferencia de las anteriores, éstas posibilitan la descarga del sistema que alimentan. Válvulas 3/2 NC Son aquellas que en la posición normal de reposo no permiten la circulación desde el orificio de alimentación al de utilización, el cual queda conectado al escape. Esta condición es invertida al operar su mando, pasando el fluido a la utilización en tanto el escape es bloqueado.

Válvula 3/2 NC monoestable, mando manual, reacción a resorte.

< 78

MICRO

Válvulas 3/2 NA En su posición normal de reposo permiten el pasaje de fluido de la alimentación a la utilización; el escape es bloqueado. Al operar el mando, se interrumpe el pasaje y el sistema alimentado es puesto a descarga. La diferenciación entre las válvulas 3/2 normal cerrada y normal abierta no implica necesariamente que se trate de dos válvulas diferentes. Las válvulas 3/2 del tipo de distribuidor axial generalmente admiten ser conectadas de una u otra manera indistintamente.

Válvula 3/2 NA monoestable, mando hidráulico, reacción a resorte.

Válvulas 4/2 Poseen cuatro orificios de conexión (4 vías) correspondiendo: uno a la alimentación, dos a las utilizaciones y el restante al escape; este último es común para ambas utilizaciones. Poseen dos posiciones de mando, para cada una de las cuales sólo una utilización es alimentada, en tanto la otra se encuentra conectada a escape. Esta condición se invierte al conmutar la válvula. Dado que para cada posición existe un pasaje abierto y uno cerrado, carece de sentido hablar de una válvula 4/2 normal abierta o normal cerrada. Válvulas 5/2 Éstas poseen cinco orificios de conexión y dos posiciones de mando. A diferencia de las 4/2, poseen dos escapes, correspondiendo uno a cada utilización. Ejemplo

Válvula 5/2 monoestable, mando manual, reacción a resorte.

En los ejemplos anteriores la función de conmutación de posiciones del distribuidor fue obtenida mediante una acción manual sobre el mando, al efecto de simplificar la interpretación. Como pudo apreciarse, al cesar la acción, el distribuidor era reposicionado mediante un resorte antagónico (reacción por resorte).

<

<

5


79

La válvula (sin accionar su mando) posee una única posición estable, aquella gobernada por su reacción. A las válvulas con estas características se las denomina monoestables (única posición de mando estable). La acción manual sobre el mando puede ser reemplazada por una acción mecánica (leva sobre un rodillo o bocas de pilotaje), dando origen así a las válvulas de mando hidráulico. Ejemplo

Válvula 5/2 monoestable, mando hidráulico, reacción a resorte.

Es posible sustituir la acción del resorte por una acción hidráulica permanente (reacción hidráulica). Esto se logra alimentando el mando correspondiente a la reacción en forma permanente, pudiéndose hacer a través de una boca externa o simplemente utilizando una conducción interna de autoalimentación, que proveen los fabricantes y que comunica al citado mando con la boca de alimentación de la válvula. De este modo, al alimentar con presión a la válvula queda automáticamente establecida la reacción hidráulica. Como resulta obvio, para desplazar el elemento conmutador con presiones iguales es necesario disponer en el mando opuesto de un área mayor, dando origen así a las válvulas con mandos por áreas diferenciales. Ejemplo

Válvula 5/2 monoestable, mando hidráulico, reacción hidráulica.

Es posible también comandar ambas posiciones del distribuidor, mediante pulsos de señal ingresados alternativamente por las bocas 12 y 14. Desaparece así la reacción, obteniéndose ahora una válvula con las dos posiciones estables, es decir, la válvula conmuta y conserva la posición aún desaparecida la señal que originó el cambio. La posición opuesta se logrará mediante una señal en el pilotaje contrario. Este tipo de comportamiento recibe el nombre de biestable. También son conocidas como memorias o de comando por impulsos.

< 80

MICRO

Válvula 5/2 monoestable, mando hidráulico, reacción hidráulica.

Ejemplo Un comportamiento análogo, pero con efecto predominante de una de las posiciones, se obtiene aplicando el concepto anterior a válvulas con mando por áreas diferenciales. En presencia de una señal simultánea en las bocas 12 y 14, el efecto de la señal 14 predomina en razón de su mayor área. Ejemplo

Válvula 5/2 biestable, con áreas equilibradas.

5.5

Válvulas a presión Estos tipos de válvulas influyen sobre la presión en un sistema o parte de él. Su principio de funcionamiento se basa en el equilibrio de una fuerza hidráulica en contraposición con la fuerza de un resorte. Son válvulas del tipo proporcional, es decir que poseen infinitas posiciones. Con esto podemos señalar que pueden estar totalmente abiertas o totalmente cerradas, pasando por todas las posiciones intermedias, según el caudal y las diferencias de presiones. Se clasifican según su función en: • • • •

Válvula de seguridad o limitadora de presión. Válvula de descarga. Válvula de secuencia o desconexión de presión. Válvula reductora de presión.

<

<

5


81

Válvula de seguridad, normalmente montadas en todos los sistemas hidráulicos. Generalmente es conectada en la línea de presión, cumpliendo la función de limitar la presión máxima de trabajo o derivando en casos de sobrepresión parte del caudal al depósito. Válvula de seguridad simple, la mayoría de estas válvulas poseen un tornillo de regulación, para variar la fuerza del muelle. Cuando la presión vence la fuerza del muelle, se denomina presión de abertura. A medida que el caudal va aumentando a través de la válvula, el obturador se aleja cada vez más de su asiento, originando una compresión mayor que la del muelle. En estos casos cuando la válvula empieza a derivar todo el caudal, la presión puede considerarse mayor que la presión de la abertura. La presión a la entrada de la válvula, cuando ésta deja pasar todo el caudal, se denomina presión de plena abertura. La diferencia que se produce entre la presión de plena abertura y la presión de abertura, se denomina margen de sobrepresión. Esta sobrepresión en algunos casos no es un inconveniente, en otros casos puede dar como resultado una pérdida de potencia. Esto es debido al flujo que se pierde en la válvula antes de alcanzar su ajuste máximo o permitir que la presión máxima del sistema sobrepase los valores nominales de los demás componentes. Válvula de seguridad doble o indirecta, esta válvula funciona en dos etapas: una es la de piloto, y la otra es una corredera equilibrada hidráulicamente. La parte piloto consiste en una válvula limitadora de presión y un obturador, mantenido en su asiento por un muelle ajustable. En la corredera se encuentra un muelle que empuja el pistón manteniendo la descarga a tanque tapada por el obturador. Cuando el flujo ingresa a la válvula, lo hace por de bajo del pistón y a través de un orificio que está en el mismo pistón. Para cualquier presión por debajo a la del taraje de la válvula limitadora, la corredera se mantiene apoyada en su asiento por el muelle ligero. Cuando la presión del fluido que pasa por el orificio del pistón alcanza el taraje, el obturador se desplaza de su asiento, limitando la presión en la cámara superior. Si el obturador se abre, produce una diferencia de presión en ambas cámaras, logrando que el muelle suba el pistón; dejando libre la descarga a tanque. Válvula de descarga, es una válvula de seguridad compuesta por un mando remoto. A través de un orificio situado en el canal del obturador se conecta a tanque cada vez que se desee la apertura total de la válvula. Es en este caso que se llama válvula de descarga. Aquí el reposo ligero es la única fuerza de oposición. Válvula de secuencia se utiliza en un sistema para mover los actuadores en un orden o presión determinada en la línea. El fluido circula por la línea primaria, efectuando la primera operación, hasta que

< 82

MICRO

alcanza el taraje de la válvula. A medida que se eleva la corredera, el caudal pasa por un orificio secundario para efectuar la segunda operación. Una aplicación típica es la sujeción de una pieza con el primario y el avance de un cabezal a través del secundario, luego que la pieza queda sujeta. También se la construye con válvula de retención incorporada. Válvula reductora de presión, con controles de presión del tipo normal abierto que se utilizan para mantener presiones más bajas en ciertas partes del circuito.

<

<

5


83

< 84

MICRO

5.6

Válvulas de caudal Las válvulas reguladoras de caudal, también llamadas válvulas de control, en general son utilizadas para controlar la velocidad de los actuadores hidráulicos. Como sabemos la velocidad de los actuadores dependen de la cantidad de aceite que se envía por unidad de tiempo. Existen varias formas de regular la velocidad en los actuadores: por la entrada, por la salida y por sustracción.

Válvula reguladora de caudal de dos vías.

5.6.1

Reguladores de entrada Instalando el regulador de caudal en la entrada del actuador, se consigue controlar la velocidad de desplazamiento del mismo en una sola dirección, siendo el caudal exento enviado a tanque a través de la limitadora de presión.

<

<

5


85

Este método es aplicable para los casos en que la carga siempre se opone al movimiento del actuador, por ejemplo: la elevación de una carga con un actuador sujetado verticalmente. En caso de ser necesario controlar ambos sentidos, se debe instalar un regulador a la salida de la bomba. 5.6.1.1

Reguladores de salida Controlan el caudal de descarga del actuador, consiguiendo más uniformidad en el caso en que la carga esté a favor del movimiento. De ser necesario regular ambas direcciones, la válvula se debe colocar en la línea de tanque de la válvula direccional.

5.6.1.2

Reguladores por sustracción Se instala en la línea de presión, determinando la velocidad y desviando parte del caudal de la bomba al tanque. De este modo, la bomba trabaja a la presión que le pide la carga, ya que el exceso de caudal retorna al tanque a través de la reguladora, en lugar de retornar por la válvula de seguridad.

< 86

MICRO

La desventaja está en la pérdida de precisión, debido a que el caudal regulado pueda ir al tanque y no exactamente al actuador. Este último queda sometido a las variaciones de desplazamiento de la bomba al variar la carga del actuador. Este sistema es inaplicable para el caso en que la carga actúa en el mismo sentido que el movimiento. 5.6.2

Tipos de reguladores de caudal Existen las válvulas reguladoras compensadas y las no compensadas por presión y/o por temperatura. Las no compensadas se utilizan cuando las presiones son casi constantes y las variaciones de velocidad no son muy bruscas. Puede ser del tipo aguja, y en casos más sofisticados poseen válvula antirretorno. La utilización de válvulas no compensadas por presión es limitada, ya que el caudal que pasa por un orificio es función de la raíz cuadrada de la pérdida de presión a través del mismo; por lo que se deduce que las variaciones apreciables de la carga afectarán al control de velocidad. La válvula compensada por presión está protegida contra sobrecarga, puesto que posee un hidrostato que opera desviando el caudal al tanque, a través de la válvula de seguridad cuando la presión excede al taraje de la válvula.

La compensación por aumento de temperatura, se consigue por intermedio de una varilla que, al dilatarse, reduce el tamaño de estrangulamiento, de modo que se consigue compensar la variación de viscosidad que produjo el aumento de temperatura.

<

<

5


5.7

Válvulas especiales

5 . 7. 1

Válvulas proporcionales

87

Válvulas proporcionales direccionales Con una válvula direccional proporcional se pueden realizar programas y controles complejos, por ejemplo aceleración y desaceleración de consumidores. El sentido y la velocidad son controlados por un solo dispositivo. La magnitud de salida, por ejemplo el caudal, es proporcional a una señal eléctrica de entrada. Las válvulas proporcionales direccionales de cuatro vías están compuestas por una válvula piloto y por una principal.

La válvula piloto esta compuesta por la carcasa, dos émbolos pilotos y dos electroimanes proporcionales.

<

<

88

MICRO

La válvula principal es una válvula direccional y está compuesta por la carcasa, la corredora principal y resortes de centraje que están incorporados en las cámaras. La válvula piloto es una reguladora de presión con electroimanes proporcionales, que transforman una señal eléctrica en una fuerza proporcional a dicha señal. Un aumento en la corriente eléctrica, produce una mayor fuerza del electroimán. Para obtener un campo de variación lineal de la fuerza se utiliza solamente una parte de la carrera del núcleo del electroimán. Mayor fuerza del electroimán Mayor presión Mayor desplazamiento de la corredera De esta manera se consigue un caudal que está en función de la corriente eléctrica.

Limitadora de presión proporcional Está compuesta por una válvula piloto (1) con electroimán (2) y una válvula principal (4). Como opción, se puede instalar un limitador adicional de presión máxima (3).

A diferencia de la limitadora de presión, en lugar del resorte se instaló un electroimán, a través de éste se obtiene la graduación de la presión. El limitador de presión impide que ante una falla electrónica, la presión exceda a la presión máxima admisible del sistema.

<

<

5


5 . 7. 2

Servoválvulas

89

Con el término “servo” se denomina generalmente a la función que con una pequeña magnitud de entrada produce una gran magnitud de salida; sin embargo las servoválvulas no sólo son aptas para el mando análogo. A diferencia de las válvulas proporcionales, se la utiliza por ejemplo en circuitos de posicionamiento. Una servoválvula es una válvula direccional de infinitas posiciones, que cumple la función de controlar cualitativa y cuantitativamente el caudal, es decir controla la dirección y el sentido del caudal. Las servoválvulas electrohidráulicas funcionan esencialmente comandadas por una señal eléctrica proporcional, que actúa sobre un motor par o dispositivo análogo que directa o indirectamente posicionan la corredera de la válvula. La señal del motor par puede ser originada por un potenciador, por una cinta magnética u otro dispositivo. Dicha señal, una vez aplicada a la servoválvula, es amplificada por la corredera y ésta comanda la carga. El amplificador recibe también una señal de respuesta, realimentación, dada por algún traductor conectado a la carga (tacómetro, potenciómetro, etc.). Esta señal de respuesta se compara con la entrada y en caso de haber una derivación se efectúa la corrección. Los distintos tipos de electroválvulas servocomandadas pueden suministrar un control exacto de la posición y la velocidad. La mayoría de las veces se las utiliza para controlar actuadores o motores hidráulicos, pero en aquellas aplicaciones donde deben controlarse volúmenes muy grandes, se utiliza la servoválvula para regular el caudal de la bomba de desplazamiento variable.

Servoválvula de corredera con mando directo.

5.8

Tipos de mandos Mando: mandar es la acción originada en un sistema sobre el cual uno o varios parámetros (señales) de entrada, modifican según leyes del propio sistema a otros parámetros (señales) considerados de salida.

<

<

90

MICRO

A continuación explicaremos los tipos de mandos más comúnmente utilizados en Hidráulica: Mando manual Estos mandos están generalmente formados por válvulas constituidas por palancas o botoneras. Mayormente utilizados en válvulas de reducidas dimensiones (no más de “3/4” ó “1” de diámetro de conexión), ya que de lo contrario requeriría de un gran esfuerzo físico para su accionamiento. La figura posterior muestra una válvula que se encuentra en la posición inicial, por lo tanto las conexiones P, T, A y B están interrumpidas. Pero si movemos la palanca la corredera se moverá, entonces se establecerán las conexiones entre P y B, y entre A y T. Éste juego entre la corredera y la carcasa, adopta la función de junta. En este tipo de válvulas es muy difícil lograr una total hermeticidad.

Mando mecánico Este mando tiene la ventaja que se puede aplicar a cualquier tamaño de válvula. Su construcción por lo general es una corredera con un rodillo a su extremo. Al rozar o apoyar una carga en la leva, éste hace que el rodillo mueva la corredera y posiciones de la válvula. También se construyen válvulas con mandos mecánicos especiales, adaptables a aplicaciones específicas, de acuerdo a las necesidades del dispositivo.

<

<

5


91

Mando hidráulico Comúnmente utilizados en circuitos secuenciales, o en aquellos sistemas en donde por razones de seguridad no se puede aplicar tensión eléctrica, debiendo además tener en cuenta que dichos mandos son menos costosos que los eléctricos.

Cuando aplicamos presión sobre el émbolo (2), éste produce el desplazamiento de la corredera (1), quedando fijado el sistema a través de la traba (3).

Mando eléctrico En la actualidad es el más difundido por ser el más apto a la complejidad de los automatismos. Éstos se clasifican en cuatro modelos básicos de electroimanes: • • • •

De corriente continua en seco. De corriente continua en aceite. De corriente alterna en seco. De corriente alterna en aceite.

Los valores de tensiones que se maneja en corriente continua son de 12v a 110v, pero en corriente alterna se consiguen valores de tensiones un poco más elevadas, que van de los 12v a los 220v.

<

<

92

MICRO

Los de corriente continua ofrecen seguridad de funcionamiento y suavidad, además no se queman en caso de que se trabe la corredera, por lo que es apto para una alta frecuencia de trabajo. Los de corriente alterna son de mayor velocidad de respuesta. Si éstos se llegaran a trabar se quemarán después de un tiempo. Los húmedos se utilizaban para ambientes corrosivos, su desgaste es reducido. Éstos poseen una buena disipación del calorgenerado por el solenoide y la amortiguación de funcionamiento. Los de corriente alterna en seco poseen las ventajas de los anteriores nombrados, sólo son de construcción más simple.

Electroimán seco de corriente alterna (1) y un electroimán seco de corriente continua (2) de una válvula de impulsos (dos posiciones).

La siguiente figura muestra un electroimán húmedo de corriente continua (4) y uno húmedo de corriente alterna (5) en una válvula de tres posiciones. Como se aprecia, los núcleos están sumergidos en aceite mediante la intercomunicación con el canal T. En ambas figuras se indica con posición (7) a los actuadores manuales de los solenoides (éstos accionan la válvula en caso de desperfectos eléctricos).

Características constructivas.

1-Corredera 2- Varilla empujadora 3- Bobina 4- Núcleo

<

<

6

ACCESORIOS

6

Accesorios

93

Introducción Para poder interconectar entre sí a los componentes hidráulicos (bomba, válvulas, actuadores, filtros y depósitos, entre otros), se utiliza los elementos de enlace. Éstos consisten en tubos, conectores y accesorios, que además de unir garantizan la estanqueidad de todo el sistema hidráulico. 6.1

Componentes de enlace Para sistemas hidráulicos se utilizan en la actualidad dos tipos de líneas de enlace: a) Tubos metálicos Pueden ser tres tipos de tubos: • • •

Acero. Aluminio. Cobre.

A su vez, los tubos de acero pueden ser de dos tipos: • •

Gas. Milimétricos.

Con respecto a los tubos para gas se los clasifica en general por su espesor, siendo esto una relación de números (schedule), establecida por la American Nacional. Standars Institute (A.N.S.I.), que van de 10 hasta 160 mm, y cubren 10 conjuntos de grueso de pared. Como regla general podemos decir que el schedule 40 corresponde al espesor estándar, 80 al grueso y 160 al extragrueso.

< 94

MICRO

Los milimétricos se clasifican por su diámetro exterior, desde 4 hasta 80 mm de diámetro, existiendo varios espesores para cada tamaño.

b) Manguera flexible Se utilizan cuando las líneas hidráulicas están sometidas a movimientos. Las mangueras se fabrican con capas de caucho sintético y trenzadas de tejido (nylon y/o alambre). La presencia de alambre permite presiones más elevadas. La capa interior de la manguera debe ser compatible con el flujo utilizado; la externa es generalmente de caucho para proteger el trenzado. La cantidad de capas trenzadas depende de la presión.

Recuerde que... Con respecto a los tubos metálicos de aluminio y cobre, se desaconseja su uso en hidráulica debido a su acción acelerante sobre el envejecimiento del aceite; además se los encuentra en plaza con bajos espesores, lo cual limita aún más su uso ya que se pueden utilizar sólo para presiones bajas. 6.2

Conectores y accesorios para tubos y mangueras

6.2.1

Accesorios roscados para caños Estos caños se roscan según la norma BSPT (gas cónico) por lo que la estanqueidad se consigue apretando roscas macho sobre roscas hembra, siendo éste el inconveniente en estos sistemas de cierre, ya que si se afloja algún empalme debe luego

<

<

6

ACCESORIOS

95

apretarse más para cerrar, causando una deformación cada vez mayor hasta el punto en que no se puede lograr estanqueidad. Se consigue disminuir este defecto mediante el uso de sellante de roscas (teflón). Los accesorios utilizados pueden ser fundidos o forjados, dependiendo su uso de la presión del sistema donde serán montados. En general se prefieren los forjados por ser más aptos, no obstante existen varios modelos de accesorios para poder adaptar todos los equipos.

Tabla de accesorios

Accesorio

Función Una unión doble tiene dos roscas y una tuerca externa, para permitir que se haga o deshaga una unión sin girar el tubo.

Un buje reducción se usa para conectar tuberías de distinto tamaño

Una cupla reducción se utiliza también para cambiar el tamaño de la tubería, pero tiene las dos roscas hembras.

Una cupla une dos tuberías del mismo tamaño.

Un tapón cierra el extremo abierto de una tubería

< 96

MICRO

El codo tiene una rosca macho y otra hembra. Hay también hembra - hembra.

Una válvula esférica sirve para habilitar o no al sistema.

La TE se utiliza para derivar el caudal.

6.2.2

Conectores para tubos Los racores o conectores son los elementos intermedios que deben proporcionar uniones estancas, fácilmente desmontables, y asegurar el paso del fluido entre los diversos componentes que conforman el circuito hidráulico. Ejemplo Conector entre una manquera y una válvula. Conector entre una manguera y un cilindro. Entre los conectores o racores comúnmente utilizados en los sistemas hidráulicos encontramos los siguientes: Abocardados: Son aquellos en los cuales se abocarda el tubo metálico (37º ó 45º) para que éste asiente en el conector y mediante una tuerca se logre la estanqueidad.

A virola: El cierre lo produce una virola metálica, que se deforma y afirma al tubo con el apriete de la tubería lográndose un cierre estanco.

<

<

6

ACCESORIOS

6.3

Recomendaciones de instalación

97

Es recomendable en todos los casos de montaje de circuitos hidráulicos una adecuada instalación, para evitar fugas, contaminaciones y ruidos. A continuación daremos algunas recomendaciones: • Reponer totalmente el aceite en forma periódica, de acuerdo a las indicaciones del fabricante. • Instalar los filtros necesarios y adecuados del sistema. • Purgar la cañería luego de instalarla, para desalojar impurezas tales como virutas, restos de teflón pintura, etc. • Eliminar toda fuga percibida durante el funcionamiento (evita accidentes y optimiza el rendimiento). • Sujetar en forma adecuada las cañerías mediante soportes, para responder a vibraciones y golpes de presión sin aflojarse. • Las conexiones de la línea de entrada a la bomba deben ser estancas para impedir la incorporación de aire al sistema; además se debe reducir el uso de accesorios y la longitud de los mismos: codos, curvas, etc. • Las líneas de retorno no estancas también pueden provocar entrada de aire al sistema, por aspiración. • La descarga dentro del depósito se debe efectuar debajo del nivel para evitar turbulencia y aireación. • Entre actuadores y reguladores de caudal, instalar, en lo posible, cañerías rígidas y cortas, para evitar variaciones de velocidad no deseadas. • Cuando se instalan mangueras, colocarlas de manera tal que no se refuercen ni se fuercen. Se debe dejar holgura en el largo, para absorber picos de presión. Pueden ser necesarias abrazaderas que eviten friccionamiento o entrelazamiento con piezas móviles. Cuando las mangueras estén sometidas a tratamiento, se deben proteger con fundas o protecciones similares. 6.4

Cierres y fugas

6.4.1

Fugas internas Gran parte de los componentes hidráulicos fabricados en la actualidad se construyen con huelgos que permiten un grado de fuga. Este efecto se utiliza para producir la lubricación de las piezas en movimiento. Las fugas internas implican pérdida de aceite, ya que éste retorna al depósito. Pero si la fuga sobrepasa los límites de fabricación, se produce una merma del rendimiento hidráulico, llegando en los peores de los casos al límite de la disfuncionalidad del sistema.

6.4.2

Fugas externas Las fugas externas se deben a defectos de interconexión, como ser conectores defectuosos, calidad de material, soportes inadecuados, aprietes deficientes, juntas defectuosas, presión excesiva, etc. Cualquiera sea su origen, estas fugas producen suciedad y provocan defectos funcionales.

<

<

98 94

MICRO

6.4.3

Estanqueidad Necesarias para conservar la presión en límites adecuados, para evitar fugas y contaminaciones. La estanqueidad puede ser positiva o negativa, siendo la primera aquella que impide toda fuga y la no - positiva es la que permite una pequeña cantidad de fluido de fuga para lubricación.

6.4.3.1

Estanqueidad estática La estanqueidad obtenida con un elemento comprendido entre dos piezas rígidamente unidas se llama estanqueidad estática.

Ejemplos de juntas estáticas.

Se utilizan también para sellado de conectores para tubo de rosca cilíndrica (BSPP). Las aplicaciones de estas juntas estáticas son relativamente simples, sin desgaste, por lo que el cuidado se limita solamente a montarlas correctamente. 6.4.3.2

Estanqueidad dinámica Se denomina así a la estanqueidad obtenida entre dos piezas con movimiento relativo entre ambas. Por estas características se desgastan más que las estáticas, ya que la junta frota contra una de las piezas. Las aplicaciones son muy diversas, encontrándose en gran medida en los circuitos hidráulicos.

6.5

Juntas dinámicas A continuación mencionaremos y explicaremos las juntas dinámicas utilizadas comúnmente en las técnicas de la hidráulica:

6.5.1

Juntas tóricas "O" Las juntas tóricas o toroidales son unos elementos que aseguran la estanqueidad entre dos cuerpos. Así podemos encontrar tóricas en el manómetro, las linternas, las cámaras de fotos, etc. En general las encontraremos donde no pueda entrar agua y no pueda salir aire. La llamada comúnmente O' Ring, es la junta de aplicación más difundida en las técnicas hidráulicas, debido a sus dimensiones mínimas y su extrema simplicidad estructural, que facilitan su introducción y montaje; incluso en casos donde el espacio es limitadísimo. Se trata de una junta de sección redonda, en caucho sintético. Esta junta se instala en una ranura anular mecanizada en una de las piezas del componente; ésta es

<

<

6

ACCESORIOS

99

comprimida en ambos diámetros (externo e interno). En los cierres dinámicos, la presión la empuja contra un lado formando un cierre positivo contra dos superficies anulares y una superficie plana.

6.5.2

Anillo de tipo "T" Éstos son muy utilizados para cerrar los pistones de los cilindros, los vástagos de los pistones y otras piezas de movimiento alternativo. Se construyen de caucho sintético moldeado en forma de T y reforzados a ambos lados por anillos de apoyo. Este elemento de estanqueidad no tiene tendencia a girar como las juntas tóricas. El anillo T no está limitado a carreras cortas.

6.5.3

Juntas de labio Las juntas de labio son elementos de estanqueidad dinámicos de baja presión, utilizados principalmente para ejes giratorios. Una junta de labio típica consta de un alojamiento metálico estampado para soporte y alineamiento, y caucho sintético o cuero en forma de labio que se adapta al eje. Hasta un cierto punto, la presión ayuda a la estanqueidad. La presión que se ejerce sobre el labio produce una mayor adherencia sobre el eje, produciendo una mejor estanqueidad.

< 100

MICRO

6.5.4

Juntas de vaso La estanqueidad se produce en ambos sentidos. El cierre se produce forzando la junta hacia fuera contra la pared del cilindro. Este tipo de junta tiene un apoyo y es resiste a presiones muy elevadas.

6.5.5

Anillo de segmento Los anillos de segmento se fabrican de hierro colado o de acero, pulimentado y algunas veces cromado. Se encuentran frecuentemente en los pistones de los cilindros. Éstos son capaces de resistir grandes presiones. Estos tipos de anillos no constituyen esencialmente un cierre estanco, pero puede hacerse más estanco agregando más anillos.

<

<

6

ACCESORIOS

6.5.6

101

Anillos de apoyo Los anillos de apoyo o también denominado anillos de respaldos, son utilizados en conjunto con el O´Ring para resistir presiones elevadas. Se complementa a la junta con un anillo de apoyo rígido (teflón, delryn, etc.), para evitar la extracción del anillo en la holgura entre las piezas, tal como podemos observar a continuación.

6.5.7

Empaquetadura de compresión Son diseñadas para resistir altas presiones. La cual se constituye en una tapa, una base y guarniciones intermedias que determinan su altura. Fueron las más utilizadas en sistemas hidráulicos, tanto en aplicaciones estáticas como dinámicas; están siendo sustituidas por juntas tóricas y juntas especiales. Estas empaquetaduras están modeladas o perfiladas en forma de "U" o "V" utilizándose varias para obtener un cierre efectivo. Las empaquetaduras se comprimen entre dos bridas y la fuerza no debe ser excesiva, porque aceleraría el desgaste.

6.5.8

Retenes de cierre Un retén de cierre se utiliza en aplicaciones donde se necesita una estanqueidad a altas presiones alrededor de un eje giratorio. La estanqueidad se consigue mediante un contacto constante entre dos superficies planas, frecuentemente carbono y acero. El elemento estacionario se fija al cuerpo del componente. Una de las dos piezas tiene generalmente un muelle para mejorar el contacto inicial y absorber el desgaste. La presión aumenta la fuerza de contacto y mejora la estanqueidad.

Retén radial.

Retén axial.

< 102

MICRO

6.5.9

Juntas planas Las juntas planas son utilizadas para conseguir la estanqueidad en superficies planas. Hoy en día se han dejado de utilizar, fueron sustituidas en los equipos hidráulicos por juntas tóricas, anillos torneados o empaquetadura de compresión.

6.5.10

Juntas especiales Existe gran variedad de formas y materiales para juntas, en la siguiente tabla mostraremos las más comunes. También podemos mencionar otras juntas especiales de última generación que poseen parámetros de operación muy ventajosos como las mencionadas a continuación: • Presión de trabajo hasta 80 Mpa (80 bar ó 11.600 psi). • Velocidad 15m/s en movimiento lineal. Temperatura que va de los -54ºC hasta los 205ºC dependiendo del material del O' Ring. Compatibilidad química con fluidos hidráulicos, basándose en aceite mineral, fluidos hidráulicos levemente inflamables, fluidos ecológicamente seguros (bio-aceites) y otros.

Juntas

Descripción Guarnición de alta presión, su aplicación es ideal para cilindros hidráulicos y bombas en general, ya que el O' Ring que posee en el centro garantiza un ajuste permanente sobre las paredes del cilindro.

O´Ring, ideales para sellados estáticos o dinámicos. Evita fugas en un amplio rango de presiones.

Bandas antifricción, fabricadas en nylon con fibra de vidrio y bisulfuro de Mb. Estos bujes evitan el rozamiento meta l- metal en cilindros hidráulicos.

De labio, son elementos ideales para evitar la contaminación con agentes exteriores y asegurar una larga vida al cilindro. Por las excelentes propiedades del poliuretano. Éste se mantiene ajustado al vástago, aún después de largos períodos de inmovilidad.

Es una junta compuesta que actúa como sello de doble efecto, fabricada en teflón con carga de fibra de vidrio y bisulfuro de Mb, y un aro expansor de goma. Son guarniciones fabricadas en caucho sintético o caucho poliuretánico, según sean las exigencias de trabajo. Son utilizadas ampliamente en todos los cilindros, sean neumáticos o hidráulicos. Producen un excelente sellado y son de fácil colocación. Su funcionamiento y calidad ha extendido enormemente su campo de empleo

<

<

6

ACCESORIOS

Juntas

103

Descripción Sello de doble efecto, para pistones sometidos a cargas radiales. Poseen una muy alta fricción, alta resistencia a la abrasión y evita el "stick-slip". Admite aplicaciones hasta 800 bar de presión y velocidades lineales de hasta 15 m/s. Dependiendo del compuesto del O´Ring puede aplicarse entre - 60ºC hasta +200 ºC.

Banda antifricción, se provee en tiras de espesor calibrado para cortar a medida. Su uso permite la utilización de materiales incompatibles entre camisas y pistones, o entre vástagos y bujes. Protege a los sellos de los contaminantes abrasivos que pueda contener en suspensión el fluido hidráulico. Sello de simple efecto para medias prensiones y velocidades (50 bar y 17 m/s superficiales máximos). Compuesto por una guarnición U de gran compatibilidad química; expandida por un resorte inoxidable y resistente a la corrosión. Bajo fricción y de energía. Sujetado en su diámetro exterior entre bridas para evitar su rotación junto con el eje. Elemento de sello de simple efecto, apto para vástagos cargados dinámicamente. Ausencia de "stick-slip", baja fricción y alta resistencia al desgaste. Cuando se lo coloca en tándem junto con limpiavástagos de doble labio, se obtiene fuga cero. Puede sellar hasta 800 bar y a velocidades de hasta 15m/s. Soporta desde - 60ºC hasta +200ºC, dependiendo del material del O' Ring. Sello doble efecto para pistón de fuga cero, apto para interfaces líquidas/gas. Se lo aplica en cilindros con cargas suspendidas, compresores de GNC, acumuladores y actuadores de alta frecuencia con mini desplazamiento. Su velocidad máxima es de 3 m/s y se lo aplica en sistemas de hasta 400 bar de presión- 60ºC hasta +200ºC.

Sello axial de simple efecto, de aplicación estática y dinámica que admite superficies de sellado desalineadas. Se lo provee para presión interna o externa, con un resorte expansor inoxidable y resiste fluidos corrosivos, a temperaturas entre - 150ºC y +260ºC e inclusive hasta 500 bar de presión.

< 104

MICRO

Juntas

Descripción Limpiavástagos de doble labio, fabricado con un O' Ring que sella las caras estáticas del alojamiento. Elemento muy robusto y de extrema performance en sellado y limpieza del vástago. Labio exterior a 90ºC de gran exclusión de contaminantes. Resiste velocidades de hasta 15 m/s y - 60ºC a +200, dependiendo del material del O´Ring.

Sello de alta presión, diseñados para sellar con doble efecto movimiento pivotantes, helicoidales y rotativos de alta presión y baja velocidad angular. Pueden aplicarse tanto para ejes como para pistones. Sus límites de operación son: 200 bar de presión, 0.5 m/s de velocidad periférica y dependiendo del material del O' Ring entre -40ºC y +150ºC de temperatura.

6.6

Materiales de las juntas y anillos Los materiales que constituyen una junta o anillo pueden ser, en principio, de lo más diversos. Sin embargo, se exige de ellos una serie de requisitos que pueden resumirse así: resistencia al desgaste y posibilidad de ser usados de nuevo en caso de desmontaje, resistencia a las acciones químicas, principalmente con relación a las temperaturas de servicio, a menudo muy variables. Antiguamente se usaban cuero, corcho y fibras impregnadas, hasta la aparición de los materiales sintéticos. El caucho natural ya no es más usado, ya que se deforma en presencia del aceite. En cambio los sintéticos, los elastómeros, son compatibles con el aceite. A continuación explicaremos los elastómeros más utilizados y difundidos: •

Nitrilo

Es el más utilizado en hidráulica, es resistente con desgaste moderado, y económico. Existen muchas composiciones compatibles con el aceite mineral, la mayoría de las cuales se pueden moldear, por ejemplo el acrilo-nitrilo. Su temperatura de trabajo está estimada entre los -40ºC a 110 ºC. •

Silicona

Tiene un intervalo de temperatura más amplio que va desde -51 ºC a 260ºC. A temperaturas elevadas se hincha y absorbe el aceite, por lo que se suele aplicar a cierres estáticos y no a cierres dinámicos para estas temperaturas. •

Neopreno

Es el más viejo de los elastómeros, resistente pero limitado a temperaturas altas y bajas; siendo su rango entre los -10ºC a 60ºC.

<

<

6

ACCESORIOS

•

105

Plásticos, flúor plásticos y flúor elastómeros

Combinado de flúor con plástico o con elastómero. El nylon se combina con elastómeros para reforzarlos, y el teflón en cinta se utiliza para sellador de roscas. •

El poliuretano

Es un elastómero de gran resistencia y elasticidad. 6.7

Prevención de fugas Enunciaremos algunas recomendaciones para la prevención de fugas: • Soportar convenientemente toda la instalación para impedir las vibraciones. • Evitar el montaje del equipo en atmósferas corrosivas o pulverulentas por razones obvias. • Verificar la compatibilidad del material de retenes, juntas y anillos con el fluido a utilizar, ya que por lo general existen para cada caso alguna contraindicación. • No exceder los valores de temperatura y presión que se tuvieron en cuenta para el cálculo del equipo. Recuerde que... La junta es el elemento que efectúa el sellamiento por tiempo prolongado entre dos piezas, en las que se deba retener algún fluido, bajo determinadas condiciones de presión y temperatura. Su correcto desempeño depende de la selección de materiales, su diseño y en gran medida del cuidado en la instalación. Fórmulas de cálculo

< 106

MICRO

6.8

Instrumentos

6.8.1

Manómetros Es un instrumento de medición que sirve para medir la presión de gases o líquidos contenidos en recipientes cerrados. Los manómetros son necesarios para el ajuste de las válvulas de control de presión y para determinar los esfuerzos a los que son sometidos los actuadores. Los manómetros más conocidos son: el tubo de Bourdón y el selector.

6.8.1.1

Manómetro de Bourdón Este tipo de manómetro tiene en su interior un tubo de sección elística denominado tubo de Bourdon, que forma un anillo casi completo, cerrado por un extremo. AI aumentar la presión en el interior del tubo, éste tiende a enderezarse y el movimiento es transmitido a la aguja indicadora, por un sector dentado y un piñón. El material empleado normalmente en el tubo Bourdon es de acero inoxidable, aleación de cobre o aleaciones especiales.

6.8.1.2

Manómetros selector Estos tipos de manómetros permiten medir en 2, 4 ó 5 líneas de la instalación hidráulica. Este manómetro selector está construido dentro de la perilla de selección, amortiguado con glicerina. Las seis conexiones o toma de presión están dispuestas perimetralmente en la carcasa 3. Al girar el botón selector se arrastra hasta la vaina 4 y se establece alternadamente la conexión al manómetro de una toma de presión. Para descargar el manómetro se previeron posiciones intermedias, en las cuales las conexiones a tanque a través de las perforaciones 5. La esfera 6 cumple la función de fijador para una mejor ubicación de la línea a medir.

<

<

6

ACCESORIOS

107

Algunos tipos de manómetros a dial:

Las unidades más utilizadas en presión para graduar las escalas son: Kg./cm2; Libras/ pulgadas2 [PSI], y como unidad normalizada el Bar. Es aconsejable prever en las instalaciones hidráulicas varias conexiones para los manómetros, para mejorar la puesta en marcha y el control, en general en las válvulas limitadoras de presión y otros elementos existen conexiones para manómetros. Para amortiguar las pulsaciones o picos de presión provocados por bloqueos, cambios de dirección, etc., se montan junto a manómetros los amortiguadores de presión.

6.8.1.3

Manómetros electrónicos Hoy en día la electrónica ha pasado a ser un elemento fundamental en la parte de medición. Estos instrumentos de medición, en este caso los medidores de presión electrónicos, han superado ampliamente a los antiguos medidores de presión antes mencionados. Su medición se realiza por medio de un capacitor, que al hacer contacto con el fluido varía su capacidad y respectivamente hace variar la frecuencia de oscilación. Esa diferencia de frecuencia es leída por un microprocesador, que se encarga de procesar esa información. Esos datos son transmitidos analógicamente al módulo de la parte de control del dispositivo donde está el display, que puede encontrarse en el mismo módulo o en otro a una determinada distancia. El módulo de medición tiene la opción de una salida de 4 a 20 mA. El módulo del display posee una salida de relay N/C o N/A opcional para cualquier operación.

< 108

MICRO

6.8.2

Presóstatos Son dispositivos que permiten mantener constante la presión de un fluido en un circuito. Ante una señal neumática -a determinada presión- conmutan un contacto eléctrico, cuando no tiene presión el contacto vuelve a su posición inicial. Mediante un dispositivo externo se marca la presión a la que deberá conmutar el contacto. Se utilizan para detectar caídas de presión por debajo de un umbral crítico que condicione o ponga en peligro el correcto funcionamiento de un automatismo neumático.

Este dispositivo contiene dos interruptores eléctricos separados, independientemente accionados, cada uno de ellos conmuta por medio de una varilla conectada a la cabeza del pistón, cuya posición se controla mediante la presión hidráulica en un lado y por el otro lado por un muelle. Los interruptores se conmutan dependiendo de la presión de entrada (ésta puede ser ajustada por medio de un tornillo), que aumenta o disminuye la fuerza del muelle. Cuando se alcanza la presión de ajuste, los pistones comprimen los muelles y permiten que las varillas bajen, haciendo que los interruptores vuelvan a su posición normal. La utilidad de los interruptores sirve para mantener una presión máxima y mínima controlada. 5.8.3

Caudalímetros Un caudalímetro es un instrumento colocado en un conducto o corriente que mide el caudal del fluido circulante. Se utilizan en general, en bancos de prueba o unidades portátiles de chequeo, además suelen incluir manómetros y termómetros. En general se instalan en forma permanente en los equipos hidráulicos. Son muy útiles para medir el rendimiento volumétrico de las bombas o para medir las fugas internas (trafilación). El caudal que fluye por una tubería puede ser medido por un contador volumétrico, turbina, elementos flotantes y actualmente por medidores de caudal electromagnéticos. Entre los caudalímetros conocidos encontramos los siguientes:

<

<

6

ACCESORIOS

109

• Los contadores volumétricos, son robustos, y tienen muy buena precisión, admiten una variación de viscosidad -por lo menos entre 30 y 100 cSt-. Su linealidad y seguridad de trabajo es muy elevada, y permiten seguir la medición aún cuando el sentido de circulación del fluido cambie. • Los medidores de turbina, tienen la ventaja de poder funcionar también a altas presiones en ambos sentidos de flujo; se resisten notablemente con las variaciones de la viscosidad, especialmente cuando supera los 40 cSt. • Los medidores de elemento flotante, son los más económicos, permiten medir también caudales bajos, y son prácticamente insensibles a las partículas de suciedad, se resisten sin embargo notablemente con las variaciones de viscosidad y no admiten la inversión de flujo. También podemos mencionar los caudalímetros electrónicos, que como hemos mencionado anteriormente los instrumentos electrónicos han superado a los antiguos caudalímetros de dial. Su funcionamiento se basa en la utilización de electrodos o magnetos inductivos. Su salida es transmitida directamente a un microprocesador que se encarga de codificar esa señal y transferirla a un display. .

Recuerde que... En los líquidos, el pequeño rozamiento existente entre capas adyacentes se denomina viscosidad.

< 110

MICRO

6.8.4

Termómetro

Para el control de la temperatura de servicio del fluido se utilizan termómetros en las más diferentes versiones, que son introducidos en el tanque. Si se desea mantener la temperatura de servicio del fluido constante, se puede utilizar termómetros de conexión o termostatos, que según el caso ponen en funcionamiento el sistema de refrigeración o el de calentamiento. 6.8.4.1

Termómetro a distancia Este aparato ha sido diseñado para medir temperaturas de fluidos en puntos distantes; inaccesibles a la vista o en lugares en los cuales motivos diversos imposibilitan el acceso durante la marcha del proceso. El bulbo, unidad sensible, se halla en la fuente de calor; mientras que el instrumento, unidad indicadora, se halla en un lugar más adecuado para permitir su lectura. Entre el bulbo y el instrumento se extiende un tubo capilar flexible por medio del cual un fenómeno físico transmite las variaciones de temperatura. Los rangos de temperatura van desde -50ºC hasta 600ºC.

6.8.4.2

Termómetros bimetálicos El termómetro bimetálico está compuesto de dos láminas metálicas, con coeficientes de dilatación diferentes; superpuestas formando una sola pieza. Al variar la temperatura del conjunto, se produce una deformación proporcional a la temperatura. En la práctica, la lámina bimetálica está enrollada en forma de espiral o hélice, con lo que aumenta bastante la sensibilidad. El termómetro más utilizado es el de lámina helicoidal. Estos termómetros al estar construidos en acero en todas sus partes externas, son ideales para ser utilizados en plantas químicas, petroquímicas, alimentarias, destilerías, o en todos los lugares donde se requiera resistencia a la corrosión, durabilidad, respuesta rápida, precisión, y facilidad de lectura. Su caja puede ser girada a 360º con relación a la salida, a la vez que puede orientar el dial con respecto al bulbo, de manera que este quede a 90º o paralelo a la caja; pudiendo posicionarse en cualquier ángulo intermedio, posibilitando de esta manera su instalación en lugares de difícil acceso. En caso de estar sometido a vibraciones puede proveerse en baño de aceite (sólo rangos entre -20 y 160ºC). Termómetros a dial.

También nombraremos los termómetros electrónicos, que son mucho más exactos que un termómetro a dial. Éstos pueden venir con una salida de tipo relay, o una tensión fija para cualquier aplicación. Su lectura se realiza por medio del sensor que manda la señal recibida a un microprocesador, el cual se encarga de codificar la información y transferirla al display.

<

<

6

ACCESORIOS

6.8.5

Intercambiadores

111

En los circuitos hidráulicos, parte de la potencia instalada se transforma en calor al pasar el fluido por tuberías y válvulas, es decir, el fluido se calienta. Si el tanque no logra irradiar la cantidad de calor producida, se tendrá un aumento de temperatura de servicio deseada. El fluido debe ser refrigerado por un intercambiador de calor. El fluido antes de retornar a tanque pasa por un serpentín que está expuesto al flujo de aire refrigerante creado por un ventilador. Por el serpentín de estos refrigeradores, que está bañado en agua, circula el aceite de manera que se logra un intercambio de calor del aceite hacia el agua. Los refrigeradores de agua evacuan una mayor cantidad de calor que los refrigeradores de aire.

6.8.6

Calentadores Para calentar el fluido de trabajo a la temperatura de servicio se deben utilizar calefactores. Estos calefactores no son de empleo frecuente, con excepción de banco de ensayos, laboratorios, utilización en zonas árticas, etc. El calentador puede estar alimentado por agua caliente. En este caso esta constituido por un serpentín montado sobre el o los filtros de depuración del fluido.

< 112

MICRO

<

<

7

MICRO CAPACITACIÓN

113

Material didáctico

Micro Capacitación realiza y comercializa una variedad de elementos didácticos de gran flexibilidad, fácil montaje y re-ubicación o cambio, con posibilidades de expansión con módulos que permiten partir de un modelo básico, y terminar en un poderoso centro de estudio y ensayo. Paneles serie DIDACTO Estos paneles están enteramente diseñados por MICRO en un desarrollo compartido por nuestros especialistas de Capacitación y de Ingeniería. Los componentes que se utilizan para su construcción son los mismos que adopta la industria de todo el mundo para la implementación de sus automatismos en una amplia gama de aplicaciones y complejidades.

Se entregan con una base de montaje en estructuras de perfiles de aluminio anodizados, y un exclusivo sistema de fijación de elementos de ajuste manual de un cuarto de vuelta que permita su fácil re-ubicación o cambio, facilitando la tarea didáctica del capacitador y la asimilación de conceptos de los asistentes.

En cuanto a las posibilidades de expansión, se han contemplado diferentes módulos que permiten migrar de un modelo básico y llegar a implementar hasta un poderoso Centro de Estudio y Ensayo que incluya PC, interfaces para accionamiento de actuadores, mobiliario, etc., cubriendo variadas tecnologías complementarias.

< 114

MICRO

Software

Los softwares utilizados tienen como misión amalgamar la potencialidad de la informática aplicada a la enseñanza de automatización. Puede clasificarse en: 1. Softwares de simulación, que pueden diseñar,

ensayar y simular circuitos que incluyan componentes electrónicos, neumáticos e hidráulicos. 2. Softwares de cálculo, información técnica y selección de componentes adecuados para cada requisición técnica. 3. Softwares de presentaciones que, preparados por nuestros ingenieros, optimizan las charlas y las adecuan al medio al que van dirigidas. Los referencia a los softwares de simulación, y con el fin de hacerlos interactivos, se dispone de interfaces que permiten físicamente hacer actuar a los elementos que son visualizados en el monitor de la computadora. Material de soporte Micro Capacitación dispone de variados elementos didácticos para facilitar la transmisión efectiva de los conceptos. Entre ellos se cuenta con componentes en corte, simbología para pizarra magnética, manuales, videos, transparencias, etc.

Cursos Micro Capacitación cubre un extenso rango de temarios en los cursos que dicta en sus aulas que, para tal efecto, posee en su edificio central. Pero también atiende los requerimientos de la Industria y las instituciones educativas trasladándose con su laboratorio móvil a las ciudades del interior, y otros países.

Manual de Hidraulica Industrial

Recommend Documents