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MANUAL DE OLEOHIDRÁULICA INDUSTRIAL _______________________________________________
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MANUAL DE OLEOHIDRÁULICA INDUSTRIAL _______________________________________________
935100-A
EDITORIAL BLUME Milanesado, 21-23 Barcelona - 17
PREFACIO
Cómo muchas ramas de la ingeniería, la hidráulica es a la vez antigua y moderna. El uso de la rueda hidráulica, por ejemplo, es tan antiguo que su invención precede a la historia escrita. Sin embargo, el uso de un fluido bajo presión, utilizado para transmitir potencia y controlar movimientos complicados, es relativamente moderno y ha tenido su mayor evolución en las dos o tres últimas décadas. No nos concierne aquí el estudio de la generación de potencia en la rama de la hidráulica representada por la rueda hidráulica. La máquina de vapor, el motor de combustión interna, el motor eléctrico y la turbina de agua, todos, han realizado un trabajo admirable en el suministro de potencia; sin embargo, todos ellos necesitan mecanismos para transformar esta potencia en trabajo útil. El propósito de este manual es estudiar el uso de los fluidos a presión en la transmisión de potencia o movimiento bajo un control preciso. A menudo se nos ha preguntado: ¿por qué es la hidráulica industrial necesaria, cuando tenemos a nuestra disposición muchas y bien conocidas máquinas mecánicas, neumáticas y eléctricas?. Respondemos lo siguiente: porque un fluido a presión es uno de los medios más versátiles, conocidos hoy en día, para originar o modificar movimientos, y para transmitir potencia. Es tan rígido como el acero y además infinitamente flexible. Cambia instantáneamente su forma para adaptarse al cuerpo que resiste su empuje y se puede derivar haciendo cada derivación su trabajo con arreglo a sus posibilidades, y puede reunirse nuevamente para trabajar en conjunto. Puede moverse rápidamente en una parte de su trayectoria y despacio en la otra. Ningún otro medio combina el mismo grado de exactitud y flexibilidad, manteniendo la posibilidad de transmitir un máximo de potencia con un mínimo de volumen y peso. Las leyes de la mecánica de los fluidos son tan simples como las de los sólidos y más sencillas que las leyes que regulan la electricidad, los vapores o los gases. La ingeniería en general y la hidráulica en particular se proponen aumentar la capacidad física y mental del hombre en la realización de trabajos más rápidos y precisos y con menos desgaste de energía humana. Aunque este manual está dedicado principalmente a explicar el funcionamiento y mantenimiento del equipo Vickers, incluye capítulos generales sobre principios fundamentales de la hidráulica y sobre todos los tipos de bombas, motores y válvulas de control. El equipo Vickers descrito se limita a los elementos más representativos que pueden hallarse, habitualmente, en la industria de la máquina-herramienta. En los últimos años han sido desarrolladas y establecidas normas en la mayoría de las industrias; en el campo de la hidráulica, probablemente los esfuerzos más significativos en este sentido fueron iniciados por la Joint Industry Conference (J.I.C.). La J.I.C. estaba formada por varias asociaciones de industrias reconocidas, interesadas en establecer normas para la industria, teniendo por finalidad promover la seguridad del personal, la facilidad del mantenimiento y prolongar la vida útil del equipo y de las herramientas. Como sus recomendaciones fueron muy bien recibidas en el campo de la hidráulica, sus esfuerzos fueron continuados por la American Standards Association (ASA) en cooperación con la National Fluid Power Association. El nombre de ASA fue cambiado posteriormente por el de ANSI (American National Standards Institute).
En este manual se utilizan las normas establecidas para los símbolos gráficos y la codificación de colores para caudal y presión. El significado de los símbolos se discute en el segundo capítulo y en el apéndice II. El código de colores en los diseños de los componentes y en las líneas hidráulicas es como sigue:
Nota del traductor 1) El código de colores y los símbolos gráficos utilizados en este Manual corresponden a la norma americana ASA denominada posteriormente ANSI (American National Standards Institute). En Europa se utiliza la norma CETOP (Conferencia Europea de Transmisiones Oleoneumáticas) cuyos símbolos gráficos son muy parecidos a los ANSI pero con un código de colores distinto (únicamente rojo y azul de distintas tonalidades). 2) Las unidades utilizadas en este Manual son las normalmente utilizadas en la industria española. En el Apéndice 3 pueden verse las equivalencias entre estas unidades, las utilizadas en la industria británica y americana y las unidades según norma CETOP. 3) Este Manual se utiliza como libro de texto en nuestra Escuela de Oleohidráulica (Cursillus Al y A2) y también en la Escuela de Sperry Vickers en Venezuela.
Capítulo 1
INTRODUCCION A LA HIDRÁULICA
El estudio de la hidráulica concierne al empleo y características de los líquidos. Desde tiempos primitivos el hombre ha usado fluidos para facilitar su tarea. No es difícil imaginar un hombre de las cavernas flotando por un río sobre un tronco, y arrastrando a sus hijos u otras pertenencias a bordo de otro tronco con una cuerda fabricada con lianas trenzadas. Los más antiguos vestigios históricos muestran que sistemas como las bombas y las norias eran conocidos en las épocas más antiguas. Sin embargo, la rama de la hidráulica que nos concierne sólo empezó a usarse en el siglo XVII. Basada en un principio descubierto por el científico francés Pascal, se refiere al empleo de fluidos con6nados para transmitir energía, multiplicando la fuerza y modificando el movimiento. La Ley de Pascal, enunciada sencillamente, dice: la presión aplicada a un fluido confinado se transmite íntegramente en todas las direcciones y ejerce fuerzas iguales sobre
áreas iguales, actuando estas fuerzas normalmente a las paredes del recipiente. Esto explica por qué una botella llena de agua se romperá si introducimos un tapón en la cámara ya completamente llena. El líquido es prácticamente incomprensible y transmite la fuerza aplicada al tapón a todo el recipiente (fig. 1-1). El resultado es una fuerza considerablemente mayor sobre un área superior a la del tapón. Así, es posible romper el fondo de la botella empujando el tapón con una fuerza moderada. La misma sencillez de la Ley de Pascal fue probablemente la causa de que, durante dos siglos, el hombre no se diera cuenta de sus enormes posibilidades. En los primeros años de la revolución industrial, un mecánico británico llamado Joseph Bramah utilizó el descubrimiento de Pascal para desarrollar una prensa hidráulica. Bramah pensó que si una pequeña fuerza, actuando sobre un área pequeña, crea una fuerza proporcionalmente más grande sobre un área mayor, el único límite a la fuerza que
puede ejercer una máquina es el área a la cual se aplica la presión. La figura 1-2 muestra cómo Bramah aplicó el principio de Pascal a la prensa hidráulica. La fuerza aplicada es la misma que en el tapón de la figura 1-1 y el pequeño pistón tiene la misma área de 1 cm2. El pistón grande, sin embargo, tiene un área de 10 cm2. El pistón grande es empujado con. 10 kp de fuerza por cm2, de forma que puede soportar un peso total o fuerza de 100 kp. Puede verse fácilmente que las fuerzas o pesos que equilibran este aparato son proporcionales a las áreas de los pistones. Así pues, si el área del pistón de salida es de 200 cm2, la fuerza de salida será de 2000 kp (suponiendo el mismo empuje de 10 kp sobre cada cm2). Este es el principio de funcionamiento del gato y de la prensa hidráulica. Es interesante notar la similitud entre esta prensa simple y una palanca mecánica (vista B). Como Pascal ya había indicado, en este caso también la fuerza es a la fuerza como la distancia es a la distancia. 1.1. DEFINICION DE PRESION Para determinar la fuerza total ejercida sobre una superficie es necesario conocer la presión o fuerza sobre la unidad de área. Generalmente expresamos esta presión en kp por cm 2. Conociendo la presión y el número de cm2 de la superficie sobre la cual se ejerce, se puede determinar fácilmente la fuerza total. (fuerza en kp = presión en kp/cm2 x superficie en cm2 )
1.2. CONSERVACIÓN DE LA ENERGIA Una ley fundamental de la física afirma que la energía no puede crearse ni destruirse. La multiplicación de fuerza en la figura 1-2 no es una cuestión de obtener algo por nada. El pistón grande se mueve solamente por la acción del líquido desplazado por el pistón pequeño, lo que hace que la distancia que recorre cada pistón sea inversamente proporcional a su superficie (fig. 1-3). Lo que se gana en fuerza se pierde en distancia o velocidad. 1.3. TRANSMISION DE POTENCIA HIDRÁULICA Ahora puede definirse la hidráulica como un medio de transmitir energía empujando un líquido confinado. El componente de entrada del sistema se llama bomba; el de salida se denomina actuador. Aunque por razones de sencillez hemos representado un pistón simple, la mayoría de las bombas llevan pistones múltiples, paletas o engranajes, que son sus elementos de bombeo. Los accionadores pueden ser lineales, como el cilindro mostrado, o rotativos, como los motores hidráulicos (fig. 1-4). El sistema hidráulico no es una fuente de potencia. La fuente de potencia es un accionador primario -un motor eléctrico u otro tipo de motor- que acciona la bomba. El lector podría preguntarse: ¿por qué no olvidarse de la hidráulica y acoplar el equipo mecánico directamente al accionador primario? La respuesta reside en la versatilidad
del sistema hidráulico que tiene ventajas sobre los otros métodos de transmisión de energía. 1.4. VENTAJAS DE LA HIDRÁULICA 1.4.1. Velocidad variable La mayoría de los motores eléctricos funcionan a una velocidad constante. El actuador (lineal o rotativo) de un sistema hidráulico, sin embargo, puede moverse a velocidades infinitamente variables, variando el suministro de la bomba o usando una válvula de control de caudal (fig. 1-5). 1.4.2. Reversibilidad Pocos accionadores primarios son reversibles. Los que son reversibles, generalmente deben decelerarse hasta una parada completa antes de invertirlos. Un actuador hidráulico puede invertirse, instantáneamente, en pleno movimiento, sin problemas. Una válvula direccional de 4 vías (fig. 1-6) o una bomba reversible proporcionan el control de inversión, mientras una válvula limitadora de presión protege a los componentes del sistema contra las presiones excesivas. 1.4.3. Protección contra las sobrecargas La válvula limitadora de presión de un sistema hidráulico lo protege contra las sobrecargas. Cuando la carga es superior al taraje de la válvula, el caudal de la bomba se dirige al depósito limitando el par o la fuerza de salida. La válvula limitadora de presión también proporciona el medio de ajustar una máquina para un par o fuerza predeterminada, como en una operación de bloqueo. 1.4.4. Tamaños pequeños Los componentes hidráulicos, debido a su elevada velocidad y capacidad de presión, pueden proporcionar una potencia de salida elevada con pesos y tamaños pequeños.
generalmente usado en los sistemas hidráulicos es el aceite procedente del petróleo. El aceite transmite la energía fácilmente porgue es muy poco compresible. Se comprime aproximadamente 0.5 % a una presión de 70 kn/cm2 , lo que es despreciable en la mayoría de los sistemas. La propiedad más destacable del aceite es su capacidad lubrificante. El fluido hidráulico debe lubrificar la mayor parte de las piezas móviles de los componentes. 1 .6. PRESION EN UNA COLUMNA DE FLUIDO El peso específico del aceite varía al cambiar su viscosidad. Sin embargo, el peso específico de la mayoría de los aceites hidráulicos varía de 0.88 a 0.93 kp/cm3 , en condiciones de funcionamiento normales. Una consideración importante referente al peso específico del aceite es su efecto en la entrada de la bomba. El peso del aceite origina una presión de aproximadamente 0.09 kp/cm2 en el fondo de una columna de aceite de 100 cm de altura (fig. 1-7). Así pues, para estimar la presión en la parte inferior de cualquier columna de aceite se debe multiplicar su altura en centímetros por 0.0009 kp/cm2 . Para aplicar este principio consideremos los casos en que el depósito de aceite esté situado encima o debajo de la entrada de la bomba (fig. 1-8). Cuando el nivel de aceite del depósito está por encima de la entrada de la bomba, existe una presión positiva que fuerza al aceite hacia la bomba. Sin embargo, si la bomba está situada por encima del nivel de aceite, se necesita un vacío equivalente a 0.09 kp/cm2 por metro para elevar el aceite hasta la entrada de la bomba, En realidad, el aceite no es elevado por el vacío, sino que la presión atmosférica impulsa al aceite contra el vacío creado a la entrada de la bomba cuando ésta está funcionando. El agua y varios fluidos hidráulicos ininflamables son más pesados que el aceite y por consiguiente requieren más vacío por centímetro de elevación. 1.6. LA PRESIÓN ATMOSFÉRICA CARGA DE BOMBA
1.4.6. Pueden bloquearse El bloqueo de un motor eléctrico causa daños o funde el fusible. Igualmente, las máquinas no pueden bloquearse bruscamente e invertirse su sentido sin necesidad de arrancar de nuevo. Un actuador hidráulico, sin embargo, puede quedar bloqueado sin que se produzcan daños, al estar sobrecargado, y arrancará inmediatamente en cuanto disminuya la carga. Durante el bloqueo, la válvula de seguridad simplemente dirige el caudal de la bomba al depósito. La única pérdida experimentada es la potencia que se disipa inútilmente. 1.5. ACEITE HIDRÁULICO Todos los líquidos son esencialmente incompresibles y, por consiguiente, transmiten la energía instantáneamente en un sistema hidráulico. La palabra hidráulica, de hecho, viene del griego Hydor que significa agua y Aulos que significa tubo. La primera prensa hidráulica de Bramah y algunas prensas todavía utilizadas hoy en día emplean el agua como elemento de transmisión. Sin embargo, el líquido más
Normalmente la entrada de una bomba está cargada con aceite, debido a la diferencia de presiones entre el depósito y la entrada de la bomba. Generalmente la presión en el depósito es la presión atmosférica, que es de 1.03 kp/cm2 . Es, pues, necesario tener un vacío parcial o una presión reducida a la entrada de la bomba, para que ésta pueda aspirar aceite. La figura 1-9 muestra la situación típica de una bomba manual, que es simplemente un pistón recíproco. En la carrera de aspiración, el pistón crea un vacío parcial en la cámara de bombeo. La presión atmosférica en el depósito impulsa al aceite hacia la cámara para llenar el vacío. (En una bomba rotativa las cámaras de bombeo sucesivas aumentan de tamaño a medida que pasan por la entrada creando, efectivamente, una condición de vacío.) Si fuese posible crear un vacío completo a la entrada de la bomba, se dispondría de 1.03 kp/cm2 para impulsar a1 aceite. Sin embargo, prácticamente la diferencia de presión disponible es mucho menor. Uno de los motivos es que los líquidos se evaporan en un vacío. Esto introduce burbujas de gas en el aceite. Las burbujas son arrastradas a través de
la bomba, desaparecen con fuerza considerable cuando se ven expuestas a la presión en la salida y causan daños que pueden perjudicar al funcionamiento de la bomba y reducir su vida útil. Incluso si el aceite tiene buenas características de presión de vapor (como la mayoría de los aceites hidráulicos), una presión en la línea de entrada demasiado baja (alto vacío) permite que se evapore el aire disuelto en el aceite. Esta mezcla de aceite también desaparece al verse expuesta a la presión de la carga y provoca los mismos daños de cavitación. Si la bomba funciona a velocidad demasiado elevada, aumenta la velocidad en la línea de entrada y también la condición de baja presión, lo que incrementa la posibilidad de cavitación. Si los racores de la línea de entrada no están bien apretados, el aire exterior, a la presión atmosférica, puede penetrar hacia la presión más baja (zona de más baja presión de la línea) y puede llegar hasta la bomba. Esta mezcla aire-aceite también es causa de problemas y de ruido pero es diferente de la cavitación. Cuando se ve expuesto a la presión en la salida de la bomba, este aire adicional se comprime, formando una especie de "cojín", y no desaparece tan violentamente. No se disuelve en el aceite pero penetra en el sistema en forma de burbujas compresibles que provocan un funcionamiento errático de las válvulas y actuadores. La mayoría de los fabricantes de bombas recomiendan un vacío que no exceda de 127 mm de mercurio, el equivalente de aproximadamente 0.83 kp/cm2 en la entrada de la bomba.
Con una presión atmosférica de 1 .03 kg/cm disponible en el depósito esto deja solamente una diferencia de presión de 0.20 kp/cm2 para impulsar al aceite hacia la bomba. Debe evitarse una elevación excesiva y las líneas de entrada de la bomba deben permitir que el aceite circule con un mínimo de resistencia. 1.7. LAS BOMBAS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO DAN CAUDAL La mayoría de las bombas utilizadas en los sistemas hidráulicos se clasifican como de desplazamiento positivo. Esto significa que, exceptuando los cambios de rendimiento. La salida de la bomba es constante, aislada de la entrada, de forma que cualquier cosa que entre se ve forzada a salir por el orificio de salida. El único objeto de una bomba es dar caudal; la presión es originada por la resistencia al caudal. Aunque existe la tendencia de culpar a la bomba por la pérdida de presión, con pocas excepciones, la presión puede perderse solamente cuando hay fugas que desvían todo el caudal procedente de la bomba. Como ejemplo supongamos que una bomba de 10 litros por minuto se utiliza para alimentar un cilindro de 100 cm2 y para levantar una carga de 4000 kp (fig. 1-10). Mientras la carga sea elevada o soportada por el aceite hidráulico, la presión debe ser 40 kp/cm2. Incluso si hay un agujero en el pistón y 9.5 L/min se fugan a 40 kp/cm2, la presión se seguirá manteniendo. Con
solamente 0.5 L/min disponibles para mover la carga, ésta, naturalmente, se levantará muy despacio, pero la presión requerida para moverla seguirá siendo la misma. Ahora imaginemos que la fuga de 9.5 L/min estuviese en la bomba en vez de en el cilindro. Todavía habría 0.5 L/min para mover la carga y todavía habría presión. Así pues, una bomba puede estar muy desgastada, perdiendo casi todo su rendimiento, y la presión todavía puede mantenerse. El mantenimiento de la presión no indica el estado de la bomba. Es necesario medir el caudal a una presión determinada para comprobar si una bomba está en buenas o malas condiciones. 1 .9. COMO SE CREA LA PRESIÓN La presión se origina cuando el caudal encuentra resistencia. La resistencia puede ser debida a la carga del actuador o a una restricción (u orificio) en las tuberías. La figura 1-10 es un ejemplo de un actuador con carga. El peso de 4000 kp resiste al caudal de aceite bajo el pistón y crea presión en el líquido. Si el peso aumenta, también lo hace la presión. En la figura 1-11 una bomba de 10 L/min tiene su salida conectada a una válvula de seguridad regulada a 70 kp/cm2 y a un grifo. Si el grifo está completamente abierto el caudal de salida de la bomba pasa libremente y no hay indicación en el manómetro. Supongamos ahora que el grifo se cierra progresivamente. Aumenta la resistencia al caudal y la presión irá aumentando a la entrada del grifo. A medida que se cierra la abertura se
necesitará cada vez más presión para impulsar los 10 1/min a través de la restricción. Sin la válvula de seguridad no habría teóricamente ningún límite al incremento de presión. De hecho, o algo se rompería o la bomba bloquearía el motor que la acciona. En nuestro ejemplo, en el momento en que la presión llega a 70 kp/cm2, la válvula de seguridad empieza a abrirse y la presión permanece constante. Cerrar más el grifo dará como resultado que pasará menos aceite por el mismo y más por la válvula de seguridad. Con el grifo completamente cerrado, los 10 L/min pasarán por la válvula de seguridad a 70 kp/cm2. Acabamos, pues, de ver que en todos los sistemas en que se emplean bombas de desplazamiento positivo debe utilizarse una válvula de seguridad u otro sistema que limite la presión. 1.10. DERIVACIONES DE CAUDAL Una característica inherente a los líquidos es que siempre toman el camino de menor resistencia. Así pues, cuando las derivaciones ofrecen resistencias diferentes, la presión aumenta solamente en la cantidad requerida para circular por el camino de menos resistencia. En la figura 1-12 el aceite tiene tres caminos posibles. Como la válvula A se abre a 7 kp/cm2, el aceite pasará por esta derivación y la presión aumentará solamente hasta 7 kp/cm2, Si el caudal quedase bloqueado más allá de A, la presión aumentaría hasta 14 kp/cm2; entonces el aceite
pasaría por B. No habría caudal a través de C a menos que el camino a través de la válvula B también se bloquease. De manera similar, cuando el caudal de salida de una bomba se dirige hacia dos actuadores, el actuador que necesita menos presión es el primero en moverse. Como es difícil equilibrar las cargas exactas, los cilindros que deben moverse juntos se suelen conectar mecánicamente. 1.11. CIRCULACIÓN DEL CAUDAL EN SERIE Cuando las resistencias al caudal están conectadas en serie, las presiones se suman. En la figura 1-13 se muestran las mismas válvulas que en la figura 1-12 pero conectadas en serie. Los manómetros colocados en las líneas indican la presión normalmente requerida para abrir cada válvula, además de la contrapresión procedente de las válvulas situadas en el sentido de la corriente. La presión en la bomba es la suma de las presiones requeridas para abrir las válvulas individualmente.
En esta relación: P es la presión en kp/cm2 F es la fuerza en kp S es la superficie en cm2 Según esto, puede verse que un aumento o disminución de la carga dará como resultado un incremento o disminución similar en la presión de trabajo. En otras palabras, la presión es proporcional a 1a carga, y una lectura del manómetro indica la carga de trabajo (en kp/cm2) en un momento dado. Los manómetros indican presiones relativas. Es decir que un manómetro estándar indica 0 a la presión atmosférica. Un manómetro absoluto indica 1.03 kp/cm2 a la presión atmosférica al nivel del mar. La presión absoluta se mide generalmente en kp/cm2 abs. 1 .14. LA FUERZA ES PROPORCIONAL A LA PRESIÓN Y A LA SUPERFICIE
1.12. CAÍDA DE PRESIÓN A TRAVÉS DE UN ORIFICIO Un orificio es un paso restringido en una línea hidráulica o componente usado para controlar el caudal o crear una diferencia de presión (caída de presión). Para que el aceite fluya a través de un orificio, tiene que haber una diferencia de presión o caída de presión a través del orificio (el término "caída" procede del hecho de que la presión inferior siempre está más abajo en el sentido de la corriente). Inversamente, si no hay caudal no hay diferencia de presión a través del orificio. Consideremos las condiciones relativas al orificio en la figura 1-14, vista A. La presión es igual a ambos lados; por consiguiente, el aceite es impulsado de igual manera en ambos sentidos y no hay caudal. En la vista B, la presión más elevada impulsa más fuertemente hacia la derecha y el aceite fluye por el orificio. En la vista C también hay una caída de presión; sin embargo, el caudal es menor que en B porque la diferencia de presión es menor. Un aumento de la caída de presión a través de un orificio siempre estará acompañado por un aumento del caudal. Si el caudal se bloquea más allá de un orificio (Vista D), la presión se igualará inmediatamente a ambos lados del orificio de acuerdo con la Ley de Pascal. Este principio es esencial para el funcionamiento de muchas válvulas de control de presión compuestas (equilibradas hidráu1icamente). 1.13. LA PRESIÓN INDICA LA CARGA DE TRABAJO En la figura 1-10 se veía cómo la presión se genera por la resistencia de una carga. Se observó que la presión es igual a la fuerza de la carga dividida por la superficie del pistón. Podemos expresar esta relación mediante la fórmula general:
Cuando un cilindro hidráulico se usa para mantener una carga, la fuerza que aplica puede calcularse como sigue: F= Px S Nuevamente: P es la presión en kp/cm2 F es la fuerza en kp S es la superficie en cm2 Como ejemplo, supongamos que una prensa hidráulica tiene su presión regulada a 140 kp/cm2 (fig. 1-15) y esta presión se aplica a una superficie de 100 cm2. La fuerza de salida será entonces 140 000 kp o 14 t. 1.15. CALCULO DE LA SUPERFICIE DEL PISTON La superficie de un pistón puede calcularse mediante la fórmula: S = 0.7854 x d2 Donde: S es la superficie en cm2 D es el diámetro del pistón en cm Las relaciones precedentes pueden representarse gráficamente tal como se indica para mostrar las tres relaciones: F=PxS P=F/S S=F/P 1 .16. VELOCIDAD DE UN ACTUADOR
F P = ------S
La velocidad de desplazamiento del vástago de un cilindro o de giro de un motor depende de su tamaño y del caudal
que se le envía. Para relacionar el caudal con la velocidad, consideremos el volumen que requiere el actuador para obtener un desplazamiento determinado. En la figura 1-16 puede observarse que los dos cilindros tienen el mismo volumen. Sin embargo, el pistón del cilindro B se desplaza dos veces más rápidamente que el cilindro A porque el caudal de la bomba se ha doblado. Si cualquiera de los cilindros tuviese un diámetro más pequeño, sería más rápido. 0 si su diámetro fuese mayor sería menos rápido, suponiendo, naturalmente, que el suministro de la bomba fuese constante. La relación entre estas magnitudes puede expresarse como sigue: volumen/tiempo Velocidad = -------------------------Superficie
Según esto, podemos sacar las siguientes conclusiones: (1) que la fuerza o par de un actuador es directamente proporcional a la presión e independiente del caudal; (2) que su velocidad depende del caudal que reciba con independencia de la presión. 1.17. VELOCIDAD EN LAS TUBERÍAS La velocidad a que circula el fluido hidráulico a través de las líneas es una consideración de diseño importante, debido al efecto de la velocidad sobre el rozamiento. Generalmente las velocidades recomendadas son: Línea de aspiración de la bomba: de 0.6 a 1.2 metros por segundo, Línea de trabajo: de 2 a 5 metros por segundo.
Volumen/tiempo = velocidad x superflcie A este respecto, hay que observar que: volumen/tiempo Superficie = ---------------------------Velocidad v ---- = cm3/minuto
t S = centímetros cuadrados V = centímetros/minuto
1. La velocidad del aceite varía inversamente al cuadrado del diámetro interior del tubo. 2. Generalmente el rozamiento de un líquido que circula por una línea es proporcional a la velocidad. Sin embargo, si el régimen fuese turbulento, el rozamiento variaría con el cuadrado de la velocidad. En la figura 1-17 puede verse que doblando el diámetro interior de una línea se cuadruplica su sección; así, la
velocidad es cuatro veces menor en la línea más ancha. Por el contrario, reduciendo a 1a mitad el diámetro, se disminuye la superficie a 1 /4 y se cuadruplica la velocidad del aceite. El rozamiento origina turbulencia en la corriente de aceite y opone resistencia al caudal, lo que da como resultado un aumento de caída de presión en la línea. Se recomienda una velocidad muy baja para la línea de aspiración de la bomba porque allí la caída de presión admisible es muy pequeña. 1.18. SELECCIÓN DEL DIÁMETRO DE TUBERÍA Se dispone de dos fórmulas para calcular el diámetro y la velocidad en las tuberías hidráulicas. Si se conocen el caudal en 1/min y la velocidad deseada, se utiliza esta relación para hallar la sección interior: caudal (1/min) Superficie = -------------------------------------(en cm2 ) 6 x velocidad (en metro/seg) Cuando se tiene el caudal en I/min y el diámetro de la tubería, se utiliza esta relación para hallar cual será la velocidad final: caudal (1/min) Velocidad (m/seg) = -------------------------6 x superficie (cm2 ) En el capítulo cuarto se encontrará una tabla nomográfica que permite hacer estos cálculos colocando una regla sobre unas escalas graduadas.
1.19. TAMAÑOS NOMINALES DE LAS LÍNEAS Los tamaños nominales en mm de las tuberías, tubos, etc., no son indicadores precisos del diámetro interior. En las tuberías normalizadas, el diámetro interior real es mayor que el tamaño nominal citado. Para seleccionar un tubo se necesita una tabla que indique los diámetros interiores reales (véase capítulo 4). Para tubos de acero y cobre, el tamaño indicado es el diámetro exterior. Para hallar el diámetro interior, restar el doble del espesor de la pared (fig. 1-18). 1.20. TRABAJO Y POTENCIA Cuando se ejerce una fuerza a lo largo de una distancia, se realiza un trabajo: Trabajo = fuerza x distancia El trabajo se expresa generalmente en kgm. Por ejemplo, si un peso de 10 kp se eleva a 10 metros, el trabajo es 10 kp x 10 m, o sea 100 kgm. La fórmula precedente para el trabajo no toma en consideración con qué velocidad se realiza dicho trabajo. El trabajo realizado por unidad de tiempo se denomina potencia. Para visualizar la potencia pensemos en la operación de subir unas escaleras. El trabajo realizado es el peso del cuerpo multiplicado por la altura de las escaleras. Pero es más difícil correr por las escaleras que andar. Cuando se corre se hace el mismo trabajo pero a mayor velocidad.
fuerza x distancia trabajo Potencia = ------------------------ = --------Tiempo tiempo
1.22. POTENCIA Y PAR De forma equivalente podríamos deducir que:
La unidad de potencia es el caballo de potencia, en abreviatura hp. Es equivalente a 75 kgm/seg. También tiene equivalencias en potencias eléctrica y calorífica. 1 hp = 746 W (potencia eléctrica) 1 hp = 176.6 cal/seg (potencia caloríoca) Evidentemente es deseable poder transformar la potencia hidráulica en potencia mecánica y conocer su equivalente mecánico, eléctrico y calorífico. 1.21. POTENCIA EN UN SISTEMA HIDRÁULICO En un sistema hidráulico la velocidad queda indicada por el caudal, en litros por minuto, y la fuerza, por la presión. De esta forma podemos expresar la potencia hidráulica como sigue: fuerza x distancia presión x superf. x distanc Potencia = ----------------------- = --------------------------------Tiempo tiempo presión x volumen = ------------------------- = presión x caudal tiempo Para expresar esta relación en unidades, hacemos lo siguiente: kp dm3 2 Presión (kp/cm ) x caud. (l/m) = pres. x caud. ----- x ------ x Cm2 minuto 104 cm2 1 m3 minuto kp x m --------- x --- x --- x --------- = presión x caudal ---------m2 103 dm3 60 s 6xs CV CV ------------ = presión x caudal ------75 kgm/s 450
= potencia
Así: presión (kp/cm2 ) x caudal (1/min) potencia hidráulica (CV) =----------------------------------------450 Esta fórmula corresponde a la potencia hidráulica a la salida de la bomba. La potencia requerida para accionarla será algo mayor puesto que el rendimiento del sistema no es del 100%. Si suponemos un rendimiento medio del 80 % , la potencia mecánica para el accionamiento de la bomba será: presión (kp/cm2 ) x caudal (1/min) Potencia (CV) = ------------------------------------------360
RPM x par (m.kp) Potencia hidráulica (CV) = ------------------------717 1.23. DISEÑO SENCILLO
DE
UN
SISTEMA
HIDRÁULICO
A partir de la información dada en este capítulo es posible diseñar un circuito hidráulico sencillo. Se indica a continuación la forma en que se debe proceder para hacerlo (véanse figs. 1-19 a 1-21). 1.23.1 Trabajo a realizar Para diseñar un circuito, la primera consideración es sobre el trabajo que se debe realizar. Este trabajo puede ser levantar un peso, girar una herramienta o bloquear algún elemento. El trabajo determina el tipo de actuador que hay que utilizar. Probablemente el primer paso será la selección del actuador. Si los requerimientos fuesen simplemente de levantar una carga, un cilindro hidráulico colocado bajo ella haría el trabajo. La longitud de carrera del cilindro sería, por lo menos, igual a la distancia de desplazamiento de la carga. Su superficie se determinaría mediante la fuerza requerida para elevar la carga y la presión de funcionamiento deseada. Supongamos que un peso de 4000 kp ha de elevarse a una altura de 1 metro y que la presión máxima de funcionamiento debe limitarse a 50 kp/cm2. El cilindro seleccionado tendría una longitud de carrera de, por lo menos, 1 metro, y con una superficie de pistón de 80 cm 2 proporcionaría una fuerza máxima de 4000 kp. Esto, sin embargo, no prevé ningún margen de error. Una mejor selección sería un cilindro de 100 cm2 que permitiría levantar la carga a 50 kp/cm2 proporcionando una capacidad de elevación de hasta 5000 kp. El desplazamiento hacia arriba y hacia abajo del cilindro sería controlado mediante una válvula direccional. Si la carga debe detenerse en puntos intermedios de su trayecto, la válvula direccional deberá tener una posición neutral en la cual el caudal de aceite del lado inferior del pistón quede bloqueado, para soportar el peso sobre el cilindro. La velocidad a la cual debe desplazarse la carga determina el tamaño de la bomba. El pistón de 100 cm2 desplaza 100 cm3 por cada cm que se levanta. El mover el cilindro 10 cm requerirá 1000 cm3 de aceite. Si hay que moverlo a razón de 10 cm por segundo, requerirá 1000 cm3 de aceite por segundo o 60 1/min. Como las bombas generalmente se dimensionan en galones por minuto, será necesario dividir 60/3785 para obtener el valor en galones por minuto; 60/3785 = 16 gpm. La potencia necesaria para accionar la bomba depende de su caudal y de la presión a la cual funciona. La fórmula
siguiente determina el tamaño del motor eléctrico requerido, suponiendo un rendimiento medio del 80 %. 60 x 50 Potencia (CV) = -------------- = 8.3 CV 450 x 0.8 Para impedir la sobrecarga del motor eléctrico y para proteger la bomba y otros componentes contra una presión excesiva, debida a sobrecargas o bloqueo, se monta una válvula de seguridad para limitar la presión máxima del sistema en la línea, entre la salida de la bomba y la entrada de la válvula direccional. Un depósito dimensionado para contener aproximadamente de 2 a 3 veces la capacidad de la bomba en galones por minuto y tuberías de interconexión adecuadas completarán el sistema. 1.24. CONCLUSION Este capítulo ha presentado una breve introducción a la hidráulica para mostrar sus principios básicos. Naturalmente, existen numerosas variaciones de los sistemas presentados. Muchas dé éstas se desarrollarán, con más detalle, en los capítulos siguientes.
11. ¿Qué puede Ud. decir sobre las presiones en los extremos opuestos de un orificio cuando el aceite está pasando a través de él? 12. ¿De qué presión se dispone habitualmente para cargar el orificio de entrada de la bomba? 13. ¿Por qué el vacío a la entrada de la bomba debe ser lo más bajo posible? 14. ¿Cuál es la función de una bomba? 15. ¿Por qué la pérdida de presión no es generalmente un síntoma de mal funcionamiento de la bomba? 16. ¿Cómo se crea la presión? 17. Si tres válvulas antirretorno taradas a 7 kp/cm2 se conectan en serie, ¿qué presión será necesaria, a la salida de la bomba, para que el aceite las atraviese? 18. ¿Cuál es la fórmula para calcular la presión necesaria para que un cilindro accione una carga?
1.25. CUESTIONARIO
19. ¿Cuál es la fórmula que da la fuerza máxima ejercida por el vástago de un cilindro?
1. Enunciar la Ley de Pascal.
20. ¿Qué es lo que determina la velocidad de un actuador?
2. Definir la presión.
21. ¿Cuál es la relación entre la velocidad del fluido y la fricción en la tubería?
3. Si una fuerza de mil kilos se aplica sobre una superficie de 20 cm2, ¿cuál será la presión?
22. ¿Qué es trabajo? ¿Qué es potencia?
4. ¿Qué quiere decir "conservación de la energía"?
23. ¿Cómo se calcula la potencia en un sistema hidráulico?
5. ¿Cómo se denomina el componente de salida de un sistema hidráulico? ¿Y el componente de entrada?
24. ¿Con qué componente empieza el diseño de un circuito hidráulico?
6. ¿Cuál es la fuente principal de energía?
25. ¿Qué determina el caudal de la bomba que se requiere en un circuito hidráulico?
7. Enunciar varias ventajas de un sistema hidráulico. 8. ¿Cuál es el origen de la palabra "hidráulica"? 9. ¿Qué es lo que hace que el aceite sea útil como fluido hidráulico?
26. ¿Cuál es el área del pistón de un cilindro de 125 mm de diámetro? 27. ¿Qué hace la válvula de seguridad? 28. ¿Qué hace una válvula direccional?
10. ¿Cuál es la presión en el fondo de una columna de aceite de 20 metros?
Capítulo 2
PRINCIPIOS DE LA ENERGÍA HIDRÁULICA
Este capítulo está dividido en tres secciones: -
Principios fundamentales de la hidrostática Principios fundamentales de la hidrodinámica Símbolos gráficos hidráulicos
Las dos primeras secciones desarrollarán los fundamentos de los fenómenos físicos que se combinan para transferir potencia en el circuito hidráulico. La tercera sección, que ilustra los símbolos gráficos para los diagramas de los circuitos, tratará de los tipos y funciones de líneas y componentes. Todo este material servirá como base fundamental para los capítulos siguientes sobre los elementos que constituyen un sistema hidráulico. 2.1. PRINCIPIOS HIDROSTÁTICA
FUNDAMENTALES
DE
LA
2.1.1. Una definición precisa Se ha observado que la palabra "hidráulica" procede del griego y significa agua. Por consiguiente, puede suponerse
correctamente que la ciencia de la hidráulica concierne a cualquier sistema accionado por agua. Una rueda hidráulica o turbina (fig. 2-1), por ejemplo, es un sistema hidráulico. Sin embargo, hay que hacer una distinción entre los sistemas que utilizan el impacto de un líquido en movimiento y los que son accionados comprimiendo un fluido contenido en un recipiente cerrado; es decir, por presión. Hablando propiamente: *Un sistema hidráulico que utiliza el impacto o energía cinética del líquido para transmitir energía se denomina sistema hidrodinámico. *Cuando el sistema es accionado por una fuerza aplicada a un líquido contenido en un recipiente cerrado se le denomina sistema hidrostático; siendo la presión la fuerza aplicada por unidad de superficie, y siendo expresada como fuerza por superficie unitaria (kp/cm2 ). Desde luego, todas las ilustraciones indicadas hasta el momento y, de hecho, todos los sistemas y equipos estudiados en este manual son hidrostáticos. Todos actúan comprimiendo un líquido contenido en un recipiente cerrado, es decir, transfiriendo energía a través de la presión.
2.1.2. Cómo se crea la presión La presión se origina siempre que se produce una resistencia a la circulación de un líquido, o una fuerza que trata de impulsar el líquido. La tendencia a suministrar caudal (o empuje) puede originarse mediante una bomba mecánica o simplemente por el peso del fluido. Es un hecho bien conocido que en una columna de agua la presión aumenta con la profundidad. La presión es siempre la misma a una profundidad determinada, debido al peso de la columna de agua situada sobre ella. En la época de Pascal, un científico italiano llamado Torricelli demostró que si se hace un agujero en el fondo de un tanque de agua, el agua se escapa a la máxima velocidad cuando el tanque está lleno y que el caudal disminuye a medida que baja el nivel de agua. En otras palabras, a medida que disminuye la columna de agua sobre la abertura, también se reduce la presión. Torricelli pudo expresar la presión en el fondo del tanque solamente como "carga de agua" o sea la altura en metros de la columna de agua. Hoy en día, con el valor de kp/cm2 como unidad de presión, podemos expresar la presión en cualquier punto de un líquido o de un gas en términos más convenientes. Todo lo que se necesita es conocer el peso de un dm3 del fluido. Tal como se muestra en la figura 2-2, una columna de un metro de agua es equivalente a 0.1 kp; una columna de agua de 5 metros equivale a 0.5 kp/cm2, y así sucesivamente. Tal como se indicó anteriormente, una columna de aceite de la misma altura es equivalente, aproximadamente, a 0.09 kp/cm2 por metro.
En muchos lugares se utiliza el término "carga" para describir la presión, sin tener en cuenta cómo ha sido creada. Por ejemplo, se dice que una caldera crea una carga de vapor cuando la presión se origina vaporizando agua en un recipiente cerrado. Los términos presión y carga se utilizan, a veces, indistintamente. 2.1.3. Presión atmosférica La presión atmosférica no es otra cosa que la presión ejercida por el aire de nuestra atmósfera, debida a su propio peso. AI nivel del mar, una columna de aire de 1 cm2 de sección, y cuya altura es la atmosférica, pesa 1.03 kp (fig. 23). Así pues, la presión es 1.03 kp/cm2. A alturas más elevadas, naturalmente la columna pesa menos y la presión es inferior. Bajo el nivel del mar la presión atmosférica es superior a 1 kp/cm2. Cualquier condición donde la presión sea inferior a la presión atmosférica se denomina vacío o vacío parcial. Un vacío perfecto es la ausencia total de presión o sea 0 kp/cm 2 absolutos. 2.1.4. El barómetro de mercurio La presión atmosférica también puede medirse en milímetros de mercurio (mm.Hg) mediante un aparato llamado barómetro. El barómetro de mercurio (fig. 2-4), inventado por Torricelli, se considera generalmente como el punto de partida y
la inspiración de los estudios de Pascal sobre la presión. Torricelli descubrió que cuando se invierte un tubo lleno de mercurio, sumergiéndolo en un recipiente abierto que contenga el mismo líquido, la columna del tubo desciende sólo una cierta distancia. Su razonamiento fue que la presión atmosférica sobre la superficie del líquido equilibraba el peso de la columna de mercurio al existir un vacío perfecto en la parte superior del tubo. En una atmósfera normal, la columna tendrá siempre una altura de 760 mm. Así pues, 760 mm de mercurio son otro equivalente de la presión atmosférica. 1.5. Medida del vacío Como el vacío es una presión inferior a la atmosférica, puede medirse con las mismas unidades. Es decir, el vacío puede expresarse en kp/cm2 o en mm de mercurio. La mayoría de los vacuómetros, sin embargo, están calibrados en mm de mercurio. Un vacío perfecto, que equilibra una columna de mercurio de 760 mm de altura, es 760 mm. El vacío absoluto viene indicado con un cero en la escala del vacuómetro. 2.1.6. Resumen de escalas de presión y vacío Puesto que hemos mencionado varias formas de medir la presión y el vacío, sería conveniente resumir las diferentes unidades.
Tal como se indica en la figura 2-5, he aquí el resumen de las diversas medidas: 1.
2.
3.
4.
Una atmósfera es una unidad de presión equivalente a 1.03 kp/cm2 (el peso de una columna de aire de 1 cm' de sección sobre la superficie de la tierra o 760 mm de una columna de mercurio). Los mm absolutos de mercurio son una escala que empieza en el vacío perfecto (cero). La presión atmosférica es 760 mm en esta escala. Los mm manométricos de mercurio se calibran en las mismas unidades que los mm absolutos pero sin tener en cuenta la presión atmosférica. Para pasar de mm absolutos a mm manométricos: mm manométricos + 760 = mm absolutos mm absolutos - 760 = mm manométricos
5.
La presión atmosférica en la graduación del barómetro es 760 mm.Hg. Comparándolo a la escala absoluta de kg/cm2 es evidente que:
1 kg/cm2 (abs) = 760 mm.Hg 1 kg/cm2 (man) = 1 520 mm.Hg 6. Una atmósfera es equivalente a la presión ejercida por una columna de agua de 10.3 m o de aceite de 11.2 m.
2.2. PRINCIPIOS HIDRODINÁMICA
FUNDAMENTALES
DE
LA
2.2.1. Caudal El caudal origina el movimiento del actuador. La fuerza puede transmitirse mediante presión únicamente, pero el caudal es esencial para producir un movimiento. El caudal del sistema hidráulico es suministrado por la bomba. 2.2.2. Cómo se mide el caudal Existen dos maneras de medir el caudal de un líquido: 2.2.2.1. Velocidad. Es la velocidad media de las partículas del líquido en un punto determinado o la distancia media que las partículas recorren por unidad de tiempo. Se mide en metros por segundo o en metros por minuto. 2.2.2.2. Caudal. Es la cantidad de líquido que pasa por un punto, por unidad de tiempo. Los caudales grandes se miden en litros por minuto. Los caudales pequeños pueden expresarse en cm3 /minuto. En la figura 2-6 puede verse la diferencia entre velocidad y caudal. Un caudal constante de un litro por minuto aumenta o disminuye de velocidad cuando la sección de la tubería cambia de tamaño.
2.2.3. Caudal y velocidad La velocidad de un actuador hidráulico, tal como se indicó en el capítulo 1, depende siempre del tamaño del actuador y del caudal que actúa sobre él. Como el volumen de un actuador se expresa generalmente en litros, hay que tener en cuenta que: 1 1/mín = 1 dm3 /min = 1000 cm3 /min 2.2.4. Caudal y caída de presión Cuando un líquido fluye tiene que existir un desequilibrio de fuerzas para originar el movimiento. Por consiguiente, cuando un líquido circula a través de una tubería de diámetro constante, la presión será siempre inferior en un punto más abajo de la corriente que en otro punto situado a contracorriente. Se requiere una diferencia de presiones, o caída de presión, para vencer el rozamiento en la línea. La figura 2-7 muestra la caída de presión debida al rozamiento. Las caídas de presión sucesivas (desde la presión máxima hasta la presión cero) vienen representadas por las diferencias de nivel del líquido en los tubos verticales sucesivos. 2.2.5. El fluido busca un nivel Inversamente, cuando no hay diferencia de presiones en un líquido, la superficie del mismo permanece horizontal, tal como se indica en la figura 2-8. Si la presión aumenta en un
punto (Vista B), el nivel del líquido sube hasta que el peso correspondiente compensa la diferencia de presiones. La diferencia de alturas, en el caso del aceite, es un metro por cada 0.09 kp/cm2. Así pues, puede verse qué diferencias adicionales de presión serán necesarias para hacer que un líquido ascienda por una tubería venciendo la fuerza debida al peso del líquido. A1 diseñar un circuito, debe añadirse a la presión necesaria para mover la carga la requerida para mover la masa de aceite y para vencer el rozamiento. En la mayoría de las aplicaciones, un buen diseño reduce las caídas de presión hasta el punto de que resultan prácticamente despreciables. 2.2.6. Régimen laminar y turbulento Idealmente, cuando las partículas de un líquido circulan por una tubería se mueven según trayectorias rectas y paralelas. Este régimen se denomina laminar (fig. 2-9) y se produce a baja velocidad, en tuberías rectas. Con régimen laminar el rozamiento es menor. Cuando las trayectorias de las partículas no son paralelas y se cruzan, el régimen se denomina turbulento (fig. 2-10). El régimen turbulento se origina por cambios bruscos en la dirección o en la sección, o por una velocidad demasiado elevada. El resultado es un rozamiento mucho mayor que origina calentamiento, aumenta la presión de trabajo y malgasta potencia.
2.2.7. Teorema de Bernoulli El fluido hidráulico, en un sistema que trabaja, contiene energía bajo tres formas: energía cinética que depende de la velocidad y masa del fluido, energía potencial que depende de su posición, y energía de presión que depende de su compresión. Daniel Bernoulli, un científico suizo, demostró que, en un sistema con caudal constante, la energía se transforma de una forma u otra cada vez que se modifica el área de la sección transversal de la tubería. El principio de Bernoulli afirma que la suma de las energías cinética, potencial y de presión, en distintos puntos del sistema, debe ser constante. A1 variar el diámetro de la tubería (fig. 2-11) la velocidad cambia. Así pues, la energía cinética aumenta o disminuye. Ahora bien, la energía no puede crearse ni destruirse. Por lo tanto, la variación de energía cinética debe ser compensada por un aumento o disminución de la energía de compresión, es decir, de la presión. La utilización de un tubo de Venturi en el carburador de un automóvil (fïg. 2-12) es un ejemplo familiar del teorema de Bernoulli. La presión del aire, que pasa a través del cuerpo del carburador, disminuye cuando pasa por un estrangulamiento. La disminución de presión permite que fluya la gasolina, se vaporice y se mezcle con la corriente de aire. La figura 2-13 muestra los efectos del rozamiento y del cambio de velocidad sobre la presión en una tubería.
2.3. SIMBOLOS GRAFICOS HIDRÁULICOS Los circuitos hidráulicos y sus componentes pueden representarse de varias formas en los planos. Según lo que la representación deba indicar, puede ser un esquema de la forma externa del componente, un corte seccional que muestre su construcción interna, un diagrama gráfico que nos indique su función, o una combinación de cualquiera de las tres formas anteriores. En este manual es necesario utilizar los tres tipos. En la industria, sin embargo, los símbolos y diagramas gráficos son los más utilizados. Los símbolos gráficos son la "taquigrafía" de los diagramas de circuitos, utilizándose formas geométricas sencillas que indican las funciones e interconexiones de las líneas y de los componentes. En el apéndice de este manual se reproduce la normalización completa de símbolos gráficos. A continuación se exponen brevemente los símbolos más comunes y su modo de empleo, conjuntamente con una clasificación abreviada de algunos componentes y líneas hidráulicas. 2.3.1. Líneas Las tuberías, tubos y pasos hidráulicos se representan como líneas simples (fig. 2-14). Existen tres clasificaciones fundamentales. Una línea principal (trazo continuo) transporta el caudal principal del sistema. En los diagramas gráficos incluyen la línea de aspiración o entrada de la bomba, las líneas de presión y las de retorno al tanque.
Una línea piloto (trazos largos interrumpidos) lleva el fluido que se usa para controlar el funcionamiento de una válvula o de otro componente. Una línea de drenaje (trazos cortos interrumpidos) lleva el aceite de drenaje al tanque. 2.3.2. Componentes giratorios Un círculo es el símbolo básico para los componentes giratorios. Los triángulos de energía (fig. 2-15) se colocan en los símbolos para indicar que son fuentes de energía (bombas) o receptores de energía (motores). Si el componente es unidireccional el símbolo sólo tiene un triángulo. Una bomba o motor reversible se dibuja con dos triángulos. 2.3.3. Cilindros Un cilindro se dibuja como un rectángulo (fig. 2-16) indicando el pistón, el vástago y las conexiones de los orificios. Un cilindro de simple efecto se dibuja abierto en el extremo del vástago y solamente con un orificio de entrada en el otro extremo. Un cilindro de doble efecto se representa cerrado y con dos orificios. 2.3.4. Válvulas El símbolo básico de una válvula es un cuadrado que se denomina envoltura (fig. 2-17). Las flechas se añaden a las envolturas para indicar el paso y dirección del caudal. Las válvulas de posiciones infinitamente variables, tales
como las válvulas de seguridad, tienen envolturas simples. Pueden tomar cualquier posición, entre completamente abiertas y completamente cerradas, según el volumen de líquido que pase por ellas. Las válvulas de posición finita son las válvulas direccionales. Sus símbolos contienen una envoltura individual para cada posición que pueda adoptar la válvula. 2.3.5. Símbolo del tanque El depósito se dibuja en forma de rectángulo (fig. 2-18) abierto en su parte superior, en el caso de un tanque con respiradero, y cerrado para un tanque presurizado. Por conveniencia se pueden dibujar varios símbolos en un diagrama, aunque haya solamente un depósito. Las líneas de conexión se dibujan hasta el fondo del símbolo cuando las tuberías terminan bajo el nivel del líquido en el
tanque. Si una línea termina sobre el nivel del líquido, se dibuja sólo hasta la parte superior del símbolo. 2.4. CONCLUSIÓN La figura 2-18 muestra el diagrama gráfico de un circuito hidráulico completo. Obsérvese que no se trata de representar el tamaño, forma, situación o construcción de los componentes. El diagrama muestra la función y las conexiones, lo que es suficiente para la mayoría de las necesidades en la práctica. En los capítulos que tratan sobre los elementos y sistemas se expondrán las variaciones y precisiones sobre estos símbolos básicos.
2.5. CUESTIONARIO
11. ¿Cuántas presiones individuales hay que sumar para obtener la presión de trabajo de una bomba?
1 . ¿Qué es un dispositivo hidrodinámico? 12. ¿Qué es régimen laminar? 2.
¿Cuál es la diferencia entre éste y un dispositivo hidrostático?
3.
Citar los sistemas que obliguen a un líquido a fluir.
4.
¿Qué es una carga de presión?
5.
¿Cuánto vale la presión atmosférica medida en kp/cm2? ¿Y en mm de mercurio? ¿Y en metros de agua?
13. Citar algunas causas que originan turbulencia. 14. ¿Cuáles son las dos formas en que encontramos energía en un fluido hidráulico? 15. ¿Cuál es el teorema de Bernoulli?
6.
7.
¿Cómo se soporta la columna de mercurio en un barómetro? Expresar 2 kp/cm2 marcados por un manómetro en presión absoluta.
8.
¿Cuáles son las dos formas de medir un caudal?
9.
Expresar 5 1/min en cm3 por minuto.
10. ¿Qué ocurre cuando se somete un líquido a diferentes presiones?
16. Indicar tres tipos de líneas de trabajo y explicar qué hace cada una. 17. ¿Cuáles son los símbolos gráficos para una bomba y para un motor? 18. ¿Cuántas envolturas existen en el símbolo para una válvula de seguridad? 19. ¿Cuáles son las líneas de conexión que se dibujan en el fondo del símbolo que representa el depósito? 20. ¿Cuántas posiciones tiene la válvula direccional de la figura 2-18? ¿Y una válvula de seguridad?
Capítulo 3
FLUIDOS HIDRÁULICOS
La selección y el cuidado que se tenga con el fluido hidráulico de una máquina tienen un efecto importante sobre su funcionamiento y sobre la duración de sus componentes hidráulicos. La composición y aplicación de los fluidos hidráulicos es una ciencia aparte que está fuera del alcance de este manual. En este capítulo se encontrarán los factores fundamentales que intervienen en la selección de un fluido y en su adecuada utilización. En el capítulo 1 se ha definido un fluido como cualquier líquido o gas. Sin embargo, el término fluido se ha generalizado en hidráulica para referirse al líquido que se utiliza como medio de transmisión de energía. En este capítulo, fluido significará fluido hidráulico, bien sea un aceite mineral adecuado o alguno de los fluidos ininflamables, que pueden ser compuestos sintéticos. 3.1. OBJETIVOS DEL FLUIDO El fluido tiene 4 objetivos principales: transmitir potencia, lubrificar las piezas móviles, minimizar las fugas y enfriar o disipar el calor. 3.1.1. Transmisión de potencia Como medio transmisor de potencia, el fluido debe poder circular fácilmente por las líneas y orificios de los elementos. Demasiada resistencia al flujo origina pérdidas de potencia considerables. El fluido también debe ser lo más incompresible posible de forma que cuando se ponga en marcha una bomba o cuando se actúe una válvula. la acción sea instantánea. 3.1.2. Lubrificación En la mayoría de los elementos hidráulicos, la lubrificación interna la proporciona el fluido. Los elementos de las bombas y otras piezas desgastables se deslizan unos contra otros sobre una película de fluido (fig. 3-1 ). Para que la duración de los componentes sea larga, el aceite debe contener los aditivos necesarios para asegurar buenas características antidesgaste. No todos los aceites hidráulicos contienen estos aditivos. Vickers recomienda la nueva generación de aceites hidráulicos industriales que contienen cantidades adecuadas de aditivos antidesgaste. Para el servicio hidráulico general, estos aceites ofrecen excelente protección contra el desgaste
de bombas y motores y tienen la ventaja de una larga duración. Además, estos aceites proporcionan una buena demulsibilidad así como protección contra la oxidación. Estos aceites se conocen generalmente como "aceites hidráulicos tipo antidesgaste". La experiencia ha demostrado que los aceites para cárter de automóvil tipo "MS", viscosidad SAE 10 W y 20-20 W, son excelentes para los servicios hidráulicos severos cuando no hay o hay muy poca agua. El único inconveniente es que sus aditivos detergentes tienden a emulsionar el agua con el aceite e impiden su separación, incluso durante mucho tiempo. Hay que observar que muy pocos problemas se han experimentado hasta la fecha en el empleo de estos aceites en sistemas hidráulicos de maquinaria industrial. La condensación normal no ha sido problema. Los aceites "MS" son especialmente recomendados para los sistemas hidráulicos de equipo móvil (tractores, excavadoras, asfaltadoras, etc.). 3.1.3. Estanqueidad En muchos casos, el fluido es el único cierre contra la presión dentro de un componente hidráulico. En la fgura 3-1 , no hay anillo de cierre entre la corredera de la válvula y el cuerpo para reducir las fugas entre los pasajes de alta y baja presión. El aiuste mecánico y la viscosidad del aceite determinan el porcentaje de las fugas. 3.1.4. Enfriamiento La circulación del aceite a través de las líneas y alrededor de las paredes del depósito (fig. 3-2) disipa parte del calor generado en el sistema. 3.2. REQUERIMIENTOS DE CALIDAD Además de estas funciones fundamentales, el fluido hidráulico puede tener otros requerimientos de calidad tales como: -
Impedir la oxidación Impedir la formación de lodo, goma y barniz Reducir la formación de espuma Mantener su propia estabilidad y, por consiguiente, reducir el costo del cambio de fluido
-
Mantener un índice de viscosidad relativamente estable entre amplios límites de temperatura Impedir la corrosión y la formación de picaduras Separar el agua Compatibilidad con cierres y juntas
Estos requerimientos de calidad son frecuentemente el resultado de una composición especial y pueden no estar presentes en todos los fluidos. 3.3. PROPIEDADES DEL FLUIDO Consideramos a continuación las propiedades de los fluidos hidráulicos que les permiten realizar sus funciones fundamentales y cumplir con algunos o todos sus requerimientos de calidad. 3.3.1. Viscosidad La viscosidad es la medida de la resistencia del fluido a la circulación del mismo. Si un fluido circula con facilidad, su viscosidad es baja. También se puede decir que el fluido es fino, o que tiene poca consistencia o poco cuerpo. Un fluido que circula con dificultad tiene una viscosidad alta. Es grueso o tiene mucha consistencia. 3.3.1.1 . Viscosidad, una solución de compromiso En cualquier máquina hidráulica la viscosidad del fluido debe ser un compromiso. Una viscosidad elevada es deseable para mantener la estanqueidad entre superficies adyacentes. Sin embargo, una viscosidad demasiado alta aumenta la fricción, lo que da como resultado: -
Elevada resistencia al flujo. Alto consumo de potencia debido a las pérdidas por rozamientos. Elevada temperatura causada por la fricción. Aumento de la caída de presión debido a la resistencia. Posibilidad de que el funcionamiento se haga más lento. Dificultad en separar el aire del aceite en el depósito.
Y en caso de que la viscosidad fuera demasiado baja: -
-
Aumento de las fugas. Excesivo desgaste e incluso agarrotamiento bajo cargas elevadas que pueden producirse al destruirse la película de aceite entre piezas móviles. Puede reducirse el rendimiento de la bomba haciendo que el actuador funcione más despacio. Aumento de temperaturas debido a las fugas.
3.3.2. Definición de la viscosidad Algunos métodos para definir la viscosidad, por orden decreciente de precisión, son: viscosidad absoluta en poise,
viscosidad cinemática en centistokes, viscosidad relativa en Segundos Universales Saybolt (SUS) y números SAE. La viscosidad de los fluidos hidráulicos se especifica en SUS en los Estados Unidos por razones históricas. 3.3.2.1 . Viscosidad dinámica Considerando la viscosidad como la resistencia que ofrece una capa de fluido para deslizar sobre otra, es fácil medir en un laboratorio la viscosidad dinámica. La viscosidad de un poise es, por definición, la viscosidad que tiene un fluido, cuando la fuerza necesaria para mover una superficie de 1 cm2 sobre otra idéntica paralela (fig. 3-3) situada a 1 cm de distancia, con una velocidad relativa de 1 cm/sg es 1 dina (en el sistema C.G.S. la fuerza se mide en dinas y la superficie en cm2 ). Expresado de otra forma, la viscosidad dinámica es la relación entre el esfuerzo de cizallado y la velocidad de cizallado de un fluido: esfuerzo de cizallado Viscosidad dinámica = ----------------------------velocidad de cizallado dina x segundo 1 poise = -------------------------cm2 Una unidad más pequeña de viscosidad dinámica es el centipoise que es la centésima parte de 1 poise: 1 centipoise = 0.01 poise 3.3.2.2. Viscosidad cinemática El concepto de viscosidad cinemática es una consecuencia de la utilización de una columna de líquido para producir una circulación del mismo a través de un tubo capilar. El coeficiente de viscosidad cinemática es el resultado de dividir el coeficiente de viscosidad dinámica por la densidad del fluido. En el sistema C.G.S., la unidad de viscosidad cinemática (stokes) es el cm2/seg. El centistokes es la centésima parte del stokes. Las viscosidades dinámica y cinemática están relacionadas de la forma siguiente: centipoise = centistokes x densidad centipoise centistokes = ------------------densidad 3.3.2.3. Viscosidad SUS Para la mayoría de las aplicaciones prácticas es suficiente conocer la viscosidad relativa del fluido. La viscosidad relativa se determina midiendo el tiempo que tarda una cierta cantidad de líquido en fluir a través de un orificio normalizado a una temperatura determinada. Hay varios
sistemas de medida. El método más utilizado en EE.UU. es el viscosímetro Saybolt (fig. 3-4). El tiempo que transcurre para fluir una cantidad dada de líquido a través del orificio se mide con un reloj. La viscosidad en Segundos Universales Saybolt (SUS) iguala al tiempo transcurrido. Naturalmente, un líquido grueso fluirá más despacio y la viscosidad SUS será más alta que la de un líquido ligero que fluirá más rápido. Como el aceite se vuelve más viscoso a temperaturas bajas, y disminuye su viscosidad cuando se calienta, la viscosidad se debe expresar con SUS determinados a una temperatura dada. Las medidas se hacen generalmente a 100° F o 210° F (37.8° C o 98.9° C). Para aplicaciones industriales la viscosidad del aceite acostumbra a ser del orden de 150 SUS a 100 °F (37.8°C). Es una norma general que la viscosidad no debe ser nunca inferior a 45 SUS, ni superior a 4000 SUS, con independencia e la temperatura. Cuando se trabaja a temperaturas extremas, el fluido debe de tener un índice de viscosidad muy elevado (véase pág. 3-6). 3.3.2.4. Números SAE Los números SAE han sido establecidos por la Society of Automotive Engineers para establecer intervalos de viscosidades SUS a las temperaturas de prueba SAE. Los números de invierno (SW, IOW, 20W) se determinan haciendo medidas a 0° F (-17.9° C). Los números de verano (20, 30, 40, S0, etc.) designan el intervalo SUS a 210° F (98.9°C). Véase la tabla 3-1 de intervalos de temperatura.
3.3.2.5. Índice de viscosidad (IV) El índice de viscosidad es un número arbitrario que indica el cambio de viscosidad del fluido al variar la temperatura. Un fluido que tenga una viscosidad relativamente esta e a temperaturas extremas tiene un índice de viscosidad (IV) muy elevado. Un fluido que sea muy espeso a temperaturas bajas y muy ligero a temperaturas muy elevadas tendrá un IV muy bajo. En la figura 3-5 se comparan aceites con índices de viscosidad de 50 y 90, cuyas viscosidades a tres temperaturas distintas pueden verse en el cuadro siguiente:
Obsérvese que el aceite de 90 IV es menos viscoso a -17.8°C y más viscoso a 98.9°C que el aceite de índice 50 IV, mientras que ambos tienen la misma viscosidad a 37.8°C. La escala original del IV estaba comprendida entre 0 y 100, representando las características peores y mejores
entonces conocidas. Hoy en día, los aditivos químicos y las técnicas de refinamiento han elevado los IV de algunos aceites a valores muy superiores a 100. Es conveniente utilizar un fluido de IV elevado cuando se trabaja a temperaturas extremas. No obstante, si una máquina funciona a temperaturas relativamente constantes, el índice de viscosidad tiene menos importancia. 3.3.2. Punto de fluidez E1 punto de fluidez es la temperatura más baja a la que un líquido puede fluir. Es una especificación muy importante si el sistema hidráulico está expuesto a temperaturas extremadamente bajas. Como regla general, el punto de
fluidez debe estar 10° C por debajo de la temperatura más baja de utilización. 3.3.3. Capacidad de lubrificación Es deseable que las piezas móviles del sistema hidráulico tengan una holgura suficiente para que puedan deslizarse sobre una película de fluido (fig. 3-6). Esta condición se llama lubrificación completa. Si el fluido tiene una viscosidad adecuada, las pequeñas imperfecciones de las superficies de las piezas metálicas no se tocarán. Sin embargo, en equipos de alta precisión, las altas presiones y velocidades, juntamente con holguras finas, originan que la película del fluido se haga muy delgada (fig. 3-7), originándose entonces una condición límite de
lubrificación. Aquí puede haber contacto metal-metal entre las crestas de las dos superficies en contacto y se necesita un aceite con propiedades químicas especiales. 3.3.4. Resistencia a la oxidación La oxidación o reacción química con el oxígeno es un factor importante que reduce la vida o duración de un fluido. Los aceites de petróleo son particularmente susceptibles a la oxidación ya que el oxígeno se combina fácilmente con el carbono y el hidrógeno que forman parte de la composición química de los aceites. La mayoría de los productos de la oxidación son solubles en el aceite y tienen lugar reacciones entre ellos, formándose goma, lodo o barniz, que, debido a su acidez, pueden originar corrosión en el sistema, además de aumentar la viscosidad del aceite. Los productos de oxidación que son insolubles taponan orificios, aumentan el desgaste y hacen que las válvulas se agarroten. 3.3.5. Catalizadores Hay siempre un número de catalizadores de oxidación en el sistema hidráulico. El calor, la presión, los contaminantes, el agua, las superficies metálicas y la agitación, todos ellos aceleran la oxidación una vez que ésta empieza. Es particularmente importante la temperatura. La experiencia ha demostrado que a temperaturas inferiores a 57°C el aceite se oxida muy lentamente. Pero la velocidad de oxidación (o cualquier otra reacción química) se dobla aproximadamente por cada aumento de 10° C. Los fabricantes de aceite hidráulico añaden aditivos para resistir a la oxidación, ya que muchos sistemas trabajan a temperaturas muy altas. Estos aditivos: -
Impiden inmediatamente que la oxidación continúe una vez iniciada (tipo rompedor de cadena) o Reducen el efecto de los catalizadores de oxidación (tipo desactivador metálico).
3.3.6. Prevención de la oxidación y de la corrosión La oxidación (fig. 3-8) es la unión química del hierro (o acero) con el oxígeno. La corrosión es una reacción química entre un metal y un ácido. Los ácidos resultan de la combinación química del agua con ciertos elementos. Ya que es generalmente imposible impedir que el aire atmosférico y la humedad que contiene penetren en el sistema hidráulico, habrá siempre posibilidades de que haya oxidación y corrosión. Durante la corrosión las partículas de metal se disuelven y se desprenden del componente (fig. 39). Tanto la oxidación como la corrosión contaminan el sistema y originan un desgaste. También originan fugas excesivas y puede ocurrir que los componentes se agarroten. Pueden evitarse la oxidación y la corrosión incorporando aditivos al fluido, que protegen las superficies metálicas de los ataques químicos.
3.3.7. Desemulsibilidad Pequeñas cantidades de agua pueden ser toleradas en la mayoría de los sistemas. De hecho, algunos componentes antioxidantes promueven un cierto grado de emulsificación, o mezcla con el agua que se introduce en el sistema. Esto impide que el agua se deposite y rompa la película antioxidación. Sin embargo, demasiada agua en el aceite facilita la acumulación de contaminantes que pueden originar el agarrotamiento de las válvulas y la aceleración del desgaste. Con aditivos adecuados, puede conseguirse que un aceite hidráulico tenga un alto grado de desemulsibilidad o capacidad para separar el agua. 3.3.8. Uso de aditivos Como la mayoría de las propiedades deseables de un fluido son, por lo menos, parcialmente atribuidas a los aditivos, podría suponerse que los aditivos comerciales pueden ser incorporados a cualquier aceite para hacerlo más adecuado a un sistema hidráulico. Los fabricantes, sin embargo, previenen contra esto, diciendo que los aditivos deben ser compatibles con el fluido base y entre sí, y más aún, que esta compatibilidad no puede ser determinada fácilmente por el usuario. A menos que se disponga de un laboratorio para averiguar su compatibilidad, es mejor dejar el uso de los aditivos al criterio del fabricante del fluido. 3.4. ACEITES MINERALES Los aceites minerales procedentes de la destilación del petróleo son, todavía, con mucha diferencia, la base más utilizada para los fluidos hidráulicos. Las características o propiedades de los aceites minerales dependen de tres factores: 1 . El tipo de aceite crudo utilizado. 2. El grado y método de refinamiento. 3. Los aditivos utilizados. En general, los aceites de petróleo poseen excelentes cualidades lubrificantes. Algunos aceites crudos tienen propiedades lubrificantes y antidesgaste superiores a lo normal. Según su composición, algunos aceites crudos pueden presentar una desemulsibilidad más elevada, más resistencia a la oxidación a altas temperaturas o mayores índices de viscosidad que otros. El aceite protege contra la oxidación, constituye un buen aislante, disipa el calor fácilmente y es fácil mantenerlo limpio por filtración o por separación de los contaminantes por gravedad. La mayoría de las propiedades deseables de un fluido, si no están ya presentes en el aceite crudo, pueden incorporarse mediante refinado o aditivos. El principal inconveniente de los aceites de petróleo es que son inflamables. En las aplicaciones en que haya peligro de inflamación, tales como tratamientos térmicos, soldadura eléctrica, fundición, forja y muchas otras más, hay disponibles varios tipos de fluidos ininflamables.
3.5. FLUIDOS ININFLAMABLES Hay tres tipos básicos de fluidos ininflamables: 1. 2. 3.
Agua-glicol Emulsiones agua-aceite Fluidos sintéticos
3.5.1. Agua-glicol Los fluidos a base de agua-glicol están formados de (1) 35 a 40 % de agua para obtener resistencia contra el fuego, (2) un glicol (sustancia química sintética de la misma familia que los anticongelantes permanentes, generalmente etileno o propileno glicol), y (3) un espesador soluble en agua para mejorar la viscosidad. También contienen aditivos para impedir la formación de espuma, la oxidación, la corrosión y para mejorar la lubrificación. 3.5.1.1. Características Los fluidos tipo agua-glicol presentan, generalmente buenas características antidesgaste con tal de que se eviten velocidades y cargas elevadas. La densidad es superior a la del aceite, lo que puede originar un vacío mayor en la entrada de las bombas. Ciertos metales como el zinc, el cadmio y el magnesio reaccionan con los fluidos tipo agua-glicol y no pueden ser utilizados en sistemas en que deban utilizarse pinturas y esmaltes compatibles con estos fluidos. La mayoría de las juntas y mangueras flexibles son compatibles con el agua-glicol. El amianto, el cuero y los materiales a base de corcho deben evitarse pues tienden a absorber agua. Algunos inconvenientes de estos fluidos son: (1) es necesario medir, periódicamente, el contenido de agua y comparar las pérdidas por evaporación para mantener la viscosidad requerida, (2) la evaporación también puede causar la pérdida de ciertos aditivos, reduciendo así la duración del fluido y de los componentes hidráulicos, (3) la temperatura de trabajo debe mantenerse más baja y (4) el coste (actualmente) es superior al de los aceites convencionales. 3.5.1 .2. Cambio a agua-glicol Cuando en un sistema se cambia el aceite mineral por aguaglicol, debe limpiarse cuidadosamente. Las recomendaciones incluyen sacar la pintura del interior del depósito, cambiar las piezas recubiertas de zinc o cadmio, y cambiar algunas conexiones de fundición. También puede ser necesario cambiar las piezas de aluminio, a menos que hayan sido tratadas adecuadamente, así como el equipo de accesorios que no sean compatibles con el fluido. 3.5.2. Emulsiones agua-aceite Son los fluidos ininflamables más económicos. Las propiedades ininflamables dependen, como en el agua-glicol,
del contenido de agua. Además del agua y del aceite estas emulsiones contienen emulsificadores, estabilizadores y otros aditivos para evitar que ambos líquidos se separen. 3.5.2.1. Aceite en agua Las emulsiones de aceite en agua contienen pequeñas gotas de aceite especialmente refinado, dispersas en el agua. Se dice que el agua es la fase continua, y que las características del fluido tienen más semejanza con el agua que con el aceite. El fluido es muy resistente al fuego, tiene baja viscosidad y excelentes características de enfriamiento. Pueden incorporarse aditivos para mejorar a capacidad de lubrificación que es relativamente baja, y para la protección contra la oxidación. Este fluido se ha usado principalmente en el pasado con bombas grandes de baja velocidad. Ahora también se puede usar con ciertas bombas hidráulicas convencionales. 3.5.2.2. Agua en aceite Las emulsiones de agua en aceite son de uso más corriente. Pequeñas gotas de agua están dispersas en una fase de aceite continua. Como el aceite, estos fluidos tienen excelente lubricidad y buena consistencia. Además, el agua dispersa proporciona al fluido excelente capacidad de enfriamiento. Se incorporan inhibidores de oxidación para ambas fases de agua y aceite. También se usan aditivos antiespumantes sin dificultad. Estas emulsiones contienen generalmente alrededor del 40 % de agua. Sin embargo, algunos fabricantes suministran este fluido concentrado y el consumidor añade el agua al instalarlo. Como en el caso del agua-glicol, es necesario reponer el agua para mantener la viscosidad adecuada. 3.5.2.3. Otras características Las temperaturas de funcionamiento deben mantenerse bajas en cualquier emulsión de agua-aceite, para evitar la evaporación y la oxidación. El fluido debe circular y no debe verse sometido repetidamente a congelaciones y calentamientos, pues en ese caso las fases se separarían. Las condiciones de entrada deben elegirse cuidadosamente debido a la mayor densidad del fluido y a su viscosidad más elevada. Las emulsiones parecen tener una mayor afinidad para la contaminación y requieren especial atención en el filtrado, incluyendo filtros magnéticos para atraer las partículas de hierro. 3.5.2.4. Compatibilidad con juntas y metales Las emulsiones agua-aceite son generalmente compatibles con todos los metales y juntas que se encuentran en los sistemas de aceites minerales. 3.5.2.5. Cambio a emulsión Cuando en un sistema hidráulico se cambia el aceite por la
emulsión agua-aceite, debe vaciarse y limpiarse completamente. Es esencial extraer todos los contaminantes, como en el caso del agua-glicol, que podrían provocar la descomposición del nuevo fluido. La mayoría de las juntas se pueden dejar tal como están aunque, sin embargo, las juntas móviles de butil deben cambiarse. A1 sustituir a los fluidos sintéticos, las juntas deben cambiarse pasando a las adecuadas para los aceites minerales. 3.5.3. Fluidos sintéticos Los fluidos sintéticos ininflamables son productos químicos sintetizados en el laboratorio, que son por sí mismos menos inflamables que los aceites de petróleo. Algunos productos típicos de esta clase son: (1) esterfosfatos, (2) hidrocarburos clorados, (3) fluidos sintéticos que son mezclas de 1 y 2 y pueden contener también otros materiales. 3.5.3.1. Características Como los productos sintéticos no contienen agua u otros materiales volátiles, funcionan bien a altas temperaturas sin pérdida de ningún elemento esencial. También son adecuados para sistemas de alta presión. Los fluidos sintéticos resistentes al fuego no funcionan bien en sistemas a baja temperatura. Puede ser necesario precalentar en ambientes fríos. Además, estos fluidos son los de mayor peso específico y las condiciones de entrada a la bomba requieren un cuidado especial cuando se les utiliza. Algunas bombas de paletas están construidas con cuerpos especiales con objeto de mejorar las condiciones de entrada necesarias para impedir la cavitación, cuando se usa un fluido sintético. El índice de viscosidad (IV) de los fluidos sintéticos es generalmente bajo. estando comprendido entre 30 y 50. Así pues, deben utilizarse únicamente cuando la temperatura de funcionamiento sea relativamente constante. Los fluidos sintéticos son probablemente los fluidos hidráulicos más caros que se usan en la actualidad. 3.5.3.2. Compatibilidad con 1as juntas Los fluidos sintéticos no son compatibles con las juntas corrientes de nitrilo (buna) y neopreno; por consiguiente, al sustituir el aceite mineral, agua-glicol o emulsión aguaaceite, por un fluido sintético hay que desmontar todos los componentes para cambiar las juntas. Juntas especiales de materiales compatibles están disponibles para sustitución en todos los componentes Vickers. Pueden comprarse sueltas o por juegos, o bien ordenar unidades nuevas ya adecuadas para este tipo de fluido. En la figura 3-10 puede verse una tabla que muestra los tipos de materiales que son compatibles con varios fluidos hidráulicos.
3.6. MANTENIMIENTO DEL FLUIDO Los fluidos hidráulicos de cualquier clase no son baratos. Además, el cambiarlos y limpiar los sistemas que no han sido adecuadamente mantenidos, consume tiempo y dinero. Es, pues, importante tener el adecuado cuidado con el fluido. 3.6.1. Almacenamiento y manejo Se indican a continuación algunas reglas para impedir la contaminación del fluido durante el almacenamiento y manejo. 1. 2. 3.
4.
Almacenar los bidones apoyándolos lateralmente. Si es posible, tenerlos en el interior o a cubierto. Antes de abrir un bidón limpiar la parte superior y el tapón de forma que no pueda entrar suciedad. Usar solamente mangueras y recipientes limpios para transferir el fluido del bidón al depósito hidráulico. Se recomienda un grupo de trasiego equipado con un filtro de 20 micras absolutas. Utilizar una tela de malla lo más fina posible en el tubo de llenado del depósito.
Si el fluido se mantiene limpio y libre de humedad durará mucho más tiempo y se evitará dañar las piezas de precisión de los componentes hidráulicos. 3.6.2. Cuidado durante el funcionamiento Los cuidados adecuados para un fluido hidráulico durante el funcionamiento incluyen: 1 . Impedir la contaminación manteniendo el sistema estanco y utilizando filtros de aire y aceite adecuados. 2. Establecer intervalos de cambio de fluido adecuados para no dejar que éste se descomponga. En caso necesario, el suministrador puede probar periódicamente muestras en el laboratorio para establecer la frecuencia de cambio. 3. Mantener el depósito adecuadamente lleno para aprovechar sus características de disipación de calor e impedir que la humedad se condense en las paredes interiores. 4. Reparar inmediatamente las fugas. 3.7. CUESTIONARIO 1.
Mencionar cuatro funciones primarias de un fluido hidráulico. 2. Mencionar cuatro propiedades de un fluido hidráulico. 3. Definir qué es viscosidad. ¿Cuál es su unidad más corriente? 4. ¿Cómo afecta el frío a la viscosidad? ¿Y el calor? 5. Si la viscosidad es demasiado elevada, ¿qué puede ocurrirle al sistema? 6. ¿Qué es el índice de viscosidad? ¿Por qué es importante?
7. ¿Cuál es el tipo de fluido hidráulico que tiene mejor lubrificación? 8. Citar algunos catalizadores a la oxidación del aceite hidráulico. 9. ¿Cómo se impiden la formación de orín y la corrosión? 10. ¿Qué es desemulsibilidad? 11. ¿Cuáles son los tres factores que determinan las propiedades de un aceite hidráulico?
12. ¿Cuáles son los tres tipa inintlamables?
básicos de
fluidos
13. ¿Qué tipo de fluido hidráulico no es compatible con las juntas de buna o neopreno? 14. ¿Cuál es el mejor tipo de fluido ininflamable para trabajar a temperaturas muy elevadas? 15. ¿Cómo afecta el peso específico de un fluido a las condiciones en la entrada de una bomba? 16. ¿Cuál es el factor más importante para el buen mantenimiento de un fluido?
Capítulo 4
TUBERÍAS HIDRÁULICAS Y ESTANQUEIDAD
Este capítulo se compone de dos partes. La primera es una descripción de la instalación de tuberías en un sistema hidráulico, los tipos de líneas y de conexiones utilizadas para transportar el fluido entre las bombas, válvulas, actuadores, etc. La segunda parte trata de la prevención de fugas y de los elementos de estanqueidad y su composición, utilizados en las aplicaciones hidráulicas.
4.1. TUBERIAS HIDRÁULICAS Tuberías es un término general que engloba las diferentes clases de líneas de conducción que transportan el fluido hidráulico entre los componentes así como las conexiones utilizadas entre los conductores. Los sistemas hidráulicos utilizan principalmente, hoy en día, tres tipos de líneas de conducción: tubos gas, tubos milimétricos* y mangueras flexibles. Actualmente los tubos gas son los menos costosos de los tres, mientras que los tubos milimétricos y las mangueras tlexibles son más convenientes para hacer conexiones y para el mantenimiento de las instalaciones. En el futuro aparecerá probablemente la tubería de plástico que se está usando gradualmente en ciertas aplicaciones. 4.1.1. Tubos gas Los tubos de hierro y de acero fueron los primeros conductores que se utilizaron en los sistemas hidráulicos industriales y todavía se usan ampliamente debido a su bajo coste. La tubería de acero sin soldadura se recomienda para los sistemas hidráulicos, con su interior libre de óxido, cascarilla y suciedad.
4.1 .1 .1 . Dimensiones de los tubos gas Los tubos gas y sus accesorios se clasifican según sus dimensiones nominales y el espesor de sus paredes. Originalmente, un tubo gas de tamaño determinado tenía un solo espesor de pared y el tamaño indicado era el diámetro interior. Más tarde, los tubos gas se fabricaron con distintos espesores de pared: estándar, grueso y extragrueso (fig. 4-1). No obstante, el diámetro exterior no se modificaba. Para aumentar el espesor de la pared se modificaba el diámetro interior. Por lo tanto, el diámetro nominal de un tubo gas por sí solo no indicaba más que el tamaño de rosca para las conexiones.
4.1.1.2. Espesor de los tubos gas Actualmente, el espesor de la pared se expresa como una relación de números (schedule). Los números "schedule" son especificados por el American National Standards Institute (ANSI) desde 10 hasta 160 (fig. 4-2) y cubren 10 conjuntos de grueso de pared. Como comparación, la relación 40 corresponde muy aproximadamente al espesor estándar. La relación 80 corresponde al espesor grueso. La relación 160 cubre los tubos con mayor espesor de pared en este sistema. La antigua clasificación de espesor extragrueso es ligeramente más gruesa que la relación 160. Las figuras 4-1 y 4-2 muestran dimensiones de tubos de hasta 12" (nominales) y existen tamaños mayores. La relación 10 que no aparece en la tabla de la fig. 4-2 se utiliza únicamente para tubos mayores, de más de 12" (30.48 cm). En Europa, las dimensiones de este tipo de tubería vienen determinadas por las normas DIN 2440, 2441 e ISO R-65. 4.1.1.3. Cierre de los tubos gas Las roscas de los tubos gas son cónicas (fig. 4-3) al contrario de las de los tubos milimétricos y algunas conexiones de mangueras que tienen roscas cilíndricas. Las uniones se cierran mediante una adaptación entre las roscas macho y hembra al apretar la tubería. Esto crea uno de los principales inconvenientes de los tubos gas. Cuando una unión se rompe, debe apretarse más el tubo para volver a cerrar. Frecuentemente esto requiere sustituir parte del tubo con secciones algo más largas. Sin embargo, esta dificultad ha sido superada en cierto modo, utilizando cinta de teflón u otros elementos para volver a cerrar las uniones de los tubos. Se requieren tapones especiales para roscar los tubos y accesorios del sistema hidráulico. Las roscas son del tipo de "cierre seco" que difieren de las roscas estándar en que las bases y crestas de las roscas encajan antes que los flancos evitándose así una holgura espiral (fig. 4-3). Como los tubos sólo pueden tener roscas macho, y no se doblan, se utilizan distintos tipos de accesorios para hacer las conexiones y cambiar de dirección (fig. 4-4). La mayoría de los accesorios llevan roscas hembras para acoplarlos al tubo, aunque algunos llevan roscas machos para adaptarse a otros accesorios o a los orificios de entrada de los componentes hidráulicos. Los numerosos accesorios necesarios en un circuito con tuberías presentan muchas oportunidades para fugas, particularmente cuando aumenta la presión. Se utilizan
conexiones roscadas hasta 1 "1 /4 Cuando se necesitan tubos mayores, se utilizan bridas soldadas al tubo (fig. 4-5) con juntas planas o tóricas para conseguir la estanqueidad. 4.1.2. Tubos milimétricos Los tubos de acero sin soldadura presentan ventajas significativas sobre los tubos gas en los sistemas hidráulicos. Los tubos milimétricos pueden doblarse de cualquier forma, son más fáciles de trabajar y pueden utilizarse una y otra vez sin problemas de cierre. Generalmente el número de uniones es reducido. En los sistemas de bajo volumen, aguantan presiones y caudales más elevados con dimensiones y pesos menores. Sin embargo son más caros, así como también lo son los accesorios necesarios para las conexiones. 4.1.2.1 . Dimensiones de los tubos milimétricos Las especificaciones de los tubos milimétricos se refieren siempre al diámetro exterior. Las medidas disponibles varían en incrementos de 1 / 16" desde 1 /8" hasta 1" y en incrementos de 1 /4" desde 1 ". En los tubos métricos van desde 4 hasta 80 mm (véase fig. 4.23). Hay disponibles varios gruesos de pared para cada tamaño. El diámetro
interior, tal como se observó anteriormente, es igual al diámetro exterior menos dos veces el espesor de la pared. 4.1.2.2. Accesorios para los tubos milimétricos Los tubos milimétricos nunca se cierran mediante rosca sino mediante varios tipos de accesorios (fig. 4-6). Algunos de estos accesorios hacen el cierre mediante contacto metalmetal y son conocidos como accesorios de compresión y pueden ser abocardados o sin abocardar. Otros accesorios utilizan juntas tóricas o similares. Además de los accesorios roscados hay también disponibles bridas para soldar a los tubos de mayor tamaño. 1. Acoplamientos abocardados. El acoplamiento abocardado (o unión simple) de 37 grados es el más corriente para los tubos que pueden ser abocardados. Los acoplamientos indicados en la figura 4-6 A-B efectúan el cierre apretando, mediante una tuerca, el extremo abocardado del tubo contra una superficie troncocónica existente en el cuerpo del acoplamiento. Un manguito o prolongación de la tuerca soporta el tubo para amortiguar las vibraciones. El acoplamiento estándar de 45 grados se utiliza para presiones muy elevadas. Hay también un diseño con roscas macho en la tuerca de compresión.
2. Acoplamientos de compresión con camisa o con junta tórica. Para los tubos que no pueden ser abocardados, o simplemente para evitar la necesidad de hacerlo, existen varios acoplamientos de compresión con camisa o con anillo cortante (vistas D y F) y con junta tórica "O" (vista E). El acoplamiento con junta tórica permite variaciones considerables en la longitud y en la rectitud de corte del tubo. 3. Acoplamiento de rosca cilrí2drica con junta tórica. Cuando el componente hidráulico está equipado con orificios de rosca paralela, pueden utilizarse accesorios tales como los indicados en la figura 4-6 C. Son ideales para aplicaciones de alta presión puesto que el cierre se aprieta más a medida que aumenta la presión. 4.1.3. Mangueras flexibles Las mangueras flexibles se utilizan cuando las líneas hidráulicas están sometidas a movimiento, por ejemplo, las líneas que van a un motor de cabezal de taladro. La manguera se fabrica con capas de caucho sintético y trenzado de tejido o alambre (fig. 4-7). El trenzado de alambre permite naturalmente presiones más elevadas. La capa interna de la manguera debe ser compatible con el fluido utilizado. La capa externa es generalmente de caucho para proteger el trenzado. La manguera debe tener, como mínimo, tres capas, siendo una de ellas el trenzado, o puede tener múltiples capas según la presión de funcionamiento. Cuando hay capas múltiples de alambre, pueden ir alternadas con capas de caucho o pueden estar colocadas directamente unas encima de las otras.
4.1.3.1. Conexiones para mangueras Los accesorios para mangueras son esencialmente los mismos que para los tubos. Existen conexiones para los extremos de la mayoría de las mangueras, aunque hay uniones roscadas y enchufes rápidos que pueden volver a utilizarse. Es generalmente deseable conectar los extremos de las mangueras con uniones simples que tengan tuercas giratorias. La unión está generalmente montada en el conector pero puede también incorporarse a la manguera. Una manguera corta puede roscarse a un conector rígido en un extremo antes de conectar el otro. Una manguera nunca hay que instalarla torcida. 4.1.3.2. Consideraciones de presión y caudal Las normas industriales recomiendan un factor de seguridad por lo menos de 4 a 1 y hasta de 8 a 1 en capacidad de presión. Si la presión de funcionamiento es de 0 a 70 kp/cm 2, debe haber un factor de seguridad de 8 a 1 . De 70 kp/cm2 a 175 kp/cm2 , el factor de seguridad debe ser de 6 a 1 y para presiones superiores a 175 kp/cm2 se recomienda un factor de 4 a 1 . presión de ruptura (PR) Factor de seguridad (FS) = ---------------------------------------presión de funcionamiento (PF) En cualquier tubo de tamaño nominal, cuanto mayor sea el número normalizado correspondiente (schedule numver)
mayor debe ser el espesor de las paredes y la presión de ruptura. Esto hace disminuir la sección interior y aumentar la velocidad del fluido. Así pues, es necesario comprobar que el conductor tenga el diámetro interior requerido para que el caudal circule a la velocidad recomendada así como un espesor de pared suficiente para suministrar capacidad de presión. La figura 4-8 es un monograma que puede utilizarse para: 1 ) Seleccionar el diámetro interno adecuado del conductor si se conoce el caudal. 2) Determinar exactamente cuál será la velocidad si se conocen el caudal y las dimensiones de la tubería. Para utilizar este monograma hay que colocar una regla que una los dos valores conocidos y leer el valor desconocido en la tercera columna. Los fabricantes de tuberías suelen suministrar datos sobre las capacidades de presión y tamaños de sus conducciones. Una tabla típica se muestra en la figura 4-9. 4.1.4. Consideraciones sobre el material Si el coste no es prohibitivo y el diámetro interior es suficiente para el caudal previsto, es preferible utilizar tubos milimétricos en lugar de tubos gas, debido a su mejor cierre, facilidad de reemplazo y mantenimiento más rápido. Las mangueras flexibles no se utilizan únicamente en las aplicaciones móviles sino que también pueden utilizarse en distancias cortas y para amortiguar puntas de presión. Las uniones hidráulicas (racores) deben de ser de acero, excepto en las líneas de aspiración, retorno y drenaje, donde puede utilizarse hierro maleable. Los tubos y accesorios galvanizados deben evitarse debido a que el cinc puede reaccionar con algunos aditivos del aceite. Deben también evitarse los tubos de cobre porque las vibraciones del sistema hidráulico pueden endurecer el cobre y originar fisuras en las uniones abocardadas. Además, el cobre disminuye la vida del aceite. 4.1.5. Recomendaciones de instalación Una instalación adecuada es esencial para evitar fugas, contaminación del sistema y funcionamiento ruidoso. Se indican a continuación algunas recomendaciones generales de instalación. 4.1.5.1. Limpieza El aceite sucio es la principal causa de fallos en los sistemas hidráulicos. Los componentes de precisión están particularmente sujetos a daños, debidos a residuos en las instalaciones con tuberías. Por lo tanto, es necesario limpiarlas bien. Cuando se realizan operaciones tales como cortar, abocardar y roscar, hay que comprobar siempre que no queden partículas que podrían contaminar el aceite. El chorreado con arena, el desengrase y el decapado son métodos recomendados para tratar los tubos gas y milimétricos antes de su instalación. Puede obtenerse información adicional sobre estos procesos de los fabricantes de componentes (fig. 4-10) y de los distribuidores del equipo de limpieza comercial.
4.1.5.2. Soportes Las líneas hidráulicas largas están sometidas a vibraciones y puntas de presión cuando el fluido que circula por las mismas se detiene bruscamente o cambia su sentido. El aflojamiento o endurecimiento de las juntas puede originar fugas. Por consiguiente, a intervalos, las líneas deben tener soportes con abrazaderas o con bridas. Generalmente se aconseja que estos soportes estén separados de los accesorios para facilitar el montaje y desmontaje. Materiales blandos, tales como la madera y el plástico, son los más adecuados para este propósito. 4.1.5.3. Funciones de las líneas hidráulicas Hay numerosas consideraciones especiales, relativas a la función de las líneas, que deben mencionarse. 1. El orificio de entrada de la bomba es generalmente mayor que el de salida debido a que debe acomodar un tubo de diámetro mayor. Es una buena práctica mantener este tamaño en toda la longitud de la línea de entrada a la bomba y que ésta sea lo más corta posible. Hay que evitar los codos y reducir al mínimo el número de accesorios en la línea de entrada. 2. Como generalmente existe un vacío a la entrada de la bomba, las conexiones en la línea de entrada deben de ser estancas. De otra forma, podría entrar aire en el sistema. 3. Las restricciones en las líneas de retorno crean un aumento de presión, lo que origina una energía desperdiciada. Hay que utilizar tamaños de línea adecuados para asegurar caudales bajos. Aquí, deben también reducirse al mínimo los accesorios y los codos. 4. Las líneas de retorno no estancas pueden también dejar que entre aire en el sistema por aspiración. Estas líneas deben de terminar debajo del nivel de aceite para impedir que haya turbulencia y aeración. 5. Las líneas situadas entre los actuadores y las válvulas reguladoras de velocidad deben ser cortas y rígidas para control preciso del caudal. 4.1.5.4. Instalación de las mangueras Las mangueras flexibles deben de instalarse de forma que no se tuerzan durante el funcionamiento de la máquina. Debe dejarse siempre una holgura que las permita moverse libremente y facilite la absorción de las puntas de presión. Deben también evitarse torsiones en las mangueras y bucles demasiado largos. Pueden ser necesarias abrazaderas que eviten friccionamiento o entrelazamiento con piezas móviles. Las mangueras sometidas a frotamiento deben estar protegidas por fundas o dispositivos protectores similares. 4.2. CIERRES Y FUGAS Las fugas excesivas en cualquier parte de un circuito hidráulico reducen el rendimiento y originan pérdidas de potencia o crean problemas de mantenimiento o ambas cosas.
4.2.1. Fugas internas La mayoría de los componentes de los sistemas hidráulicos se construyen con holguras de funcionamiento que permiten un cierto grado de fugas internas. Desde luego, las piezas móviles deben ser lubrificadas y pueden diseñarse pasajes de fugas destinados para este fin. Además, algunos controles hidráulicos tienen incorporados pasajes internos de fugas para impedir oscilaciones de los pistones y correderas de las válvulas. Las fugas internas, naturalmente, no son una pérdida de fluido. Este vuelve eventualmente al depósito ya sea mediante una línea de drenaje externo o por un pasaje interno en el componente. Se producen también fugas internas adicionales cuando los componentes empiezan a desgastarse y aumentan las holguras entre los elementos. Este aumento de fugas internas puede reducir el rendimiento de un sistema haciendo que el trabajo se realice más lentamente y generando calor. Finalmente, si las fugas internas se hacen lo suficientemente elevadas, todo el caudal de la bomba puede pasar al tanque a través de la misma y la máquina deja de funcionar. 4.2.2. Fugas externas Las fugas externas son antiestéticas y pueden causar serios problemas. Son costosas porque el aceite que fuga raramente se puede aprovechar. El principal motivo de las fugas
externas son las instalaciones no adecuadas. Las uniones pueden fugar porque no se montaron adecuadamente o porque las vibraciones y las juntas de presión las aflojaron. El no conectar las líneas de drenaje, una presión de funcionamiento excesiva y contaminación en el fluido, son todas causas corrientes que dañan las uniones. 4.2.3. Estanqueidad La estanqueidad se necesita para mantener la presión, para impedir la pérdida de fluido y la contaminación. Hay varios métodos para hacer estancos los componentes hidráulicos, según se trate de estanqueidad positiva o no positiva, o si la aplicación es de estanqueidad estática o dinámica, o de la presión de funcionamiento y de otros factores. Una estanqueidad positiva impide que la más mínima cantidad de fluido se escape. Una estanqueidad no positiva permite que una pequeña cantidad de líquido escape, tal como en la holgura de una corredera en su alojamiento, para suministrar una película lubricante. 4.2.3.1. Estanqueidad estática Un elemento de estanqueidad comprimido entre dos piezas rígidamente unidas se clasifica como una estanqueidad estática. El mismo elemento puede moverse algo cuando la presión es alternativamente aplicada o quitada pero las
piezas unidas no se mueven con relación una a otra. Algunos ejemplos de elementos de estanqueidad estáticos son las juntas de montaje, las juntas de las bridas (fig. 4-11), los acoplamientos con anillos de compresión (fig. 4-6) y las juntas tóricas "0". Las aplicaciones de estanqueidad estática son relativamente simples, no tienen desgaste y no originan problemas si se montan adecuadamente. 4.2.3.2. Estanqueidad dinámica Los elementos de estanqueidad dinámicos se instalan entre piezas que se mueven una en relación con la otra. Así, por lo menos una de las piezas debe frotar contra el cierre y, por consiguiente, los elementos dinámicos están sometidos a desgaste. Esto hace, naturalmente, que su diseño y aplicación sean más difíciles. 4.2.3.3. Juntas tóricas "O" Probablemente el elemento de estanqueidad más generalmente utilizado en los modernos equipos hidráulicos es la junta tórica "O" (fig. 4-12). Una junta tórica es un cierre de caucho sintético moldeado que tiene una sección recta redonda en estado de reposo. La junta tórica "O" se instala en una ranura anular mecanizada en una de las piezas componentes. En la instalación, esta junta es comprimida tanto en el diámetro interno como en el externo. Es un elemento dinámico actuado tanto por
presión como por compresión. La presión fuerza la junta contra uno de los lados de su ranura y hacia afuera en ambos diámetros. De esta manera se efectúa un cierre positivo contra dos superficies anulares y una superficie plana. El aumento de presión da como resultado una fuerza mayor contra la superficie de cierre. La junta, por consiguiente, es capaz de contener presiones extremadamente altas. Las juntas tóricas "O" se utilizan principalrnente en aplicaciones estáticas. Sin embargo, también se encuentran en aplicaciones dinámicas en las que hay un pequeño movimiento alternativo entre las piezas. Generalmente no son adecuadas para la estanqueidad de piezas giratorias (ejes) o para aplicaciones en las que la vibración constituye un problema. 4.2.3.4. Anillos de apoyo A altas presiones, la junta tórica tiene tendencia a penetrar por extrusión en la holgura entre las piezas que se acoplan (fig. 4-13). Esto puede no ser un inconveniente en una aplicación estática, pero esta extrusión puede originar un desgaste acelerado en una aplicación dinámica. Se impide la extrusión instalando un anillo de apoyo rígido en la ranura de la junta tórica opuesta a la presión. Si la presión actúa alternativamente a ambos lados de la junta tórica pueden utilizarse anillos de apoyo en ambos lados.
4.2.3.5. Anillos cortados en torno En muchas aplicaciones estáticas, el cierre cortado en torno (fig. 4-14) es un sustituto aceptable de una junta tórica. Son más baratos que éstas, siendo cortados de tubos extruidos en lugar de moldeados individualmente. Hay aplicaciones en las que los anillos torneados y las juntas tóricas son intercambiables si se han fabricado del mismo material. 4.2.3.6. Anillos del tipo "T" Estos anillos (fig. 4-1 5) se usan ampliamente 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. El borde de cierre es redondeado y cierra de forma muy parecida a la de una junta tórica. Evidentemente, este elemento de estanqueidad no tiene tendencia a girar como las juntas tóricas. El anillo "T" no está limitado a las aplicaciones de carrera corta. 4.2.3.7. 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 (fig. 4-16) consta de un alojamiento metálico estampado para soporte y alineamiento y caucho sintético o cuero en forma de labio que se adapta al eje. Frecuentemente hay un muelle que mantiene el labio en contacto con el eje. Las juntas de labio son cierres positivos. Hasta cierto punto, la presión ayuda a la estanqueidad. La presión sobre el labio (o el vacío detrás del mismo) produce una mayor adherencia
de éste sobre el eje consiguiéndose una estanqueidad mayor. La alta presión no puede contenerse debido a que el labio no tiene apoyo. En algunas aplicaciones, la cámara que está siendo cerrada pasa alternativamente de la condición de presión a la de vacío. Para estas aplicaciones existen juntas de labio dobles que impiden que el aire o la suciedad entren y que el aceite salga. 4.2.3.8. Juntas de vaso Una junta de vaso (fig. 4-17) es un elemento de estanqueidad positivo usado en muchos pistones de cilindros. Es actuado por la presión en ambas direcciones. El cierre se realiza forzando la junta hacia afuera contra la pared del cilindro. Este tipo de junta tiene apoyo y resiste a presiones muy elevadas. Las juntas de labio tienen que estar bien ajustadas y apretadas. El pistón no es en realidad más que una placa de apoyo y retenes que mantienen las juntas de vaso. 4.2.3.9. Anillos de segmento Los anillos de segmento (fig. 4-18) se fabrican de hierro colado o de acero, pulimentado y algunas veces cromado. Ofrecen una resistencia mucho menor al movimiento que las juntas sintéticas o de cuero. Se encuentran frecuentemente en los pistones de los cilindros. Un anillo de segmento no constituye necesariamente un cierre positivo. Este se hace más positivo cuando se colocan varios anillos unos al lado de otros. Son capaces de resistir altas presiones.
4.2.3.10. Empaquetaduras de compresión Las empaquetaduras de compresión (fig. 4-19) fueron uno de los primeros dispositivos de estanqueidad utilizados en los sistemas hidráulicos y se utilizan en aplicaciones tanto estáticas como dinámicas. Las empaquetaduras están siendo substituidas en la mayoría de las aplicaciones estáticas por juntas tóricas o juntas torneadas. La mayoría de las empaquetaduras usadas hoy en día están moldeadas o perfiladas en forma de U o de V, y se utilizan empaquetaduras múltiples para obtener un cierre más efectivo. Las empaquetaduras se comprimen apretando contra ellas una brida. El ajuste adecuado es crítico, porque un apriete excesivo aceleraría el desgaste. En algunas aplicaciones las empaquetaduras se mantienen apretadas mediante un muelle para conseguir la fuerza correcta y disminuir el desgaste. 4.2.3.1 1. Retenes de cierre Un retén de cierre (fig. 4-20) se utiliza en aplicaciones en las que se necesita una estanqueidad a alta presión 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 y la otra superficie se coloca en el eje y gira contra la superficie estacionaria. Una de las dos piezas tiene generalmente un muelle para mejorar el
contacto inicial y absorber el desgaste. La presión aumenta la fuerza del contacto y mejora la estanqueidad. Como puede suponerse, la multiplicidad de piezas y la necesidad de un mecanizado de precisión de las superficies de cierre hacen que este tipo de cierre sea muy costoso. 4.2.3.12. Juntas planas Las juntas planas son dispositivos para conseguir la estanqueidad de superficies planas. Los primeros diseños de bridas de conexión y de las válvulas para montar sobre una placa base utilizaban este tipo de juntas. Hoy en día, han sido ampliamente substituidas en los equipos hidráulicos por juntas tóricas, anillos torneados o empaquetaduras de compresión. 4.2.3.13. Materiales para estanqueidad El cuero, el corcho y las obras impregnadas fueron los primeros materiales de estanqueidad para los equipos hidráulicos. Se utilizan ampliamente hasta después del desarrollo del caucho sintético, durante la segunda guerra mundial. El caucho natural se usa raramente como material de cierre porque se hincha y se deteriora en presencia del aceite. Los cauchos sintéticos (elastómeros) son, en su mayoría, compatibles con el aceite. Los elastómeros pueden fabricarse, según muchas composiciones, para satisfacer
condiciones de trabajo. Hoy en día, la mayoría de los elementos de estanqueidad del equipo hidráulico se fabrican con uno de los siguientes elastómeros: Buna-N (nitrilo), silicona, neopreno, teflón o butil. Cierres de cuero. El cuero ha sobrevivido a la revolución de los cierres elastómeros porque es muy económico y muy resistente. Muchas juntas de labio y de vaso y muchas empaquetaduras de compresión se fabrican todavía de cuero. Algunos cierres de cuero se impregnan con un elastómero para mejorar su capacidad de estanqueidad. Los inconvenientes del cuero son su tendencia a hacerse ruidoso cuando está seco y su gama limitada de temperaturas. Pocos cierres de cuero pueden funcionar a temperaturas superiores a 74°C, que es insuficiente para muchos sistemas modernos. Su límite absoluto de temperatura parece estar situado alrededor de 93° C. No obstante, el cuero funciona bien a temperaturas extremadamente bajas hasta -54° C. Buna-N. El elastómero Buna-N (o nitrilo) es, con mucho, el material más utilizado en los sistemas hidráulicos modernos. Es razonablemente resistente, su desgaste es moderado y es económico. Hay muchas composiciones compatibles con el aceite mineral, la mayoría de las cuales pueden moldearse fácilmente en cualquier forma. El Buna-N tiene un intervalo de temperaturas razonablemente amplio y conserva sus propiedades de cierre desde -40° C hasta 110° C. No se deforma a temperaturas
moderadamente elevadas al estar en contacto con la mayoría de los aceites minerales, cuando otros materiales tienden a hincharse. No obstante, se deforma con algunos fluidos sintéticos. Silicona. La silicona es un elastómero con un intervalo de temperaturas mucho más amplio que el Buna-N y es, por lo tanto, un material popular para retenes de ejes giratorios y para elementos de estanqueidad estáticos en sistemas que funcionan desde temperaturas muy bajas a muy altas. Mantiene su forma y su capacidad de cierre hasta -51°C y es generalmente satisfactoria hasta 200 ó 260° C. A temperaturas elevadas la silicona tiende a absorber el aceite y a hincharse. Esto, no obstante, no es un inconveniente particular en las aplicaciones estáticas, pero la silicona no se utiliza para los cierres alternativos porque se rasga y se desgasta con mucha facilidad. Los elementos de silicona son compatibles con la mayoría de los fluidos y todavía más con los fluidos inflamables que con el petróleo. Neopreno. El neopreno fue uno de los primeros elastómeros que se utilizaron en los sistemas hidráulicos. Es un material resistente, pero de un uso limitado para los sistemas que utilizan aceites minerales a temperaturas bajas. No conviene utilizarlo a temperaturas superiores a 65°C pues tiene tendencia a vulcanizarse. Plásticos, flúor-plásticos y flúor elastómeros. Varios materiales de estanqueidad se sintetizan combinando el flúor
con un elastómero o plástico. Incluyen materiales como el "Kel-F", "Viton A" y el "teflón". El nylon es otro material sintético con propiedades similares. Se utiliza frecuentemente en combinación con los elastómeros para reforzarlos. Tanto el nylon como el teflón se utilizan también en forma de cinta para cerrar las uniones de las tuberías. Todos tienen una resistencia elevada al calor (hasta 260°C) y son compatibles con la mayoría de los fluidos.
evitar fugas así como para facilitar el mantenimiento de las válvulas (fig. 4-21). La mayoría de las válvulas que se fabrican actualmente son de este tipo. Otro progreso posterior ha sido el empleo de módulos (fig. 4-22). Algunos están taladrados y otros combinan placas de montaje con placas intermedias (montadas formando un módulo, unas encima de otras) con interconexiones entre las válvulas, eliminándose así muchas conexiones externas.
4.2.4. Prevención de las fugas Las tres consideraciones generales para evitar las fugas son:
4.2.4.2. Instalación adecuada Las recomendaciones para la instalación se mencionaron anteriormente en este capítulo. Una instalación cuidadosa, no pinchando o torciendo los cierres, asegura usualmente una conexión a prueba de fugas. Los fabricantes recomiendan frecuentemente unas herramientas especiales para la colocación correcta de los retenes tipo labio de los ejes, con objeto de asegurarse de que se han instalado correctamente. Las vibraciones y esfuerzos excesivos en las juntas, que son las causas más corrientes de las fugas externas, también se evitan mediante una buena práctica de instalación.
1. Diseño que disminuya esta posibilidad, vgr. montaje sobre placas base. 2. Instalaciones adecuadas. 3. Control de las condiciones de funcionamiento. Vamos a analizar brevemente cada uno de estos casos. 4.2.4.1. Diseños para impedir fugas Ya hemos visto anteriormente que los diseños que utilizan roscas cilíndricas y bridas soldadas son menos susceptibles a las fugas que las conexiones para tubos gas. La instalación de las válvulas con tuberías, conectadas permanentemente a los bloques de montaje, ha supuesto una mejora notable para
4.2.4.3. Condiciones de funcionamiento El control de las condiciones de funcionamiento puede ser muy importante para la duración de los cierres. Se indican
a continuación algunos factores que ayudan a impedir las fugas. 1. Evitar la contaminación. Una atmósfera contaminada con humedad, suciedad o cualquier material abrasivo acorta la duración de los retenes de los ejes y de los vástagos expuestos al aire. En las atmósferas contaminadas deberían utilizarse sistemas protectores. Igualmente importante es utilizar un fluido limpio para evitar daños en los cierres internos. 2. Compatibilidad de1 fluido. Algunos fluidos ininflamables atacan y desintegran algunos cierres elastómeros. De hecho, hay pocos cierres que sean compatibles con todos los fluidos. Debe consultarse siempre al fabricante cuando haya alguna duda sobre el cambio de cierres en el caso de que haya que efectuarse un cambio de fluido (véase capítulo 3). Los aditivos del fluido (añadidos por el usuario de la máquina) pueden atacar también los cierres y deben utilizarse únicamente según las recomendaciones del fabricante del fluido. 3. Temperatura. A temperaturas extremadamente bajas, un cierre puede volverse demasiado frágil para ser efectivo. A temperaturas demasiado elevadas puede endurecerse, ablandarse o hincharse. La temperatura de funcionamiento debe mantenerse siempre dentro del intervalo de temperatura correspondiente a los cierres utilizados.
4. Presión. Una presión excesiva debida a sobrecargas ejerce un esfuerzo adicional sobre los cierres que puede dañarlos originando fugas. 4.2.4.4. Lubrificación Ningún cierre debería instalarse o funcionar en seco. Todos deben ser lubrificados o de lo contrario se desgastan rápidamente y fugan. Los cierres de cuero deben empaparse en el fluido antes de instalarlos. Los cierres elastómeros no son tan absorbentes como los de cuero, pero deben también lubrificarse antes de instalarlos. 4.3. CUESTIONARIO l. ¿Cómo se especifican las dimensiones de una tubería? 2. ¿Qué significa el número "schedule" de una tubería? 3. ¿Cómo se cierra una tubería roscada? 4. ¿Qué ventajas presentan los tubos milimétricos sobre los tubos gas? 5. ¿A qué se refieren las especificaciones de los tubos milimétricos? 6. ¿Cómo se cierran las conexiones de los tubos milimétricos?
7. ¿Cómo resiste una manguera flexible a la presión?
14. ¿Qué tipos de retenes se utilizan para los ejes giratorios?
8. Mencionar algunos sistemas pará limpiar las tuberías hidráulicas.
15. ¿Qué es un elastómero? 16. ¿Cuál es la temperatura máxima para un cierre de cuero?
9. Citar dos motivos para utilizar soportes para las tuberías. 17. Describir las diferencias entre el Buna-N y la silicona. 10. ¿Qué es un cierre positivo? 11. ¿Qué se entiende por un cierre estático?
18. Mencionar tres sistemas generales para impedir las fugas.
12. Mencionar dos cierres actuados por presión.
19. ¿Qué significa el montaje sobre una placa base?
13. ¿Dónde se utilizan las juntas de labio?
20. Mencionar tres factores de funcionamiento que afecten a la duración de los cierres.
Capítulo 5
DEPOSITOS, FILTROS Y REFRIGERADORES
Este capítulo trata del acondicionamiento del fluido, es decir, proporcionar el espacio suficiente para guardar todo el fluido del sistema más una reserva, manteniendo el fluido limpio y a una temperatura de trabajo adecuada. El espacio de referencia es, naturalmente, el depósito de aceite. El fluido se mantiene limpio mediante el uso de filtros, coladores e imanes, según lo requieran las condiciones ambientales. El diseño del circuito tiene una influencia considerable sobre la temperatura del fluido. Sin embargo, muchas veces se necesitan refrigeradores, en particular cuando las temperaturas de funcionamiento son críticas o cuando el sistema no puede disipar todo el calor generado. 5.1. DEPÓSITOS El proyecto de los sistemas hidráulicos industriales tiene una ventaja sobre el de los sistemas aeronáuticos o el del equipo móvil. Esta ventaja está en la gran flexibilidad en el diseño del depósito. Prácticamente sin problemas de situación o de dimensiones, el depósito puede diseñarse para que cumpla varias funciones. En primer lugar, sirve de almacenamiento para el fluido requerido por el sistema. El depósito también debe tener espacio para que el aire pueda separarse del fluido y debe permitir igualmente que los contaminantes se sedimenten. Además, un depósito bien diseñado ayuda a disipar el calor generado en el sistema. 5.1.1. Construcción del depósito Un depósito industrial típico, conforme a las normas de la industria, se muestra en la figura 5-1. El tanque está construido soldando placas de acero con soportes adecuados que separan el depósito del suelo. Todo el interior del tanque está recubierto con una pintura que reduce la oxidación que pueda producirse por la condensación del vapor de agua. Esta pintura debe ser compatible con el fluido utilizado. El depósito se diseña para que el mantenimiento del fluido sea fácil. El fondo del tanque está inclinado y tiene un tapón de drenaje en su punto más bajo para que el tanque pueda ser completamente vaciado. Es deseable que disponga de tapas que puedan retirarse con facilidad para facilitar la limpieza. Es recomendable un nivel visual para comprobar el nivel del fluido. (En efecto, es más probable que las comprobaciones periódicas se hagan a
través de un nivel que mediante una tapa que tenga que desmontarse.) El orificio de llenado dispone de una fina malla para eliminar los contaminantes al llenar de fluido el depósito. 5.1.1.1. Respiradero En la mayoría de los depósitos se utiliza un respiradero que también debe contener un filtro de aire. En atmósferas sucias es mejor usar un filtro de aire con baño de aceite. El filtro o respiradero debe ser de tamaño adecuado para el caudal de aire requerido, con objeto de mantener la presión atmosférica en el interior del tanque, ya esté éste lleno o vacío. En general, cuanto mayor sea el caudal, mayor debe ser el respiradero necesario. En un depósito presurizado no se usa respiradero. Se sustituye por una válvula de aire para regular la presión en el tanque entre límites predeterminados. 5.1.1.2. Placa desviadora Una placa desviadora (fig. 5-2) se extiende a lo largo del centro del tanque. Tiene generalmente 2/3 de la altura del nivel de 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 realice un circuito determinado por el tanque. De esta forma la placa desviadora: 1) Impide que se origine una turbulencia en el tanque. 2) Permite que las materias extrañas se sedimenten en el fondo. 3) Ayuda a separar el aire del fluido. Ayuda a disipar el calor a través de las paredes del tanque. 5.1.2. Tuberías La mayoría de las líneas que van al depósito deben terminar bajo el nivel de aceite. Las conexiones de estas líneas a la tapa del tanque se hacen generalmente con bridas y juntas de cierre. Este montaje impide la entrada de suciedad y facilita el desmontaje de los filtros de aspiración para su limpieza. Tanto las líneas de aspiración como las de retorno deben estar bastante más abajo del nivel del fluido. En caso contrario el aire puede mezclarse con el aceite y formar espuma. Las líneas de drenajes, sin embargo, pueden terminar encima del nivel del fluido, en caso necesario, para evitar la formación de una contrapresión en las mismas o la creación de sifones. 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 sólo necesitan estar apretadas lo suficiente para permanecer conectadas. Las líneas que terminan cerca del fondo del tanque y que no llevan filtros deben cortarse a un ángulo de 45°. Esto impide que la abertura de la línea pueda interceptar el fondo del tanque y corte el caudal. En una línea de retorno el ángulo de la abertura debe situarse de tal forma que el caudal se dirija hacia las paredes del tanque y se aleje de la línea de entrada de la bomba. 5.1.3. Tamaño del depósito Es siempre deseable un tanque grande para facilitar el enfriamiento y la separación de los contaminantes. Como mínimo, el tanque debe contener todo el fluido que requiere el sistema y mantener un nivel lo suficientemente alto para que no haya un efecto de torbellino en la línea de aspiración de la bomba. Si esto ocurre, entrará aire en el sistema. La dilatación del fluido debida al 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 generada en el sistema, son factores que hay que tener en consideración. En los equipos industriales se acostumbra a emplear un depósito cuya
capacidad sea por lo menos dos o tres veces la capacidad de la bomba en litros por minuto. Regla general. Tamaño del tanque (litros) = caudal de la bomba (litros / mín) x 2 ó 3. En los sistemas móviles y aeronáuticos, las ventajas de un tanque grande tienen a veces que ser sacrificadas debido a las limitaciones de espacio y peso. 5.2. FILTROS Y COLADORES Los fluidos hidráulicos se mantienen limpios en el sistema debido, principalmente, a elementos tales como fïltros y coladores. En algunos casos se utilizan también filtros magnéticos para captar las partículas de hierro o acero que lleva el fluido. Estudios recientes han mostrado que incluso partículas tan pequeñas como 1.5 micras tienen efectos degradantes, originando fallos en los servosistemas y acelerando el desgaste del aceite en muchos casos.
figura 5-4 compara varios tamaños en micras con los números de malla ASTM. 5.2.5. Filtración nominal y absoluta Cuando se especifica un filtro de un cierto número de micras se refiere generalmente al valor nominal del filtro. Un filtro cuyo valor nominal es de 10 micras, por ejemplo, captará la mayoría de las partículas que tengan 10 micras o más. Sin embargo, su filtración absoluta será algo mayor, probablemente unas 25 micras. La filtración absoluta es el tamaño de la mayor abertura o poro del filtro. El valor absoluto es un factor importante solamente cuando es necesario que ninguna partícula mayor a un tamaño determinado circule por el sistema.
5.2.1. Filtro o colador Probablemente, siempre habrá controversia en la industria sobre la definición exacta de filtros y coladores. En el pasado muchos de estos elementos se denominaban filtros pero se clasificaban como coladores. Para disminuir la controversia, la National Fluid Power Association publicó las definiciones siguientes: 5.2.2. Filtro Un elemento cuya función principal es la retención, mediante un material poroso, de los contaminantes insolubles de un fluido. 5.2.3. Colador Un filtro más tosco, hecho con tela metálica. Para simplificar, tanto si el elemento es un filtro, como si es un colador, su función consiste en retener los contaminantes de un fluido que pasa a través de él. El material poroso significa simplemente una malla o material filtrante que permite que el fluido pase por él pero detiene a otros materiales. 5.2.4. Tamaño de las mallas y filtración nominal Una malla filtrante o un colador tienen un valor nominal que caracteriza su finura, definida por un número de malla o su equivalente más próximo ASTM. Cuanto más elevado es el número de malla o ASTM, más fina es la malla. Los filtros, que pueden fabricarse con muchos materiales diferentes de la malla metálica, se caracterizan por su valor en micras. Una micra es una millonésima de metro. Como comparación, un grano de sal tiene un tamaño de aproximadamente 70 micras. La partícula más pequeña que puede distinguir la vista humana es de unas 40 micras. La
5.2.6. Filtros y coladores En un sistema hidráulico, el filtro puede estar situado en tres lugares distintos: en la línea de aspiración (fig. 5-5), en la línea de presión (fig. 5-6) o en la línea de retorno (fig. 5-7). Los coladores se utilizan generalmente en la línea de aspiración, los filtros en las líneas de retorno. La figura 5-8 muestra un colador típico instalado dentro del depósito, en la entrada de la bomba. Es relativamente tosco, comparado con un filtro, y está construido con una malla fina de alambre. Un colador de malla 100, adecuado para aceite fino, protege a la bomba de las partículas del orden de 150 micras o superiores. También existen filtros de aspiración. Estos se montan, generalmente, fuera del depósito, cerca de la entrada de la bomba. Son también relativamente toscos. Un filtro fino, a menos que sea muy grande, crea más caída de presión de la que puede tolerarse en la línea de entrada. 5.2.7. Filtros de presión Existen filtros diseñados para ser instalados en la línea de presión (fig. 5-6) que pueden captar partículas mucho más pequeñas que los filtros de aspiración. Un filtro de este tipo puede ser instalado en los sistemas cuyos elementos, tales como válvulas, sean menos tolerantes a la suciedad que las bombas. De esta forma, el filtro extrae esta contaminación fina del fluido a medida que sale de la bomba. Naturalmente, estos filtros deben poder resistir la presión de trabajo del sistema. 5.2.8. Filtros de retorno Estos filtros (fig. 5-7) también pueden retener partículas muy finas antes de que el fluido regrese al depósito. Resultan particularmente útiles en los sistemas que no tienen un depósito grande para permitir que los contaminantes se sedimenten en el fondo. Un filtro de retomo es casi obligatorio en un sistema con una bomba de alto rendimiento que tiene holguras muy finas y que no puede ser protegida suficientemente por un filtro de aspiración.
5.2.9. Materiales filtrantes Los materiales filtrantes se clasifican en mecánicos, absorbentes y adsorbentes. Los filtros mecánicos funcionan captando las partículas entre discos o mallas metálicas estrechamente entrelazadas. La mayoría de los filtros mecánicos son de malla gruesa. Los filtros absorbentes se usan para filtrar partículas mucho más pequeñas en los sistemas hidráulicos. Se construyen con una amplia gama de materiales porosos, incluyendo papel, pulpa de madera, algodón y celulosa. Los filtros de papel están generalmente impregnados de resina para aumentar su resistencia. Los filtros adsorbentes o activos, tales como los de carbón vegetal y arcilla, no deben emplearse en los sistemas hidráulicos, pues pueden eliminar los aditivos esenciales del fluido hidráulico. 5.2.10. Tipos de elementos filtrantes Los elementos filtrantes se construyen de varias formas, siendo el tipo superficial (fig. 5-9) el más corriente. Los filtros superficiales se fabrican con hilos finamente entrelazados o con un preparado de papel con poros para permitir que el fluido pase a su través. Un control muy preciso del tamaño de los poros es una característica de los elementos superficiales. El filtro de profundidad (fig. 5-10) está formado por capas de tejidos o material fibroso que originan pasos difíciles a la circulación del fluido. Los poros varían de tamaño y el grado de filtración depende del caudal. El aumento de caudal tiene tendencia a desalojar las partículas retenidas.
Este tipo de elemento filtrante se aplica generalmente en condiciones de caudal bajo y baja caída de presión. El filtro de tipo rotativo (fig. 5-11) separa las partículas del aceite que circulan entre placas finamente separadas. El elemento filtrante tiene unas placas limpiadoras estacionarias que eliminan los contaminantes retenidos cuando se acciona la manilla para hacer girar el instrumento. 5.2.11 . Filtros de filtración total El término "filtración total" aplicado a un filtro significa que todo el caudal que entra en el filtro pasa por el elemento filtrante. En la mayoría de los filtros de filtración total hay, sin embargo, una válvula antirretorno dispuesta para abrirse a una caída de presión determinada y desviar el caudal del elemento filtrante. Esto impide que un elemento sucio restrinja el caudal excesivamente. El filtro Vickers serie OFM (fig. 5-12) es de este tipo. Está diseñado principalmente para ser utilizado en las líneas de retorno con filtración nominal de 10 ó 25 micras a través de un elemento de tipo superficial (fig. 5-9). El caudal, tal como se indica, pasa del exterior del elemento hacia su centro. El antirretorno se abre cuando el caudal total ya no puede pasar a través del elemento contaminado sin elevar la presión. El elemento filtrante se puede sustituir soltando un solo tornillo.
5.2.12. Filtros proporcionales Un filtro proporcional (fïg. 5-13) utiliza el efecto venturi para filtrar una parte del caudal. El aceite puede circular en ambas direcciones. A medida que pasa por el cuerpo del filtro, un estrangulamiento venturi provoca un aumento de velocidad y una disminución de presión. La diferencia de presión obliga a que una parte del aceite que pasa a través del elemento se una a la corriente principal en el venturi. La cantidad de fluido filtrado es proporcional a la velocidad del aceite. Por eso se le llama filtro proporcional. Los filtros Vickers de la serie OFl son proporcionales y adecuados para utilizarlos en líneas de presión de hasta 210 kp/cm2. 5.2.13. Filtros con indicador Los filtros con indicador (fig. 5-14) están diseñados para señalar al operario cuándo hay que cambiar el elemento filtrante. Este está diseñado de forma que empiece a moverse cuando aumenta la presión a causa de la acumulación de suciedad. Un extremo está unido a un indicador que muestra al operario lo limpio o sucio que está el elemento. Otra característica de este tipo de filtros es la facilidad y rapidez con que se puede cambiar el elemento filtrante. La mayoría de los filtros de este tipo están diseñados para ser instalados en las líneas de entrada de las bombas.
5.3 INTERCAMBIADORES DE CALOR
5.4. CUESTIONARIO
Como ningún sistema tiene un rendimiento del 100 % , el calor constituye un problema general. Por esta razón, hay que refrigerar cuando el fluido deba tener una temperatura determinada. Llamaremos a los dos intercambiadores presentados aquí refrigeradores, puesto que están destinados principalmente a enfriar el fluido. Sin embargo hay algunas aplicaciones en las que el fluido debe calentarse. Por ejemplo, algunos fluidos con bajo índice de viscosidad no circulan fácilmente cuando están fríos y deben calentarse y ser mantenidos calientes mediante sistemas calentadores.
1 . Mencione tres funciones del depósito. 2. ¿Dónde debe estar colocado el tapón de desagüe del depósito? 3. ¿Cuál es el mejor método para comprobar el nivel del fluido en un depósito? 4. ¿Para qué sirve eI respiradero del depósito? 5. ¿Cuál es la W alidad de la placa de separación en el depósito? 6. ¿Por qué se corta la extremidad de la línea de retorno a un ángulo de 45° ?
5.3.1. Refrigeradores de aire Se utiliza un refrigerador de aire (fig. 5-15) cuando el agua de refrigeración no es fácil de obtener. El fluido se bombea a través de tubos con aletas. Las aletas son de aluminio o de algún otro metal que conduzca el calor con facilidad desde el tubo al aire exterior. El refrigerador puede llevar incorporado un ventilador para aumentar la transferencia de calor.
7. ¿Cuál sería el tamaño adecuado del depósito para un sistema con una bomba de 20 1/min? 8. ¿Qué es un filtro? ¿Qué es un colador? 9. ¿Cuál es el equivalente, en micras, de una malla de n° ASTM 170? 10. ¿Qué tamaño tiene una micra? 11 . ¿Qué quiere decir filtración absoluta?
5.3.2. Refrigeradores de agua En un refrigerador de aguá típico (fig. 5-16) el agua se hace circular a través del elemento y alrededor de los tubos que contienen el fluido hidráulico.' El agua disipa el calor del fluido hidráulico y puede regularse termostáticamente para mantener la temperatura deseada. Este elemento puede usarse como calentador, haciendo circular agua caliente en vez de agua fría a través del aparato.
12. Mencione tres posibles lugares donde se pueda colocar un filtro. 13. ¿Qué tipo de elemento filtrante suministra un control preciso del tamaño del poro? 14. ¿Qué significa filtro de filtración total? 15. ¿Para qué sirve un filtro con indicador?
Capítulo 6
ACTUADORES Y MOTORES HIDRÁULICOS
En este capítulo consideraremos el elemento de trabajo o actuador que es donde realmente empieza el diseño del sistema. Más adelante se hablará de motores. El tipo de trabajo efectuado y la energía necesaria determinan las características de los actuadores (motor o cilindro) que deben ser utilizados. Solamente después de haber elegido el actuador pueden seleccionarse los restantes componentes del circuito para completar el sistema. 6.1. CILINDROS Los cilindros son actuadores lineales. Por lineal queremos decir que el trabajo de un cilindro se realiza en línea recta.
6.1.1. Tipos de cilindros Los cilindros se clasifican como a) cilindros de simple o de doble efecto, b) cilindros diferenciales y no diferenciales. Las variaciones incluyen pistón liso o pistón con vástago, siendo éste sólido o telescópico. Las diferencias se muestran en las figuras 6-1 a 6-6, con los símbolos gráficos para cada tipo. 6.1.1.1. Cilindro tipo buzo (fig. 6-1) Quizá sea el actuador más sencillo de todos. Existe sólo una cámara para el fluido y puede ejercer fuerza únicamente en una sola dirección. La mayoría de estos cilindros se
montan verticalmente y el retorno se efectúa por la acción de la gravedad. Son adecuados para aplicaciones que requieren carreras largas tales como elevadores y gatos para levantar automóviles. 6.1.1.2. Cilindro tipo telescópico (fig. 6-2) Se utiliza un cilindro telescópico cuando su longitud comprimida tiene que ser menor que la que se obtiene con un cilindro estándar. Pueden utilizarse hasta cuatro o cinco camisas. La mayoría de estos cilindros son de simple efecto, pero también los hay disponibles de doble efecto. 6.1.1.3. Cilindro estándar de doble efecto (fig. 6-3) Se denomina así porque es accionado por el fluido hidráulico en ambos sentidos, lo que significa que puede ejercer fuerza en cualquiera de los dos sentidos del movimiento. Un cilindro estándar de doble efecto se clasifica también como cilindro diferencial por poseer áreas desiguales, sometidas a la presión, durante los movimientos de avance y retorno. Esta diferencia de áreas es debida al área del vástago. En estos cilindros el movimiento de avance es más lento que el de retorno, pero pueden ejercer una fuerza mayor. 6.1.1.4. Cilindro de doble vástago (fig. 6-4) Los cilindros de doble vástago se utilizan donde es ventajoso acoplar una carga a cada uno de los extremos del vástago o cuando sea necesario que la velocidad en los dos sentidos de movimiento sea la misma. Son también cilindros de doble efecto pero no son cilindros diferenciales. Con áreas iguales a ambos lados del pistón, estos cilindros suministran velocidades y fuerzas iguales en ambas direcciones. Cualquier cilindro de doble efecto puede utilizarse como de simple efecto drenando el lado inactivo a tanque.
6.1.2.1. Montajes de1 cilindro Varios tipos de montaje para cilindros (fig. 6-6) proporcionan flexibilidad para la instalación de los mismos. Generalmente los extremos de los vástagos están roscados para unirlos directamente a la carga o están ligados a un acoplamiento. 6.1.3. Capacidad de los cilindros La capacidad de un cilindro viene determinada por su tamaño y su resistencia a la presión. La mayoría llevan un vástago normalizado, pero hay disponibles, además, vástagos pesados y extrapesados. El tamaño del cilindro viene definido por el diámetro del pistón y por la carrera del vástago. La velocidad del cilindro, la fuerza disponible y la presión necesaria para una carga dada, dependen del área del pistón utilizado x d2 (A = ------------4
= 0.7854 x d2).
En el movimiento de retorno debe tenerse en cuenta el área del vástago. 6.1.4. Fórmulas para aplicaciones de cilindros Los datos siguientes se desarrollaron en el capítulo 1 : a) Determinar la velocidad de un cilindro sabiendo su tamaño y el caudal de la bomba en 1/min. Caudal (l/min) Velocidad (m/sg) = ----------------------------------6 x Área del pistón (cm2) b) Determinar el caudal necesario para conseguir una velocidad determinada:
6.1.2. Construcción del cilindro Las piezas esenciales de un cilindro (fig. 6-5) son: un tubo, un pistón, un vástago, tapas y juntas adecuadas. Los tubos son generalmente de acero estirado en frío sin soldaduras, bien rectificados internamente. El pistón, generalmente de hierro fundido o de acero, lleva incorporadas juntas para reducir las fugas entre el pistón y las paredes del tubo. Los anillos de segmento, del tipo utilizado en automóviles, pueden usarse cuando pequeñas fugas sean admisibles. Para aguantar cargas o para el control de velocidades lentas, se utilizan frecuentemente anillos T o juntas tóricas "O" con dos anillos de apoyo. Los orificios del cilindro están situados en las tapas que están fijadas rígidamente en las extremidades del tubo mediante tirantes y tuercas. El retén del vástago es del tipo cartucho incluyendo el retén propiamente dicho y un anillo limpiador que protege al vástago contra las impurezas. El tipo cartucho facilita el recambio de los retenes.
Caudal (1/min) = 6 x Velocidad (m/min) x Área del pistón (cm2). c) Determinar la fuerza a una presión dada: Fuerza (kp) = Área (cm2) x Presión (kp/cm2) d) Determinar la presión requerida para ejercer una fuerza determinada: Fuerza (kp) Presión (kp/cm2) = ------------------Area (cm2) La tabla 1 muestra los efectos originados en aplicaciones de cilindros al variar el caudal de entrada, el tamaño del cilindro o la presión. Los efectos son válidos para una carga constante. La tabla 2 muestra las áreas de los pistones, las fuerzas y las velocidades, para cilindros de diversos tamaños.
6.l .5. Opciones El equipo opcional incluye anillos de segmento para el pistón en las operaciones de ciclo rápido, amortiguadores para decelerar la carga al final de la carrera, y limitadores de carrera para impedir cargas excesivas sobre los cojinetes debidas a esfuerzos laterales sobre el vástago extendido. 6.1.5.l. Amortiguadores Los amortiguadores (fig. 6-7) se instalan frecuentemente en uno o en ambos extremos del cilindro, para disminuir su velocidad cerca del final de la carrera e impedir que el pistón golpee contra la tapa del extremo. La deceleración empieza cuando una extensión cónica del vástago se introduce en un orificio de la tapa, restringiendo así el caudal de retorno al tanque. Durante la fracción final de la carrera, el aceite desplazado descarga a través de un orificio ajustable. El dispositivo amortiguador incluye también una válvula antirretorno para obtener el paso libre del aceite en el sentido contrario. 6.1.5.2. Limitadores de carrera Un limitador de carrera (fig. 6-8) es un tubo separador que se coloca en el vástago del cilindro, cerca del pistón, cuando la carrera es larga. El separador, al aumentar la distancia mínima desde el pistón hasta el casquillo, proporciona un mayor soporte a las cargas laterales sobre el vástago, disminuyendo así el desgaste del casquillo.
6.2.1. Características de los motores Los motores hidráulicos se clasifican según su desplazamiento (tamaño), par y límite de presión máxima. Desplazamiento. Es la cantidad de fluido que requiere el motor para dar una revolución (fig. 6-9), o, en otras palabras, la capacidad de una cámara multiplicada por el número de cámaras que contiene. Este desplazamiento se expresa en cm3 por revolución. Par. El concepto de par de un motor es equivalente al de fuerza en un cilindro. Se define como un esfuerzo de rotación. Un motor hidráulico puede dar un par sin movimiento, pero éste se efectuará si el par es suficiente para vencer el rozamiento y la resistencia de la carga. La figura 610 ilustra el par necesario para levantar una carga con una polea. Hay que observar que el par está siempre presente en el eje de accionamiento, y que es igual a la carga multiplicada por el radio de la polea. Una carga determinada desarrollará menos par sobre el eje si el radio disminuye. No obstante, cuanto mayor sea el radio, más rápidamente se moverá la carga, para una velocidad determinada del eje. El par se expresa generalmente en m.kp. Presión. La presión necesaria para el funcionamiento de un motor hidráulico depende del par y del desplazamiento. Un motor con gran desplazamiento desarrollará un par determinado con menos presión que un motor con un desplazamiento más pequeño. El par desarrollado por un motor se expresa generalmente en m.kp a una presión de 7 kp/cm2.
6.2. MOTORES HIDRÁULICOS Motor es el nombre que se da generalmente a un actuador hidráulico rotativo. La construcción de los motores se parece mucho a la de las bombas. En vez de impulsar el fluido, como hace una bomba, son impulsados por éste y desarrollan un par y un movimiento continuo de rotación. Como los dos orificios del motor, de entrada y de salida, pueden ser ambos presurizados (motores bidireccionales), la mayoría de los motores hidráulicos llevan drenaje externo.
6.2.1.1. Fórmulas para aplicaciones de motores Las fórmulas siguientes se utilizan para seleccionar un motor hidráulico y determinar el caudal y presión necesarios. NOTA Todas las fórmulas indicadas a continuación son para un par teórico. Puede requerirse un par adicional del 10 %al 35 %, para arrancar bajo una carga determinada. Compruébense las especificaciones del par de arranque en las hojas de instalación correspondientes.
a) Seleccionar el motor requerido para un trabajo: Par nominal (m.kp/7 kp/cm2 ) = Par necesario (m.kp) x 7 = ----------------------------------------------Presión de funcionamiento (kp/cm2) Por ejemplo, para levantar una carga que requiere un par de 50 m.kp, a una presión de 100 kp/cm2, hace falta un motor de par nominal 3.5 m.kp a 7 kp/cm2, pues: 50 x 7 --------- = 3.5 kp/7 kp/cm2 100 b) Encontrar la presión de funcionamiento para un motor y carga dados: Presión de funcionamiento (kp/cm' ) = Par necesario (m.kp) x 7 = ------------------------------------Par nominal (m.kp/7 kp/cm2 ) Por ejemplo, un motor de 5 m.kp/7 kp/cm2, para accionar una carga que requiere un par de 1 50 m.kp, necesita una presión de 210 kp/cm2 150 x 7 P = ----------- = 210 kp/cm2 5
c) Determinar el par máximo para una presión y par nominal determinados. Par necesario (m.kp) = Par nominal (m.kp/7 kp/cm2 ) x Presión de funcionamiento (kp/cm2):7 Por ejemplo, un motor de 1 m.kp/7 kp/cm2, y presión máxima de 140 kp/cm2, puede levantar una carga que requiere un par máximo de 20 m.kp. 1 x 140 Par máximo = -------------- = 20 m.kp 7 d) Determinar el par cuando se conocen la presión y el desplazamiento: 10 Presión (kp/cm2 ) Par (m.kp) = ---------------------------------------2 Desplazamiento (litros/rev.) Por ejemplo un motor de desplazamiento 62.8 cm3 /rev. trabajando a una presión de 100 kp/cm2, desarrolla un par de 10 m.kp, pues 10 x 100 x 0.0628 Par = -------------------------6.27
= 10 m.kp
e) Determinar el caudal requerido para un motor y una velocidad determinados: R.P.M. x Desplazamiento (cm3 /rev.) Caudal (1/min) = -----------------------------------------------1000 Por ejemplo, un motor de desplazamiento 10 cm2 /rev. para girar a 400 r.p.m. requiere un caudal de 4 1/min. 400 x 10 L = ------------------ = 4 1/min. 1000 f) Encontrar la velocidad de rotación cuando se conocen el desplazamiento y el caudal
esfuerzos laterales mediante orificios y pasajes internos, sobre los que se distribuyen las presiones correspondientes a 180° aparte. No obstante, este tipo de equilibraje se encuentra más frecuentemente en los motores de paletas. Véase la figura 6-12. Los motores de engranajes de este tipo están con frecuencia limitados a presiones de funcionamiento de hasta 140 kp/cm2, y a rotaciones máximas de 2400 r.p.m. Las ventajas principales son su sencillez y una tolerancia bastante elevada a la suciedad. Estas ventajas, sin embargo, se ven contrarrestadas por un rendimiento más bajo. Con la tendencia actual hacia rendimientos más elevados y equipo de filtración más sofisticado, se tiende a utilizar motores de pistones en muchos equipos de maquinaria y en sistemas móviles. 6.4. MOTORES DE PALETAS
1000 Caudal (1/min.) R.P.M. = ---------------------------------Desplazamíento (cm3 /rev.) La tabla 3 resume los efectos sobre la velocidad, presión y par cuando cambian las aplicaciones del motor. Obsérvese que los principios básicos son idénticos a los correspondientes a la tabla de cilindros de la página 6-6. 6.3. MOTORES DE ENGRANAJES Un motor de engranajes (fig. 6-11) desarrolla un par debido a la presión aplicada sobre la superficie de los dientes de los engranajes. Los dos engranajes están acoplados y giran conjuntamente, estando solamente uno de ellos acoplado al eje de accionamiento. El sentido de rotación del motor puede invertirse invirtiendo la dirección del caudal. El desplazamiento de un motor de engranajes es fijo y es, aproximadamente, igual al volumen comprendido entre dos dientes multiplicados por el número de dientes. Es evidente, según la figura 6-11, que los engranajes no están equilibrados hidráulicamente. La alta presión a la entrada y la baja presión a la salida originan elevadas cargas laterales sobre el eje y los engranajes, así como sobre los cojinetes que los soportan. Es posible equilibrar estos
En un motor de paletas, el par se desarrolla por la presión, que actúa sobre las superficies expuestas de las paletas rectangulares las cuales entran y salen de unas ranuras practicadas en un rotor, acoplado al eje de accionamiento (fig. 6-12). A medida que el rotor gira, las paletas siguen la superficie de un anillo formando cámaras cerradas que arrastran el fluido, desde la entrada hasta la salida. En el diseño equilibrado hidráulicamente que se muestra en la figura 6-12, la presión aplicada en cualquiera de los dos orificios, se dirige a las dos cámaras interconectadas a 180° una de otra. Las cargas laterales que se producen son opuestas y se neutralizan mutuamente. La figura 6-13, muestra esta configuración con el motor reversible de paletas, de tipo "cuadrado". Obsérvese que el rotor gira dentro de un anillo, y entre el cuerpo y la placa de presión. Unos balancines, accionados por muelles y unidos al rotor, fuerzan las paletas contra el anillo elíptico. En funcionamiento, la presión aplicada en la parte inferior de las paletas también las mantiene en contacto con el anillo. 6.4.1. Válvulas de esfera en la placa de presión La placa de presión (fig. 6-14) está diseñada para mantener el grupo giratorio bien estanco, a través de la presión aplicada sobre su superficie externa. Dos válvulas esféricas
de vaivén, en la placa de presión, interconectan pasajes para mantener esta presión con independencia del orificio que esté presurizado. El sentido de rotación del motor puede invertirse, invirtiendo la dirección del caudal que se le envía. Una modificación especial de este motor (fig. 6-15) permite que éste pueda funcionar en ambos sentidos, sin necesidad de balancines y válvulas. El aceite a presión, procedente de una fuente exterior, es dirigido a la placa de presión y a la parte inferior de las paletas para mantenerlas contra el anillo. Estos motores son de desplazamiento fijo. Sin embargo, el desplazamiento de una unidad determinada puede ser modificado instalando un anillo de contorno mayor o menor (fig. 6-16). Otra modificación de este motor es un diseño unidireccional o no reversible (fig. 6-17). Una válvula antirretorno en la entrada del motor asegura que una presión piloto mantenga las paletas extendidas. Así, este diseño no requiere balancines, válvulas esféricas ni una fuente externa de presión. Su utilización se limita a aplicaciones unidireccionales tales como el accionamiento de un ventilador. 6.4.2. Motores de paletas de alto rendimiento El motor de paletas de alto rendimiento (fig. 6-18) es un diseño posterior del motor de paletas equilibrado hidráulicamente. Desarrolla un par de la misma forma que el motor tipo "cuadrado' pero tiene modificaciones significativas en su construcción. En este diseño las paletas se mantienen contra el anillo mediante muelles de forma cilíndrica. El cartucho formado por anillo, rotor, paletas y placas laterales es desmontable y puede ser substituido como una unidad completa (fig. 6-19). De hecho, cartuchos previamente montados y comprobados están disponibles para recambio en el lugar de trabajo. Estos motores también son reversibles, y las dos placas laterales funcionan alternativamente como placas de presión (fig. 6-20) según la dirección del caudal. 6.4.3. Motores MHT de par elevado Otro diseño de motor de paletas equilibrado hidráulicamente es el de la serie MHT, de par elevado y velocidad baja (fig. 6-21 ). Esta serie está disponible en varios tamaños, y uno de ellos funciona desde 5 a 150 r.p.m., con un par máximo de 620 m.kp. Una versión doble origina un par de 1240 m.kp. Este motor es aplicable en transportadores pesados, mesas giratorias, unidades de volqueo, cabrestantes y otras aplicaciones en las que su elevada capacidad de par puede ser ventajosa. 6.4.4. Motores de pistones en línea Los motores de pistones generan un par, mediante la presión que se ejerce sobre los extremos de los pistones que se mueven alternativamente en el barrilete. En el diseño en línea (fig. 6-22), el eje de accionamiento del motor y el bloque de cilindros o barriletes tienen el mismo eje de rotación. La presión en los extremos de los pistones, actuando contra una placa inclinada, origina la rotación del
barrilete y del eje. El par es proporcional al área de los pistones y depende del ángulo de inclinación de la placa. Estos motores pueden ser de desplazamiento fijo (fig. 6-23), o variable (fig. 6-24). El ángulo de inclinación de la placa es el que determina el desplazamiento. En el motor de desplazamiento variable, la placa inclinada está montada en un bloque oscilante, y el ángulo puede modificarse de varias formas, que van desde una simple palanca o volante hasta sofisticados servocontroles. Al aumentar el ángulo de la placa inclinada se aumenta el par del motor pero se reduce la velocidad de rotación de su eje. Inversamente, al reducir el ángulo, el par disminuye pero se aumenta la velocidad del eje. Se disponen generalmente topes de ángulo mínimo para que el par y la velocidad permanezcan dentro de límites operativos.
6.4.5. Control por compensador hidráulico El compensador hidráulico (fig. 6-25) se utiliza para modificar el desplazamiento del motor, en respuesta a cambios de la carga de trabajo. Un pistón accionado por un muelle está conectado mecánicamente al bloque basculante y lo mueve en respuesta a las variaciones de la presión de trabajo. Todo aumento de carga va acompañado por un aumento correspondiente de presión, como resultado de un par adicional necesario. El compensador, entonces, ajusta automáticamente el bloque oscilante de forma que el par aumenta con una carga más elevada y disminuye cuando la carga es ligera. Igualmente, el compensador regula el desplazamiento para obtener un rendimiento máximo, cualquiera que sea la carga hasta el ajuste de la válvula de seguridad.
6.4.6. Motores de pistones en ángulo Los motores de pistones en ángulo (fig. 6-26) también desarrollan un par mediante la reacción a la presión sobre los extremos de pistones alternativos. En este diseño, no obstante, el bloque de cilindros y el eje de accionamiento están montados formando un ángulo entre sí y la reacción se ejerce contra la brida del eje de accionamiento. La velocidad y el par varían en función del ángulo, desde un valor mínimo predeterminado de las r.p.m., con un desplazamiento y un par máximos a un ángulo de aproximadamente 30°, hasta unas r.p.m. máximas, con un desplazamiento y un par mínimo a aproximadamente 7.5°. Existen modelos de desplazamiento fijo y variable. Las unidades de desplazamiento variable pueden ir equipadas con un cierto número de controles, incluyendo un compensador hidráulico. El sentido de rotación del eje puede invertirse invirtiendo la dirección del caudal enviado al motor. No resulta práctico invertir el sentido de rotación del motor desplazando el bloque basculante al otro lado de la posición central, porque el par tendería a cero y su velocidad aumentaría infinitamente (si no se bloquea el motor antes de llegar a la posición central).
6.4.6.1. Características de funcionamiento de los motores de pistones Los motores de pistones son probablemente los más eficientes de los tres tipos que hemos discutido y, en general, tienen capacidad tanto para altas velocidades, como para altas presiones. En aplicaciones aeroespaciales, en particular, se utilizan debido a su elevada relación de potencia por unidad de peso. Los motores de pistones en línea, debido a su sencilla construcción y bajo coste, están encontrando muchas aplicaciones en las máquinas herramientas y en los equipos móviles. 6.4.7. Motores de pistones radiales Son motores de par elevado y de baja velocidad 6.4.7.1. El diseño patentado que puede verse en la figura 6.27 tiene cinco cilindros telescópicos de autoalineación que transmiten la potencia a través de una excéntrica formada en el eje. El contacto entre los cilindros y las superficies esféricas de la carcasa del motor y de la excéntrica se limita a los bordes de las camisas exteriores e interiores respectivamente.
Inicialmente, las dos camisas de un cilindro mantienen el contacto por medio de un muelle incorporado, mientras que su extensión y posición de articulación depende de la posición angular momentánea de la excéntrica del eje. Los ejes geométricos de todos los cilindros pasan por el centro de la excéntrica, por lo que originan rnornentos de giro alrededor del eje de rotación. La bomba envía una cierta cantidad de fluido al interior de los cilindros del lado derecho y, descargándose desde los del lado izquierdo una cantidad similar, el eje gira en sentido izquierdo, corno puede verse en la figura. Tal como aparece aquí, el cilindro que está en la parte superior se halla momentáneamente estacionario con extensión mínima, porque la excéntrica está en el punto muerto superior. Invirtiendo el sentido de envío y descarga de fluido a los grupos opuestos de cilindros se invierte la dirección de rotación del eje. Para un sentido de rotación dado, es preciso que el fluido sea enviado a cilindros sucesivos en esa dirección a la vez que se permite que se descarguen sucesivamente los cilindros opuestos. Cómo puede efectuarse esto lo veremos en la ilustración siguiente. Pero,
en cualquier posición transitoria del eje, hay dos o tres cilindros que están recibiendo líquido mientras que los cilindros opuestos están descargándolo. 6.4.7.2 En la figura 6.28 se ven dos cilindros opuestos que se apoyan en la excéntrica del eje y en la carcasa. El eje se prolonga en ambos sentidos y se apoya en dos cojinetes de dos filas anulares de rodillos. A la derecha, se prolonga a través del retén del eje y termina en un extremo estriado que engrana con la carga. A la izquierda, una prolongación estriada de pequeño diámetro mueve una placa de distribución giratoria cuya cara derecha está en contacto con una placa estator. Los orificios individuales que atraviesan esta última están en comunicación a través de la carcasa con las secciones superiores de los cinco cilindros. Dos canales anulares semicirculares en la cara del lado derecho de la placa de distribución están en comunicación con los orificios
de la placa estator y con los grupos opuestos de cilindros. Desde la base de estos canales hay unos pasadizos que vuelven a través de la placa de distribución, saliendo uno por la periferia y el otro por la cara del lado izquierdo, continuando luego hacia los orificios principales en la parte posterior de la carcasa. Una placa de apoyo o desgaste está en contacto con la cara izquierda de la placa de distribución, y arandelas Belleville en la parte posterior de la carcasa mantienen el contacto inicial entre las tres placas. Las placas de apoyo y de distribución están equilibradas hidráulicamente para asegurar una estanqueidad y lubricación óptimas durante el funcionamiento. Todas las partes de baja presión de la carcasa están en comunicación con el depósito mediante pasajes de drenaje en las placas de distribución y de desgaste. El estado de rotación a la izquierda de la ilustración precedente se muestra aquí con más detalle, con particular referencia a la circulación del fluido entre los orificios principales y los cilindros.
El líquido a presión (rojo) entra por un orificio principal, atraviesa las placas estator y de distribución hasta llegar a los cilindros que proporcionan el par para la rotación a la izquierda. El líquido (azul) procedente de los cilindros opuestos pasa por las placas de apoyo, distribución y estator y sale por el otro orificio principal. El par restante hace girar el eje que, a su vez, hace girar la placa de distribución; los canales semicirculares de esta última van cambiando progresivamente los grupos de cilindros opuestos para que continúe la rotación mientras siga habiendo circulación de líquido desde el orificio de entrada al de salida. Se puede invertir la rotación del eje invirtiendo la dirección de circulación del líquido entre los orificios de entrada y salida. La lubricación de las caras de la placa de distribución y de los bordes de los cilindros se realiza mediante las fugas internas. El líquido que drena desde estos puntos pasa por canalizaciones de drenaje en las placas de apoyo y de distribución y sale por el orificio de drenaje en la parte posterior de la carcasa. La línea de drenaje tiene que instalarse de forma que la carcasa permanezca llena de líquido para asegurar la lubricación en todas las condiciones.
6.4.8. Motores oscilantes Los motores oscilantes son actuadores de rotación parcial que no pueden girar continuamente en la misma dirección. Normalmente, el giro está limitado a algo menos de una revolución. Los motores oscilantes típicos son del tipo de paleta simple y doble, o del tipo cremallera que desarrolla pares sumamente elevados, con rotaciones superiores a una vuelta.
6.5. CUESTIONARIO 1. Describir las características de funcionamiento de los cilindros de simple y doble efecto. 2. Con un caudal de 12 1/min, dirigido a la sección de área mayor de un cilindro de diámetro interno de 5 cm ¿cuál será la velocidad del vástago del cilindro? 3. Si un cilindro de diámetro interno de 7.5 cm puede trabajar hasta una presión de 140 kp/cm2, ¿cuál será la fuerza máxima ejercida? 4. ¿Cuál es la presión necesaria para ejercer una fuerza de 7000 kp si el área efectiva del pistón del cilindro es de 50 cm2? 5. Definir el desplazamiento y el par nominal de un motor hidráulico. 6. Un cabrestante requiere un par máximo de 7 m.kp para poder funcionar; ¿cuál será el tamaño del motor hidráulico necesario si la presión máxima disponible es de 105 kp/cm2? 7. Un motor de par nominal 0.25 m.kp acciona una carga que requiere un par de 12.50 m.kp; ¿cuál será la presión de funcionamiento? 8. Explicar para qué sirven las válvulas de esfera en los motores de paletas tipo "cuadrado". 9. Explicar cómo las paletas se mantienen en contacto con el anillo en los motores de paletas tipo "cuadrado" y en los de "alto rendimiento". 10. ¿Cómo se desarrolla el par en un motor de pistones en línea? 11 . ¿Cuál es el efecto de un aumento de carga en un motor hidráulico con compensador? 12. ¿Qué tipo de motor hidráulico es generalmente el más eficiente?
Capítulo 7
CONTROLES DE DIRECCIÓN
7.1. VÁLVULAS DIRECCIONALES Las válvulas direccionales, como su nombre indica, se usan para controlar la dirección del caudal. Aunque todas realizan esta función, las válvulas direccionales varían considerablemente en construcción y funcionamiento. Se clasifican, según sus características principales, en: - Tipo de elemento interno. Obturador (pistón o esfera), corredera rotativa o deslizante. - Métodos de actuación. Levas, émbolos, palancas manuales, mecánicos, solenoides eléctricos, presión hidráulica y otros, incluyendo combinaciones de éstos. - Número de víás. Dos vías, tres vías, cuatro vías, etc... Tamaño. Tamaño nominal de las tuberías conectadas a la válvula o a su placa base, o caudal nominal. - Conexiones. Roscas cónicas, roscas cilíndricas, bridas y placas bases. 7.1.1. Posición definida La mayoría de las válvulas direccionales industriales son de posición definida. Es decir, que controlan el paso del caudal abriendo o cerrando pasajes en posiciones definidas de la válvula. El símbolo gráfico para una válvula direccional contiene una envoltura separada (cuadro) para cada posición definida, mostrando las direcciones del caudal en dicha posición. 7.2. VALVULAS ANTIRRETORNO Una válvula antirretorno puede funcionar como control direccional o como control de presión. En su forma más simple, sin embargo, una válvula antirretorno no es más que una válvula direccional de una sola vía (fig. 7-1 ). Permite el paso libre del aceite en una dirección y lo bloquea en la otra. Obsérvese que el símbolo gráfico compuesto para una válvula antirretorno indica dos posiciones de la válvula: abierta y cerrada. Es un diagrama bastante complicado para una válvula tan simple y se utiliza raramente. Se emplea generalmente el símbolo de bola y asiento que se utilizará en este manual en todos los casos para designar a una válvula antirretorno.
7.2.1. Válvulas antirretorno en línea Las válvulas antirretorno en línea (fig. 7-2) se llaman así porque el aceite fluye a través de las mismas en línea recta. El cuerpo de esta válvula se rosca directamente a la tubería y está mecanizado interiormente para formar un asiento para un pistón cónico o una bola (fig. 7-3). Un muelle ligero mantiene el pistón en su asiento permitiendo el montaje de la válvula en cualquier posición. En la dirección de paso libre, el muelle cede y la válvula se abre a una presión de aproximadamente 0.35 kp/cm2. El muelle no es ajustable, pero hay disponible un conjunto de muelles, de tarajes distintos, para casos específicos, tales como crear una presión piloto, montarlos en derivación con los refrigeradores o filtros, en el caso de obstrucción de éstos o como protección contra las puntas de presión. En estos casos, estas válvulas no se utilizan como válvulas antirretorno, sino más bien como válvulas de secuencia o seguridad. Aunque admiten presiones de hasta 210 kp/cm2, las válvulas antirretorno en línea no son recomendables para aplicaciones en las que puedan verse sometidas a caudales de retorno a gran velocidad. 7.2.2. Válvulas antirretorno en ángulo recto La válvula antirretorno de ángulo recto es una válvula más robusta. Está formada por un pistón de acero y un asiento endurecido incrustado en un cuerpo de fundición (figs. 7-4 y 7-5). Debe su nombre a que el aceite fluye a través de la misma formando un ángulo recto. Estas válvulas se construyen para montaje en tubería, sobre placa base con juntas o con bridas. Su capacidad de caudal está comprendida entre 12 1/min hasta 1200 1/min, con una amplia gama de presiones de abertura. 7.2.3. Válvulas antirretorno con retorno restringido Una válvula antirretorno con retorno restringido (fig. 7-6) es una modificación de una válvula antirretorno simple. Un tapón perforado está situado en el pistón de la válvula para permitir un caudal restringido en la posición normalmente cerrada. Aunque su empleo es algo limitado, sus aplicaciones incluyen aquellas que requieren un paso libre de fluido en
una dirección y un caudal controlado en la otra dirección. Como por ejemplo, el control de la descompresión en una prensa de grandes dimensiones. 7.2.4. Válvulas antirretorno pilotadas Las válvulas antirretorno pilotadas están 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. Se utilizan en las prensas hidráulicas como válvulas de prellenado para permitir que el cilindro principal se llene por gravedad durante la carrera de aproximación rápida. También se utilizan para mantener parado, a pesar de las fugas a través de la corredera de la válvula distribuidora, un cilindro vertical con su carga. Existen dos modelos distintas de válvulas antirretorno pilotadas: las series "2C" y "4C". 7.2.4.1. Tipo 4C En la figura 7-7 puede verse la constitución de la válvula tipo "4C". El obturador de la válvula está apoyado en su asiento mediante un muelle ligero y la camisa que guía el pistón piloto forma pieza única con el asiento. El orificio de pilotaje externo, situado en la tapa inferior de la válvula, está en comunicación con la cabeza del pistón piloto. En la figura 7-8 pueden verse las tres fases de funcionamiento de la válvula. En las figuras A y B no hay
aplicada presión piloto y el funcionamiento es el mismo que en las válvulas antirretorno simples. En A, la presión a la entrada del obturador (entrada de la válvula) ha vencido la tensión del muelle abriendo la válvula y permitiendo el paso del fluido. En B, la presión en el lado del muelle es superior a la de entrada y el fluido no puede atravesar la válvula. En la figura C se ve el efecto de la presión de pilotaje. El pistón actúa sobre el obturador y permite la circulación del fluido en sentido contrario. La presión piloto necesaria para abrir el obturador debe ser superior al 40 % de la presión en la cámara del muelle. 7.2.4.2. Tipo 2C La válvula tipo "2C" está representada en la figura 7-9. El obturador de la válvula se parece a la válvula de un motor de explosión y el pistón piloto está unido a la varilla roscada del obturador mediante una tuerca. Un muelle ligero mantiene el pistón apoyado en su asiento cuando no hay circulación de caudal. Hay un orificio de drenaje independiente para impedir que se origine una contrapresión en el lado inferior del pistón piloto. En la figura 7-10, vistas A y B, puede verse su funcionamiento, idéntico al de una válvula antirretorno simple, cuando no hay presión piloto aplicada. Hay circulación del fluido en sentido contrario, vista C, cuando la presión de
pilotaje excede del 80 % de la presión en el orificio de salida. La válvula también puede funcionar sin muelle (fig. 7-11) para aplicaciones en las que se desea mantener el obturador abierto o cerrado. En el modelo sin muelle, los orificios de drenaje y pilotaje actúan ambos como orificios de presión piloto y se invierten mediante una válvula direccional exterior. La presión piloto se utiliza para mantener la válvula en la posición deseada. 7.2.4.3. Aplicaciones de 1as válvulas antirretorno pilotadas En la figura 7-12 podemos observar la diferencia básica de funcionamiento entre las válvulas "2C" y "4C". En el tipo "4C", la presión en la cámara de entrada actúa también contra el pistón piloto oponiéndose a la presión de pilotaje. En el tipo "2C", la presión de entrada ayuda a la presión de pilotaje. La válvula "4C" se usa, por consiguiente, en aplicaciones en las que el orificio de entrada está unido a tanque durante la operación inversa. Aplicaciones típicas son: en un circuito de avance rápido y trabajo lento, para bloquear el caudal grande y permitir el control preciso de la válvula reguladora de caudal o impedir que un cilindro vertical descienda lentamente debido a las fugas de la válvula direccional. La válvula "2C" se utiliza para bloquear intermitentemente el caudal de salida de un acumulador. Permite cargar libremente el acumulador y puede pilotarse fácilmente para impedir que el acumulador se descargue aunque haya presión en ambos orificios.
7.3. VÁLVULAS DE 2 y 4 VIAS La función básica de estas válvulas es dirigir el caudal de entrada a cualquiera de los dos orificios de salida. Según la figura 7-13, el caudal del orificio "P" (bomba) puede ser dirigido a cualquiera de los dos orificios de salida (denominados A y B por conveniencia). En la válvula de 4 vías el orificio alterno está comunicado a tanque permitiendo el retorno del caudal al depósito. En las válvulas de 2 vías el orificio alterno está bloqueado y el orificio a tanque sirve solamente como drenaje de las fugas internas de la válvula. La mayoría de estas válvulas son del tipo de corredera deslizante, aunque existen válvulas rotativas que se usan principalmente para pilotajes. Se fabrican en modelos de 2 ó 3 posiciones. La válvula de tres posiciones tiene una posición central o neutra. Los métodos de accionamiento incluyen palancas manuales, levas, conexiones mecánicas, muelles, solenoides, presión piloto y otros sistemas. 7.4. VÁLVULA ROTATIVA DE 4 VIAS Una válvula rotativa de 4 vías (fig. 7-14) consiste simplemente en un rotor estrechamente ajustado dentro del cuerpo de la válvula. Los pasos en el rotor conectan o bloquean los orificios del cuerpo de la válvula para obtener las 4 vías de caudal. Si se desea puede incorporarse una posición central. Las válvulas rotativas se accionan manual o mecánicamente
Aunque pueden invertir el caudal dirigido a cilindros o motores, sin embargo, se usan principalmente como válvulas piloto para controlar otras válvulas.
(tanque) en las posiciones extremas y permitir el caudal de retorno al tanque. 7.7. SISTEMAS DE MANDO
7.5. VALVULA DE 2 VIAS DE TIPO CORREDERA En la válvula direccional de tipo corredera (fig. 7-15), una corredera cilíndrica puede deslizarse en ambos sentidos en un orificio practicado dentro del cuerpo de la válvula. Unos pasos mecanizados, que parten de los orificios externos de la válvula, pueden estar unidos entre sí a través de ranuras circulares en la corredera o bloqueados por los salientes cilíndricos de la misma. La versión de 2 vías permite la selección de 2 direcciones para el caudal. En una posición, el caudal puede pasar desde el orificio P hasta el orificio A. En la otra posición, desde P hasta B. Todos los demás orificios están bloqueados. 7.6. VALVULA DE CORREDERA DE 4 VIAS La válvula de corredera de 4 vías (fig. 7-16) es idéntica a la válvula de 2 vías de la figura 7-15 con la excepción del mecanizado de los salientes cilíndricos de la corredera. La anchura de los mismos se reduce para descubrir el orificio T
Las válvulas de corredera pueden ser accionadas de varias formas distintas. En la figura 7-16A puede verse una válvula de 4 vías de mando manual: en la figura 17, una válvula mandada mecánicamente y su símbolo gráfico. Obsérvese que el símbolo básico es el mismo que hemos visto anteriormente (fig. 7-13), añadiendo el símbolo del control. La figura 7-18 muestra una válvula de 4 vías cuya corredera es accionada por aire a presión aplicado a sus extremos. Un método muy corriente de accionar una válvula pequeña tipo corredera es mediante un solenoide (fig. 7-19). La energía eléctrica aplicada a la bobina del solenoide origina un campo magnético que atrae el núcleo del imán dentro de la bobina. El movimiento del núcleo es transmitido a la corredera mediante una varilla empujadora. En las válvulas grandes, la fuerza requerida para desplazar la corredera es mayor que la que resulta práctico obtener de un solenoide. La mayoría de las válvulas direccionales grandes son accionadas mediante una presión de pilotaje aplicada en cualquiera de los extremos de la corredera (fig. 7-20). El aceite de pilotaje es suministrado por una válvula de 4 vías
más pequeña, llamada válvula piloto que, aunque generalmente es accionada por un solenoide, puede ser actuada por cualquiera de los métodos que se han visto desde las figuras 7-16 a 7-18.
se aconseja mantener el control sobre la válvula durante todo el ciclo.
7.8. "CENTRAJE POR MUELLES", "RETORNO POR MUELLE" Y "SIN MUELLES"
La mayoría de las válvulas de tres posiciones disponen de una variedad de correderas intercambiables. Todas las correderas de 4 vías poseen pasos idénticos para el caudal, en sus posiciones extremas, con diferentes condiciones centrales, como puede verse en la figura 7-22. El tipo de centro abierto pone en comunicación todos los orificios y el caudal de salida de la bomba pasa al tanque a baja presión. El centro cerrado tiene todos los orificios bloqueados, de forma que el caudal de salida de la bomba puede utilizarse para otras operaciones del circuito o pasar al tanque, a través de la válvula de seguridad, a la presión de trabajo. Otros tipos de centro bloquean unos orificios y unen al tanque los restantes. El centro tándem tiene los orificios "A" y "B" bloqueados y el "P" unido al tanque, lo que permite montar en serie o "tándem" dos o más válvulas. Las correderas pueden mantenerse en su posición central mediante muelles centradores, retenes accionados por muelle (fig. 7-23), o por aceite a presión, que es el más rápido y quizás el más positivo de los sistemas de centrado.
Los términos "centraje por muelles" y "retorno por muelle" se refieren al empleo de muelles que devuelven las correderas de las válvulas a sus posiciones normales. Una válvula "centrada por muelles" vuelve a su posición central mediante la fuerza de un muelle cuando el esfuerzo de accionamiento deja de actuar. La válvula accionada por aire de la figura 7-1 8 está centrada por muelles. Una válvula de "retorno por muelle" (fig. 7-21) es una válvula de dos posiciones cuya corredera retorna a una posición extrema por efecto de un muelle cuando deja de actuar el esfuerzo de accionamiento, originado por cualquiera de los métodos mencionados anteriormente. Una válvula "sin muelles" debe ser accionada siempre por un control exterior y su corredera puede "flotar" entre sus dos posiciones extremas cuando el control deja de actuar, a menos que quede retenida mecánicamente. Por este motivo
7.9. TIPOS DE CENTROS DE LAS CORREDERAS
7.10. TIPO DG4 Las válvulas de la serie DG4 (fig. 7-24) son del tipo de corredera deslizante mandada directamente por solenoides. El sistema de montaje se realiza sobre placa base, lo que permite un desmontaje fácil del cuerpo de la válvula para mantenimiento o substitución. Los solenoides forman un conjunto compacto y se atornillan a los extremos del cuerpo de la válvula. El caudal nominal de la mayoría de estas válvulas está comprendido entre 38 y 76 1/m. Se construyen en tres modelos diferentes: tres posiciones centradas por muelles y dos posiciones mediante muelle o sin muelle. En la figura 725 pueden verse los esquemas y símbolos gráficos de las tres válvulas. Las modificaciones de estos modelos incluyen formas de mando por rodillo y de retorno por muelle (fig. 7-26), con un interruptor eléctrico, de final de carrera, controlado por el movimiento de la corredera, conjuntamente con distintos tipos de solenoides para aplicaciones especiales. 7.11. TIPO DG3 y DG5 Las válvulas mayores de la serie DG son accionadas de manera hidráulica, utilizando muchas de ellas como piloto la válvula DG4. La figura 7-27 muestra la válvula pilotada DG3, que también se monta sobre placa base. La corredera
se desplaza aplicando aceite a presión en uno de sus extremos, estando el otro comunicado al tanque. Las conexiones de presión de la válvula piloto se hacen a través de la placa base. En algunas válvulas, de tipo más antiguo, estas conexiones estaban en las tapas laterales. Las válvulas DG5 son válvulas pilotadas eléctricamente, estando la válvula piloto montada sobre el cuerpo de la válvula principal (fig. 7-28). Ambas válvulas, DG3 y DG5, están disponibles en las versiones de tres posiciones con centraje por muelles y dos posiciones, con muelle o sin muelle (fig. 7-29) con distintos tipos de corredera. Las válvulas de 2" y mayores se montan con bridas y se denominan DF3 (pilotadas hidráulicamente) o DF5 (pilotadas eléctricamente). 7.12. FUENTES DE PRESION PILOTO Normalmente, la presión piloto se suministra a las válvulas DG5 a través de un pasaje interno, procedente del orificio "P" de la válvula principal (fig. 7-29). Cuando el orificio "P" está unido al tanque en la posición central, puede ser necesario instalar una válvula antirretorno en la línea de retorno al tanque, para crear una presión de pilotaje (fig. 730). Hay también casos en que puede ser deseable o necesario utilizar un pilotaje externo. En ese caso se obtura el
orificio de pilotaje interno, y el aceite de pilotaje se suministra a través de un orificio situado en la placa base. Un método de conseguir el pilotaje externo es conectar dicho orificio a la entrada de una válvula antirretomo, instalada a la salida de la bomba, como puede verse en la figura 7-30. Algunos modelos de la válvula tipo DGS están disponibles con una válvula antirretorno, instalada en la línea de presión del cuerpo de la válvula para este fin. Entonces se dispone de la presión piloto, internamente. Ver figura 7-31. 7.13. ESTRANGULADOR PILOTO. ("Pilot choke") Puede incorporarse un estrangulador piloto (fig. 7-32) para regular la velocidad de desplazamiento de la corredera, obteniéndose así inversiones más suaves o para obtener un breve retraso o período de parada, antes de invertir el actuador. El estrangulador piloto funciona, en efecto, como una válvula reguladora de caudal, montada a la salida de un actuador. Permite una circulación libre del aceite de pilotaje a la entrada de la corredera principal, pero restringe su paso a la salida opuesta, creando una contra-presión que amortigua el desplazamiento de la corredera. Los orificios de control son ajustables y el caudal libre de entrada se obtiene mediante válvulas antirretomo.
El estrangulador piloto está disponible para montaje directo sobre las válvulas tipo DG3 y DF3, o entre el piloto y la válvula principal, en las válvulas DG5 y DF5 (fig. 7-33). En otras válvulas el estrangulador puede estar incorporado en las tapas extremas. 7.14. PISTONES PILOTO Los pistones piloto (fig. 7-34) se usan, a veces, cuando correderas de válvulas grandes se desplazan hidráulicamente. Como sólo es necesario llenar el volumen desplazado por el pistón pequeño, se precisa menos aceite piloto y pueden obtenerse tiempos de desplazamiento más rápidos. Un pistón diferencial no es otra cosa que la incorporación de un pistón simple en un extremo para obtener superficies diferenciales. La presión constante, aplicada a la superficie más pequeña del pistón diferencial, puede usarse para desplazar la corredera a un lado, en vez de utilizar un muelle. 7.15. VALVULAS DECELERADORAS Los cilindros hidráulicos tienen, frecuentemente, amortiguadores incorporados para decelerar los pistones en los
extremos de su carrera. Cuando es necesario decelerar un cilindro en alguna posición intermedia, o decelerar o parar un actuador giratorio (motor), se requiere una válvula externa. La mayoría de las válvulas deceleradoras son accionadas por leva con correderas cónicas. Se usan para disminuir gradualmente el caudal que va o viene de un açtuador y para detener suavemente o decelerar. Una válvula “normalmente abierta” va cortando el paso del aceite cuando su corredera es accionada por una leva. Puede utilizarse para decelerar el cilindro de un cabezal de taladro, desde el avance rápido al trabajo lento, o para detener suavemente las masas pesadas y prensas grandes. Algunas aplicaciones requieren que una válvula deje pasar el caudal cuando es accionada y lo corte cuando no se actúa sobre la corredera. En este caso se usa una válvula “normalmente cerrada”. Este tipo de válvula se usa con frecuencia para obtener un dispositivo de enclavamiento mediante el cual el caudal puede ser dirigido a otra rama del circuito, cuando el actuador o la carga alcanzan una posición determinada. Las válvulas de tipo "normalmente abierto" y "normalmente cerrado" existen con válvulas antirretorno incorporadas para permitir la circulación libre del aceite en sentido contrario. 7.15.1. Correderas cónicas Un diseño antiguo de válvula deceleradora (fig. 7-35), utilizaba una corredera cónica para reducir el caudal cuando
era accionada por una leva. Antes de que la corredera sea actuada, (Vista A), el aceite pasa libremente de la entrada a la salida de la válvula. Actuando gradualmente la corredera, el caudal se va reduciendo (Vista B). La válvula antirretorno incorporada (Vista C) permite la circulación libre del aceite en sentido contrario. El intervalo de control de esta válvula depende del caudal que la atraviesa y de la forma de la leva. Con caudal casi máximo, es decir, con una caída de presión inicial a través de la válvula, existe control durante toda la carrera de la corredera. Con valores de caudal bajos, sólo una parte de la carrera está disponible para el control, a partir del punto donde se crea una caída de presión. Este inconveniente ha sido superado en la válvula de orificio ajustable que permite la regulación de la válvula para cualquier caudal. 7.15.2. Válvula de orificio ajustable La válvula de orificio ajustable, modelo DTl5S2, se muestra en la figura 7-36. En esta válvula se utiliza, para controlar el caudal, una corredera muy ajustada en su camisa, con aberturas rectangulares o ventanas en ambas. La corredera puede moverse dentro de la camisa y las aberturas, en cada una de ellas, coinciden en la posición abierta. El aceite que entra fluye a través de las pequeñas ventanas superiores en la camisa y en la corredera, sigue por el centro de la corredera y sale por las ventanas grandes
(Vista A). Cuando la corredera es actuada, el área de la ventana se cierra progresivamente para detener el paso del aceite (Vista B). Se permite el caudal en sentido contrario mediante la válvula antirretorno incorporada.
Esta válvula se construye para montar en tubería y sobre placa base. Ambas válvulas requieren drenaje externo para las fugas en la parte inferior de la corredera. 7.16. APLICACIONES TIPICAS
7.15.3. Ajuste de caída de la presión inicial Para un control preciso durante toda la carrera de la corredera, se controla la anchura de las ventanas mediante unos tornillos de ajuste que hacen girar la camisa. Para caudales bajos, la abertura es estrecha; para los caudales más elevados, es ancha. El ajuste se realiza colocando un manómetro en un lado de la válvula y girando los tornillos para obtener la caída de presión inicial deseada. Esta válvula también incluye un orificio ajustable, que permite el paso de un pequeño caudal con la corredera completamente deprimida. Esto permite que la carga se desplace lentamente hasta su posición final en platos divisores y aplicaciones similares. Consiste en un pequeño pistón con un extremo biselado y una muesca en "V", que puede ser ajustada para derivar las fugas entre la corredera y su camisa.
La figura 7-37 muestra una aplicación típica de una válvula deceleradora. En este caso, se utiliza para decelerar el cilindro de un cabezal de taladro, desde la velocidad de avance rápido hasta la velocidad de trabajo, en un punto predeterminado. La vista A muestra el avance rápido, con el caudal de retorno del cilindro pasando por la válvula deceleradora sin restricciones. En la vista B puede verse que la corredera de la válvula está siendo actuada por una leva. El caudal de salida del cilindro no puede atravesar la válvula deceleradora, y atraviesa la válvula reguladora de caudal, que ajusta la velocidad de trabajo. En la vista C se ha desplazado la corredera de la válvula direccional para conseguir el retorno del vástago del cilindro. El aceite, procedente de esta válvula, pasa libremente a través del antirretorno de la válvula deceleradora, con independencia de la situación de la corredera de la misma.
7.17. CUESTIONARIO 1. ¿Cuál es la función de un control de dirección? 2. ¿Qué se entiende por infinitas posiciones?
7. ¿Cuántas posiciones tiene una válvula direccional de retorno por muelle? ¿Y una centrada por muelles? 8. Describir la posición central de una válvula de cuatro vías con centro tándem.
3. Explicar el funcionamiento de una válvula antirretorno. 4. ¿Cuál es la diferencia de funcionamiento entre las válvulas antirretorno pilotadas "2C" y "4C"?
9. ¿Cómo puede aplicarse presión piloto a una hidroválvula de centro abierto? 10. ¿Cuál es la función de un estrangulador piloto?
5. ¿Qué tipo de válvula direccional se utiliza para accionar un cilindro de doble efecto? 6. Mencionar tres sistemas de accionar una válvula de cuatro vías.
11. ¿En qué sentido la válvula deceleradora de orificio ajustable es mejor que el diseño de pistón cónico?
Capítulo 8
SERVOVALVULAS
Una servoválwla es una válvula direccional de infinitas posiciones, que ofrece la característica adicional de controlar tanto la cantidad como la dirección del caudal. Cuando se instala con los dispositivos de realimentación adecuados, consigue controles muy precisos de la posición, velocidad y aceleración de un actuador. La servoválvula mecánica o válvula seguidora ha sido utilizada durante varias décadas. La servoválvula electrohidráulica es más reciente en la industria. 8.1. SERVO MECANICO Un servo mecánico es esencialmente un amplificador de fuerza, utilizado para controlar una posición. La figura 8-1 muestra esquemáticamente el dispositivo.
La palanca de control u otro acoplamiento mecánico se conecta a la corredera de la válvula. El cuerpo de la válvula está unido a la carga y se mueven conjuntamente. Cuando se actúa la corredera, el fluido se dirige al cilindro o pistón para mover la carga en la misma dirección en que la corredera es actuada. El cuerpo de la válvula "sigue" así a la corredera. El fluido continúa pasando hasta que el cuerpo se centra con la corredera. El resultado es que la carga siempre se mueve a una distancia proporcional al movimiento de la corredera. Cualquier tendencia a desplazarse más allá invertiría el caudal de aceite para situar la carga en su posición normal. Frecuentemente, esta unidad servomecánica se denomina multiplicador; el impulso hidráulico suministra fuerzas mucho mayores que la actuación mecánica a la entrada, y con control preciso, del desplazamiento.
Quizás la aplicación más frecuente del servo mecánico es la dirección hidráulica. Algunas de las primeras direcciones hidráulicas fueron desarrolladas por Harry Vickers, fundador de la División Vickers de Sperry Rand Corporation. La dirección hidráulica es hoy en día casi universal en autobuses de pasajeros y se utiliza muchísimo en camiones y otros vehículos pesados. Hay muchas variaciones en los diseños de las direcciones hidráulicas, pero todos ellos funcionan con el mismo principio. 8.2. SERVOVALVULAS ELECTROHIDRAULICAS Las servoválvulas electrohidráulicas funcionan, esencialmente, enviando una señal eléctrica a un motor par o a un dispositivo similar, que directa o indirectamente posiciona la corredera de la válvula. La señal al motor par (fig. 8-2) puede ser originada por un potenciómetro corriente, por una cinta magnética o perforada, u otro dispositivo. Esta señal, una vez aplicada a la servoválvula a través de un amplificador, "ordena" a la carga que se desplace hasta una posición determinada o que adquiera una velocidad deseada. El amplificador recibe también una señal de respuesta (realimentación), dada por un generador tacométrico, un potenciómetro u otro transductor conectado a la carga. Esta señal de respuesta se compara con la de entrada (orden) y cualquier desviación resultante se transmite al motor par como una señal de error, efectuándose la corrección. Los distintos tipos de servos electrohidráulicos pueden
suministrar un control muy preciso de la posición o de la velocidad. La mayoría de las veces la servoválvula controla un cilindro o un motor; pero en aquellas aplicaciones donde deben controlarse volúmenes muy grandes, la servoválvula puede utilizarse para regular el caudal de una bomba de desplazamiento variable. 8.2.1. Servoválvula de corredera de una sola etapa La figura 8-3 muestra la construcción y funcionamiento de una servoválvula de corredera de una sola etapa. La corredera deslizante es actuada directamente por el motor par, y abre los orificios de la válvula proporcionalmente a la señal eléctrica. La capacidad de caudal de este tipo de válvulas es generalmente pequeña, debido a las pequeñas fuerzas y a los desplazamientos limitados de la armadura del motor par. Esta válvula puede montarse sobre placa base con juntas tóricas "O", atornillada sobre la misma o sobre un bloque unido a un motor hidráulico, lo que reduce la cantidad de aceite comprimido, que es un factor crítico en los circuitos con servoválvula. 8.2.2. Servoválvula de corredera de dos etapas Las servoválvulas de corredera de dos etapas (fig. 8l4) se utilizan cuando se desean controlar caudales mayores. En este diseño, el motor par impulsa una válvula piloto, que dirige el caudal para desplazar la corredera de la válvula principal, que a su vez dirige el fluido al actuador.
8.2.2.1. Realimentación mecánica El dispositivo mecánico de realimentación de esta válvula permite que la válvula piloto funcione como una válvula seguidora. El movimiento de la corredera principal se retrasmite a la camisa de la válvula piloto para "centrar" efectivamente esta válvula, cuando la corredera principal ha alcanzado la posición deseada. El sistema articulado es variable, de tal forma que la relación de movimientos de la corredera principal con relación a la de la válvula piloto puede ser de hasta 5.5: 1. 8.2.2.2. Presión de control La presión para controlar esta válvula proviene generalmente de una fuente externa. Puede conseguirse de la línea de presión principal, utilizando una válvula reductora de presión y un acumulador. Se prefiere un suministro externo debido a que: 1. Proporciona una flexibilidad mayor para ajustar el sistema. 2. Permite un filtrado separado del fluido de control que puede ser crítico. 3. Evita que las fluctuaciones de presión del sistema afecten la respuesta de la corredera de la válvula piloto. 8.2.2.3. “Dither” La mayoría de las aplicaciones de estas válvulas utilizan el "dither" (vibración) para neutralizar el rozamiento estático y aumentar la resistencia a la contaminación. El "dither" es simplemente una señal alterna de baja amplitud, normalmente de 60 ciclos, aplicada al motor par, que mueve continuamente la corredera, reduciendo así la zona muerta. 8.2.2.4. Montaje Las válvulas de dos etapas se montan también sobre placa base y pueden, igualmente, montarse en un bloque unido al motor hidráulico (fig. 8-5). El bloque mostrado lleva incorporadas dos válvulas de seguridad y pueden también existir orificios regulables para amortiguar las puntas de presión. 8.2.3. Servoválvula tipo lengüeta En la servoválvula tipo lengüeta (fig. 8-6) la corredera deslizante es desplazada debido a la diferencia de presiones entre sus dos extremos. Normalmente, la presión de control es la misma en ambos extremos. Una cantidad controlada de aceite fluye continuamente a través de unos orificios hasta unas boquillas que terminan en la lengüeta y después retorna al tanque. Cuando una señal al motor par mueve la armadura, la lengüeta se desplaza hacia una u otra de las boquillas. La cantidad de aceite que fluye a través de los orificios hasta las boquillas varía de forma desigual, y la presión aumenta en un extremo de la corredera y disminuye en el otro. La corredera se desplaza hasta que la fuerza originada por la diferencia de presiones se equilibra con la tensión de los muelles de la corredera. El movimiento de respuesta de la
corredera a la lengüeta se consigue mediante una articulación mecánica. La deflexión de la lengüeta determina el recorrido de la corredera y, por lo tanto, la cantidad de aceite introducido. La deflexión de la lengüeta depende, a su vez, de la intensidad de la señal eléctrica al motor par. Una señal de entrada, de gran intensidad, determina un gran volumen de aceite, otra, de intensidad pequeña, un volumen pequeño. En un control de velocidad, la válvula será actuada inicialmente por una señal de entrada intensa durante la aceleración. A medida que la velocidad de la carga aumenta, una señal opuesta a la misma, procedente de la carga, disminuirá la señal efectiva al motor par, manteniendo la suficiente para obtener la velocidad deseada. Un control de posición suministrará una realimentación exactamente igual a la señal de entrada, pero de polaridad opuesta a la posición deseada. Así, la corredera de la válvula vuelve a la posición central, cortando el paso de aceite al actuador cuando se alcanza la posición deseada. Debido al pequeño tamaño de los orificios y a la pequeña diferencia de presiones, este tipo de válvulas está limitado a aplicaciones de bajo volumen. Otra versión de la válvula de lengüeta es la válvula Sperry Vickers modelo SE3, que lleva un motor de fuerza, en vez de un motor par. Véase la figura 8-7. A la válvula se le suministra una presión fija de control. Aumentando o disminuyendo la intensidad de la corriente eléctrica se modifica la posición de la lengüeta, que hace variar la abertura del orificio, suministrando una presión de salida variable. En las vistas A y B de la figura 8-7 pueden verse dos aplicaciones de la válvula. 8.2.4. Servoválvulas tipo "boquilla" La servoválvula tipo "boquilla" tiene, también, una corredera controlada por una diferencia de presiones, y dispone de muelles centradores que se oponen a la fuerza debida a la misma. El desplazamiento de la corredera depende de la magnitud de esta diferencia de presiones. 8.2.4.1. Funcionamiento de la "boquilla" La sección piloto de la válvula está formada por la boquilla y un tubo con un orificio en uno de sus extremos, que dirige un chorro continuo de aceite de control a un receptor adecuado (fig. 8-8). El receptor tiene dos orificios de salida unidos a los extremos de la corredera de la válvula. La presión es la misma en ambos orificios cuando la boquilla está centrada con respecto a los orificios del receptor. Siendo la presión la misma en ambos extremos, los muelles mantienen la corredera en su posición central. El motor par puede desviar la boquilla en cualquiera de las dos direcciones a una distancia proporcional a la señal eléctrica positiva o negativa que recibe. Al desviarse la boquilla, se origina una diferencia de presiones que empuja la corredera contra uno de sus muelles centradores. Los controles de posición y de velocidad se efectúan con una señal de entrada y otra de salida, que mantienen una abertura determinada de los orificios de la válvula o vuelven a centrar la corredera cuando se ha obtenido la posición deseada.
8.3. CUESTIONARIO 1 . ¿En un servo mecánico, cuál es la parte de la servoválvula que se mueve con la carga? ¿Qué parte se mueve con el control? 2. ¿En un servo electrohidráulico de una etapa, cómo se acciona la corredera de la válvula?
3. ¿Qué característica primaria hace que una servoválvula sea distinta de una válvula direccional ordinaria? ¿Cuál es la finalidad de esta característica? 4. Explicar qué es el "dither", cómo se aplica y por qué es necesario. 5. ¿Cómo se actúa la corredera de las servoválvulas tipo "boquilla" y tipo "lengüeta"?
Capítulo 9
CONTROLES DE PRESION
Las válvulas de control de presión realizan funciones tales como limitar la presión máxima de un sistema o regular la presión reducida en ciertas partes de un circuito, y otras actividades que implican cambios en la presión de trabajo. Su funcionamiento se basa en un equilibrio entre la presión y la fuerza de un muelle. La mayoría son de infinitas posiciones, es decir, que las válvulas pueden ocupar varias posiciones entre completamente cerradas y completamente abiertas, según el caudal y la diferencia de presiones. Los controles de presión se denominan generalmente según su función primaria, vgr. válvula de seguridad, válvula de secuencia, válvula de frenado, etc. Se clasifican según el tipo de conexiones, tamaño y gama de presiones de funcionamiento. Las válvulas discutidas en este capítulo son los controles de presión utilizados en la mayoría de los sistemas hidráulicos industriales.
cada vez más de su asiento, originando una compresión mayor del muelle. De esta forma, cuando la válvula deriva todo el caudal, la presión puede ser considerablemente mayor que la presión de abertura. La presión a la entrada de la válvula, cuando ésta deja pasar todo el caudal, se denomina presión de plena abertura. La diferencia entre la presión de plena abertura y la presión de abertura se llama margen de sobrepresión. Algunas veces el margen de sobrepresión no es un inconveniente, en otros casos, puede dar como resultado una pérdida de potencia considerable debida al fluido que se pierde a través de la válvula antes de alcanzar su ajuste máximo o puede permitir que la presión máxima del sistema sobrepase los valores nominales de los demás componentes.. Cuando se desee reducir el margen de sobrepresión debe utilizarse una válvula de seguridad compuesta.
9.1 VALVULAS DE SEGURIDAD
9.1.2. Válvula de seguridad compuesta Una válvula de seguridad compuesta (fig. 9-2) funciona en dos etapas. La etapa piloto contiene en la tapa superior una válvula limitadora de presión y un obturador, mantenido en su asiento mediante un muelle ajustable. Los orificios están en el cuerpo de la válvula y la derivación del caudal se consigue mediante una corredera, equilibrada hidráulicamente, contenida en el cuerpo.
La válvula de seguridad se halla prácticamente en todos los sistemas hidráulicos. Es una válvula normalmente conectada entre la línea de presión (salida de la bomba) y el depósito. Su objeto es limitar la presión del sistema hasta un valor máximo predeterminado mediante la derivación de parte o de todo el caudal de la bomba a tanque, cuando se alcanza el ajuste de presión de la válvula. 9.1.l . Válvula de seguridad simple Una válvula de seguridad simple o de acción directa (fig. 9-1 ) puede consistir en una bola u obturador mantenido en su asiento, en el cuerpo de la válvula, mediante un muelle fuerte. Cuando la presión en la entrada es insuficiente para vencer la fuerza del muelle, la válvula permanece cerrada. Cuando se alcanza la presión de abertura, la bola u obturador es desplazado de su asiento y ello permite el paso del líquido al tanque mientras se mantenga la presión. En la mayoría de estas válvulas se dispone de un tornillo de ajuste para variar la fuerza del muelle. De esta forma, la válvula puede ajustarse para que se abra a cualquier presión comprendida dentro de su intervalo de ajuste. 9.1.1.1. Margen de sobrepresión La presión a la cual la válvula empieza a desviar el caudal se denomina presión de abertura. A medida que el caudal va aumentando a través de la válvula, el obturador es alejado
9.1.2.1 . Corredera equilibrada La corredera equilibrada se denomina así porque en un funcionamiento normal (fig. 9-3 Vista A) está equilibrada hidráulicamente. La presión en la entrada, que actúa bajo el pistón, está presente también en su parte superior a través de un orificio practicado en el mismo pistón. Para cualquier presión inferior a la de taraje, la corredera se mantiene apoyada en su asiento mediante un muelle ligero. Cuando la presión alcanza el taraje del muelle ajustable, el obturador se desplaza de su asiento, limitando la presión en la cámara superior. El caudal restringido a través del orificio hacia la cámara superior origina un aumento de presión en la cámara inferior que desequilibra las fuerzas hidráulicas y tiende a elevar la corredera. Cuando la diferencia de presión entre las cámaras superior e inferior es suficiente para vencer la fuerza del muelle
ligero (aproximadamente 1.40 kp/cm2 ) la corredera se levanta de su asiento, permitiendo que el fluido pase a tanque. Cuanto mayor sea el caudal, más se levanta la corredera de su asiento, pero como el muelle ligero no se comprime más hay muy poco margen de sobrepresión. 9.1.2.2. Descarga a presión reducida ("venting") Las válvulas de seguridad compuestas pueden ser controladas remotamente mediante un orificio situado en la tapa superior, enfrente del obturador. Cuando este orificio se pone en comunicación con el tanque, la única fuerza que mantiene la corredera sobre su asiento es la del muelle ligero, y la válvula se abrirá completamente a aproximadamente 1.40 kp/cm2 (fig.9-4). Algunas veces, cuando se necesita una presión de pilotaje, este muelle normalizado puede substituirse por otro más fuerte que origina presiones de descarga a tanque de 3.5 / 5 kp/cm2 . Otra ventaja del muelle fuerte es que da lugar a un cierre más rápido y positivo de la corredera. También es posible conectar una válvula de seguridad simple al orificio de "venting" para controlar la presión remotamente (fig. 9-5). Para ejercer el control, la válvula situada remotamente debe ser ajustada a una presión más baja que el taraje de la válvula piloto principal. Una aplicación del control remoto puede verse en el capítulo 13.
9.2. VALVULAS TIPO R La válvula tipo R (fig. 9-6) es una válvula de control de presión, de corredera deslizante y de acción directa. La corredera se puede deslizar dentro del cuerpo y se mantiene en la posición cerrada mediante un muelle ajustable. La presión de trabajo, aplicada a través de un orificio situado en la tapa inferior, se opone a la fuerza del muelle. La superficie de la corredera es tal que, con el muelle más fuerte normalmente usado, la válvula sé abrirá aproximadamente a 9 kp/cm2. Para aumentar el intervalo de presiones, la mayoría de los modelos incluyen un pequeño pistón en la tapa inferior para reducir la superficie de pilotaje a 1/8 o 1/16 de la superficie de la corredera. Cuando la presión de trabajo excede del ajuste de la válvula, la corredera se levanta y el aceite puede pasar del orificio primario al secundario. En la tapa superior hay un orificio de drenaje para drenar la cámara del muelle. Este drenaje también elimina las fugas del aceite entre la corredera y el pistón a través de un conducto taladrado a todo lo largo del interior de la corredera. Según la posición de las tapas superior e inferior, esta válvula puede usarse como válvula de seguridad, válvula de secuencia o válvula de descarga. Puede llevar también incorporada una válvula antirretorno (tipo RC) que permite la circulación libre del aceite en sentido contrario, en aplicaciones tales como válvula de secuencia, equilibraje o frenado.
9.2.1. Válvulas de seguridad tipo R En la figura 9-7 puede verse la válvula R montada como válvula de seguridad. La línea de presión está conectada al orificio primario y el orificio secundario está unido a tanque. Esta aplicación permite que la válvula tenga drenaje interno, y la tapa superior está montada con el orificio de drenaje en comunicación con el orificio secundario. La tapa inferior está montada de forma que la presión de pilotaje está aplicada internamente desde el orificio primario, y es necesario que la presión del sistema exceda del taraje del muelle para que la válvula permanezca abierta. En la vista A, la presión del sistema, aplicada al pistón, no es suficiente para vencer el muelle, y la válvula permanece cerrada. En la vista B la presión ha elevado la corredera para permitir el paso del aceite al orificio secundario y al tanque, a la presión determinada por el taraje del muelle. Con el pistón pequeño esta válvula puede funcionar a presiones más elevadas, sin embargo, debido a sus características relativamente altas de margen de supresión, no se recomienda utilizarla como válvula de seguridad para presiones superiores a 35 kp/cm2. 9.2.2. Válvulas de descarga tipo R Para usar la misma válvula como válvula de descarga (fig. 98) la tapa inferior se monta de forma que bloquee el pilotaje interno. Se usa una presión externa para levantar la corredera y derivar el caudal de la bomba al orificio secundario. El drenaje sigue siendo interno, pues el orificio secundario todavía está conectado al tanque. Obsérvese la diferencia de funcionamiento entre las válvulas de descarga y seguridad (fig. 9-7, Vista B). La válvula de seguridad está equilibrada hidráulicamente, manteniéndose abierta en una cierta posición, entre un número infinito de ellas, por el caudal de aceite a su través. La presión máxima en el orificio primario viene determinada por el ajuste del muelle. En la válvula de descarga, sin embargo, la presión en el orificio primario es independiente de la fuerza del muelle, porque sobre la corredera actúa un pilotaje externo. En cuanto la presión de pilotaje exceda 10.5 kp/cm2 al taraje del muelle, hay circulación libre del aceite desde el orificio primario al secundario. 9.2.3. Válvula de secuencia tipo R Una válvula de secuencia se usa en un sistema para accionar los actuadores en un orden determinado ara mantener una presión mínima predeterminada en la línea primaria mientras se produce la operación secundaria. La figura 9-9 muestra una válvula R montada como secuencia. El fluido pasa libremente por el orificio primario para efectuar la primera operación hasta que se alcanza el taraje de la válvula. A medida que se eleva la corredera (Vista B), el caudal pasa al orificio secundario para efectuar la segunda operación. Una aplicación típica es el bloqueo de una pieza a través del orificio primario y el avance de un cabezal de taladro a través del secundario, después que la pieza queda firmemente sujeta. Para mantener la presión en el sistema primario, la válvula está pilotada internamente. Sin embargo el drenaje debe ser externo, pues el orificio secundario está bajo presión cuando
la corredera se levanta para efectuar la segunda operación. Si esta presión se comunicase al orificio de drenaje, se añadiría a la fuerza del muelle v elevaría la presión necesaria vara abrir la válvula.
9.2.4. Válvula de secuencia tipo RC Cuando sea necesario que el aceite pueda atravesar libremente una válvula de secuencia en sentido contrario, es decir, desde el orificio secundario al primario, debe utilizarse una válvula tipo RC (og. 9-10) que lleva incorporada una válvula antirretorno para el retorno del fluido. En ambos casos el funcionamiento es el mismo.
9.2.5. Válvula de secuencia pilotada externamente En algunos sistemas puede ser conveniente suministrar una especie de enclavamiento, de tal forma que la secuencia no se verifique hasta que el primer actuador haya alcanzado una posición determinada. En estas aplicaciones la tapa inferior de la válvula de secuencia se monta para ser operada remotamente. Una válvula direccional, controlada mecánicamente, bloquea la presión de pilotaje, para el pistón contenido en la tapa inferior, hasta que el cilindro de sujeción alcanza la posición deseada, entonces la válvula de secuencia abre y dirige el caudal para la segunda operación.
9.2.6. Válvula de equilibraje tipo RC Una válvula de equilibraje se utiliza para controlar un cilindro vertical de tal forma que se evite su descenso libre, debido a la fuerza de la gravedad. El orificio primario de la válvula tipo RC se conecta al orificio inferior del cilindro y el orificio secundario a la válvula direccional (fig. 9-1 1 ). El taraje de la válvula tiene que ser ligeramente superior a la presión necesaria para mantener la carga. Cuando el caudal de la bomba se dirige a la parte superior del cilindro, el pistón desciende, originando un aumento de presión en el orificio de entrada de la válvula de equilibraje que eleva la corredera y permite que el caudal pase a tanque a través de las válvulas de equilibraje y direccional. En los casos en que se desee eliminar la contrapresión en la parte anular del cilindro y aumentar la fuerza ejercida por el vástago al final de su carrera, esta válvula puede ser también pilotada externamente. Cuando se desee elevar el pistón, la válvula antirretorno incorporada permite el paso libre del aceite para el retorno del cilindro. La válvula de equilibraje puede llevar drenaje interno. En la posición inferior del pistón, cuando la válvula debe de estar completamente abierta, su orificio secundario está conectado al depósito. Cuando el pistón se eleva, no es problema que haya presión en el orificio de drenaje porque la válvula antirretorno permite el paso libre del aceite.
9.2.7. Válvula de frenado tipo RC La válvula de frenado se instala en la línea de retorno de un motor hidráulico para: (1) evitar un exceso de velocidad cuando se aplica una carga demasiado grande al eje del motor y (2) evitar una presión excesiva cuando se desee desacelerar o parar una carga. Cuando una válvula tipo RC se utiliza como válvula de frenado, debe llevar una corredera maciza (sin pasaje interno de drenaje). Existe una conexión adicional para pilotaje externo en la tapa inferior de la válvula, directamente debajo de la corredera (fïg. 9-12). Esta conexión está unida a la línea de presión que va al motor. El orificio de pilotaje interno también se utiliza debajo del pistón pequeño y recibe presión del orificio primario de la válvula RC, que está unido a la línea de retorno del motor. 9.2.7.1. Acelerando la carga Cuando se acelera la carga, la presión es máxima a la entrada del motor y debajo del área total de la corredera de la válvula de frenado, estando ésta completamente abierta y permitiendo el paso libre del caudal procedente de la salida del motor hidráulico al depósito. 9.2.7.2. E1 régimen de trabajo Cuando el motor alcanza su velocidad de trabajo, la presión en la línea mantiene la válvula abierta a no ser que 1a carga tienda a acelerar mcís Ia velocidad del motor. Si esto ocurre, la presión disminuirá a la entrada del motor y también en la
línea de pilotaje externo (Vista B). La tensión del muelle tiende a cerrar la válvula, aumentando así la contrapresión. Esto, a su vez, aumenta la presión a la entrada del motor y debajo del pistón pequeño, haciendo que la válvula asuma una posición determinada que permite una velocidad constante del motor. 9.2.7.3. Frenando Cuando se sitúa la válvula direccional en la posición central, la inercia hace que el motor continúe girando. Hasta que el motor deje de girar funcionará como una bomba, aspirando aceite del depósito a través de la válvula direccional, y devolviéndolo al mismo a través de la válvula de frenado. En este momento, debido a la válvula de frenado, habrá una presión a la salida del motor hidráulico equivalente al taraje de la válvula de frenado y de la mayor o menor intensidad de este ajuste dependerá el tiempo necesario para frenar el motor. 9.2.8. Características técnicas y montaje Las válvulas tipo R y RC se fabrican en tamaños desde 3/8" hasta 2" con rosca cónica, con bridas o para montar sobre una placa base. La capacidad de caudal varía desde 45 1/min, para el tamaño 3/8", hasta 500 1/min, para los modelos de 2". El ajuste máximo de presión es 140 kp/cm2 aunque es permisible una presión de trabajo de hasta 210 kp/cm2.
9.3. VALVULAS DE SECUENCIA COMPUESTAS Las válvulas de secuencia se fabrican también en modelos de dos etapas, parecidos a la válvula de seguridad pilotada (fig. 9-13). La diferencia consiste en que en la válvula de secuencia compuesta el drenaje es externo en vez de ser interno, atravesando el cuerpo de la corredera, como en el caso de la válvula de seguridad pilotada. El sistema primario está unido a la parte inferior del pistón, mientras que el secundario está conectado al orificio situado en la base de la válvula. La secuencia se inicia cuando la presión en el sistema primario se eleva aproximadamente 1.5 kp/cm2 sobre la presión de taraje de la válvula piloto. 9.3.1 . Válvula de secuencia tipos X e Y Dos modificaciones de la válvula de secuencia compuesta suministran características diferentes al sistema secundario. En el tipo Y (fig. 9-13, Vista A), el eje de la corredera es hueco. La presión del sistema secundario, aplicada en la parte inferior de la corredera, también lo está en la superior, y la corredera está equilibrada hidráulicamente. La presión del sistema secundario no influye para nada en el movimiento de la corredera, que puede ocupar infinitas posiciones, manteniendo la presión ajustada en el sistema primario.
Cuando se llega a la presión de taraje de la válvula, la corredera se eleva y el caudal puede pasar al sistema secundario. El fluido no puede atravesar la válvula en sentido contrario y si es necesario puede utilizarse una válvula antirretorno para que el caudal pueda pasar del sistema secundario al primario. En la válvula tipo X (Vista B), el centro de la corredera es macizo y la cámara del muelle, situada en la parte superior de la corredera, está en comunicación con el orificio de drenaje. Cuando la válvula se abre, al llegar al taraje del muelle, la presión, que actúa en la parte inferior de la corredera, la levanta completamente. La presión, en los sistemas primario y secundario, es la misma e igual a la presión de funcionamiento de este último. La válvula permanecerá abierta siempre que la presión en el sistema secundario exceda a la fuerza ejercida por el muelle de la corredera. El fluido puede pasar libremente del sistema secundario al primario, puesto que la tensión del muelle es equivalente a 1 .40 kp/cm2. 9.4. VALVULAS REDUCTORAS DE PRESION Las válvulas reductoras de presión son controles de presión, normalmente abiertos, utilizados para mantener presiones reducidas en ciertas partes de un circuito. Las válvulas son
actuadas por la presión de salida, que tiende a cerrarlas cuando se llega al taraje de la válvula, evitándose así un aumento no deseado de presión. Se utilizan válvulas reductoras de acción directa y válvulas reductoras pilotadas. 9.4.1. Válvula reductora de acción directa Esta válvula se muestra en la figura 9-14. Utiliza una corredera accionada por un muelle que controla la presión de salida. Si la presión a la entrada es inferior al ajuste del muelle, el líquido fluye libremente desde la entrada hasta la salida. Un pasaje interno, unido a la salida de la válvula, transmite la presión de salida al extremo de la corredera que no lleva muelle. Cuando la presión de salida llega al taraje de la válvula (fig. 9-14, vista B), la corredera se mueve, bloqueando parcialmente el orificio de salida. Únicamente alcanza la salida el caudal suficiente para mantener el ajuste prefijado. Si la válvula se cerrase por completo, las fugas, a través de la corredera, podrían originar un aumento de presión en el circuito derivado. Esto puede evitarse haciendo que un drenaje continuo al tanque mantenga la válvula ligeramente abierta, impidiendo que haya una presión superior al taraje de la misma a su salida. La válvula dispone de otro pasaje para drenar estas fugas al tanque.
9.4.2. Válvulas reductoras pilotadas La válvula reductora de presión pilotada (fig. 9-15) tiene un intervalo de ajuste más amplio y generalmente suministra un control más preciso. La presión de funcionamiento se ajusta mediante un muelle regulable situado en la tapa superior de la válvula. La corredera de la válvula, situada en el cuerpo central, funciona esencialmente de la misma forma que en la válvula reductora de acción directa, explicada anteriormente. En la figura 9-15, vista A, puede apreciarse la situación cuando la presión, a la entrada de la válvula, es menor que el ajuste del muelle. La corredera está equilibrada hidráulicamente a través de un orificio situado en su parte central, y un muelle ligero mantiene la válvula completamente abierta. En la vista B, la presión ha llegado al taraje de la válvula, y la válvula piloto deja pasar un pequeño caudal al drenaje, limitando la presión en la parte superior de la corredera. El caudal, a través del pasaje practicado dentro de la corredera, origina una diferencia de presiones que la levanta comprimiendo el muelle. La corredera cierra parcialmente el orificio de salida y da lugar a una caída de presión entre la entrada y el sistema secundario. El orificio de salida nunca está completamente cerrado. Aunque no haya caudal en el sistema secundario, habrá siempre un caudal de drenaje continuo, de uno a dos litros por minuto, a través del pasaje de la corredera y de la válvula piloto al tanque.
9.4.2.1. Caudal libre de retorno La válvula mostrada en la figura 9-15 permite el paso libre del aceite en el sentido contrario, cuando la presión del sistema es inferior al ajuste de la válvula. Si la presión de retorno fuese mayor, sería necesario montar, en derivación con la válvula reductora, una válvula antirretorno, que, como puede verse en la figura 9-16, puede estar incorporada dentro del cuerpo de la válvula reductora.
9.4.3. Válvula de seguridad y descarga Una válvula de seguridad y descarga (fig. 9-17) se utiliza en los circuitos con acumuladores para (1) limitar la presión máxima y (2) poner a descarga la bomba, cuando se alcanza la presión deseada en el acumulador. Esta válvula está formada por una válvula de seguridad pilotada, una válvula antirretorno para impedir que el caudal procedente del acumulador llegue a la bomba y un pistón accionado hidráulicamente, que neutraliza la válvula de seguridad a una presión escogida previamente.
9.4.4. Carga del acumulador La vista A de la figura 9-18 muestra la situación del acumulador cuando se está cargando. La corredera de la válvula de seguridad está equilibrada hidráulicamente y se mantiene apoyada en su asiento mediante la acción de un muelle ligero. El caudal llega al acumulador a través de la válvula antirretorno. En la vista B se ha llegado al taraje de la válvula. El obturador de la válvula piloto es desplazado de su asiento, limitando la presión en la parte superior de la corredera y en el extremo derecho del pistón que actúa sobre el obturador. A1 aumentar la presión en el extremo izquierdo del pistón, el obturador se abre completamente y la bomba descarga a través de la válvula de seguridad y a la presión correspondiente al muelle interno de su corredera. El obturador de la válvula antirretorno está apoyado en su asiento permitiendo que el acumulador mantenga la presión en el sistema. Debido a la diferencia de áreas entre el pistón y el asiento del obturador (15 % aproximadamente), cuando la presión disminuye al 85 % del taraje de la válvula, el obturador y la corredera se cierran y el ciclo se repite.
9.5. CUESTIONARIO
9. Citar tres aplicaciones de una válvula tipo R.
1. Mencionar tres funciones de las válvulas de control de presión.
10. Citar tres aplicaciones de una válvula tipo RC. 11. ¿Para qué sirve una válvula de secuencia?
2. ¿Dónde se conectan los orificios de una válvula de seguridad?
12. ¿Una válvula de secuencia, debe llevar drenaje interno o drenaje externo?
3. ¿Qué significa presión de abertura? 13. ¿Para qué sirve una válvula de equilibraje? 4. ¿Cuál es la desventaja de una sobre-presión (margen de supresión) en una válvula de seguridad simple? 5. ¿Cómo reduce una válvula de seguridad pilotada el margen de supresión? 6. ¿Qué significa poner el "Venting" en una válvula de seguridad? 7. Explicar el funcionamiento de una válvula de descarga. 8. ¿Por qué, además del muelle de ajuste variable, pueden utilizarse dos muelles fijos, uno interno y otro externo a la corredera, en la válvula de seguridad pilotada?
14. ¿Cuál es la finalidad del segundo orificio de presión piloto en la válvula de frenado? 15. ¿Cuál es el tipo de válvulas de secuencia que tiene infinitas posiciones? 16. ¿Para qué sirve una válvula reductora de presión? 17. ¿Cuál es el tipo de control de presión que está normalmente abierto? 18. ¿Cuáles son las funciones de una válvula de seguridad y descarga?
Capítulo 10
CONTROLES DE CAUDAL
Las válvulas reguladoras de caudal se utilizan para regular la velocidad. Como ya se mencionó en capítulos anteriores, la velocidad de un actuador depende de la cantidad de aceite que se le envía por unidad de tiempo. Es posible regular el caudal con una bomba de desplazamiento variable, pero en muchos circuitos es más práctico utilizar una bomba de desplazamiento fijo y regular el caudal con una válvula reguladora de caudal. 10.1. SISTEMAS DE REGULAR EL CAUDAL Existen tres métodos básicos para aplicar las válvulas reguladoras de caudal para controlar la velocidad de los actuadores: regulación a la entrada, regulación a la salida y regulación ,por substrácción. 10.1.l. Circuito de regulación a la entrada En este circuito, la válvula reguladora de caudal se coloca entre la bomba y el actuador (fig. 10-1); de esta forma controla la cantidad de fluido que entra en el actuador. El
exceso de caudal suministrado por la bomba es desviado al tanque a través de la válvula de seguridad. Con la válvula instalada en la línea de entrada al cilindro, como puede verse en la figura, el caudal es controlado en una sola dirección y debe incorporarse una válvula antirretorno, dentro de la válvula reguladora, o montarla en derivación con la misma, para permitir el retorno libre del fluido. Si se desease controlar la velocidad en ambas direcciones, el regulador de caudal podría instalarse a la salida de la bomba, antes de la válvula de control direccional. Este método es muy preciso y se utiliza en aquellas aplicaciones donde la carga siempre se opone al movimiento del actuador, tales como la elevación de un cilindro vertical con carga, o empujar una carga a una velocidad controlada. 10.1.2. Circuito de regulación a la salida Este sistema de control (fig. 10-2) se utiliza cuando la carga tiende a huir del actuador, desplazándose en la misma dirección que éste. El regulador de caudal se instala de forma que restrinja el caudal de salida del actuador.
Para regular la velocidad en ambas direcciones puede instalarse la válvula en la línea de tanque de la válvula direccional. Frecuentemente hay necesidad de controlar el caudal únicamente en una sola dirección y la válvula se sitúa entre el actuador y la válvula direccional en la línea que corresponde al tanque. Aquí también hace falta una válvula antirretomo que permita el paso libre del caudal en sentido contrario. 10.1.3. Circuito de regulación por substracción En esta aplicación (fig. 10-3), la válvula se coloca en la línea de presión, en la forma indicada en la figura, y la velocidad del actuador se determina, desviando parte del caudal de la bomba al tanque; la ventaja consiste en que la bomba trabaja a la presión, que pide la carga, puesto que el exceso de caudal retorna al tanque a través de la válvula reguladora y no a través de la válvula de seguridad. La desventaja está en la pérdida de precisión, debido a que el caudal regulado va al tanque y no al actuador, y éste último queda sometido a las variaciones de desplazamiento de la bomba al variar la carga del actuador. Este circuito no debe aplicarse cuando hay posibilidad de que la carga tienda a huir en la misma dirección que el movimiento del actuador. 10.2. TIPOS DE REGULADORES DE CAUDAL Hay dos tipos básicos de válvulas reguladoras de caudal compensadas por presión y no compensadas por presión. Estas últimas se utilizan cuando las presiones permanecen
relativamente constantes y las variaciones de velocidad no son demasiado críticas. Puede controlarse el caudal con sistemas tan sencillos como un estrangulamiento fijo o una válvula de aguja variable, aunque existen unidades más sofisticadas que llevan incorporada una válvula antirretorno (fig. 10-4) para retorno libre del fluido en sentido contrario. La utilización de las válvulas no compensadas por presión es limitada, puesto que el caudal a través de un orificio es sensiblemente proporcional a la raíz cuadrada de la pérdida de presión ( P) a través del mismo, lo que significa que cualquier variación apreciable de la carga afectará a1 control de la velocidad. Los reguladores de caudal compensados por presión se clasifican en tipos de: compensación por estrangulamiento en serie, y compensación por derivación de caudal. Ambos tipos utilizan un compensador o hidrostato para mantener una caída de presión constante a través de una restricción regulable.
10.2.1. Tipo compensación por derivación de caudal Este tipo combina una protección contra las sobrecargas con una regulación de caudal compensada por presión (fig. 105). Lleva incorporado un hidrostato normalmente cerrado, que se abre para desviar al tanque el caudal que excede del taraje de la válvula. La presión necesaria para mover la carga está aplicada en la cámara superior del hidrostato y conjuntamente con la acción de un muelle ligero tiende a mantenerlo cerrado. La presión en la cámara inferior del
hidrostato aumenta debido al estrangulamiento y hace que éste desvíe al tanque el exceso de caudal, cuando la diferencia de presiones es suficiente para vencer el muelle. Obsérvese que el hidrostato está equilibrado hidráulicamente debido a que el área sometida a la acción de la presión, a la salida de la bomba, iguala al área en la parte superior del hidrostato. La diferencia entre ambas presiones, generalmente 1.40 kp/cm2, se mantiene a través del estrangulamiento, suministrando un caudal constante con independencia de las fluctuaciones de la carga. Se ahorra también consumo de energía debido a que la bomba trabaja a una presión que excede únicamente en 1 .40 kp/cm2 a la que pide la carga. La protección contra las sobrecargas se obtiene por medio de un obturador actuado por un muelle regulable, que limita la presión máxima en la cámara superior del hidrostato y que actúa como una válvula de seguridad pilotada. Este tipo de válvula únicamente puede utilizarse en los circuitos con, regulación a la entrada, si se utilizase en un circuito con regulación a la salida, el exceso de caudal que no pudiese pasar por el estrangulamiento sería desviado al tanque, permitiendo la fuga de la carga.
En estas unidades, la presión originada por la carga actúa contra un muelle ligero, situado en la parte superior del hidrostato, tendiendo a mantenerlo abierto. La presión, a la entrada del estrangulamiento regulable y en la parte inferior del hidrostato, tiende a cerrarlo, permitiendo que únicamente pase por el estrangulamiento variable el caudal correspondiente a la presión diferencial de 1 .40 kp/cm2. Debido a su tendencia a cortar el paso del fluido cuando el caudal tiende a exceder del ajuste, este tipo de válvulas pueden utilizarse en los circuitos de regulación a la entrada, a la salida y por substracción. Al contrario del tipo de compensación por derivación de caudal, pueden ser utilizadas dos o más válvulas de este tipo con la misma bomba, puesto que el exceso de caudal pasa a tanque a través de la válvula de seguridad. Cuando esta válvula se instala a la entrada o salida de un actuador puede utilizarse opcionalmente con una válvula antirretorno incorporada para permitir el paso libre del fluido en el sentido contrario (fig. 10-7). La válvula antirretorno no es necesaria cuando la válvula reguladora de caudal se coloca directamente en la línea de presión antes de la válvula direccional o en un circuito de regulación por substracción.
10.2.2. Tipo compensación por estrangulamiento en serie Esta válvula mantiene también una diferencia de presiones de 1.40 kp/cm2 a través de un estrangulamiento variable mediante un hidrostato (fig. 10-6). En esta válvula, el hidrostato está normalmente abierto y tiende a cerrarse, bloqueando el paso al caudal en exceso del taraje de la válvula.
10.2.3. Válvula reguladora de caudal compensada por temperatura El caudal a través de un regulador de caudal compensado por presión varía al variar la temperatura del aceite. Los últimos diseños de las válvulas Sperry Vickers llevan incorporada
una compensación por temperatura. Aunque el aceite fluye con más facilidad cuando se calienta, puede conseguirse un caudal constante disminuyendo las dimensiones de un orificio cuando aumenta la temperatura. Eso se consigue mediante una varilla compensadora que se dilata al aumentar la temperatura y se contrae cuando ésta disminuye (fig. 10-8). El dispositivo de restricción es un sencillo pistón que puede moverse en ambas direcciones sobre el orificio de ajuste. La varilla compensadora se coloca entre el pistón y el orificio. Este modelo está también disponible con una válvula antirretorno incorporada para la circulación libre del aceite en el sentido contrario.
2. ¿Cuáles son los tres sistemas de aplicar las válvulas de control de caudal? 3. ¿En qué condiciones pueden aplicarse cada uno de estos sistemas? 4. ¿Cómo puede la misma válvula controlar el caudal en ambos sentidos de un actuador? 5. ¿Cuál es la diferencia entre un regulador de caudal "compensado por estrangulamiento en serie" o por "división de caudal"? 6. ¿Qué significa "compensación" por presión?
10.2.4. Válvulas de control de caudal con mando a distancia Estas válvulas (fig. 10-9) permiten ajustar las dimensiones del estrangulamiento mediante una señal eléctrica. La corredera de ajuste está unida mecánicamente a la armadura de un motor par y se mueve según las señales eléctricas que éste recibe. Su funcionamiento es el mismo que el regulador de caudal compensado por presión.
7. ¿Con qué símbolo se indica la compensación por temperatura? 8. ¿Cuándo puede ser necesaria la compensación por temperatura?
10.3. CUESTIONARIO
9. ¿Cuál es la ventaja de una válvula reguladora de caudal con protección contra las sobrepresiones sobre una válvula reguladora de caudal convencional?
1. Mencionar dos sistemas de regular el caudal que llega a un actuador.
10. ¿Cómo está situada la corredera de regulación en una válvula reguladora de caudal con mando a distancia?
Capítulo 11
BOMBAS HIDRAULICAS
La bomba es probablemente el componente más importante y menos comprendido del sistema hidráulico. Su función consiste en transformar la energía mecánica en energía hidráulica, impulsando el fluido hidráulico en el sistema. Las bombas se fabrican en muchos tamaños y formas mecánicas y manuales- con muchos mecanismos diferentes de bombeo y para aplicaciones muy distintas. No obstante, todas las bombas se clasifican en dos categorías básicas: hidrodinámica e hidrostática. 11.1. BOMBAS HIDRODINAMICAS Las bombas hidrodinámicas o de desplazamiento no positivo tales como los tipos centrífugos o de turbina, se usan principalmente para transferir fluidos donde la única resistencia que se encuentra es la creada por el peso del mismo fluido y el rozamiento. La mayoría de las bombas de desplazamiento no positivo (fig. 11-1) funcionan mediante la fuerza centrífuga, según la
cual el fluido, al entrar por el centro del cuerpo de la bomba, es expulsado hacia el exterior por medio de un impulsor que gira rápidamente. No existe ninguna separación entre los orificios de entrada y de salida, y su capacidad de presión depende de la velocidad de rotación. Aunque estas bombas suministran un caudal uniforme y continuo, su desplazamiento disminuye cuando aumenta la resistencia. Es, de hecho, posible bloquear completamente el orificio de salida en pleno funcionamiento de la bomba. Por ésta y otras razones las bombas de desplazamiento no positivo se utilizan muy pocas veces en los sistemas hidráulicos modernos.
11.2. BOMBAS HIDROSTATICAS Como indica su nombre, las bombas hidrostáticas o de desplazamiento positivo suministran una cantidad
determinada de fluido en cada carrera, revolución o ciclo. Su desplazamiento, exceptuando las pérdidas por fugas, es independiente de la presión de salida, lo que las hace muy adecuadas para la transmisión de potencia. 11.2.1. Características de las bombas Las bombas se clasifican generalmente por su presión máxima de funcionamiento y por su caudal de salida en 1/min a una velocidad de rotación determinada. 11.2.2. Valores nominales de la presión La presión nominal de una bomba viene determinada por el fabricante y está basada en una duración razonable en condiciones de funcionamiento determinadas. Es importante observar que no existe un factor de seguridad normalizado correspondiente a esta estimación. Trabajando a presiones más elevadas se puede reducir la duración de la bomba o causar daños serios. 11.2.3. Desplazamiento La capacidad de caudal de una bomba puede expresarse con el desplazamiento por revolución o con el caudal en 1/min. El desplazamiento es el volumen de líquido transferido en una revolución. Es igual al volumen de una cámara de bombeo multiplicado por el número de cámaras que pasan por el orificio de salida durante una revolución de la bomba. El desplazamiento se expresa en centímetros cúbicos por revolución. La mayoría de las bombas tienen un desplazamiento fijo que no puede modificarse mas que sustituyendo algunos componentes. En ciertas bombas, no obstante, es posible variar las dimensiones de la cámara de bombeo por medio de controles externos, variando así el desplazamiento.
En determinadas bombas de paletas no equilibradas hidráulicamente y en muchas bombas de pistones puede variarse el desplazamiento desde cero hasta un valor máximo, teniendo algunas la posibilidad de invertir la dirección del caudal cuando el control pasa por la posición central o neutra. 11.2.4. Caudal Una bomba viene caracterizada por su caudal nominal en litros por minuto: por ejemplo, 40 1/min. En realidad puede bombear más caudal en ausencia de carga y menos a su presión de funcionamiento nominal. Su desplazamiento es también proporcional a la velocidad de rotación. La mayoría de los fabricantes facilitan una tabla o gráfico (fig. 11-2) que muestra los caudales de las bombas y los requerimientos de potencia, bajo condiciones de ensayo específicas, relativas a las velocidades de accionamiento y a las presiones. 11.2.5. Rendimiento volumétrico En teoría una bomba suministra una cantidad de fluido igual a su desplazamiento por ciclo o revolución. En realidad el desplazamiento efectivo es menor, debido a las fugas internas. A medida que aumenta la presión, las fugas desde la salida de la bomba hacia la entrada o al drenaje también aumentan y el rendimiento volumétrico disminuye. El rendimiento volumétrico es igual al caudal real de la bomba dividido por el caudal teórico. Se expresa en forma de porcentaje. Caudal real Rendimiento volumétrico = -----------------Caudal teórico
Por ejemplo, si una bomba debe dar teóricamente un caudal de 40 1/min, pero da realmente sólo 36 1/min, a una presión de 70 kp/cm2, su rendimiento volumétrico, a esta presión, será del 90 %. 9 Rendimiento volumétrico = --------- = 0.9 ó 90 % 10 11.3. BOMBA DE ENGRANAJES Una bomba de engranajes (fig. 11-3) suministra un caudal, transportando el fluido entre los dientes de dos engranajes bien acoplados. Uno de los engranajes es accionado por el eje de la bomba y hace girar al otro. Las cámaras de bombeo, formadas entre los dientes de los engranajes, están cerradas por el cuerpo de la bomba y por las placas laterales (llamadas frecuentemente placas de presión o de desgaste). Los engranajes giran en direcciones opuestas, creando un vacío parcial en la cámara de entrada de la bomba. El fluido se introduce en el espacio vacío y es transportado, por la parte exterior de los engranajes, a la cámara de salida. Cuando los dientes vuelven a entrar en contacto los unos con los otros, el fluido es impulsado hacia afuera. La alta presión existente a la salida de la bomba impone una carga no equilibrada sobre los engranajes y los cojinetes que los soportan. La figura 11-4 muestra una bomba típica de engranajes internos. En este modelo, las cámaras de bombeo también
están formadas entre los dientes de los engranajes. Una pieza de separación, en forma de media luna, está mecanizada en medio de los engranajes y situada entre los orificios de entrada y de salida, donde la holgura de los dientes de los engranajes es máxima. En la misma familia de bombas de engranajes se incluye también la bomba de rotor en forma de lóbulos (fig. 11-5). Esta bomba funciona según el mismo principio que la bomba de engranajes externos pero tiene un desplazamiento mayor. La bomba gerotor (fig. 11~) funciona de forma muy similar a la bomba de engranajes internos. El rotor interno es girado externamente y arrastra al rotor externo. Las cámaras de bombeo se forman entre los lóbulos del rotor. La pieza de separación, en forma de media luna, no se utiliza en este caso pues los dientes del rotor interno entran en contacto con el rotor externo para cerrar las cámaras.
11.3.1. Caracterfsticas de las bombas de engxanajes La mayoría de las bombas de engranajes son de desplazamiento fijo y pueden desplazar desde pequeños hasta grandes volúmenes de fluido. Debido a que son bombas no equilibradas hidráulicamente, son por lo general unidades de baja presión, aunque existen bombas de engranajes que alcanzan hasta 250 kp/cm2 de presión. Las fugas internas aumentan con el desgaste de la bomba, no obstante, estas bombas tienen una duración razonable y poseen mayor tolerancia a la suciedad que los otros tipos.
Una bomba de engranajes con muchas cámaras de bombeo genera frecuencias elevadas y, por consiguiente, tiende a hacer más ruido aunque se han introducido mejoras considerables en los últimos años. 11.4. BOMBAS DE PALETAS El principio de funcionamiento de una bomba de paletas está ilustrado en la figura 11-7. Un rotor ranurado está acoplado al eje de accionamiento y gira dentro de un anillo ovalado. Dentro de las ranuras del rotor están colocadas las paletas, que siguen la superficie interna del anillo cuando el rotor gira. La fuerza centrífuga y la presión aplicada en la parte inferior de las paletas las mantienen apoyadas contra el anillo. Las cámaras de bombeo se forman entre las paletas, rotor, anillo y las dos placas laterales. Un vacío parcial se crea a la entrada de la bomba a medida que va aumentando el espacio comprendido entre el rotor y el anillo. El aceite que entra en este espacio queda encerrado en las cámaras de bombeo y es impulsado hacia la salida cuando este espacio disminuye. El desplazamiento de la bomba depende de la anchura del anillo y del rotor y de la separación entre los mismos (fig. I 1-8). 11.4.1. Diseño no equilibrado La construcción de la bomba, mostrada en la fïgura 1 1-7, es del tipo no equilibrado hidráulicamente y el eje está sometido a cargas laterales, procedentes de la presión que
actúa sobre el rotor. El diseño no equilibrado se aplica principalmente a las bombas de caudal variable (fig. 11 -9). El desplazamiento de esta bomba puede variar mediante un control externo, tal como un volante o un compensador hidráulico. El control desplaza el anillo haciendo variar la excentricidad entre éste y el rotor, reduciendo o aumentando así las dimensiones de la cámara de bombeo. 11.4.2. Diseño equilibrado La mayoría de las bombas de paletas de desplazamiento fijo construidas hoy en día utilizan el conjunto equilibrado diseñado por el Sr. Harry Vickers, que desarrolló la primera bomba de paletas equilibrada hidráulicamente, de alta presión y de velocidad elevada, en la década de 1920. Esta bomba y los inventos posteriores del Sr. Vickers contribuyeron substancialmente al rápido crecimiento de la industria de la energía hidráulica y la compañía, por él fundada, se conoce, hoy en día, con el nombre de Sperry Vickers de la Sperry Rand Corporation. En este diseño el anillo es elíptico en vez de ser circular, lo que permite utilizar dos conjuntos de orificios internos (fig. 11-10). Los dos orificios de salida están separados entre sí 180° de tal forma que las fuerzas de presión sobre el rotor se cancelan, evitándose así las cargas laterales sobre el eje y los cojinetes. El desplazamiento de la bomba equilibrada hidráulicamente no puede ajustarse, aunque se dispone de anillos
intercambiables (fig. 1 1-8) con elipses distintas, haciendo así posible modificar una bomba para aumentar o disminuir su caudal. 11.4.3. Bombas de paletas tipo "redondo" Un modelo antiguo de la bomba Vickers equilibrada hidráulicamente puede verse en la figura I 1-11. Debido a la forma del cuerpo y de la tapa, estas bombas se conocen con el nombre de bombas redondas. El conjunto rotativo o cartucho está formado por un anillo, rotor, paletas, pasador de posición y dos placas laterales denominadas generalmente anillos porque sus partes centrales están mecanizadas para encajar en las partes centrales del rotor. Los cojinetes de soporte del eje de accionamiento están situados en la tapa y en el cuerpo.
funcionamiento hasta 140 kp/cm2 se dividen, igualmente, entre ellos mediante una válvula divisora. Los dos pistones de esta válvula reciben presión; uno de salida de la bomba y otro de la cámara intermedia entre los dos grupos giratorios. El pistón sometido a la presión de salida tiene un área que es la mitad de la del pistón sometido a la presión de la cámara intermedia. Cualquier diferencia en los desplazamientos de los dos grupos giratorios tiende a aumentar o a disminuir la presión intermedia, lo que origina que los pistones se muevan para permitir la entrada o la salida de caudal en la cámara intermedia, según se requiera, asegurando caídas de presión iguales en cada etapa.
11.5. BOMBAS COMBINADAS 11.4.4. Bombas redondas dobles La bomba redonda también se fabrica en diversas versiones dobles, con dos conjuntos rotatorios accionados por el mismo eje. En la figura 11-12 puede verse una bomba doble típica y en la figura 1 I-13 una aplicación de la misma. 11.4.5. Bombas de dos etapas Una bomba de dos etapas (fig. 11-14) funciona como una bomba simple pero tiene una presión nominal doble. El cartucho de la bomba redonda fue diseñado para una presión máxima de 70 kp/cm2 . En la versión de dos etapas se montan dos cartuchos en serie (fig. 11-15) y las presiones de
Las bombas combinadas (fig. 1 1-16) son bombas dobles que llevan incorporadas válvulas de seguridad y de descarga. Una unidad típica (fig. 1 I-17) consiste en dos conjuntos giratorios dentro del mismo cuerpo, con un solo orificio de entrada y dos orificios separados de salida. La válvula de seguridad incorporada es del tipo pilotado y de corredera equilibrada y la válvula de descarga es del tipo "R". Una válvula antirretorno está instalada en la línea entre las dos salidas en algunas combinaciones, en otras, esta válvula antirretorno se reemplaza por un tapón. Con las válvulas
la bomba es realmente un circuito completo, faltando únicamente el tanque, la válvula direccional y el actuador. Sigue a continuación una breve descripción de las combinaciones más frecuentemente utilizadas. 11.5.1. Combinación 3 - Sistema de descarga con salida única Para conservar la energía eléctrica, la bomba del tipo combinación 3 puede utilizarse, en lugar de una bomba simple, en las aplicaciones que requieran un volumen grande de aceite para obtener la aproximación rápida de un cilindro a baja presión y un volumen pequeño a alta presión, para operaciones de fijación, prensado o trabajo lento. El orificio de salida de la unidad de gran caudal está taponado y los caudales de los dos cartuchos están unidos a través de la válvula antirretorno (fig. I 1-18). Una válvula de seguridad está conectada a la línea de presión de la bomba pequeña, y una válvula de descarga a la salida de la bomba mayor. 11.5.2. Avance a baja presión Cuando la carga avanza inicialmente, la presión es inferior al ajuste de las dos válvulas, y ambas permanecen cerradas. El caudal procedente de la bomba mayor atraviesa la válvula de seguridad y se une al caudal procedente de la bomba menor que va al actuador.
11.5.3. Caudal pequeño a alta presión Cuando la presión, a la salida de la bomba, excede del ajuste de la válvula de descarga, el caudal procedente de la bomba mayor es desviado al tanque a presión prácticamente nula y la válvula antirretorno se cierra. La bomba menor continúa enviando aceite al sistema hasta llegar al taraje de la válvula de seguridad, que se abre y desvía el caudal de la bomba pequeña al tanque. La potencia de entrada, suministrada por un motor eléctrico, se determina por la mayor de las condiciones siguientes: caudal total de los dos grupos giratorios a la presión del taraje de la válvula de descarga, o caudal de la unidad menor a la presión de taraje de la válvula de seguridad, más todo lo que sea necesario para descargar la unidad mayor. Para asegurar un funcionamiento adecuado, la válvula de descarga debe tararse por lo menos 10.5 kp/cm2 más baja que el ajuste de la válvula de seguridad. 11.5.4. Combinación 33 - Sistema de descarga con ajuste único Esta combinación es una variación de la combinación 3, simplificando el ajuste con un solo taraje de presión. La presión de la válvula de descarga se ajusta automáticamente 9 kp/cm2 más baja que el taraje de la válvula de seguridad. El funcionamiento es como sigue (fig. 11-19).
Como en la combinación 3, ambas válvulas permanecen cerradas cuando la presión de salida es inferior a sus tarajes y el caudal de ambas unidades se dirige al sistema. Cuando la presión de salida llega al taraje de la válvula de descarga, el obturador de ésta se abre y, consiguientemente, la corredera se levanta y el caudal, procedente de la bomba mayor, descarga al tanque a baja presión. La válvula antirretorno se cierra, impidiendo que la bomba menor descargue también al tanque. Durante esta fase de descarga, la presión en la cámara piloto, en la parte posterior del obturador de la válvula de seguridad, se mantiene al ajuste de la válvula de descarga. La presión máxima del sistema, es decir, el taraje de la válvula de seguridad viene determinado por la presión en la cámara y por el muelle, no ajustable, situado detrás del obturador. La válvula de seguridad se abre cuando la presión del sistema excede del ajuste de la válvula de descarga en 9 kp/cm2, que es la presión necesaria para vencer el muelle fijo de la válvula de seguridad. 11.5.6. Combinación 6 - Sistema con dos líneas de salida En la combinación 6 (fig. 11-20) se coloca un tapón en el pasaje de interconexión, de forma que cada unidad funciona separadamente y tiene su orificio de salida. La válvula "R" se modifica para que funcione como una válvula de seguridad pilotada, para la bomba de más caudal, mientras que la bomba menor está pilotada como en las otras combinaciones. 11.5.7. Otras combinaciones Estas unidades permiten otras combinaciones, no obstante, sus aplicaciones son tan poco frecuentes que no es preciso detallarlas. 11.5.8. Bombas de paletas tipo "cuadrado" Estas bombas (fig. 11-21) fueron fabricadas originalmente para aplicaciones móviles. También están equilibradas hidráulicamente, pero su construcción es mucho más sencilla que la de las bombas redondas. El conjunto rotativo o cartucho está formado por un anillo (colocado entre el cuerpo de la bomba y la tapa), un rotor, doce paletas y una placa de presión fijada por un muelle. El orificio de entrada se encuentra en el cuerpo de la bomba y el de salida en la tapa, que puede ser montada en cuatro posiciones distintas para conveniencias del montaje. 11.5.9. Funcionamiento El muelle (fig. 1 1-22) mantiene, en todo momento, la placa de presión en posición contra el anillo. A medida que la presión de salida aumenta, actúa con el muelle para fijar la placa contra el anillo y el rotor, venciendo las fuerzas internas que tienden a separarlos; las holguras adecuadas vienen determinadas por las anchuras relativas del anillo y del rotor. El arranque inicial se consigue haciendo girar el rotor y el eje a velocidad suficiente (aproximadamente 600 r.p.m.) para que la fuerza centrífuga impulse las paletas contra el anillo,
iniciando la acción de bombeo. Una ranura circular continua en la placa de presión permite que el fluido a presión actúe en las cámaras formadas en la parte inferior de las paletas cuando éstas se deslizan en las ranuras del rotor, manteniéndolas apretadas contra el anillo y no permitiendo el retorno del fluido. Si es necesario invertir la dirección de rotación del eje, el anillo debe desmontarse, colocándolo de nuevo invertido. Las flechas direccionales, grabadas en el borde exterior del anillo, facilitan el cambio. Estas bombas se fabrican en diversos tamaños con cartuchos de desplazamientos distintos, disponibles para cada modelo. Las bombas dobles tienen una entrada común situada entre las dos unidades (véase la fig. 11-23). La salida de una de ellas, generalmente la mayor, está situada en el lado del eje y la otra en el lado de la tapa. La construcción del cartucho es esencialmente la misma que en las unidades simples, lo que hace posible numerosas combinaciones de tamaños y desplazamientos. 11.5.10. Bombas de paletas de alto rendimiento El modelo más reciente de bombas de paletas equilibradas hidráulicamente es la serie de alto rendimiento para presiones más elevadas y mayores velocidades de accionamiento. Una bomba simple típica de este modelo se muestra en la figura 11-25. El funcionamiento es esencialmente el mismo que en las bombas cuadradas correspondientes. Hay, sin embargo, diferencias importantes en el diseño de las mismas. 11.5.11. Diseño de la doble paleta Los cartuchos de alto rendimiento llevan incorporadas unas pequeñas paletas internas, dentro de las paletas mayores para hacer variar la fuerza de contacto de éstas contra el anillo, en los cuadrantes de alta y baja presión (fig. 1 1-26). Las bombas redondas y cuadradas, anteriormente mencionadas, utilizan la presión de salida en la parte inferior de las paletas en todo momento. En las unidades de alto rendimiento, debido a las relaciones de tamaño y presión disponibles, esa característica podría originar cargas elevadas y desgastes prematuros entre las puntas de las paletas y el contorno interno del anillo; para evitar esto, unos agujeros, taladrados a través de los segmentos del rotor, mantienen siempre la misma presión en los dos extremos de la paleta. La presión de salida se aplica constantemente a la pequeña superficie entre la paleta y la paleta interna; esta presión, además de la fuerza centrífuga, mantiene las paletas en contacto con el anillo, en los cuadrantes de entrada, para asegurar un funcionamiento correcto. 11.5.12. Cartucho de recambio El cartucho utilizado en la bomba de alto rendimiento (fig. 12-27) forma un conjunto compacto e independiente y está formado por un anillo, rotor, paletas dobles, placa de presión, placa de desgaste, pasadores y tornillos. Hay
disponibles cartuchos de substitución (previamente comprobados) para recambio rápido. Están montados para girar a la derecha o a la izquierda pero, si es necesario, pueden volver a montarse para girar en sentido opuesto. Las flechas y los pasadores sirven como guías del sentido de rotación. Cuando están montados correctamente, la dirección del caudal continúa siendo la misma en ambos sentidos de rotación.
La superficie interna del anillo y las puntas de las paletas son las zonas de mayor desgaste, que queda compensado al moverse las paletas más hacia afuera de las ranuras del rotor. La limpieza y un fluido adecuado son condiciones esenciales para una larga duración. Se recomienda aceite mineral procedente del petróleo con cualidades antidesgaste adecuadas. No obstante, muchas bombas de paletas están funcionando bien con fluidos sintéticos. 11.6. BOMBAS DE PISTONES
11.5.13. Posiciones de los orificios La serie de las bombas de alto rendimiento, así como las bombas cuadradas, se construyen de tal forma que la posición relativa de los orificios pueda cambiarse fácilmente según cuatro combinaciones posibles; esto se consigue sacando los tornillos de fijación y girando la tapa. Dos pasadores encajando en dos orificios de la tapa facilitan el montaje del cartucho en la misma y aseguran la posición correcta del conjunto. 11.5.14. Características de funcionamiento de las bombas de paletas Las bombas de paletas cubren la gama de caudales bajos a bastante elevados, con presiones de funcionamiento de hasta 210 kp/cm2 . Son seguras, eficientes y fáciles de mantener.
Todas las bombas de pistones funcionan según el principio de que un pistón, moviéndose alternativamente dentro de un orificio, aspirará fluido al retraerse y lo expulsará en su carrera hacia adelante. Los dos diseños básicos son radial y axial; ambos están disponibles con desplazamiento fijo o variable. Una bomba radial tiene los pistones dispuestos radialmente en un bloque de cilindros o barrilete (fig. 11-28), mientras que en las unidades axiales, los pistones son paralelos entre sí y con el eje de barrilete (fig. 11-32). Existen dos versiones para este último tipo: en línea (con una placa inclinada) y en ángulo. 11.6.1. Bombas de pistones radiales En una bomba radial, el bloque de cilindros gira sobre un
pivote estacionario y dentro de un anillo circular o rotor. A medida que el bloque va girando, la fuerza centrífuga, la presión hidráulica o alguna forma de acción mecánica, obliga a os pistones a seguir la superficie interna del anillo, que es excéntrico con relación al bloque de cilindros. Al tiempo que los pistones se desplazan alternativamente en sus cilindros, los orificios localizados en el anillo de distribución les permiten aspirar fluido cuando se mueven hacia afuera y descargarlo cuando se mueven hacia adentro. El desplazamiento de la bomba viene determinado por el tamaño y número de los pistones y, naturalmente, por la longitud de su carrera. Existen modelos en los que el desplazamiento puede variar moviendo el anillo circular para aumentar o disminuir la carrera de los pistones. Hay disponibles, también, controles externos de varios tipos para este fin. 11.6.2. Bombas de pistones en línea con placa inclinada En las bombas de pistones en línea, el conjunto de los cilindros y el eje de accionamiento tienen la misma línea central y los pistones se mueven alternativamente en sentido paralelo al eje. El tipo más sencillo de estas bombas se muestra en la figura 1 1-29. El eje de accionamiento hace girar el barrilete, conteniendo los pistones, que están ajustados en sus alojamientos y conectados mediante patines y un anillo inclinado, de forma que los patines están apoyados sobre una placa circular inclinada (placa de presión).
A medida que el barrilete gira (fig. 11-30), los patines siguen la inclinación de la placa, haciendo que los pistones tengan un movimiento alternativo. Los orificios, en la placa de distribución, están dispuestos de tal forma que los pistones pasan por la entrada cuando empiezan a salir de sus alojamientos y por la salida cuando se les obliga a entrar. 11.6.3. Desplazamiento En estas bombas el desplazamiento viene también determinado por el número y tamaño de los pistones así como por la longitud de su carrera, que depende del ángulo de la placa circular inclinada. En los modelos de desplazamiento variable, la placa circular está instalada en un bloque o soporte móvil (fig. 1 1-31 ). Moviendo este bloque, el ángulo de la placa circular varía para aumentar o disminuir la carrera de los pistones (fig. 1132). El bloque puede posicionarse manualmente con un servocontrol, con un compensador hidráulico o por varios otros medios. La figura 11-31 muestra un compensador hidráulico. El ángulo máximo de las unidades indicadas está limitado a 17.5 grados. 11.6.4. Funcionamiento del compensador El funcionamiento del compensador de una bomba de pistones en línea puede verse esquemáticamente en la figura 11-33. El control consiste en una válvula compensadora,
equilibrada entre la presión del sistema y la fuerza de un muelle, un pistón controlado por la válvula para mover el bloque y un muelle de retorno del bloque. Cuando no hay presión de salida, el muelle de retorno del bloque sitúa a éste en su posición de inclinación máxima, que corresponde al desplazamiento máximo. A medida que la presión del sistema va aumentando, actúa en el extremo de la corredera de la válvula; cuando la presión es lo suficientemente elevada para vencer al muelle de la válvula, la corredera se desplaza y el aceite entra en el pistón del bloque, que es actuado por el aceite a presión y disminuye el desplazamiento de la bomba. Si la presión del sistema disminuye, la corredera se mueve en sentido contrario, el aceite del pistón se descarga dentro del cuerpo de la bomba y el muelle empuja el bloque a un ángulo mayor. El compensador regula así la salida de la bomba para obtener el volumen requerido por el sistema para mantener una presión predeterminada, lo cual evita una pérdida excesiva de potencia, que ocurre normalmente a través de la válvula de seguridad, cuando la bomba descarga por ella todo su caudal durante las operaciones de fijación o mantenimiento. 11.6.5. Bomba de pistones en línea con placa oscilante Una variación de la bomba de pistones en línea es la bomba con placa oscilante. En esta bomba, el cilindro es estacionario y la placa inclinada es accionada por el eje. Cuando la placa gira, "oscila", empujando los pistones
apoyados por muelles, obligándoles a efectuar un movimiento alternativo. Se requieren válvulas antirretorno separadas para los orificios de entrada y de salida, como en una bomba alternativa, porque los cilindros, estando estacionarios, no pasan por los orificios. 11.6.6. Bombas de pistones en ángulo En una bomba de pistones en ángulo (fig. 11-34), el bloque de pistones gira con el eje de accionamiento pero formando un ángulo con él. Los vástagos de los pistones están fijados a la brida del eje mediante juntas esféricas, y se van desplazando hacia dentro y hacia fuera de sus alojamientos a medida que varía la distancia entre la brida del eje y el bloque de cilindros (fig. I1-35). Una unión universal une el bloque de cilindros al eje de accionamiento para mantener el alineamiento y para asegurar que las dos unidades giran simultáneamente. Esta unión no transmite fuerza excepto para acelerar o decelerar el bloque de cilindros y para vencer la resistencia del bloque, que gira dentro de la carcasa llena de aceite. 11.6.7. Variación del desplazamiento El desplazamiento de esta bomba varía con el ángulo de inclinación (fig. 11-36), siendo el ángulo máximo de 30° y el mínimo de 0° . Los modelos de desplazamiento constante (fig. 11-34)
están disponibles, generalmente, con ángulos de 23° a 30°. En los modelos de caudal variable (fig. 11-37) se utiliza un bloque oscilante con un control externo para hacer variar e1 ángulo. Con algunos controles, el bloque puede moverse, pasando por el centro al lado opuesto, para invertir la dirección del caudal de la bomba. l1.6.8. Controles para los modelos de desplazamiento variable Se usan varios métodos para controlar el desplazamiento de las bombas de pistones en ángulo. Los controles típicos son e1 volante, el compensador hidráulico y el servocontrol. La figura 11-38 muestra un compensador de presión para una bomba de eje inclinado PVA12O. En la vista A, la presión del sistema es suficiente para vencer la fuerza del muele del compensador. Como resultado, la corredera se levanta permitiendo que el fluido pase al cilindro de movimiento del compensador. Aunque el cilindro de mantenimiento recibe también la presión del sistema, el área del pistón del cilindro de movimiento es mucho mayor, de forma que la fuerza desarrollada mueve el bloque hacia arriba para disminuir el caudal. La vista B muestra el bloque moviéndose hacia abajo, cuando la presión del sistema disminuye hasta un valor
inferior al requerido para vencer la fuerza del muelle del compensador. En la figura 11-39 se muestra un control por medio de volante para una bomba PVAl2O. El tornillo de ajuste se mueve hacia dentro o hacia fuera para hacer variar el caudal de la bomba.
11.6.9. Caracteristicas de funcionamiento de las bombas de pistones Las bombas de pistones son unidades muy eficientes y están disponibles en una amplia variedad de tamaños, desde desplazamientos muy pequeños hasta muy elevados. La mayoría de ellas pueden funcionar con presiones entre 105 y 210 kp/cm2, aunque algunos modelos pueden llegar a presiones mucho más elevadas. Siendo estas bombas de desplazamiento variable y reversibles, pueden aplicarse muy bien a prensas grandes y a transmisiones hidrostáticas. Debido a que sus piezas están rectificadas y con holguras mínimas, la utilización de fluidos de buena calidad y una buena filtración son condiciones esenciales para una larga duración.
11.7. CUESTIONARIO 1 . ¿Por qué no debe utilizarse una bomba centrífuga para transmitir presión? 2. ¿Cuáles son las características básicas de las bombas de desplazamiento positivo?
9. ¿Qué tipos de bombas hay disponibles, por lo que se refiere a modelos de desplazamiento variable? 10. ¿Qué es lo que mantiene las paletas extendidas en una bomba de paletas? 11 . ¿Cuál es la función de una placa de presión?
3. ¿Qué significa presión nominal de una bomba? 12. ¿Cuál es la finalidad del diseño de la doble paleta? 4. ¿Cuáles son las dos formas de expresar el tamaño de una bomba? 5. ¿Cuál es la cantidad de aceite desplazado por una bomba de caudal nominal 20 1/min a 1200 r.p.m., cuando gira a 1800 r.p.m.? 6. Si una bomba de 20 1/min da 14 1/min a 210 kp/cm2 ¿cuál es su rendimiento volumétrico? 7. ¿Qué es lo que tiende a limitar la capacidad de presión · de una bomba de engranajes? 8. ¿Qué tipo de bomba compensa automáticamente el desgaste de sus piezas internas?
13. ¿Cómo puede variarse el desplazamiento de una bomba de pistones axiales? 14. ¿Qué es lo que origina el movimiento recíproco de los pistones en una bomba de pistones en línea? ¿Y en una de pistones en ángulo? 15. ¿Por qué el compensador de la bomba PVA12O desplaza el bloque oscilante hacia la posición central de desplazamiento nulo, cuando la presión del sistema está aplicada tanto en el cilindro de movimiento como en el de mantenimiento?
Capítulo 12
ACCESORIOS
Este capítulo trata de varios accesorios, utilizados en los sistemas hidráulicos, para verificar funciones especiales. Se presentarán acumuladores, multiplicadores de presión, presostatos y diversos aparatos de medida. 12.1. ACUMULADORES A diferencia de los gases, los fluidos utilizados en los sistemas hidráulicos no pueden ser comprimidos y almacenados para su utilización en cualquier tiempo o lugar. Cuando puede utilizarse, la ventaja de un acumulador consiste en suministrar un medio de almacenar fluidos incomprensibles bajo presión. Esto se consigue porque cuando el fluido hidráulico, bajo presión, entra en la cámara del acumulador hace una de las tres cosas siguientes: comprime un muelle, comprime un gas o eleva un peso. Cualquier tendencia a disminuir que tenga la presión, a la entrada del acumulador, hace que el elemento reaccione y obligue al líquido a salir.
12.1.l . Acumuladores de contrapeso Es el tipo de acumulador más antiguo (fig. 12-1). Se utilizó un pistón vertical, con facilidad para añadir o remover pesos, para hacer variar la presión, que es siempre igual al peso utilizado dividido por el área del pistón que recibe el fluido hidráulico. Este es el único tipo de acumuladores en que la presión se mantiene constante, hasta que la cámara del acumulador quede prácticamente vacía. No obstante, los acumuladores de contrapeso son pesados, ocupan mucho espacio y su uso es limitado. Se utilizan en algunas prensas de gran tamaño en las que se requiere una presión constante o en aquellas pocas aplicaciones en que sean necesarios grandes volúmenes. 12.1.2. Acumuladores de muelle En un acumulador de muelle (fig. 12-2) la presión es
aplicada al fluido mediante la compresión de un muelle espiral colocado detrás del pistón del acumulador. La presión es igual a la fuerza instantánea del muelle dividida por el área del pistón. Fuerza del muelle Presión = ------------------------Area donde: fuerza del muelle = constante del muelle x (distancia de compresión). Por consiguiente, la presión no es constante puesto que la fuerza del muelle aumenta a medida que el fluido entra en la cámara y disminuye cuando éste sale. Los acumuladores de muelle se pueden montar en cualquier posición. La fuerza del muelle, es decir, los límites de presión no son fácilmente ajustables con estos acumuladores. Además, cuando se requieran grandes cantidades de fluido, las fuerzas involucradas hacen muy difícil poder obtener muelles suficientemente grandes. 12.1.3. Acumuladores de gas Probablemente el acumulador más utilizado es el de la cámara cargada con un gas inerte, generalmente nitrógeno
seco. Nunca debe de utilizarse oxígeno debido a su tendencia a quemarse o a explotar al comprimirlo con aceite. A veces se utiliza aire, pero no es recomendable por e1 mismo motivo. Un acumulador de gas debe cargarse cuando está vacío de fluido hidráulico. Las presiones de carga de gas varían en cada aplicación y dependen del intervalo de presiones de trabajo y del volumen de fluido requerido en dicho intervalo. La presión de carga del gas no debe ser inferior al 25 % (preferentemente 33 % ) de la presión máxima de trabajo. La presión del acumulador varía en proporción a la compresión del gas, aumentando cuando entra el fluido y disminuyendo cuando sale. 12.1.3.1. Acumulador a superficie libre La figura 12-3 muestra un acumulador en el que no hay ninguna separación entre el fluido hidráulico y el gas. Se utiliza frecuentemente en máquinas de inyección y debe montarse verticalmente. Es importante seleccionar una relación de volúmenes y presiones, de tal forma que no sea utilizado más que un 65 % del fluido del acumulador, a fin de evitar que el gas se descargue en el sistema. 12.1.3.2. Acumuladores de membrana o de vejiga Muchos acumuladores llevan incorporada una membrana o
vejiga de caucho sintético (fig. 12-4) que separa el gas del fluido hidráulico. Como ciertos fluidos ininflamables no son compatibles con las membranas o vejigas convencionales, es importante seleccionar el material adecuado para las mismas. El aceite disponible puede variar entre el 25 % y el 75 %a de la capacidad total, según las condiciones de funcionamiento. Trabajando fuera de estos límites, la vejiga podría dilatarse o comprimirse demasiado, limitándose su duración. 12.1.3.3. Acumulador de pistón Otro método para separar el gas del fluido hidráulico es mediante un pistón libre (fig. 12-5). Similar en construcción a un cilindro hidráulico, el pistón bajo la presión del gas en uno de sus lados tiende a enviar afuera el aceite contenido en la cámara opuesta. Aquí, también, la presión depende de la compresión y varía con el volumen de aceite que hay en la cámara. 12.1.4. Aplicaciones En muchos sistemas hidráulicos es necesaria una gran cantidad de fluido para efectuar el trabajo pero éste se realiza sólo intermitentemente en el ciclo de la máquina. Por ejemplo, en una máquina de inyección, el cilindro de inyección debe moverse muy rápidamente cuando la pieza se forma, pero permanecer inactivo cuando se retira la pieza y
durante el cierre y la abertura del molde. En lugar de utilizar intermitentemente una bomba de gran caudal, este sistema permite almacenar fluido en un acumulador con una bomba relativamente pequeña y descargarlo durante la parte de "inyección" del ciclo. Otra aplicación sería, en un sistema en el cual es necesario mantener una presión durante un periodo de tiempo muy largo, la siguiente: en vez de dejar la bomba funcionando constantemente al taraje de la válvula de seguridad, se utiliza para cargar un acumulador y mientras éste mantiene la presión, la bomba puede descargar libremente al tanque. Se usan presostatos o válvulas de seguridad y descarga para controlar periódicamente la carga del acumulador o la descarga de la bomba cuando se pierde fluido debido a las fugas del circuito. Los acumuladores pueden también instalarse en un sistema para absorber choques o puntas instantáneas de presión, debidas a paradas bruscas o inversiones del caudal de aceite. En tales casos, la presión de carga es próxima o ligeramente superior a la presión máxima de trabajo, consiguiéndose así absorber las puntas de presión y evitar al mismo tiempo una flexión constante de la membrana o de la vejiga. Como precaución, el acumulador tiene que aislarse completamente del circuito o estar completamente descargado, antes de iniciar cualquier desmontaje de las líneas del
circuito. Nunca debe de desmontarse un acumulador sin antes descargarlo, bien sea de gas, pesos o muelles. 12.2. MULTIPLICADORES DE PRESION Un multiplicador de presión es un dispositivo utilizado para multiplicar una presión en ciertas aplicaciones, como máquinas remachadoras o taladradoras, en las que puede ser necesaria una pequeña cantidad de aceite a alta presión para la fase final del movimiento del cilindro. Un multiplicador puede desarrollar presiones varias veces superiores a las que puede dar la bomba. En la figura 12-6, la presión en el área mayor ejerce una fuerza que requiere en el área menor una presión considerablemente mayor para resistirla. El aumento de presión es inversamente proporcional a la relación de áreas. El volumen de fluido descargado a alta presión es, a su vez, menor que el volumen recibido en el área mayor, y en proporción a la relación de áreas. 12.3. PRESOSTATOS Los presostatos (fig. 12-7) se utilizan para abrir o cerrar circuitos eléctricos a presiones seleccionadas previamente, para accionar electroválvulas y otros dispositivos utilizados en el sistema. El principio de funcionamiento de un presostato puede verse en la figura 12-8. Este modelo contiene dos interruptores eléctricos separados, accionado cada uno de ellos mediante una varilla apoyada contra un pistón cuya posición es controlada por la presión hidráulica en un lado y por un
muelle en el otro. La presión a la que actúan los interruptores se selecciona girando el tornillo de ajuste para aumentar o disminuir la fuerza del muelle. Hay que observar que en este diseño los interruptores son accionados por los muelles, en el montaje de las unidades. Así, los contactos normalmente abiertos se cerrarán y viceversa. Cuando se alcanza la presión de taraje, los pistones comprimen los muelles y permiten que las varillas bajen, haciendo que los interruptores vuelvan a su condición normal. Utilizando ambos interruptores conjuntamente con un relé eléctrico, las presiones del sistema pueden mantenerse dentro de unos límites inferior y superior muy amplios. 12.4. APARATOS DE MEDIDA Las medidas de caudal, de presión y de temperatura, son necesarias para evaluar el funcionamiento de los elementos hidráulicos. Estas medidas son útiles también para la localización de averías en un sistema hidráulico. Debido a la dificultad de instalar un caudalímetro en el circuito, las medidas de caudal se determinan muchas veces midiendo el desplazamiento o la rotación de un actuador. La presión y la temperatura se determinan de la manera usual mediante manómetros y termómetros. 12.4.1. Manómetros. Los manómetros son necesarios para ajustar las válvulas de control de presión y para determinar las fuerzas ejercidas
por un cilindro o el par desarrollado por un motor hidráulico. Los dos tipos principales de manómetro son el tubo de Bourdon y los tipos Schrader. En el manómetro tipo Bourdon (fig. 12-9), un tubo cerrado tiene forma de arco. Cuando se aplica presión al orificio de entrada, el tubo tiende a enderezarse, accionando un acoplamiento que gira un engranaje y una aguja ligada a éste que indica la presión en un cuadrante. En el manómetro Schrader (fig. 12-10), la presión se aplica a un pistón y a una camisa accionada por un muelle. Cuando la presión mueve la camisa, ésta acciona la aguja indicadora mediante una conexión mecánica. La mayoría de los manómetros indican cero a la presión atmosférica y están calibrados en kilos por centímetro cuadrado o en libras por pulgada cuadrada, sin tener en cuenta la presión atmosférica en toda su escala. La presión a la entrada de una bomba es frecuentemente inferior a la presión atmosférica y debe medirse en unidades absolutas utilizándose, generalmente, las pulgadas o los milímetros de mercurio, considerándose que 30 pulgadas o 760 mm corresponden al vacío perfecto. La figura 12-11 muestra un vacuómetro calibrado en pulgadas de mercurio. 12.4.2. Instalación del manómetro En un sistema hidráulico, es deseable incorporar una o más conexiones para los manómetros a fin de facilitar las puestas en marcha y las medidas, a pesar de que en la mayoría de las
válvulas de seguridad y otros elementos hidráulicos existen conexiones para manómetros. Cuando un manómetro se instala permanentemente en una máquina, normalmente se debe incluir también una válvula con amortiguación para poder abrir o cerrar el paso del aceite (fig. 12-12). Esta válvula prolonga la vida del manómetro, aislándolo del sistema cuando no hay necesidad de medir la presión. El amortiguador (fig. 12-13) impide la oscilación del manómetro y lo protege contra las puntas de presión. En el caso de no encontrar amortiguadores comerciales, una pequeña bobina (aproximadamente de 5 cm de diámetro) de tubo 1/8 , sirve como un dispositivo excelente de amortiguamiento. 12.4.3. Caudalímetros Los caudalímetros se utilizan, normalmente, en los bancos de pruebas, pero hay también disponibles unidades portátiles incluyendo algunas, además del caudalímetro, un manómetro y un termómetro (fig. 12-14). Casi nunca se instalan de forma permanente en una máquina. No obstante, conectados a una tubería hidráulica, son muy útiles para verificar e1 rendimiento volumétrico de una bomba y para determinar las fugas internas de un circuito. Un caudalímetro típico (fig. 1 2-1 5) está formado por un peso en un tubo calibrado vertical. El aceite bombeado entra por la parte inferior del tubo y sale por la parte superior, elevando el peso a una altura proporcional al caudal. Para una medida más precisa, puede utilizarse un motor
hidráulico de desplazamiento conocido para hacer girar un tacómetro. El caudal en 1/min será. r.p.m. x desplazamiento (cm3 /giro) Caudal (1/min) = ----------------------------------------------1000 Naturalmente, el tacómetro puede calibrarse directamente, tanto en 1/min como en r.p.m. Otro tipo de caudalímetro (fig. 12-16) lleva incorporado un disco que cuando es accionado por el fluido que pasa a través de la cámara de medida, origina un movimiento rotativo que puede ser transmitido a través de un engranaje a una aguja indicadora en un cuadrante. Los caudalímetros tipo turbina son dispositivos más sofisticados que originan un impulso eléctrico cuando giran y transductores de presión, situados en lugares adecuados del sistema, transmiten señales eléctricas proporcionales a las presiones aplicadas. Estas señales pueden ser calibradas y observadas en un osciloscopio u otro dispositivo adecuado de lectura. Véase la figura 12-17. Estas unidades se encuentran con mayor frecuencia en laboratorios, aunque también forman parte del equipo de mantenimiento utilizado en aquellas empresas donde las técnicas de mantenimiento asumen aspectos más sofisticados.
12.5. CUESTIONARIO
l. Mencionar dos funciones de un acumulador. 2. ¿Qué tipo de acumulador trabaja a presión constante? ¿Cómo puede cambiarse esta presión? 3. ¿Cómo se origina la presión en el acumulador de pistón libre? 4. ¿Qué clase de gas se prefiere para cargar un acumulador? 5. ¿Qué impide que la vejiga se extrusione en un acumulador de vejiga? 6. ¿Para qué sirve un multiplicador de presión? 7. ¿Cómo funciona un presostato? 8. Citar tres casos en los que se requiera un manómetro. 9. ¿Cómo se calibran los vacuómetros?
Capítulo 13
CIRCUITOS HIDRAULICOS INDUSTRIALES
Las aplicaciones de los principios y componentes descritos en este manual son innumerables, como lo son las posibles combinaciones de componentes en los sistemas. Sería imposible describir en este manual más de unos pocos ejemplos de circuitos hidráulicos. Los circuitos expuestos en este capítulo son los más utilizados en la maquinaria industrial y presentan los principios básicos de aplicación de la oleohidráulica en varios tipos de trabajo. Muchos de estos circuitos se presentan en diagramas con los componentes seccionados, para que se vea con más facilidad el recorrido del aceite. Se muestran diagramas gráficos para todos los circuitos con el fin de facilitar la comprensión del uso de los símbolos. 13.1. CIRCUITOS DE DESCARGA Un circuito de descarga es un sistema donde el caudal de la bomba se desvía al tanque, a baja presión, durante parte del ciclo. La bomba puede ser descargada porque las condiciones de la carga, en ciertos momentos, exceden de la capacidad de potencia disponible en el motor o, simplemente, para evitar pérdida de energía o disipación de calor durante los períodos de reposo. 13.1.1. Sistema de descarga con dos bombas Con frecuencia es conveniente combinar el caudal de dos bombas para obtener una velocidad mayor cuando un cilindro avanza a baja presión. Cuando la alta velocidad ya no se necesita o la presión aumenta hasta el punto en que el caudal, combinado a esta presión, excede de la potencia disponible en el motor, la bomba grande descarga a tanque.
procedente de la línea de presión llegue a la válvula de descarga. En estas condiciones, se utiliza mucha menos potencia que si las dos bombas estuvieran funcionando a alta presión, no obstante, el avance final es más lento debido a que al cilindro sólo le llega el caudal procedente-de la bomba menor. Cuando termina el movimiento, la bomba menor descarga a tanque a través de la válvula de seguridad a su taraje. 1.3.1.4. Dos presiones máximas con "Venting" El circuito mostrado en la figura 13-2 puede incorporarse en un sistema hidráulico para permitir la selección de dos presiones máximas y además "Venting" (recuérdese que "Venting" es el término utilizado para designar la descarga de la bomba a través de la válvula de seguridad, a presión casi nula). El ajuste de presión máxima se realiza en la válvula de seguridad pilotada y el otro ajuste en la válvula de seguridad de control remoto. Entre las dos válvulas se instala una electroválvula distribuidora de cuatro vías. 13.1.5. "Venting" En la vista A, los dos solenoides de la electroválvula están desexcitados. La corredera de centro abierto está centrada por los muelles y el orificio de "Venting" de la válvula de seguridad está comunicado al tanque. La corredera de ésta, está levantada y el caudal de la bomba descarga a tanque a la presión del muelle ligero (aproximadamente 1 .40 kp/cm2 ).
13.1.6. Presión máxima intermedia 13.1.2. Avance rápido a baja presión La figura 13-1 , vista A, muestra la disposición de los componentes en este sistema y las condiciones de caudal a baja presión. El aceite procedente de la bomba mayor pasa a través de la válvula de descarga y de la válvula antirretorno, para cambiarse con el caudal de salida de la bomba menor. Este funcionamiento continúa mientras la presión del sistema es inferior al taraje de la válvula de descarga. 13.1.3. Avance lento a alta presión En la vista B, la presión del sistema excede del taraje de la válvula de descarga, que se abre y permite que la bomba mayor descargue al tanque prácticamente a presión nula. La válvula antirretorno se cierra, impidiendo que el caudal
En la vista B, el solenoide de la izquierda de la electroválvula está excitado. La corredera de la válvula está desplazada y conecta al orificio de "Venting" de la válvula de seguridad con la válvula de control remoto. Esta válvula funciona ahora como piloto de la válvula de seguridad. El caudal de la bomba se desviará al tanque cuando se alcance el taraje de la válvula de control remoto.
13.1.7. Presión máxima principal En la vista C, está excitado el solenoide opuesto da la electroválvula distribuidora. La corredera de ésta conecta el
orificio de "Venting" de la válvula de seguridad con el orificio bloqueado de la electroválvula. La válvula de seguridad pilotada funciona ahora al taraje de su muelle ajustable.
"Venting" de la válvula de seguridad. La presión aumenta de nuevo y el ciclo se repite.
13.2. "VENTING" AUTOMATICO AL FINAL DE UN CICLO
13.3.1. Control eléctrico
En los sistemas donde no sea necesario mantener presión al final del ciclo, es posible descargar la bomba automatizando el "Venting" de la válvula de seguridad. La figura 13-3 muestra este sistema utilizando una válvula piloto accionada por una leva para poner el "Venting" de la válvula de seguridad.
13.3. SISTEMA DE DESCARGA CON ACUMULADOR
En un circuito en el que se debe introducir aceite a presión dentro de un acumulador, la bomba se pone a descarga cuando se alcanza una presión máxima predeterminada y vuelve a cargar el acumulador cuando la presión disminuye hasta un valor mínimo predeterminado. Una electroválvula distribuidora de retorno por muelle (fig. 13-4) actuada por un presostato se utiliza para poner o quitar el "Venting" a la válvula de seguridad, según se requiera.
13.2.1. Extensión a media carrera (Vista A) 13.3.2. Carga (Vista A) El ciclo de la máquina empieza cuando se excita la bobina de la electroválvula distribuidora (tipo retorno por muelle). El caudal de la bomba se dirige a la sección llena del cilindro y la línea de "Venting" está bloqueada por la válvula piloto. (Obsérvese que la válvula piloto es únicamente de dos vías en vez de las cuatro usuales.) 13.2.2. Retroceso a media carrera (Vista B) AI final de la carrera de extensión, el interruptor eléctrico de final de carrera es accionado por la leva del vástago del cilindro, cortando el circuito eléctrico del solenoide. La corredera de la electroválvula vuelve a su posición inicial originando el retroceso del cilindro. El orificio de "Venting" de la válvula de seguridad continúa bloqueado. 13.2.3. Parada automática (Vista C)
Los dos microinterruptores del presostato están interconectados a un relé eléctrico de tal forma que, para el ajuste de baja presión, el solenoide está excitado y el orificio de "Venting" de la válvula de seguridad bloqueado. El caudal de salida de la bomba se dirige, a través de las válvulas de seguridad y antirretorno, hacia el sistema donde carga el acumulador. 13.3.3. Descarga (Vista B) Cuando la presión alcanza el taraje máximo del presostato, el solenoide es desexcitado, se corta el "Venting" y la bomba descarga a tanque. La válvula antirretorno se cierra e impide que un caudal en sentido contrario, procedente del acumulador, llegue a la bomba, manteniéndose así la presión en el sistema.
A1 final de la carrera de retroceso, la leva del cilindro abre la válvula piloto. De esta forma, el orificio de "Venting" de la válvula de seguridad se conecta a través de la válvula antirretorno en línea, a la línea de entrada del cilindro, que se une a tanque a través de la electroválvula distribuidora y de la válvula antirretorno en ángulo. La presión piloto, necesaria para la electroválvula distribuidora, se mantiene al valor determinado por las tensiones de los muelles de la corredera de la válvula de seguridad y de las dos válvulas antirretorno (En este circuito podría eliminarse la válvula antirretorno en ángulo utilizando en la corredera de la válvula de seguridad, en vez .del muelle de 1.40 kp/cm2, un muelle "V" de tensión mayor.)
13.3.4. Control hidráulico
13.2.4. Puesta en marcha (Vrita D)
13.3.6. Descarga (Vista B)
Cuando se pulsa el botón de arranque, excitando el solenoide, la corredera de la electroválvula se desplaza para dirigir el caudal de salida de la bomba a la sección llena del cilindro. Y la válvula antirretorno en línea bloquea el
Cuando la presión creciente alcanza el taraje de la válvula de descarga, ésta se abre y la válvula antirretorno incorporada se cierra inmediatamente. La bomba descarga libremente al tanque a través de la válvula de descarga y la válvula
Otro sistema de descargar la bomba en un sistema con acumulador será el de utilizar una válvula de seguridad y descarga (fig. 13-5). 13.3.5. Carga (Vista A) En el período de carga, la válvula de seguridad pilotada está cerrada y la válvula antirretorno incorporada permite que el caudal de la bomba se dirija al sistema. Si la demanda del sistema es menor que el caudal de la bomba, el caudal se dirige al acumulador y la presión del sistema aumenta.
antirretorno permite que la presión del sistema sea mantenida por el acumulador. Cuando disminuye la cantidad de aceite contenido en el acumulador, bien sea para realizar un trabajo o por fugas en el sistema, la presión disminuye. Cuando la presión desciende hasta un porcentaje predeterminado del taraje de la válvula de descarga, ésta se cierra y el sistema vuelve a las condiciones iniciales que se muestran en la vista A.
13.4. CIRCUITOS ACUMULADORES
DE
SEGURIDAD
PARA
13.4.1. Seguridad por descompresión del acumulador El circuito de la figura 13-6 se utiliza para descomprimir automáticamente un acumulador cargado cuando la bomba está parada, impidiéndose así el funcionamiento accidental de un actuador, y permitiendo que se pueda desmontar una línea del sistema sin riesgos, en caso de mantenimiento. La descompresión se realiza mediante una electroválvula distribuidora, de retorno por muelle y una restricción fija. El solenoide de la electroválvula es excitado mediante un circuito eléctrico paralelo al del motor eléctrico de la bomba, de forma que cuando ésta se pone en marcha el solenoide queda excitado y el pasaje de descompresión queda bloqueado en condiciones normales de funcionamiento. Cuando la bomba se para (Vista B), el solenoide se desexcita y el muelle de la corredera la desplaza y comunica el acumulador con el tanque a través de la restricción fija. La llave de paso mostrada en la figura se utiliza para controlar el caudal de descarga del acumulador al sistema. La válvula de seguridad auxiliar debe tararse un poco más alta que la válvula de seguridad principal, a fin de limitar el aumento de presión producido por la expansión térmica del gas del acumulador. El acumulador debe llevar una superficie separadora interna, es decir, una membrana, vejiga o pistón, para impedir pérdida de gas cada vez que la máquina se para. 13.4.2. Seguridad por bloqueo del acumulador También es posible bloquear un acumulador cargado para poder desmontar cualquier parte del sistema y no perder la energía acumulada. Este método (fig. 13-7) utiliza una electroválvula distribuidora, con retorno por muelle, para controlar una válvula antirretorno pilotada. En este sistema, el solenoide de la electroválvula está también comunicado al circuito eléctrico del motor de la bomba. Cuando la bomba es accionada (Vista A), el solenoide es excitado y la electroválvula distribuidora envía presión piloto para abrir la válvula antirretorno, permitiendo la entrada y la salida del aceite en el acumulador. A1 pararse la bomba (Vista B) el solenoide queda desexcitado. La electroválvula distribuidora comunica al tanque la línea piloto de la válvula antirretorno, que se cierra y separa el acumulador del sistema, permitiendo que mantenga su aceite a presión. La pequeña válvula de aguja se utiliza únicamente para descargar el acumulador antes de introducirle gas a presión.
La llave de paso mayor y la válvula de seguridad auxiliar realizan las mismas funciones que en el circuito de la figura 13-6. 13.5. CIRCUITOS ALTERNATIVOS Los circuitos alternativos convencionales utilizan una válvula direccional de cuatro vías, conectada directamente a un cilindro o a un motor para obtener la inversión. La velocidad de retroceso del vástago de un cilindro es mayor que la de extensión, debido al volumen del vástago, cuando se utiliza un cilindro diferencial. Una forma no convencional de un circuito alternativo es el llamado circuito diferencial, en el que el aceite, procedente del lado del vástago del cilindro, se dirige al otro extremo para aumentar la velocidad. 13.5.1. Avance en montaje diferencial El principio del circuito diferencial se muestra en la figura 13-8. Obsérvese que el orificio "B" de la electroválvula distribuidora que, convencionalmente, debería conectarse al cilindro, está taponado y que el extremo del vástago del cilindro está conectado directamente a la línea de presión. Con la corredera desplazada para conectar el orificio "P" de la electroválvula a la sección llena del cilindro (Vista A), el caudal que sale del extremo del vástago se une al que procede directamente de la bomba para aumentar la velocidad del cilindro. En la posición inversa (Vista B), el caudal de la bomba se dirige al extremo del vástago y el caudal procedente de la sección llena retorna a tanque, convencionalmente, a través de la electroválvula distribuidora. En caso de que la relación de áreas entre las secciones llena y anular del cilindro sea de 2:1 , el cilindro avanzará y retrocederá a la misma velocidad. Sin embargo, la presión durante el avance será el doble que la presión requerida para un circuito convencional. Esto es debido al hecho de que en un circuito diferencial, la presión del sistema actúa también en la sección anular del cilindro, neutralizando así la mitad de la fuerza ejercida en la sección llena. Con una relación de áreas más elevadas, la velocidad de extensión aumentará proporcionalmente. 13.5.2. Avance en montaje diferencial y cambio a montaje convencional El principio diferencial puede también utilizarse en un circuito para obtener una velocidad de avance elevada y cambiar después a avance convencional, para doblar la fuerza ejercida en condiciones de trabajo (fig. 13-9). En este sistema, una válvula de secuencia del tipo "R", normalmente cerrada, bloquea el orificio "B" de la electroválvula distribuidora durante el avance diferencial. Cuando se llega al taraje de la válvula "R", ésta se abre y dirige el caudal, procedente de la sección anular del cilindro, directamente al tanque a través de la electroválvula distribuidora. Una válvula antirretorno, con muelle de 0.35 kp/cm2, permite que el aceite procedente de la sección anular del cilindro se una al caudal proveniente de la bomba durante el
avance diferencial, pero impide esta unión durante el trabajo convencional. Cuando se acciona la electroválvula distribuidora para conseguir la entrada del vástago del cilindro, el caudal de la bomba se dirige a la sección anular de éste a través de la válvula antirretorno de "R".
13.6. CIRCUITOS EN SECUENCIA En muchas aplicaciones, tales como la fijación de una pieza para un mecanizado, es necesario que las operaciones se realicen en un orden determinado y mantener la presión en la primera operación mientras se verifica la segunda. Se indican a continuación dos de estos circuitos. 13.6.1. a) Circuito con secuencia La figura 13-10 muestra un método para permitir que los movimientos de la máquina se realicen en una secuencia definida, utilizando una electroválvula distribuidora y dos válvulas de secuencia (la válvula de equilibraje "G" se utiliza para controlar el descenso del cilindro vertical). La secuencia es la siguiente: Vista A : Avance del cilindro H. Vista B : Avance del cilindro J mientras el cilindro H mantiene presión. Vista C : Retroceso del cilindro J. Vista D : Retroceso del cilindro H. Este circuito puede ser utilizado únicamente si no es necesario mantener la pieza fija (Cilindro H) mientras el cilindro de trabajo retrocede; si lo fuese, habría de utilizarse una segunda electroválvula distribuidora como se indica en el circuito siguiente.
13.7. CIRCUITO DE EQUILIBRAJE Un circuito típico de equilibraje, utilizando una válvula tipo "RC" (fig. 13-12), se utiliza para accionar un cilindro vertical con una velocidad de descenso controlada por el caudal de la bomba. La válvula de equilibraje impide que la carga caiga libremente durante el movimiento de descenso. En la vista A, el cilindro está subiendo. El caudal de la bomba llega libremente a la sección anular del cilindro a través de la válvula antirretorno. La vista B muestra la posición de equilibrio en la que la presión, generada únicamente por la carga, no es suficiente para vencer el taraje del muelle de la válvula de equilibraje. La vista C muestra la carga bajando, con la presión de salida de la bomba actuando en la sección llena del cilindro y suministrando la fuerza adicional requerida para que la válvula de equilibraje se abra. 13.8. CIRCUITO DE FRENADO La figura 13-13 muestra una aplicación de la válvula tipo "RC" para mantener, en caso necesario, una contrapresión en un motor hidráulico y para frenar el motor cuando la corredera de la electroválvula, de centro abierto, se sitúe en su posición central. La vista A presenta el motor en aceleración, con la válvula de frenado mantenida completamente abierta por la presión del sistema que actúa en la conexión auxiliar de control remoto. La vista B muestra el funcionamiento cuando el motor tiende a dispararse, creando una disminución de presión en la línea de salida de la bomba. El frenado del motor, mediante una contrapresión originada por la válvula de frenado, pilotada internamente, puede verse en la vista C. 13.9. CIRCUITOS DE REGULACION DE CAUDAL
13.6.2. b) Circuito de fijación con secuencia El circuito mostrado en la figura 13-11 suministra una secuencia y además una presión controlada de fijación que puede ser mantenida durante el ciclo. La secuencia de operaciones es la siguiente: A1 pulsar el botón de arranque se desplaza la corredera de la electroválvula "G" y el cilindro de fijación se extiende. A1 contacto con la pieza, un interruptor eléctrico, de final de carrera, excita el solenoide de la electroválvula "H" para iniciar la carrera de trabajo. La válvula de secuencia asegura que la presión de fijación se mantiene a un valor mínimo predeterminado durante la carrera de trabajo. La válvula reductora de presión limita la presión de fijación, para no dañar a la pieza, cuando se requieran presiones más elevadas para realizar el trabajo. Controles eléctricos adicionales pueden invertir la electroválvula "H" mientras se mantiene la presión de fijación. La mordaza de fijación se abre cuando el cilindro de trabajo ha retrocedido completamente.
13.9.1. a) Regulación a la entrada (Meter-in) La figura 13-14 representa el funcionamiento de un regulador de caudal compensado por presión para controlar la velocidad de salida del vástago de un cilindro. En la vista A, la corredera de la válvula direccional se desplaza para extender el cilindro, y en la vista B, para retraerlo. Como la válvula reguladora de caudal está montada a la entrada del cilindro, el control es a la entrada. Una válvula antirretorno, montada en derivación con el regulador, permite una rápida carrera de retorno. Si la carga tiende a moverse en la misma dirección que el vástago del cilindro puede originarse un embalamiento de la misma. El caudal de la bomba que excede del taraje del regulador de caudal se desvía al tanque por medio de la válvula de seguridad. l 3.9.2. b) Regulación a la salida (Meter-out) El circuito de regulación a la salida está ilustrado en la figura 13-15. La diferencia consiste en que el regulador de
caudal está montado a la salida del cilindro. Como el caudal de salida de éste está controlado por el regulador, la velocidad del cilindro es constante e independiente de la dirección de las fuerzas impuestas por la carga. En este circuito, la bomba trabaja también al taraje de la válvula de seguridad durante la salida del vástago. 13.9.3. c) Regulación por substracción (Bleed-off) En la figura 13-16, la válvula reguladora de caudal controla el aceite desde la línea de presión al tanque en lugar de mandarlo al sistema, obteniéndose así control de la velocidad en ambas direcciones. Aunque menos preciso que los dos métodos anteriores, la regulación por substracción permite economizar algo de potencia, puesto que para mover el cilindro, únicamente se requiere la presión de trabajo. El exceso de aceite retorna al tanque a través del regulador de caudal. 13.10. CIRCUITOS DE AVANCE RAPIDO Y TRABAJO LENTO En la figura 13-17 se indican tres métodos para obtener una transición de avance rápido a una velocidad de alimentación más lenta, en un circuito de regulación a la salida. En la vista A, una válvula deceleradora se monta en paralelo con el regulador de caudal a la salida. Durante el avance rápido, el caudal de salida de la sección anular del cilindro pasa libremente a través de la válvula deceleradora. Cuando la leva cierra esta válvula, el aceite es obligado a pasar por el regulador de caudal. En el retorno, el caudal de la bomba, dirigido a la sección anular del cilindro, pasa libremente a través del antirretorno de la válvula deceleradora. En la vista B, el pasaje en paralelo alrededor del regulador de caudal es a través de una electroválvula con retorno por muelle que permite el retorno libre del caudal cuando el solenoide está excitado. Cuando se alcanza la posición de avance lento, se dispara un interruptor eléctrico de final de carrera que desexcita al solenoide, interrumpiendo el paso libre del aceite y obligándole a pasar a través del regulador de caudal. Una válvula antirretorno, montada también en paralelo permite el paso libre del caudal para el retorno del cilindro. Las fugas a través de las correderas de la válvula deceleradora, mostrada en la vista A y de la electroválvula en la vista B, pueden afectar al avance lento. La vista C muestra la transición hecha con una válvula antirretorno pilotada que se utiliza, debido a sus fugas casi mínimas, cuandó se necesitan avances lentos de mucha precisión. La presión piloto para esta válvula se suministra a través de una electroválvula con retorno por muelle, que al excitarse su solenoide abre la válvula antirretorno y permite que el caudal, procedente de la sección anular del cilindro, fluya libremente al tanque. A1 dispararse el interruptor de final de carrera en la posición de avance lento, se desexcita el solenoide y la línea piloto de la válvula antirretorno queda comunicada al tanque, lo que origina el cierre de esta válvula. El caudal de salida es, entonces, obligado a pasar a través del regulador de caudal.
La válvula antirretorno pilotada permite el paso libre del aceite para el retorno del cilindro. Hay que recordar también que las fugas a través del pistón del cilindro son un factor que debe considerarse en tales casos. 13.10.1. Regulador de caudal con válvula de seguridad incorporada Cuando puede utilizarse regulación de caudal a la entrada, el regulador de caudal con válvula de seguridad incorporada (fig. 13-18) puede controlar la velocidad lenta de trabajo. Hay una electroválvula distribuidora adicional, montada en paralelo con el regulador de caudal, que permite que el caudal de salida de la bomba llegue al cilindro durante las operaciones de avance y retorno rápidos. El circuito de la figura 13-18 muestra el avance lento. La electroválvula de tres posiciones y centrada por muelles dirige el caudal hacia la sección llena del cilindro. La electroválvula de retorno por muelle bloquea la derivación a través del regulador de caudal. Al excitar el solenoide de esta válvula (durante el avance y retorno rápidos) el regulador de caudal queda neutralizado. La válvula de seguridad que lleva éste incorporada, suministra protección contra las sobrecargas, en todas las condiciones de funcionamiento. La válvula antirretorno, instalada en la línea de tanque, con un muelle de 3.5 kp/cm2, asegura que hay siempre presión piloto disponible para el funcionamiento de las electroválvulas distribuidoras. 13.11. TRANSMISIONES HIDROSTATICAS La finalidad de cualquier transmisión es equiparar el par y la velocidad del impulsor primario a los requerimientos de par y velocidad de la carga. Las transmisiones hidráulicas o hidrostáticas utilizan bombas de desplazamiento positivo, motores y varios controles para este objeto. Las principales ventajas de las transmisiones hidrostáticas son: - Regulación, infinitamente variable, de la velocidad de salida y el par. - Facilidad y precisión de control. - Aceleración y cambio de velocidad suaves y progresivos. - Baja inercia. - Baja relación entre peso y potencia. - Mayor fiabilidad. - Flexibilidad de localización de los componentes. - Eliminación de ejes de accionamiento y sistemas complicados de engranajes. - Frenado dinámico. - Protección contra sobrecargas. 13.1l.l. Circuitos abiertos En un circuito abierto, la bomba extrae el aceite del depósito. Su salida se dirige a un motor hidráulico que a su vez descarga al tanque. La figura 13-19 ilustra un circuito abierto que contiene las unidades básicas requeridas para una transmisión
hidrostática reversible. Si la bomba y el motor tienen el mismo desplazamiento teóricamente, la velocidad y el par de salida deberán ser idénticos a la velocidad y el par de entrada. La transmisión funciona pues, simplemente, como un "eje" de accionamiento líquido. Si el motor tuviese un desplazamiento doble de la bomba, la velocidad de salida sería la mitad de la de entrada, pero el par de salida sería el doble. Otras combinaciones de desplazamiento producirían una velocidad de salida proporcional a la relación de desplazamientos bomba-motor y un par de salida proporcional a la relación de desplazamientos motor-bomba. Este tipo de transmisión, utilizando una bomba de desplazamiento fijo, puede llevar incorporado también un control de velocidad en forma de una válvula reguladora de caudal. El par máximo viene naturalmente limitado por el taraje de la válvula de seguridad. 13.11.2. Circuitos cerrados En un circuito cerrado, el aceite de salida del motor vuelve directamente a la entrada de la bomba. La figura 13-20 nuestra un circuito cerrado unidireccional. La velocidad del motor viene determinada por la variación de desplazamiento de la bomba. El par depende del desplazamiento del motor y del taraje de la válvula de seguridad. Debido a las fugas del circuito cerrado, el caudal de entrada de la bomba sería siempre inferior al de salida, lo que
produciría vacío y cavitación de la bomba. Una conexión a tanque en la línea de baja presión permite que la bomba aspire el aceite necesario del depósito.
13.11.3. Circuitos cerrados reversibles Muchas transmisiones de circuito cerrado incluyen una bomba reversible de desplazamiento variable, con una salida conectada al orificio del motor y el otro orificio del motor conectado a la otra salida de la bomba (fig. 13-21 ). Esto permite que el motor sea accionado en cualquier dirección a velocidades infinitamente variables, determinadas cada una por la posición del control de caudal de la bomba. En el circuito que se muestra, las pérdidas debidas a fugas internas son compensadas por una bomba de prellenado que mantiene una presión positiva en el lado de baja presión del sistema. La protección contra sobrecargas está asegurada por válvulas de seguridad montadas en paralelo.
13.11.3.1. Características de los circuitos cerrados Los circuitos cerrados pueden diseñarse con bombas y motores hidráulicos de desplazamiento fijo o variable, en cualquier tipo de combinación.
A continuación se indican sus características: a) Bomba y motor de desplazamientos fijos. La velocidad y el par de salida son iguales a los de entrada si los desplazamientos son iguales, si no, el par y la velocidad cambian proporcionalmente. b) Bomba de desplazamiento variable y motor de desplazamiento fijo. Esta transmisión se denomina de par constante y potencia variable. El par es siempre proporcional a la presión e independiente de la velocidad, ésta depende del caudal de la bomba que es variable. Un control de inversión del caudal de salida de la bomba permite invertir la dirección de rotación del motor. c) Bomba de desplazamiento fijo y motor de desplazamiento variable. Cuando el desplazamiento del motor puede ser variable pero no el de la bomba, la potencia es siempre proporcional a la presión. Esta transmisión se llama de potencia constante y par variable. Si el motor es del tipo con compensador, cualquier aumento en la carga (par) origina una disminución proporcional de la velocidad. d) Bomba y motor de desplazamientos variables. Algunas aplicaciones de las transmisiones requieren varias combinaciones de par y potencia con relación a la velocidad. Una bomba y un motor de desplazamientos variables permiten una gama de velocidades muy amplia, además de las características de funcionamiento de par constante o de potencia constante. 13.11.3.2. Transmisiones compactas Transmisiones de circuito cerrado, de construcción compacta e integral, están disponibles para muchas aplicaciones, incluso con todas las válvulas y controles en una sola unidad
compacta. Unas unidades típicas se muestran en las figuras 13-22, 13-23 y 13-24. Se construyen con el motor hidráulico incorporado en la unidad o en versiones separadas, con el motor instalado a distancia. 13.12. CUESTIONARIO 1. ¿Por qué una bomba de gran caudal descarga, frecuentemente, al tanque durante la fase de alta presión del ciclo de trabajo? 2. Cuando una válvula de seguridad de control remoto se usa para obtener una segunda presión máxima, ¿cuál de las dos válvulas debe tararse más alta? 3. ¿Cuáles son los dos sistemas para descargar una bomba, al finalizar el periodo de carga de un acumulador? 4. Mencionar dos métodos de transición de avance rápido a trabajo lento. 5. ¿Cómo puede mantenerse la presión, en un cilindro de fijación, durante el retorno del cilindro de trabajo? 6. ¿En qué proporción una válvula de frenado, tipo RC, restringe el caudal, durante la aceleración de un motor hidráulico? 7. Explicar qué diferencia existe entre una transmisión de circuito abierto y otra de circuito cerrado. 8. ¿Qué combinación de bomba y motor hidráulico suministra una transmisión de par constante?
APÉNDICE SÍMBOLOS GRÁFICOS NORMALIZADOS
CAPITULO 12
VALVULAS DE CARTUCHO
El progreso en el desarrollo de los sistemas hidráulicos ha conducido a una mayor utilización de los bloques modulares. Estos bloques reducen mucho el número de los racores requeridos para las líneas de interconexión entre los componentes del sistema lo que elimina muchos puntos potenciales de fugas y reduce la pérdida de fluido. Una válvula de cartucho se inserta.. dentro de una cavidad normalizada en un bloque y se mantiene en su lugar con tornillos roscados o con una tapa asegurada con pernos para completar el diseño con válvulas de cartucho. Este capítulo contiene información sobre la construcción, funcionamiento, y aplicación de dos tipos distintos de estas válvulas: válvulas de cartucho para insertar y válvulas de cartucho para roscar. La mayoría de las primeras son elementos tipo obturador que son controlados normalmente por otra válvula para suministrar una función hidráulica completa (tal como válvula de control del caudal, de la dirección, o de la presión). Las válvulas para roscar pueden ser elementos tipo obturador o corredera. Con unas pocas excepciones, un elemento de cartucho para roscar proporciona una función hidráulica completa.
Ventajas de las válvulas de cartucho Estas válvulas presentan varias ventajas si se las compara con las válvulas convencionales tipo corredera para montar en línea o sobre placa base, para controlar el caudal, la presión o la dirección. En muchas aplicaciones, estas ventajas incluyen: · Mayor flexibilidad para el diseño de los sistemas. · Menor coste de instalación.
· Eliminación de fugas externas y reducción de las internas. · Mayor tolerancia a la contaminación. · Ciclos más rápidos. · Niveles acústicos más bajos. Las válvulas de cartucho ofrecen un diseño alternativo más bien que una substitución de las válvulas convencionales de corredera deslizante. Frecuentemente, el sistema más económico utiliza combinaciones de válvulas de cartucho para roscar y para insertar, con las válvulas convencionales de corredera, todas ellas instaladas sobre un bloque común.
FUNCIONAMIENTO BASICO DE LAS VALVULAS DE CARTUCHO PARA INSERTAR
Estas válvulas son similares a !as válvulas antirretorno con obturador y están formadas por un conjunto deslizante que se inserta en una cavidad mecanizada dentro de un bloque. Una placa de control atornillada sobre este bloque asegura el inserto dentro de la cavidad. Como puede verse en la figura 12-1, este inserto está formado por una camisa, un obturador, un muelle y juntas. El inserto de la válvula de cartucho puede considerarse como la etapa principal de una válvula de dos etapas. Lleva dos orificios "A" y "B". para el caudal principal. Pasajes mecanizados dentro del bloque conectan estos orificios a otros cartuchos o al sistema hidráulico en funcionamiento. Similarmente, un pasaje de pilotaje mecanizado en el bloque, controla el orificio de control "X" como se desee.
· Tamaño menor del bloque. · Mejor funcionamiento y control. · Mas fiabilidad. · Capacidad de presión más elevada. · Funcionamiento más eficiente.
Hay un orificio en el pasaje taladrado entre e1 orificio "X" y la cámara del muelle "A". Su finalidad es reducir la velocidad a la que se abre o se cierra el obturador de la válvula. Hay disponibles varios tamaños de orificio para optimizar o sintonizar la respuesta del cartucho con relación a la del sistema hidráulico completo. E1 diseñador puede seleccionar el tamaño del orificio que proporciona las velocidades máximas de funcionamiento con puntas de presión mínimas.
Relaciones de áreas Como indica la figura 12-2, el inserto de la válvula de cartucho lleva tres áreas ("AA", "Ag", y "AAP") que afectan a la abertura o cierre del obturador en la camisa. "A A" es el área efectiva del obturador expuesta al orificio "A". "AB", la expuesta al orificio "B", y "AAP la expuesta a la cámara del muelle. Esta área es siempre igual a la suma de las áreas “AA” y “AB”. La relación de áreas de un inserto es la relación de áreas de "AA" a "AAP." Hay disponibles tres relaciones distintas: · l:l, cuando "AAP" = "AA" · l:l.l, cuando "AAP" = l.l "AA" · 1:2, cuando "AAP" = 2 "AA"
Tipos de obturadores La figura 12-2A-D muestra la construcción de varios insertos, las tres relaciones de área y los símbolos gráficos
asociados. Como puede verse, el diseño de la punta del obturador y de la camisa cambia de configuración con cada relación de áreas. La figura 12-2A (relación de áreas 1:1) muestra un obturador con extremo de forma cilíndrica y una camisa biselada en el punto en que entra en contacto con el obturador. El inserto mostrado en la figura 12-2B (relación de áreas l:l.l), eleva un obturador biselado y un asiento de mayor diámetro puntiagudo en la camisa, lo que significa que hay un área "AB" relativamente pequeña en el obturador en la que puede actuar la presión en el orificio "B". Esta área es sólo un 10% dcl área "A" en el orificio, “A”. El obturador mostrado en la figura 12-2C (relación de área 1:2) lleva también un extremo biselado, pero la camisa lleva un asiento muy puntiagudo con un diámetro inferior al de la figura 12-2B. La figura 12-2D muestra una relación de áreas de 2:1 con una ranura reguladora en el obturador. El área obturador/asiento os la misma que para el obturador normalizado 1:2. No obstante, el extremo de este obturador es más puntiagudo y lleva una
ranura en "V" para suministrar amortiguamiento o regulación de caudal. Estas diferencias impiden el intercambio de camisas y obturadores entre los insertos de distinta relación de áreas. Relación entre las fuerzas de abertura y de cierre Para diseñar o buscar las averías en un circuito que utiliza válvulas de cartucho para insertar, se necesita saber como determinar si la válvula abrirá o cerrará bajo distintas condiciones del circuito. También hace falta saber como calcular la presión requerida para abrir o cerrar la válvula. Estos cálculos deben tener en cuenta el hecho de que la presión actúa en tres áreas: "AA", "AB"~ y "AAP". Además, hay disponibles tres relaciones de áreas distintas (1:1, 1:1.1 y 1:2) y muelles diferentes. Las fuerzas que mantienen la válvula cerrada son la presión que actúa sobre el área "AAP", más la fuerza del muelle. Las
fuerzas que tienden a abrir la válvula son la presión que actúa en las áreas "A" y "B". Si la suma de las fuerzas que tienden a cerrar es mayor que la de las que tienden a abrir, el obturador se mantiene cerrado. De la misma forma, si la suma de las fuerzas que tienden a abrir es mayor de las que tienden a cerrar, el obturador se abre. La figura 12-3 es el ejemplo de un circuito que utiliza una válvula de cartucho de relación de áreas 1:2 con un muelle de 40 libras (177.93 N). En este circuito, se suministra caudal al cilindro a través de la válvula de cartucho. Obsérvese que el área "AP" es drenada al tanque a través de una válvula direccional. La única fuerza que intenta cerrar la válvula son las 40 libras (177.93 N) del muelle. Supongamos que hace falta una presión de 1000 psi (68.94 bar) (6894.00 kPa) para hacer mover el cilindro. Esto significa que hay 1000 psi (68.94 bar) (6894.00 kPa) de presión en el área "A", 7 bar en el área
Supongamos que: AAP = 2 in2 (12.9 cm2) AA = 1 in2 (6.45 cm2) AB = l in2 (6.45 cm2) Fuerzas para cerrar (Fc) = 40 lbs x (0 psi x 2 in2) = 40 lbs (177.93 N) Fuerzas para abrir (Fa) = (1000 psi x 1 in2 + (1000 psi x 1 in2) = 2000 lb (8896.4 N) Las fuerzas de abertura (2000 lbs) (8896.44 N) son mucho mayores que las de cierre 40 lbs (177.93 N) ,por consiguiente, la válvula estará abierta. Si el inserto en este ejemplo tuviese una relación de áreas de 1:1.1, los cálculos serían: Supongamos que: AAP= 1.1 in2 (7.1 cm2) AA = 1 in2 (6.45 cm2) AB = 0.1 in2 (0.65 cm2) Fuerzas para cerrar (FC) = 40 lbs + (0 psi x 1.1 in2) = 40 libras (177.93 N) Fuerzas para abrir (FA) = (1000 psi x 1 in2) + (1000 psi x 0.1 in2 = 1100 lbs (4893.04 N)
Las fuerzas de abertura 1100 lhs (4893.04 N) son mucho mayores que las de cierre 40 lbs (177.93 N), por consiguiente, la válvula abrirá. En la figura 12-4, se encuentran otros ejemplos de fuerzas de abertura y de cierre.
VALVULAS DE CARTUCHO PARA INSERTAR COMO CONTROLES DE DIRECCION. La sección siguiente estudia el funcionamiento de estas válvulas cuando controlan la dirección y el caudal del fluido hidráulico. Funcionamiento de la válvula antirretorno Cuando se utiliza una válvula de cartucho de relación de áreas 1:2 como válvula antirretorno (Fig. 12-6A), es necesario conectar la cámara "AP" al orificio "B". Si esta conexión no se hace, cualquier presión en este orificio que sea lo suficientemente grande para comprimir el muelle, hará abrir la válvula. Para funcionar como una válvula antirretorno, el cartucho debe abrirse únicamente cuando la presión en el orificio "A" sea mayor que en el "B" más la fuerza del muelle. En la figura 12-6B puede
verse que también puede crearse la función antirretorno conectando la cámara "AP'" al orificio "A", lo que permite el paso libre del caudal de “B” a "A". No obstante, pueden haber fugas desde el orificio "A", a través de la línea de pilotaje, a la cámara "AP", y después a lo largo de la holgura entre el obturador y la camisa, al orificio "B". Para evitar esto, debe y utilizarse siempre para la función antirretorno la disposición mostrada en la figura 12-5A. Válvula de control direccional de cuatro vías Por definición, las válvulas de control direccional de cuatro vías suministran cuatro pasos para el caudal, dos al mismo tiempo. Una aplicación de estas válvulas, es hacer salir, entrar y parar el pistón de un cilindro de doble efecto. Las figuras 12-7, 12-8 y 12-9 muestran como pueden instalarse las válvulas de cartucho para funcionar conjuntamente como una sola válvula de cuatro vías. La figura 12-7 muestra un circuito en el que el pistón sale cuando las áreas "Ap" de dos insertos se conectan al tanque.
Para hacer entrar cl pistón (Fig. 12-8), la salida de la bomba debe comunicarse al extremo del vástago dcl cilindro mientras que el extremo opuesto debe conectarse al depósito. Otro par de válvulas de cartucho proporciona estos pasos para el caudal. Ahora, las áreas "Ap" deben estar también comunicadas al tanque. La figura 12-9 muestra un circuito en el que las cuatro válvulas de cartucho de las dos figuras anteriores vienen pilotadas por una válvula de dos solenoides centrada por muelles. La presión de pilotaje se obtiene mediante una derivación en la línea de presión del sistema principal y se aplica a la cámara piloto de cada cartucho cuando los solenoides de la válvula de pilotaje están desexcitados. Las cámaras piloto de las válvulas 1 y 3 están interconectadas, como también lo están las cámaras de las válvulas 2 y 4, de forma que estos pares de válvulas se abren o cierran al mismo tiempo. Esto forma esencialmente un circuito de centro cerrado, porque los cuatro cartuchos permanecen cerrados cuando se desexcitan los dos solenoides de la válvula de pilotaje.
Al excitar el solenoide S1 se drenan al depósito las áreas "Ap" de los cartuchos 2 y 4, mientras se mantiene la presión de pilotaje en las áreas "Ap" de los cartuchos 1 y 3. La presión del sistema que actúa sobre el área "B" del cartucho 2 hace abrir la válvula, dirigiendo el caudal de la bomba a la sección mayor del cilindro. El caudal de retorno desde el lado del vástago del cilindro pasa a tanque a través del cartucho 4 cuando la presión en el lado del vástago es lo suficientemente elevada para vencer la fuerza del muelle que actúa sobre el obturador de la válvula de cartucho. El pistón del cilindro se mueve hacia la derecha. La excitación del solenoide S2 drena las áreas "Ap" de los cartuchos 1 y 3 y aplica presión a las áreas "Ap" de los cartuchos 2 y 4 lo que hace que el vástago del cilindro se desplace hacia la izquierda. Las válvulas convencionales de corredera deben dimensionarse para el caudal más elevado que pase por cualquier orificio. Por otra parte, las válvulas de cartucho deben dimensionarse únicamente para el caudal requerido
para cada orificio individual, lo que supone una economía y se optimiza el tamaño del sistema. Pueden controlarse caudales muy elevados con una válvula direccional piloto de tamaño pequeño y cuatro válvulas de cartucho. Esta disposición es similar a la de 1a válvula direccional tipo corredera de tres posiciones distintas que se muestra a la derecha de la figura 12-9. Se muestran las flechas paralelas, las flechas cruzadas y la posición central. Obsérvese que en esta posición, aparece una válvula antirretomo en cada línea dirigida al cilindro. Esto se hace para indicar que cuando no está excitado ningún solenoide, una fuerza extrema actuando sobre el vástago del pistón podría hacer que la válvula se abriese. Esto puede ocurrir cuando la presión en la sección mayor del cilindro sea mayor que la presión del sistema. En tal caso, la presión del sistema actuando sobre el área "B", ligeramente superior que la presión del sistema actuando sobre el área "A", se combina para vencer la presión del sistema y el muelle que actúa sobre el área "Ap". (Si el vástago fuese atraído en vez de
empujado, se abriría la válvula 3 en lugar de la 2). En cualquier caso, el pistón del cilindro no está cerrado hidráulicamente como lo sería con una válvula de corredera de centro cerrado. Si la bomba se pone a descarga o se para, se pierde la presión de pilotaje y puede abrirse cada cartucho cuando se vence la fuerza del muelle. Esta condición no es aceptable cuando cargas verticales o fuerzas exteriores al cilindro pueden ser lo suficientemente elevadas para hacer mover su pistón. Para resolver este problema pueden añadirse tres pequeñas válvulas antirretorno (Fig. 12-10). Estas válvulas permiten que la presión más elevada disponible actúe como presión piloto, creando un centro cerrado verdadero.
Tapa con interfase para la válvula piloto En la figura 12-14 pueden verse dos tapas que llevan una interfase para la válvula piloto: una es NFPA-D03 y la otra NFPA-D05. Los orificios auxiliares "Z1" y/o "Z2" pueden conectarse en el bloque a los pilotos de otras válvulas para originar un funcionamiento simultáneo de más de una válvula de cartucho con una sola válvula piloto. Desde luego, es posible instalar sobre la tapa cualquier tipo de electroválvula (tal como retomo por muelle, con retención mecánica, o centrada por muelles), según cuales sean los requerimientos particulares del circuito. La figura 12-14 muestra un bloque completo, incluyendo las tapas e insertos. Es la misma válvula de cuatro vías tipo cartucho que aparece en la figura 12-8.
Circuito diferencial de control de la dirección La figura 12-1l muestra como el cilindro en el circuito de la figura 12-9 puede convertirse en diferencial sin añadir más solenoides. Se substituye la válvula piloto de tres posiciones y dos solenoides, por dos válvulas de dos posiciones y un solo solenoide. Cuando se excitan simultáneamente los dos, el circuito funciona en montaje diferencial. En la figura 12-12, se añaden dos válvulas adicionales de dos posiciones y un solo solenoide para crear un circuito independiente de pilotaje. El funcionamiento de cada válvula de cartucho con una electroválvula produce un circuito equivalente al de una válvula de corredera de 16 posiciones, como se muestra al final de la figura. Cinco de estas posiciones dan las mismas condiciones de caudal, lo que deja doce combinaciones distintas de vías. Esta disposición facilita el control independiente de cada cartucho, lo que permite una transición suave de una fase de funcionamiento a otra.
Tapa con válvula selectora Una tapa con válvula selectora (Fig. 12-15) selecciona la más elevada de dos presiones de pilotaje y la dirige al área "Ap" del muelle. Los orificios "X" e "Y" envían fluido a cada extremo de esta válvula. La cámara de1 muelle, de área "Ap" y el orificio "Z " están conectados a la sección central de la válvula selectora. Estas tapas están también disponibles con interfase para la válvula direccional piloto NFPA-D03 (Fig. 12-16). Tal como se muestra, cuando el solenoide está desexcitado, la presión más elevada en los orificios "X" o "Y" es transmitida por la válvula de cambio al área del muelle del obturador para cerrar éste. Cuando se excita el solenoide, la cámara del muelle se drena y el fluido puede pasar en cualquiera de las dos direcciones venciendo únicamente el muelle que mantiene el obturador cerrado.
Tapas para las válvulas de control direccional
Tapa con válvula antirretorno pilotada
La tapa asegura al inserto dentro de la cavidad del bloque y contiene pasajes de pilotaje para controlar el obturador insertado. Hay varios tipos de tapas. Una tapa básica, como la mostrada en la figura 12-13, lleva un pasaje de pilotaje con un orificio reemplazable para controlar la velocidad con la que el obturador se cierra o se abre. Las puntas de presión pueden evitarse fácilmente dimensionando cuidadosamente los orificios en la tapa de la válvula y controlando la secuencia de abertura y de cierre de los cartuchos individuales de la válvula de control direccional. En las válvulas convencionales tipo corredera, la abertura o cierre de los cuatro orificios se efectúa simultáneamente, lo que hace más difícil evitar los golpes.
Esta tapa (Fig. 12-17) puede aplicarse de forma muy similar a las otras válvulas antirretorno pilotadas. Se utilizan tres orificios de pilotaje. - El orificio "X" que está taladrado en el bloque a la señal piloto. - El orificio "Y" que está taladrado en el bloque para conectar con el orificio "B" del conjunto insertado. - El orificio "Z1" que está conectado a la línea de drenaje.
Cuando no hay señal piloto al orificio "X" en la tapa, un muelle que actúa contra un pistón ranurado, mantiene la esfera contra el asiento de la derecha, bloqueando el orificio de drenaje "Z1" y abriendo el orificio piloto "Y" al orificio "Ap". El obturador insertado funciona como una válvula antirretomo normalizada con paso libre del caudal desde "A" a "B". El área "Ap", presurizada desde el orificio "B" a través del pasaje de "Y", bloquea el paso del caudal en et sentido contrario de "B" a "A". Cuando se aplica una presión piloto, que sea por lo menos un 30% de la presión en "Y", se aplica al pistón de pilotaje a través dcl orificio "X", este pistón mueve la esfera contra el asiento de la izquierda y bloquea el orificio "Y" del área "Ap" del inserto. Al mismo tiempo, esta área se abre al orificio "Z1" y al drenaje. Ahora, es posible el paso del caudal desde "B" a "A", si la relación de áreas es distinta de l:l.
Válvulas de cartucho para insertar como controles de presión La sección siguiente está dedicada al funcionamiento de las válvulas de cartucho para insertar utilizadas para las funciones de seguridad y de reducción de presión. Válvula de seguridad La válvula de seguridad de cartucho funciona igual que una válvula de seguridad tradicional. Como indica la figura 1219, es una válvula de seguridad pilotada de dos etapas. En una válvula de seguridad pilotada tradicional, la corredera lleva un agujero sensor de 0.040 pulgadas (1 mm) a su través. En la versión de cartucho, el pasaje sensor es un agujero taladrado en el bloque que conecta el orificio "A" al "X" y al orificio de control en la tapa. Obsérvese que hay tres conexiones de pilotaje en la interfase de la tapa. "X" es la conexión sensora de pilotaje, "Y" es la conexión de drenaje, y "Z" es la conexión de mando
a distancia. El caudal a través de la etapa principal va de "A" a "B". El orificio "Y" puede conectarse a "B" o a un drenaje separado. Como una válvula de seguridad convencional, cualquier contrapresión en el orificio de drenaje se suma directamente al taraje de la válvula. El orificio "Z" puede estar taladrado en el bloque o conectarse a tanque o a un control a distancia. Si no hace falta, no se taladra en el bloque. Hay disponibles tres intervalos de taraje cambiando los muelles de la sección piloto. El muelle de la etapa principal es el mismo en todos los casos. Funcionamiento de la válvula de seguridad Generalmente, se utiliza un inserto de relación de áreas l:l en la etapa principal. El orificio "A" se conecta a la presión del sistema y el "B", al tanque. El muelle ajustable de la tapa determina el ajuste de presión de la válvula. A presiones inferiores a este taraje, la presión en el área "Ap" es igual a la presión del sistema en el orificio "A", debido a que el pasaje sensor de pilotaje conecta "A" al área "Ap" a través de los orificios "X" y de control. Debido a que el área "A" es
igual a la "Ap" (relación l:l), y que la presión en ambas áreas es la misma, el muelle del inserto mantiene la corredera cerrada contra el asiento en la camisa. Válvula reductora La válvula reductora de cartucho para insertar (Fig. 12-21) es similar a la válvula reductora tradicional. En la tapa, lleva una válvula piloto que está formada por un tornillo ajustable, un muelle, y un obturador. La tapa lleva también un control de caudal para limitar el caudal de pilotaje desde la válvula piloto al drenaje "Y". El inserto del cartucho es la etapa principal y está formado por una corredera deslizante mantenida normalmente en la posición abierta dentro de la camisa mediante un muelle. Funcionamiento de la válvula reductora. E1 orificio "B" es la entrada a alta presión, y el "A" es la salida a presión reducida. A todas las presiones inferiores al taraje de la válvula piloto en la tapa, las presiones en
el área "Ap", cl orificio “B” y el “A” son iguales, y el muelle del inserto mantiene la corredera contra el anillo de retención en la camisa. Esta es la posición normalmente abierta de la válvula reductora. Cuando la presión llega al taraje de la válvula piloto, la presión en el área ".Ap" queda limitada a este valor. Si la presión en los orificios "A" y "B" continua aumentando, se establece un pequeño caudal del pilotaje desde "B" a través del orificio piloto "X", el control de caudal compensado por presión, y el obturador de la válvula piloto, al drenaje "Y". Cuando la presión que va aumentando en el orificio "A" se iguala con la presión en "Ap" más el valor del muelle del inserto, la corredera se cierra lo suficiente¡¡¡ para limitar la presión de salida en el orificio "A" a este valor, mientras que la presión en el orificio de entrada "B" puede continuar aumentando. Cualquier punta de presión en "A" que cierre momentáneamente la corredera queda eliminada a través de
la pequeña válvula antirretorno incorporada en la corredera. El control de caudal compensado por presión incorporado en la tapa mantiene un caudal de pilotaje constante a través del obturador de la válvula piloto, que reduce el margen de sobrepresión. Si se utilizase un orificio fijo, este caudal podría aumentar al aumentar la presión en el orificio "B". Cuando la presión del sistema llega al taraje de la válvula de seguridad piloto dc la tapa, la presión en el área "Ap" queda limitada a este valor. Si la presión del sistema continua aumentando, se establece un pequeño caudal de pilotaje a través del orificio piloto "X", el orificio de control, el obturador dc la válvula piloto, el orificio "Y", y el drenaje. El orificio de control limita la magnitud de este caudal de pilotaje. Cuando la presión del sistema aumenta más allá de la presión en "Ap" más el valor del muelle del inserto (aproximadamente 30 psi, 2.07 bar, 206.82 kPa), la corredera de éste se abre permitiendo que el caudal pase de "A" a "B" y al tanque, lo que limita la presión máxima del sistema.
Válvula de seguridad drenada al tanque Válvula de control de caudal no compensada por presión Sobre la tapa de una válvula de seguridad con una interfase adecuada puede montarse una electroválvula con un solo solenoide y retorno por muelle (Fig. 12-20). Con el solenoide desexcitado, la válvula de seguridad está drenada al tanque a través de la electroválvula, "P" a "B" a "Y" (el drenaje). Cuando se excita el solenoide, se bloquea la comunicación a tanque en la electroválvula, y la válvula de seguridad queda cerrada para todas las presiones inferiores a su taraje. Válvulas de cartucho para insertar como controles de caudal Hay dos tipos básicos de controles de caudal: Compensados por presión y no compensados por presión. Estos últimos se utilizan cuando las presiones debidas a las cargas se mantienen relativamente constantes y no se requiere demasiada precisión. Pueden ser tan sencillos como un orificio fijo o una válvula ajustable de aguja.
Una válvula de cartucho con un ajuste de carrera en la tapa y un obturador con ranuras reguladoras (Fig. 12-22) suministra un control no compensado por presión del caudal muy parecido al de una válvula de aguja. No obstante, la válvula de cartucho presenta una característica adicional: puede abrirse o cerrarse sin cambiar el ajuste del estrangulamiento comunicando a tanque o presurizando la cámara del muelle. La tapa con el ajuste de carrera lleva un pasador que se extiende dentro de la cámara dcl muelle. Este pasador limita la distancia que el obturador puede alejarse de su asiento. El símbolo gráfico de una tapa con la característica de carrera ajustable incluye un rectángulo que representa el accionamiento manual y una flecha que indica que la carrera es ajustable.
La figura 12-23 muestra una aplicación de la tapa con ajuste de carrera con un obturador con ranuras reguladoras en "V". Este es un sistema de regulación no compensada por presión que controla la velocidad de salida del pistón regulando el caudal de aceite que entra en la sección mayor del cilindro.
Un aumento en la carga del cilindro haría subir la presión en el orificio "X" lo que elevaría el nivel de presión en "A" en la misma proporción lo que mantendría constante la pérdida de carga a través del estrangulamiento. Esto, a su vez, mantendría constante el caudal que pasa por el mismo.
Control de caudal compensado por presión, tipo por derivación de caudal
La presión a la salida de la bomba es aproximadamente 30 psi (2.07 bar) (206.82 kPa) más elevada que la que pide la carga. Con esta disposición no se limita la presión máxima.
Este tipo de control proporciona un caudal constante igual al caudal ajustado manteniendo una pérdida de presión constante e independiente de la carga, a través de un estrangulamiento. Un obturador de relación de áreas l:l y una tapa normalizada, como se muestra en la figura 12-24, suministran la compensación por presión a un cartucho regulador de caudal instalado en derivación. El caudal que pasa por el estrangulamiento de una válvula de cartucho que lleva un ajuste de carrera y un obturador regulador de 1:2, origina una pérdida de carga. Esta es detectada a lo largo del inserto l:l y los orificios "A" y "X" del compensador por presión. Cuando la pérdida de carga se iguala al taraje del muelle del inserto (aproximadamente 30 psi, 2.07 bar, 206.82 kPa), el obturador se abre y envía el exceso de caudal al depósito.
En la figura 12-25 se muestra una limitación de osta presión suministrada reemplazando la tapa básica del inserto l:l de la válvula compensada por presión por otra con una válvula de seguridad incorporada. Esta válvula de seguridad piloto limita la presión en el área "Ap" del obturador. La presión máxima del sistema viene limitada por esta presión más el taraje del muelle del compensador.
Control de caudal compensado por presión, tipo por estrangulamiento en serie Un inserto de válvula reductora con una tapa normalizada actúa como un compensador de presión
cuando se conecta en serie con un inserto regulador del caudal de 1:2 (Fig. 12-26). Con este control de caudal pueden diseñarse circuitos con regulación a la entrada, a la salida, o por substracción. La presión de salida del orificio "B" se aplica al área "AP" del compensador por presión mediante una línea sensora de carga. El estrangulamiento restringe el caudal, de forma que la presión en los orificios "A" del estrangulamiento y del compensador aumentará. Cuando esta presión se iguala con la presión en el área "Ap" de la corredera del compensador más el taraje de su muelle, esta corredera se cerrará lo suficientemente para limitar la presión a este valor. Por consiguiente, la diferencia de presiones entre los orificios "A" y "B" del estrangulamiento será siempre igual al taraje del muelle del compensador. Con una diferencia constante de presiones asegurada a través del estrangulamiento, el caudal será constante hasta que éste se ajuste para un caudal mayor o menor.
VALVULAS DE CARTUCHO REGULADORAS DE CAUDAL PROPORCIONALES Una válvula reguladora de caudal proporcional es una válvula normalmente cerrada, controlada por un solenoide, que se abre proporcionalmente a una señal eléctrica a éste enviada. En la sección siguiente se estudian las válvulas de cartucho proporcionales de mando directo y de dos etapas, tipo cartucho para insertar. Válvulas reguladoras de caudal proporcionales y de mando directo El caudal que pasa a través dc estas válvulas (Fig. 12-27) es controlado desde el orificio "A" al "B". La corredera está equilibrada hidráulicamente mediante un pasaje taladrado que conecta el área "A" a un área anular igual. Un muelle mantiene la corredera normalmente cerrada cuando no se envía ninguna señal eléctrica al solenoide.
solenoide. Un sensor de posición, llamado LVDT (linear variable differencial transformer), transformador diferencial variable lineal, está situado en la armadura del solenoide para controlar su movimiento (Ver el capítulo 14 para más información sobre el LVDT).
entonces esta corredera. Y el sensor de posición LVDT genera una señal que se compara con la señal de entrada al solenoide. Cuando ambas señales son iguales, la corredera principal suministra una abertura que es proporcional a esta señal de entrada.
Una señal de entrada al solenoide abre la válvula hasta que la señal dcl LWT se equilibra con ella. Por consiguiente, la abertura de la válvula es proporcional a la señal de entrada.
VALVULAS DE CARTUCHO PARA ROSCAR
Válvulas de cartucho reguladoras proporcionales de dos etapas
de
caudal
Para tamaños mayores de cartucho, se requiere una válvula. de dos etapas (Fig. 12-28). E1 solenoide proporcional actúa directamente sobre una corredera piloto con retomo por muelle. Cuando se desexcita la bobina, el aceite de pilotaje procedente del orificio "A" es dirigido a la parte superior de la corredera principal. Por consiguiente, ésta está equilibrada hidráulicamente cuando se mantiene cerrada por su muelle. Cuando se aplica una señal al solenoide, la corredera piloto se mueve contra su muelle para abrir parcialmente el paso del aceite de pilotaje al depósito, lo que origina que la presión piloto disminuya en la cámara del muelle de la corredera principal. La presión en el orificio "A" abre
Estas válvulas son un segundo grupo de válvulas de cartucho que se utilizan para controlar la presión, el caudal, y la dirección. Como se ha visto anteriormente en este capítulo, estas válvulas realizan funciones similares, pero funcionan de forma distinta que las válvulas de cartucho para insertar. La sección siguiente estudia los aspectos en que estas válvulas difieren unas de otras.
Características únicas de las válvulas de cartucho para roscar La diferencia principal entre ambos tipos de válvulas se refiere a la forma en que se realizan sus funciones de control hidráulico. Típicamente, las válvulas para insertar dependen de una válvula piloto para poder realizar una
función hidráulica completa. La mayoría de las válvulas para roscar pueden realizarla por si solas. Ambos tipos de válvulas también difieren en aspectos de diseño. Mientras que la mayoría de las válvulas para insertar son del tipo obturador, las de roscar combinan obturadores y correderas. Como todas las válvulas de cartucho, las diseñadas para roscar pueden instalarse en un bloque o utilizarse como conjuntos individuales. No obstante, a diferencia de las válvulas para insertar, el exterior de una válvula para roscar lleva roscas que pueden atornillarse en un bloque o una cavidad individual. El diseño roscado difiere del de insertar que no tiene roscas y lleva una tapa que mantiene los elementos de la válvula en su lugar. Las válvulas de cartucho para roscar comparten las características de flexibilidad con las válvulas para insertar.
Tiene piezas normalizadas comunes que las hacen más fácilmente intercambiables y más fáciles de mantener que otros tipos de válvulas. Como indica la figura 12-29, las válvulas de cartucho para roscar y sus cavidades pueden realizar funciones de dos, tres, tres corto y cuatro vías. Estas funciones se refieren a válvulas y cavidades con dos, tres orificios, tres orificios y uno actuando como piloto (tres vías, corto), y cuatro vías. En 1a misma cavidad pueden instalarse muchas funciones distintas. Para visualizar su flexibilidad, todos los diferentes tipos de válvulas mostrados en la figura 1230 pueden instalarse en la misma cavidad para dos vías. En la sección siguiente, se examinarán algunas de las características y funcionamiento del diseño básico de una serie de estas válvulas que proporcionan funciones de control del caudal, de la presión y de la dirección.
VALVULAS DE CARTUCHO PARA ROSCAR COMO CONTROLES DE DIRECCIÓN Ambas válvulas de cartucho, para insertar y para roscar, se utilizan para funciones de control direccional. Los tipos para roscar se utilizan para controlar la dirección de los fluidos hidráulicos incluyendo una variedad de válvulas de mando eléctrico, hidráulico, manual giratorio, eléctrico pilotado, válvulas antirretorno y válvulas selectoras.
Válvulas de control direccional de dos vías La figura 12-31 representa una válvula de dos vías tipo obturador, normalmente cerrada, controlada eléctricamente y pilotada hidráulicamente. La válvula lleva dos orificios (entrada y salida), con el orificio de entrada lateral y el de
salida en la base. Cuando el solenoide no está excitado, se bloquea el paso del caudal desde el orificio de entrada al de salida, debido a que un pequeño orificio en el lado del obturador principal permite que la presión en el orificio de entrada actúe dentro del obturador. Puede haber caudal del retorno desde el orificio de salida al de entrada cuando la presión a la salida supera a la de entrada combinada con el muelle de la armadura. Cuando se excita el solenoide, la armadura se eleva y hace subir el pasador piloto fuera de su asiento en el obturador principal. Esto expone un orificio mayor que el del lado de la corredera principal. Ahora, es posible el paso del caudal desde el orificio de entrada hasta el de salida, debido a que la presión en el orificio de entrada no puede actuar dentro de la corredera principal como cuando el orificio mayor estaba
bloqueado por el pasador piloto. Es también posible el paso libre del caudal desde la salida a la entrada cuando el solenoide está excitado. Este caudal circula debido a que un pequeño disco antirretorno en la base de la corredera principal cierra el orificio mayor cuando la presión a la salida excede a la de entrada. La válvula tipo corredera accionada eléctricamente mostrada en la figura 12-32, es una válvula normalmente cerrada con dos orificios. Según cual sea la posición de la corredera, esta válvula puede bloquear o permitir cl paso del caudal en ambas direcciones, al contrario de lo que ocurría con la válvula de obturador, que sólo puede bloquear el caudal en una dirección. Como indica la figura, cuando el solenoide no está excitado, la válvula está cerrada y el caudal está bloqueado en ambas direcciones. Cuando se excita el solenoide, la corredera equilibrada hidráulicamente se mueve para permitir el paso del caudal en ambas direcciones. En la figura 12-33, se muestra una válvula tipo obturador con dos orificios, normalmente abierta, accionada eléctricamente y controlada hidráulicamente. Esta válvula permite el paso libre del caudal en el sentido contrario. Cuando el solenoide no está excitado, el caudal pasa libremente desde el orificio dc entrada al de salida en la base.
Como ya se ha visto en otras válvulas que hemos descrito anteriormente, un disco antirretorno en la base del obturador permite que el fluido salga por el orificio mayor, lo que hace que la presión disminuya dentro del obturador. El disco antirretorno se cierra cuando el fluido empieza a llegar desde el orificio de salida, lo que impide que la presión aumente dentro del obturador. Cuando se excita el solenoide, su armadura empuja el pasador piloto hacia abajo para cerrar el orificio mayor en la corredera principal. Esto bloquea el caudal de la entrada a la salida, porque la presión a la entrada actúa dentro del obturador principal mediante el pequeño orificio lateral. Puede haber caudal en el sentido contrario desde la salida a la entrada cuando se excita el solenoide y la presión en el orificio de salida es mayor que la de entrada en una magnitud igual a los valores del muelle y del solenoide. Obsérvese que si esta válvula se instala en cualquier posición que no sea la vertical, el obturador puede no estar en su asiento cuando el solenoide no está excitado. No obstante, debido a que en esta situación no hay ninguna restricción sobre el caudal, esto no afecta al funcionamiento de la válvula.
La figura 12-34 muestra una electroválvula tipo corredera, de accionamiento directo y normalmente abierta. Es una válvula de cartucho de dos vías que permite el paso del caudal en ambas direcciones cuando e1 solenoide no está excitado. Cuando éste se excita, la corredera se mueve para bloquear el paso del caudal a través de la válvula. Válvula de control direccional de tres vías Esta válvula se muestra en la figura 12-35. Cuando no se excita el solenoide, el muelle desplaza la corredera a la posición que permite el paso del caudal entre !os orificios "B" y "C" en ambas direcciones. Cuando se excita el solenoide, el solenoide obliga a moverse a la corredera a su segunda posición que bloquea el orificio "C" y permite el paso del caudal en ambas direcciones entre los orificios "B" y "A". Válvula de control direccional de cuatro vías Con las válvulas de cartucho para roscar hay también válvulas direccionales de cuatro vías. Por ejemplo, la figura
12-36 representa una válvula de corredera accionada eléctricamente, de dos posicione, y cuatro vías. Cuando el solenoide no está excitado, el muelle desplaza la corredera a la posición que conecta el orificio "P" al "C1", y el "C2" al "T". Cuando se excita el solenoide, la corredera se mueve para conectar el orificio "Cl" al "T", y el "P" al "C2". Válvula manual de control direccional Además de las válvulas accionadas hidráulicamente y controladas eléctricamente, hay también válvulas accionadas manualmente que realizan funciones de control direccional. La figura 12-37 muestra una válvula tipo corredera de dos posiciones y tres orificios de mando manual giratorio. La posición de la corredera y, por consiguiente, la dirección del caudal, se cambian haciendo girar 90º un botón manual. Una posición de la corredera permite que el caudal circule entre los orificios "C" y "B", y bloquea el orificio "A"; la segunda posición permite el paso del caudal entre "A" y "B" y bloquea “C”.
Cuando el botón se substituye por una palanca con retención mecánica, la válvula se convierte en una válvula de tres posiciones con todos los orificios bloqueados en la posición central. Válvulas de hidráulicamente
control
direccional
accionadas
Estas válvulas son otro grupo de válvulas de control direccional. La figura 12-38 muestra una válvula pilotada hidráulicamente con tres orificios: "A", "B", y "C". La corredera deslizante de la válvula tiene dos posiciones y retorno por muelle. Cuando la presión del muelle es superior a la de pilotaje, el caudal pasa de "A" a "B", y el orificio "C" queda bloqueado. La cámara del muelle está drenada internamente al orificio "A". Por consiguiente, la presión piloto debe ser mayor que la presión del muelle más cualquier presión en el orificio "A", para accionar la válvula. Cuando la presión piloto vence las presiones que se le oponen, la corredera se mueve para bloquear el orificio "A" y permitir el paso del caudal entre los orificios "C" y "B".
Válvulas antirretorno Las válvulas de cartucho para roscar incluyen válvulas antirretorno que controlan también la dirección del fluido hidráulico. La figura 12-39 es una válvula antirretorno simple con obturador. Hay disponibles diferentes muelles que requieren presiones distintas de abertura hasta 300 psi (20.68 bar, 2068.20 kPa). Las válvulas de cartucho para roscar pueden ser también válvulas antirretomo pilotadas, como el ejemplo mostrado en la figura 12-40. En ésta válvula, el área del pistón piloto es cuatro veces mayor que el área del asiento. Es posible el paso libre del caudal en el sentido contrario cuando la presión piloto es por lo menos la cuarta parte de la presión en la cámara del muelle combinada con la tensión de éste. Válvulas selectoras Las válvulas selectoras son otro grupo de válvulas de cartucho para roscar que se utilizan para el control direccional. La válvula en la figura 12-41 es una válvula de esfera con tres orificios. Cuando la esfera está apoyada en uno de los orificios de entrada, hay paso libre del
caudal entre el otro orificio de entrada y la salida. Cuando la presión en el orificio de entrada bloqueado obliga a separarse la esfera, el otro orificio de entrada que antes estaba libre, se bloquea, permitiendo el paso libre del caudal del orificio previamente bloqueado al orificio de salida. La válvula direccional mostrada en la figura 12-42 es una válvula selectora para refrigerar el aceite. Es una válvula de mando hidráulico, tipo corredera centrada por muelles y lleva tres orificios. Estas válvulas se utilizan frecuentemente en los sistemas con transmisiones hidrostáticas. Como ya se indica en el circuito de la transmisión hidrostática cerrada de la figura; esta válvula selectora hace que un nuevo suministro de aceite hidráulico frío entre en el sistema procedente de la bomba de prellenado, permitiendo que una igual cantidad de aceite caliente. usado pase del orificio "P" al "T" y después a través de la válvula de seguridad de presurización.
VALVULAS DE CARTUCHO PARA ROSCAR COMO CONTROLES DE PRESION Los tipos de válvulas de cartucho para roscar utilizados para controlar la presión incluyen válvulas de seguridad, válvulas reductoras y de seguridad, válvulas de secuencia, y válvulas de descarga.
Válvulas de seguridad La figura 12-43 muestra una válvula de seguridad sencilla de mando directo y normalmente cerrada. Cuando la presión que actúa en el orificio "P" vence al taraje del muelle, la válvula se abre para dirigir el aceite de "P" a "T". La figura 12-44, es una válvula de seguridad pilotada, normalmente cerrada. Otra vez, la presión del sistema está aplicada en el orificio "P", y el "T" está conectado al depósito. La corredera de la etapa principal está equilibrada hidráulicamente hasta que la presión del sistema llega al taraje de la válvula piloto. Cuando la presión del sistema vence a este taraje y al del muelle ligero, la corredera se eleva para dirigir el aceite al depósito. Válvulas reductoras y de seguridad Una válvula de cartucho puede también servir como válvula reductora y de seguridad al mismo tiempo. La válvula de la figura 12-45 es una de estas válvulas de mando directo. El orificio primario del sistema es el orificio lateral más bajo, la presión reguladora está en el orificio inferior, y el orificio de tanque es el orificio lateral más elevado. En esta válvula, cuando la presión a la salida es inferior a su taraje, la corredera baja para permitir el paso libre del caudal desde el orificio primario a la salida lo que bloquea el
paso del caudal al depósito. Cuando la presión a la salida llega al taraje de la válvula, la corredera se aleja del orificio de salida para restringir parcialmente el paso del caudal, limitando por consiguiente la presión en el orificio de salida. Cuando la presión a la salida excede del taraje de la válvula, la corredera se desplaza todavía más para permitir el paso del caudal al depósito. El movimiento de la corredera bloquea también el orificio primario de presión. Existe también una válvula de cartucho para roscar pilotada, normalmente abierta, para !as funciones de seguridad y de reducción de presión (fig. 12-46). Como puede verse, en esta válvula los orificios de presión, presión reducida y tanque están en la misma posición que en la válvula de mando directo que acabamos de ver. La diferencia en esta válvula es que la presión en la cámara del muelle ligero de la etapa principal viene limitada por !a válvula piloto tipo esfera. En consecuencia, la presión en el orificio de salida viene limitada a la presión de la válvula piloto más la presión del muelle ligero. Esta válvula, además de utilizar una etapa de pilotaje, funciona como una válvula de seguridad y reductora de presión de mando directo. Válvula de secuencia Otro tipo de válvula de cartucho para roscar utilizada como control de presión, es la válvula de secuencia de corredera y
de mando directo (fig. 12-47). Esta válvula lleva pilotaje interno para poder mantener presión en el sistema primario en su parte inferior. El orificio de secuencia es el orificio lateral más bajo, mientras que et lateral más alto se conecta al depósito. Cuando la presión es inferior al taraje ajustable de la válvula, el orificio primario está bloqueado y el de secuencia está conectado al depósito. Cuando 1a presión en el orificio primario llega al taraje de la válvula, la corredera se levanta para permitir el paso del caudal desde el orificio primario al de secuencia. Cuando esto ocurre, el orificio de tanque está bloqueado.
Válvula de descarga Otra válvula de cartucho para roscar similar es la válvula de descarga mostrada en la figura 12-48, que es también una válvula tipo corredera pero con pilotaje externo. Como la figura indica, cl orificio piloto de esta válvula es el situado en su parte inferior, el ori6cio primario es el lateral más elevado, y el de tanque el lateral inferior. Cuando la presión de pilotaje es inferior al taraje ajustable de la válvula, el orificio de presión está bloqueado. Cuando esta presión excede del taraje, la corredera se mueve hacia arriba y abre e1 paso del caudal desde el orificio primario al depósito.
Las válvulas de cartucho para roscar como controles de caudal Además de las funciones de control de la presión y de la dirección, las válvulas de cartucho para roscar pueden también utilizarse para controlar el caudal. Los tipos utilizados incluyen válvulas de aguja, válvulas reguladoras de caudal, válvulas en derivación, válvulas de prioridad y divisores de caudal.
Válvula de aguja La figura 12-49 representa una válvula de control del caudal tipo estrangulamiento variable denominada válvula de aguja que lleva una corredera tipo aguja cónica para suministrar un control preciso del caudal o aplicaciones de válvula de paso. No existe compensación por presión en esta válvula. El caudal puede ser regulado en ambas direcciones.
Válvulas reguladoras de caudal compensadas por presión La figura 12-50 muestra una válvula reguladora de caudal no ajustable, tipo estrangulamiento. Esta válvula suministra un caudal constante aunque varíe la presión debida a la carga. Como indica la figura, el caudal compensado por presión circula únicamente desde el orificio de entrada al de salida. El tamaño del pasaje en el orificio de salida se modula para mantener constante la diferencia de presiones a través del orificio de control. La pérdida de carga en este orificio se fija en fábrica y viene determinada por el muelle de la válvula. La figura 12-51 muestra otro tipo de control de caudal del tipo estrangulamiento variable compensado por presión. Esta válvula es ajustable. De nuevo, la compensación por presión funciona desde el orificio de entrada al de salida. Como puede verse, esta válvula incluye dos válvulas de cartucho para roscar. Uno es un orificio sencillo ajustable y el otro un compensador por presión tipo estrangulamiento variable. El cartucho compensador por presión mantiene una pérdida de carga constante (igual al taraje del muelle) a lo largo del cartucho de orificio ajustable variando la pérdida de carga a través de la corredera del compensador al orificio de salida cuando varía la presión de la carga.
Válvulas compensadoras por presión por derivación del caudal Estas válvulas son otro grupo de válvulas de cartucho utilizadas para regular el caudal y pueden ser ajustables o no ajustables. La figura 12-52 muestra este último tipo.
El caudal desde el orificio de entrada al orificio del caudal regulado, esta compensado por presión. Cualquier caudal superior al fijado por la válvula es derivado por un orificio en derivación. Si esta línea en derivación va al tanque, la válvula se denomina válvula de control compensada por presión por derivación de caudal. Si esta línea envía el caudal a una segunda función de carga, la válvula se llama válvula de prioridad, porque la primera operación es prioritaria respecto a la segunda. En al figura 12-53, puede verse otro tipo de estas válvulas. Como las válvulas reguladoras de dos cartuchos, estudiadas anteriormente, esta válvula contiene también dos cartuchos: uno es una corredera compensada por derivación de caudal, mientras que el segundo es un orificio ajustable.
Válvulas divisoras de caudal La válvula de control de caudal mostrada en la figura 1254A es un divisor de caudal, no ajustable, compensado por presión. Esta válvula divide o combina el caudal en una cierta proporción con independencia de la variación de la presión o de la carga. Esta figura muestra la posición neutra de las correderas cuando no hay cargas ni fuerzas de presión. El ejemplo de la figura 12-54B muestra la función divisora de caudal. Cuando el caudal entra por el orificio de presión, la contrapresión creada por los orificios fijos separa las correderas hasta que los extremos quedan enganchados. Estas trabajan conjuntamente para compensar las variaciones en la presión de la carga. La válvula funciona en función de combinación de caudales cuando el caudal procedente de dos lugares distintos es dirigido a los orificios regulados (Fig. 12-54C). La contrapresión creada por los orificios fijos mantiene juntas las correderas. Otra vez, éstas trabajan conjuntamente para compensar las variaciones en la presión de carga.
VÁLVULAS DE CARTUCHO PARA ROSCAR SENSORAS DE DIFERENCIA DE PRESIONES Estas válvulas (mostradas en la figura 12-55) realizan una amplia variedad de tareas, pero estos elementos no realizan una función completa como las otras válvulas para roscar que ya hemos considerado. Se utilizan para responder a diferencias de presiones detectadas en-otras válvulas. Estas válvulas detectadas son básicamente interruptores todo/nada del caudal que se utilizan como válvulas piloto y funcionan de forma muy parecida a las válvulas de cartucho para insertar que ya se han visto en la primera parte de este capítulo.
CUESTIONARIO 1.
Describa las tres diferencias más importantes entre las válvulas dc cartucho para insertar y para roscar.
2.
Mencionar cinco ventajas del uso de las válvulas de cartucho.
3.
¿Qué otro tipo de válvulas convencionales es muy similar a las válvulas de cartucho para insertar?
4.
¿Cuál es el significado de las áreas "AA", "AB" y "AAP" de las válvulas de cartucho para insertar?
5.
¿Cómo se determina la relación de áreas del inserto de una válvula?
6.
Los obturadores y las camisas de estas válvulas con diferentes relaciones de áreas ¿son intercambiables?
7.
¿Cuáles son las tres variables que hay que tener en cuenta al determinar las fuerzas de abertura y de cierre?
8.
Identificar las fuerzas que actúan para abrir una válvula y las que actúan para cerrarla.
9.
¿Qué determina si la válvula está abierta o cerrada?
10. Cuando se utiliza un inserto de relación de áreas 1:2 como válvula antirretorno ¿por qué es mejor conectar la cámara "Ap" al orificio "B" que el “A”? 1l. Explicar en que difiere el dimensionamiento de una válvula de cartucho del de una válvula convencional tipo corredera. 12. ¿Cuál es la ventaja de un circuito de control de pilotaje independiente en el que cada válvula de cartucho para insertar es actuada por una electroválvula? 13. Describir brevemente las dos funciones principales de la tapa básica de un cartucho para insertar. 14. Explicar la característica adicional de 1a tapa con interfase para una válvula piloto. 15. Explicar la diferencia entre una válvula de seguridad convencional y otra de cartucho para insertar. 16. Explicar la diferencia entre una válvula de cartucho para insertar reguladora de caudal compensada por presión y una válvula típica de aguja que realiza una función similar. 17. Describir como puede obtenerse una limitación de la presión máxima en una válvula de control de caudal de
cartucho para insertar, compensada por presión por derivación de caudal. 18. Describir una válvula proporcional reguladora de caudal e identificar los dos tipos de válvulas de cartucho para insertar en este grupo de válvulas. 19. ¿Qué funciones del sistema hidráulico pueden realizar las válvulas de cartucho para roscar? 20. ¿Qué significan las dos, tres, cuatro vías y tres vías (cortas) en las válvulas de cartucho para roscar? 21. ¿Qué presión se requiere en el orificio de pilotaje para permitir el paso del caudal en el sentido contrario en una válvula antirretorno pilotada de cartucho para roscar? 22. Describir el funcionamiento de una válvula. selectora de cartucho. 23. Describir brevemente el funcionamiento de una válvula de cartucho para roscar que suministra las funciones de válvula de seguridad y de reductora normalmente abierta, ambas de mando directo. 24. ¿Cómo una válvula de cartucho para roscar, utilizada como válvula reguladora de caudal no ajustable y compensada por presión, mantiene una pérdida de carga constante a través del orificio de control?
